一、任务
设计一个由四旋翼无人机及消防车构成的空地协同智能消防系统。无人机上安装垂直向下的激光笔，用于指示巡逻航迹。巡防区域为40dm× 48dm。无人机巡逻时可覆盖地面8dm宽度区域。以缩短完成全覆盖巡逻时间为原则，无人机按照规划航线巡逻。发现火情后立即采取初步消防措施，并将火源地点位置信息发给消防车，使其前往熄灭火源。空地协同巡逻及消防工作完成时间越短越好。
图 1 消防区域示意图
二、要求
1. 基本要求
（1）参赛队需自制模拟火源。模拟火源是用电池供电的红色光源，如 LED等，用激光笔持续照射可控制开启或关闭：持续照射 2 秒左右开启，再持续照射 2 秒左右关闭。
（2）展示规划的巡逻航线图，在消防车上按键启动无人机垂直起飞后，无人机以 18dm 左右高度，在巡防区域按规划的航线完成全覆盖巡逻。
（3）无人机与消防车之间采用无线通信；巡逻期间无人机每秒向消防车发送 1 次位置坐标信息，消防车上显示器实时更新显示无人机位置坐标信息。
（4）巡逻中，消防车显示器显示巡逻航迹曲线，计算并显示累计巡逻航程。
（5）完成巡逻后，无人机返回，准确降落在起飞区域内。
2. 发挥部分
（1）手动操作激光笔点亮一个火源。在消防车上启动无人机巡逻。无人机按规划航线巡逻，发现火情后，前往接近火源（水平距离≤5dm）识别确认，再在无人机上用 LED 指示灯示警。
（2）无人机飞至火源地点上方，降低至 10dm 左右高度，悬停 3s 后抛洒灭火包，灭火包落在以火源点为中心、半径 3dm 圆形区域内；再将火源地点位置坐标发送给消防车，然后继续巡逻，完成后返航回到起飞点。
（3）消防车接收到火情信息，显示火源地点位置坐标后，从消防站出发前往火源地点，途中不得碾压街区及其边界线，在 5dm 距离内以激光笔光束照射模拟火源将其熄灭。
（4）熄灭模拟火源后消防车返回到出发区域内。发挥部分限时 360s 内完成。
（5）其他。
三、说明
1.消防巡防区域说明
（1）参赛队在赛区提供的场地测试，不得擅自改变测试环境条件。
（2）图 1 中消防巡防区域铺设的亚光喷绘布底色为淡灰色（R-240、G-240、B-240）；白色部分是街区，消防车不得驶入；街区以外区域淡灰色地面上画有 1dm×1dm 的坐标线，线条颜色为淡蓝色（R-180、G-230、B-255）；左下方为坐标原点（0，0），右上方顶点坐标为（48，40）；左下角黑色区域是无人机起降点，红色区域是消防车停车点。无人机可在整个巡防区域上空飞行，消防车只能在街区以外区域行驶，且不得碾压边界线。
（3）消防车上激光笔照射在地面的光斑直径不得大于 2cm；无人机上的激光笔固定不得转动，光斑直径不得大于 6mm。
（4）参赛队需制作 3 只带电源开关的模拟火源，根据评委指示放置在某些白色街区中。模拟火源可用电池供电的红色 LED 等，需带向上的喇叭形遮光罩，遮光罩角度约 60°左右，见图2，高度不超过 10cm。可用激光笔控制其开启或关闭。竞赛结束一并封入作品箱。
（5）巡防区上方、右侧各有一条 1.8cm 宽黑色标志线，用于无人机辅助定位，也可采用 UWB 等其他定位方式；巡防区域内坐标线仅用于方便观察无人机航迹及消防车位置之用。无人机巡逻飞行时，激光笔扫到 8dm×8dm 粗线框区域内某处，即视为巡逻覆盖了该区域。
（6）灭火包可采用沙袋等软质物品，重量不小于 10g。无人机释放抛洒灭火包的方式不限。
（7）40dm×48dm 巡防区四周及顶部设置安全网，支架在安全网外。若有辅助定位装置，须在巡防区及其上方空间之外。
（8）测试现场避免阳光直射，但不排除顶部照明灯及窗外环境光照射，参赛队应考虑到测试现场会受到外界光照或室内照明不均等影响因素；测试时不得提出光照条件要求。
2.无人机及消防车要求
（1）参赛队使用无人机时应遵守中国民用航空局的相关管理规定。
（2）无人机最大轴间距不大于 45cm。
（3）无人机桨叶必须全防护，否则不予测试。
（4）无人机上的激光笔垂直向下安装，不得移动、转动。
（5）起飞前，无人机可手动放置到起降点；手动一键启动起飞，起飞后整个飞行过程中不得人为干预；若采用无人机以外的启动或急停操作装置，一键启动起飞操作后必须立刻将装置交给工作人员。
（6）调试及测试时必须佩戴防护眼镜，戴防护手套，穿长袖长裤。
（7）消防车要求使用 4 轮电动小车，长宽投影尺寸不大于 20cm×35cm，高度不大于 40cm；不得使用麦克纳姆轮。
