苑香平 胡銘 侯濤 朱業(yè)

摘 要：若希望消防車模在火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的指定區(qū)域內(nèi)能夠代替工作人員自動(dòng)、快速地完成搶險(xiǎn)滅火任務(wù)，就必然會(huì)面臨諸多難題。為此，基于一種模擬的火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)和消防智能電動(dòng)小車實(shí)物模型，從路徑識(shí)別、直流電動(dòng)機(jī)過渡過程、PWM控制調(diào)速、路徑最優(yōu)化以及定點(diǎn)滅火這5個(gè)方面對(duì)行車過程展開探討，就有關(guān)問題給出相應(yīng)的解決方法。實(shí)踐證明，該車模在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下工作性能優(yōu)良，可以輕松完成消防任務(wù)。

關(guān)鍵詞：循線判決；過渡過程；PWM技術(shù)；最優(yōu)路徑；定點(diǎn)滅火

中圖分類號(hào)：TU998.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）29-0029-04

Abstract： If the fire fighting vehicle model in the designated area of the fire scene can replace the staff to complete the task of rescue and fire fighting automatically and quickly， it is bound to face many difficulties. Therefore， based on a simulated fire scene and fire intelligent electric vehicle physical model， this paper discusses the driving process from five aspects： path identification， DC motor transition process， PWM control speed regulation， path optimization and fixed point fire extinguishing. The corresponding solutions to the related problems are given. The practice has proved that the vehicle model has excellent working performance in laboratory environment and can easily complete the fire fighting task.

Keywords： line following decision； transition process； PWM technology； optimal path； fixed-point extinguishing

前言

眾所周知，生活中的火災(zāi)現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生且難以避免，嚴(yán)重危害人身和財(cái)產(chǎn)安全。因此，智能滅火機(jī)器人的研制一直在路上。

為助力智能滅火機(jī)器人的進(jìn)一步發(fā)展，基于一種模擬的火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)和消防智能電動(dòng)小車實(shí)物模型，探討車模行車過程中所遇到的相關(guān)問題并給出對(duì)應(yīng)的解決方法，同時(shí)通過實(shí)際應(yīng)用測(cè)試其工作性能。

1 火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)模擬環(huán)境

如圖1所示，模擬的火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)為6X6白色方格區(qū)域。其中，以蠟燭充當(dāng)火源隨機(jī)分布在場(chǎng)地當(dāng)中，4個(gè)障礙物固定在相應(yīng)的位置，外圍頂角的4個(gè)方格為安全區(qū)域。車?？梢栽谌我庖粋€(gè)安全區(qū)域啟動(dòng)，然后按照預(yù)先設(shè)定的路徑避開障礙物循黑線到達(dá)指定區(qū)域完成搶險(xiǎn)滅火任務(wù)。

2 消防智能電動(dòng)小車實(shí)物模型

如圖2所示，該模型由車基、紅外對(duì)管、火焰探測(cè)儀、滅火裝置、主控板、驅(qū)動(dòng)和電源等模塊組成。

2.1 車基

車基是承載所有模塊的關(guān)鍵，包括高性能電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298N所驅(qū)動(dòng)的2路小型直流電動(dòng)機(jī)、萬向輪、亞克力板底座和車牌。較4路小型直流電動(dòng)機(jī)所帶動(dòng)的車體而言，這種類型的車基使得車模轉(zhuǎn)向更加便捷。

2.2 紅外尋跡對(duì)管

紅外對(duì)管是一種光電尋跡傳感器，由相應(yīng)的芯片驅(qū)動(dòng)才能正常工作。由圖1和圖3可知，在2路小型直流電動(dòng)機(jī)的中前方區(qū)域至少安裝4路該模塊才能有效地辨別復(fù)雜的路面情況，進(jìn)而來判斷是否執(zhí)行相應(yīng)的行車指令。因車模的行進(jìn)是由位置固定的紅外對(duì)管所決定，故簡(jiǎn)稱循線判決。

2.3 火焰?zhèn)鞲衅?/p>

該模塊專門用來檢測(cè)周圍空間中存在的火焰，探測(cè)距離和精度均可調(diào)節(jié)，其安裝于直流電動(dòng)機(jī)和紅外對(duì)管之間，并與紅外探頭水平線成45度角，這樣安裝的目的是為了盡可能的增大火焰感知范圍。

