一种氢燃料电池消防救援无人机及使用方法
技术领域
本发明涉及无人机消防技术领域，具体涉及一种氢燃料电池消防救援无人机及使用方法。
背景技术
随着经济的发展，火灾发生率逐年上升，尤其是草原和森林火灾，由于火场大多地势险要或位置偏僻，人员装备难以快速到达火场，往往会错失火灾初期火势较小的有利战机；在火势猛烈蔓延阶段，人员移动速度明显落后于火焰蔓延速度，对人员安全构成极大威胁；在火灾尾声，大量分散的局部火点复燃也给人工灭火带来巨大挑战。另外，越来越多的城市高层建筑，也逐渐成为消防救援的新难点。
现有消防无人机大多以锂电池为动力源，携带小型灭火炮、消防水带等装备，通过单台人工遥控的方式进行灭火或火场勘察。由于受制于锂电池能量密度的局限，无人机续航时间短，载重小，受环境温度影响大，灭火效能较低，尤其是面对草原和森林火灾这样的大规模野外火灾或者需要长时间持续灭火时，更是束手无策。同时，人工操作的效能也受制于飞手的操作经验和当时的工作状态。
另外，航空用锂离子电池由于充放电循环次数有限，使用寿命较短，成本昂贵；而且锂电池充电时间多在6～8小时，遇突发火情或险情时，不能快速响应，长时间连续作业时需要准备大量备用电池，需要频繁更换电池，使用维护成本高、操作繁琐、便捷性不足。
发明内容
针对上述现有技术存在的不足，本发明提供了一种氢燃料电池消防救援无人机及使用方法，可延长续航时间、增加有效载荷、极大地提高灭火救援效能。
本发明的技术方案是，一种氢燃料电池消防救援无人机及使用方法，用于灭火及应急救援。
所述氢燃料电池消防救援无人机以氢气作为燃料，以氢燃料电池发电的方式为旋翼、控制器和其他机载设备供电，同时配备小容量电池作为辅助电源。
所述使用方法，既可以单台遥控操作，也可以多台集群自动或半自动作业。
所述氢燃料电池消防救援无人机，包括机体、飞行控制器、氢燃料电池动力系统、云台、起落支架；机体包括无人机主体结构、桨臂、驱动电机、传动轴、旋翼；飞行控制器包括驱动电机控制模块、GPS模块、导航模块、无线电通信模块；氢燃料电池动力系统包括碳纤维储氢气瓶、压力传感器、减压阀、电磁阀、氢燃料电池堆、电流转换器、控制模块、辅助电池；云台设有固定式挂载装置和可控开闭的挂载装置；起落支架为四套可伸缩的、内设减震弹簧的管状套筒组合，均匀分布于机体四周，一端与机体连接固定，另一端在起降时与地面接触。
所述氢燃料电池消防救援无人机，机体材料为碳纤维增强复合材料、钛合金、铝合金材料中的一种或几种之组合。
所述使用方法，氢燃料电池消防救援无人机执行多台集群灭火作业时，使用步骤如下：
步骤1、一台氢燃料电池消防救援无人机(监视机)升空，自主飞行至预设位置悬停或预设区域内巡逻，通过光学或红外摄像头实时回传火场视频，自动识别、确定燃烧点位置并回传位置数据；
步骤2、后续氢燃料电池消防救援无人机携带灭火弹或灭火炮依次升空或编队飞行，依据监视机提供的燃烧点位置数据，按照系统自动规划或人工规划的飞行路线，到达燃烧点附近，自动或人工释放灭火弹或灭火炮；
步骤3、每台氢燃料电池消防救援无人机携带的灭火弹或灭火炮全部释放完毕后，自动按系统规划的最优飞行路线飞回起飞点上空悬停，等待降落指令；灭火弹或灭火炮未全部释放时，氢燃料电池消防救援无人机也可一键自动返回起飞点上空悬停，等待降落信号；等待降落的无人机之间自动保持安全距离；
步骤4、在起飞点设置人员进行灭火弹或灭火炮的挂载和储氢气瓶的更换，同时负责向等待降落无人机和待出发无人机发出降落和起飞指令；
步骤5、收到降落指令的无人机按预设程序定点降落；收到起飞指令的无人机重复步骤1或步骤2～5。
所述使用方法，执行单台灭火、救援作业时，氢燃料电池消防救援无人机可向被救人员或指定地点空投医疗救援设备、器材；也可以提供长时间定点或跟随照明；还可以搭载通信设备。
所述使用方法，在应急救援环境中，氢燃料电池消防救援无人机可以作为应急电源使用，通过USB接口或其他类型输出接头向外接设备供电。