3. 测试要求与说明
（1）测试时，自带一只与消防车上相同的激光笔。
（2）题目中火源地点、无人机位置等坐标信息均为在地面的投影坐标；坐标以巡防区域左下角为原点，单位为分米（dm）。
（3）开始测试前，向测试评委展示含尺寸的巡逻规划航线图，方式不限。
（4）基本要求、发挥部分中各项要求在同一按键启动后自动连续完成，期间不得人为干预无人机或消防车工作。中途停止后，记录已完成部分成绩。
（5）发挥部分测试前，根据测试评委指示，用激光笔点亮某个模拟火源。
（6）消防车可在巡防区内有坐标线区域行驶，碾压巡防区域边界及街区黑色边界线将扣分。
（7）每次测试全过程中不得更换电池；两次测试之间允许更换电池，更换电池时间不大于 2 分钟。
GPT-4o给出的设计方案：
一、 硬件组成
- 无人机部分
- 无人机平台：选择稳定性好、载重量适中的四轴飞行器。
- 激光笔：高亮度红色激光笔，用于指示巡逻航迹点。
- 显示屏：OLED显示屏，用于显示巡逻进度和目标信息。
- 控制器：高性能飞控板，支持精确飞行控制和数据处理。
- 电池及电源管理：高容量锂电池，保证长时间飞行。
- 消防车部分
- 无人机启动传感器：红外或超声波传感器，用于检测无人机的垂直起降状态。
- 显示屏：OLED显示屏，用于显示巡逻进度和位置坐标。
- 无线通信模块：Wi-Fi或RF无线通信模块，用于与无人机的实时通信。
- 火源设备
- 模拟火源：使用电池供电的红色LED，开启后持续闪烁2秒，再间隔2秒关闭。
二、无人机与消防车交互
- 启动与起飞
- 消防车进入巡逻区域后，按下启动按钮，无人机垂直起飞至0.7米。
- 在消防车上控制无人机进行垂直起飞和水平移动。
- 巡逻航线规划与路径
- 根据预设航线，无人机垂直起飞至18dm高度，然后左右各10dm直线飞行。
- 使用图像处理算法（如颜色检测和边缘检测）识别地面格尺，利用算法规划航线，确保巡逻覆盖整个区域。
- 实时通信与显示
- 无人机与消防车通过无线通信模块实时传输位置与状态数据。
- 消防车显示屏上显示实时巡逻进度和当前位置坐标，使消防人员随时掌握巡逻情况。
三、火源识别与灭火操作
- 火源识别
- 无人机飞至模拟火源附近（水平距离不超过5dm），通过激光笔指示确定位置。
- 无人机上的摄像头捕捉到火源信息后，进行图像识别（如颜色识别、形状识别）。
- 火源坐标计算与传输
- 识别火源后，无人机将火源的准确坐标通过无线通信模块发送至消防车。
- 消防车接收到火源坐标后，更新显示器上的信息，提示消防人员进行灭火操作。
四、巡逻与续航
- 完整巡逻
- 无人机按照预设路径完成巡逻后，将巡逻数据（如覆盖面积、火源数量、飞行时间等）发送至消防车。
- 确认巡逻任务完成后，消防车显示巡逻报告，包括火源位置及处理建议。
- 精准定位与返航
- 无人机在发现火源后，传输火源位置信息至消防车，然后返回起飞点。
- 若续航电量不足，无人机将在返航过程中自动调整飞行速度，以节省能源，确保安全返回。
五、校准与测试
- 初次校准
- 对无人机、激光笔及传感器进行初次校准，确保设备工作正常。
- 对火源设备进行测试，确保LED灯正常工作，照度合适。
- 性能测试
- 在模拟环境中进行巡逻任务，检测无人机的飞行稳定性、精度和续航能力。
- 测试无线数据传输的实时性和准确性，确保信息传输无误。
- 实地测试
- 在规定区域内进行实际巡逻和灭火任务测试，检查系统的整体性能和可靠性。
通过这种设计方案，无人机和消防车能够协同工作，高效完成巡逻和火源定位任务，实现智能消防系统的目标。
题目考察的知识点：
本题目考察了智能控制系统的设计与实现，具体涉及以下几个知识点：
- 无人机控制：包括飞行平台选择、飞行路径规划、垂直起降、高度控制和实时位置控制等。
- 传感器与通信：利用传感器检测和获取信息，并通过无线模块实现无人机与消防车之间的实时通信。
- 图像处理与识别：通过摄像头获取图像，利用图像处理算法（如颜色检测、形状识别）识别模拟火源的位置。
- 集成与协同工作：将上述硬件与算法结合，实现系统的协同工作，如无人机巡逻、火源识别、信息传输和灭火操作。
- 系统校准与测试：确保系统硬件、通信模块和图像识别算法的准确性和可靠性，并通过初次校准和性能测试，实现系统在实际场景中的高效运行。