2.4 滅火小風(fēng)扇

因模擬火場(chǎng)內(nèi)以蠟燭火焰充當(dāng)火源，故可采用小風(fēng)扇將其吹滅來模擬搶險(xiǎn)滅火工作，其安裝位置位于火焰檢測(cè)探頭的正上方并與場(chǎng)地中隨機(jī)分布的蠟燭火焰等高。

值得注意的是，小車在前進(jìn)過程中發(fā)現(xiàn)火源后執(zhí)行停車指令，總是會(huì)與火源偏差一定角度，導(dǎo)致小風(fēng)扇無法正對(duì)火源，從而很難將其熄滅，搶險(xiǎn)滅火任務(wù)就無法完成。因此，為了準(zhǔn)確、可靠地滅火，一個(gè)實(shí)用小技巧是小風(fēng)扇在安裝時(shí)需要與火焰?zhèn)鞲衅魉骄€錯(cuò)開一定的角度。

2.5 主控板

主控板是車模完成搶險(xiǎn)滅火任務(wù)的指揮中心，其外部設(shè)備示意圖如圖4所示。其中，電源采用節(jié)能、環(huán)保的新型電池，指示燈表征電源是否處于供電狀態(tài)，LM2596降壓/穩(wěn)壓模塊給上述傳感器對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)以及SCMC/EMCU 51核心主控提供連續(xù)可調(diào)的電壓。

Single Chip Micro-Computer/Embedded Micro-Controller Unit 51即51單片微型計(jì)算機(jī)或嵌入式微控制器，作為主控板的核心，只有在電源、晶振和復(fù)位電路的配合下才能夠正常工作，繼而控制車模的整個(gè)行車過程，其PROTEUS仿真電路圖如圖5所示（以AT89C51RD

2型單片機(jī)為例）。

下文就車模在整個(gè)行車過程當(dāng)中所遇到的相關(guān)問題展開探討。

3 路徑識(shí)別

目前，用于識(shí)別路徑的傳感器有很多，包括攝像頭、CCD光電傳感器、灰度管以及紅外對(duì)管等。考慮到模擬火場(chǎng)的實(shí)際情況，基于光線反射原理，選用成本較低且易判別黑白線的紅外尋跡對(duì)管作為行車引導(dǎo)儀性價(jià)比最高。

4 過渡過程

直流電動(dòng)機(jī)是一種將直流電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的電磁機(jī)械裝置，在正常的電力拖動(dòng)系統(tǒng)當(dāng)中，往往需要由一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)過渡到另一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，這個(gè)過程稱為電力拖動(dòng)的過渡過程，包括起動(dòng)、正常運(yùn)行和制動(dòng)三個(gè)方面。下面以他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)為例，探討小型直流電動(dòng)機(jī)的過渡過程。

4.1 起動(dòng)過渡過程

他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁線圈和電樞繞組分別單獨(dú)供電，按照先勵(lì)磁后電樞的原則起動(dòng)。如果直接起動(dòng)，電樞電流會(huì)突增，將損壞傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。因此，可以采取減壓起動(dòng)和串電阻起動(dòng)的方法以限制電樞電流。車模電源的供電電壓較小且小型直流電動(dòng)機(jī)前置專用的高性能L298N驅(qū)動(dòng)芯片，所以直接賦予其控制信號(hào)起動(dòng)即可。

4.2 正常運(yùn)行過渡過程

對(duì)于直流電動(dòng)機(jī)而言，該過程又包括正反轉(zhuǎn)、調(diào)速和負(fù)載突變3個(gè)子模塊。其中，車模的所有設(shè)備一直保持固定，所以負(fù)載突變導(dǎo)致的不確定性因素可以忽略不計(jì)；直流電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)則直接由其驅(qū)動(dòng)芯片所接收到的邏輯信號(hào)來決定；而車模的運(yùn)行速度卻是整個(gè)行車過程的核心所在，對(duì)應(yīng)的調(diào)速方法有降電壓調(diào)速和弱磁調(diào)速等多種方式，這里采用應(yīng)用較為廣泛的PWM控制技術(shù)來調(diào)速，同時(shí)調(diào)速性能的好壞取決于調(diào)速范圍、靜差率和平滑性等技術(shù)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