与现有技术相比，本发明的氢燃料电池消防救援无人机续航时间大幅延长，有效载荷大幅增减，不仅可以完成消防救援任中的侦查监视工作，更能直接参与消防救援工作，特别是自动化集群使用时，灭火效能大幅提高；同时，本发明的氢燃料电池消防救援无人机，能量补充速度快，环境适应性强，复杂环境中能大幅降火场对消防人员生命安全的威胁，为应急救援提供更强大的支持，提高救援成功率。
附图说明
下面将结合附图和实施例对本发明做进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例一种氢燃料电池消防救援无人机总体示意图。
图2是本发明实施例一种氢燃料电池消防救援无人机系统框图。
图3是本发明实施例一种氢燃料电池消防救援无人机使用方法示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清晰，下面将结合本发明中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细描述，需要注意的是，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域或普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提出了一种氢燃料电池消防救援无人机及使用方法，该无人机有效载荷大、续航时间长，氢燃料电池额定输出功率10kW,既可以单台人工遥控或按预订程序执行消防救援任务，也可以多台集群自主执行消防救援任务。
如图1～2所示，本发明实施例提供了一种氢燃料电池消防救援无人机，包括机体(1)、飞行控制器(2)、氢燃料电池动力系统、云台(3)、起落支架(4)；其中：
机体包括无人机主体结构、桨臂(5)、驱动电机(6)、传动轴(7)、旋翼 (8)；主体结构用于承载氢燃料电池动力系统、飞行控制器、云台以及起落支架；驱动电机驱动传动轴转动，传动轴带动旋翼转动产生升力；旋翼数量为6 个。
飞行控制器包括驱动电机控制模块、GPS模块、导航模块、无线电通信模块；驱动电机控制模块主要控制驱动电机转速，从而控制升降和方向；GPS模块负责提供位置、高度、加速度等数据；导航模块根据位置、高度、加速度等数据以及系统指令，向驱动电机控制模块发出指令；无线电通信模块负责无人机之间、无人机与地面站之间的数据传输、指令传输。
氢燃料电池动力系统为无人机及机载设备提供电力，主要包括碳纤维储氢气瓶(9)、压力传感器、减压阀、电磁阀、氢燃料电池堆(10)、电流转换器、控制模块(11)、辅助电池。
云台设有固定式挂载装置和可控开闭的挂载装置(12)。
起落支架为四套可伸缩的、内设减震弹簧的管状套筒组合，均匀分布于机体四周，一端与机体连接固定，另一端在起降时与地面接触。
本发明实施例中，机体材料为碳纤维增强复合材料。
如图3所示，本发明实施例提供了一种氢燃料电池消防救援无人机使用方法，当氢燃料电池消防救援无人机执行多台集群自主灭火作业时，使用步骤如下：
步骤1、一台监视氢燃料电池消防救援无人机(13)升空，自主飞行至预设位置悬停，通过红外摄像头实时回传火场视频，自动识别、确定燃烧点位置并回传位置数据；
步骤2、后续氢燃料电池消防救援无人机(14)携带灭火弹依次升空、编队飞行，依据监视机提供的燃烧点位置数据，按照系统自动规划的飞行路线，到达燃烧点(15)正上方10米高度位置，自动释放灭火弹；
步骤3、每台氢燃料电池消防救援无人机携带的灭火弹全部释放完毕后，自动按系统规划的最优飞行路线飞回起飞点上空悬停，等待降落指令；灭火弹未全部释放时，氢燃料电池消防救援无人机也可一键自动返回起飞点(16)上空悬停，等待降落信号；等待降落的无人机之间自动保持10米距离；
步骤4、在起飞点设置人员进行灭火弹的挂载和储氢气瓶的更换，同时负责向等待降落无人机和待出发无人机发出降落和起飞指令；
步骤5、收到降落指令的无人机按预设程序定点降落；收到起飞指令的无人机重复步骤2～5。