4.3 制動(dòng)過渡過程

他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)有2種工作狀態(tài)，分別是電動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)和制動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。其中，電動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)可以由上述2個(gè)過渡過程解釋，而制動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的特點(diǎn)是電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的方向與轉(zhuǎn)速的方向相反，目的是使電力拖動(dòng)系統(tǒng)停車。

停車的方法有自由停車法、電磁制動(dòng)器“抱閘”法、能耗制動(dòng)、反接制動(dòng)和回饋再生制動(dòng)法5種途徑，較為經(jīng)濟(jì)的是回饋再生制動(dòng)法。當(dāng)然，車模停車最快捷的能控方式便是其驅(qū)動(dòng)芯片信號(hào)接收端執(zhí)行置位或清零操作即均為高電平信號(hào)或低電平信號(hào)。

5 PWM控制調(diào)速

PWM（Pulse Width Modulation）即脈沖寬度調(diào)制，是一種基于沖量/面積等效原理，通過對(duì)一系列等幅不等寬矩形波脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制來等效獲得所需波形的實(shí)用技術(shù)。SCMC/EMCU 51主控產(chǎn)生PWM信號(hào)的基本方式有3種，分別是延時(shí)模擬、定時(shí)器模擬和計(jì)數(shù)器配置專用IO口輸出。延時(shí)模擬方式適用于電機(jī)速度測(cè)試，因占用CPU的執(zhí)行空間會(huì)對(duì)其他操作產(chǎn)生干擾，故不予采用；較前者而言，定時(shí)器模擬方式雖然性能優(yōu)良，但被許多操作共享，控制繁瑣，故也不可采用；而計(jì)數(shù)器配置專用IO口輸出方式只需設(shè)置好相應(yīng)的計(jì)數(shù)器，將單片機(jī)外部P1^3和P1^4中任意一個(gè)控制口的輸出信號(hào)送入高性能電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298N的控制端，就可以讓車模穩(wěn)定地獲得期望的行車速度，故可采用該方式。

6 路徑最優(yōu)化

行車路徑可隨意設(shè)置，只要完成任務(wù)即可，但如果要求用時(shí)最短、檢測(cè)范圍無死角，那么最優(yōu)的行車路徑可如圖6所示，這樣便可同時(shí)滿足上述2個(gè)要求。圖6基于圖1模擬的火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)，白色軌道為行車路徑，通過圖中的黑色短箭頭進(jìn)行引導(dǎo)可知車模轉(zhuǎn)向情況。

7 定點(diǎn)滅火

準(zhǔn)確找到火源并將其熄滅是任務(wù)中最直接的目的，要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，就必須記錄車模行車過程中所經(jīng)過的十字交叉點(diǎn)位置信息，才能在合適的位置可靠停車。即便車模能夠定點(diǎn)停車，也并不能保證火源被熄滅，如果停車時(shí)延長(zhǎng)小風(fēng)扇的工作時(shí)間，那么這個(gè)問題將迎刃而解。

下面給出十字交叉點(diǎn)位置信息的采集程序，對(duì)行車原理作一補(bǔ)充說明。

綜上所述，搭載PWM控制調(diào)速程序和十字交叉點(diǎn)位置信息采集程序的車模在模擬火場(chǎng)中行車穩(wěn)定，可以自動(dòng)、快速地發(fā)現(xiàn)火源后及時(shí)定點(diǎn)停車并將其熄滅，能夠完成指定區(qū)域內(nèi)的搶險(xiǎn)滅火任務(wù)。

8 結(jié)束語

經(jīng)驗(yàn)證，該消防智能電動(dòng)小車實(shí)物模型在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下工作性能良好，因此在全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽中取得了優(yōu)異的成績(jī)。相信以此為原型的智能滅火機(jī)器人會(huì)逐步投入到實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中并普及開來，為人類自身和財(cái)產(chǎn)安全保駕護(hù)航。

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