富浩然,吳文伍

(浙江農(nóng)業(yè)商貿(mào)職業(yè)學(xué)院 汽車技術(shù)系,浙江 紹興 312088)

0 引言

隨著用電器使用數(shù)量的增加和燃?xì)夤艿罃?shù)量增多,火災(zāi)發(fā)生的概率增大,與此同時(shí),高層建筑中裝修使用有機(jī)易燃易爆物比例不降反升。 而火災(zāi)一旦發(fā)生,必須投入消防力量進(jìn)行救援,以減小著火建筑處的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。 本文研究了一種消防智能小車來(lái)替代部分消防人工作;當(dāng)消防人員無(wú)法進(jìn)入火情現(xiàn)場(chǎng)時(shí),也可實(shí)現(xiàn)火情現(xiàn)場(chǎng)與外界的溝通[1]。

本文擬基于ARM 設(shè)計(jì)一款具有喊話救援功能的救援智能小車。 同時(shí),對(duì)車身結(jié)構(gòu)、電源系統(tǒng)、麥克納姆輪、電機(jī)系統(tǒng)控制進(jìn)行設(shè)計(jì)選型,主要為在車身上設(shè)置有監(jiān)控系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和通信系統(tǒng)。 監(jiān)控系統(tǒng)和通信系統(tǒng)均與控制系統(tǒng)相連。 監(jiān)控系統(tǒng)用于采集火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的火情和判斷火災(zāi)建筑所在位置,以便更準(zhǔn)確地控制行進(jìn)方向;通信系統(tǒng)用于外部人員與火場(chǎng)內(nèi)部人員的通訊[2]。 該智能小車可在未了解火場(chǎng)內(nèi)部情況時(shí),先進(jìn)入火場(chǎng)內(nèi)進(jìn)行探測(cè),為后續(xù)消防人員提供火場(chǎng)情報(bào),減少火場(chǎng)中突發(fā)情況對(duì)消防員的損害。

1 智能小車的發(fā)展與救援小車的研究現(xiàn)狀

1.1 智能小車的發(fā)展

智能小車研究始于20 世紀(jì)60 年代末,曾名為行走機(jī)器人研究。 最初只是單純的機(jī)械控制,近10 余年隨著控制芯片的發(fā)展,逐漸“智能”化,雖然時(shí)間不長(zhǎng),但智能小車的應(yīng)用非常廣泛。 (1)軍事領(lǐng)域:給智能小車上設(shè)置高清攝像機(jī)、GPS、夜視儀等裝置,讓智能小車完成情報(bào)收集,敵情監(jiān)測(cè)、偵察、自主巡邏等功能;除此之外,小車還可以完成掃雷,投放彈藥等工作。 (2)航天領(lǐng)域:代替人類去探索未知的星球。2021 年5 月,我國(guó)“祝融”號(hào)天問(wèn)一號(hào)任務(wù)火星車登陸火星,完成了地面巡視、地質(zhì)探測(cè)任務(wù),這使我國(guó)成為世界上第二個(gè)獨(dú)立掌握火星著陸巡視探測(cè)技術(shù)的國(guó)家。 (3)工程領(lǐng)域:煤氣管道、工業(yè)管道、輸油輸汽管道裂紋或泄露破損點(diǎn)的排查等一系列具一定危險(xiǎn)性的工作,智能小車都可以完成。 (4)救援工作:自然災(zāi)害發(fā)生后的廢墟巡生救援工作和火災(zāi)消防救援工作,智能小車都可以協(xié)助完成[3-5]。

1.2 喊話救援智能小車的研究現(xiàn)狀

如圖1 所示為一款消防偵察機(jī)器人,主要實(shí)現(xiàn)在火情早期探測(cè)高溫物體,進(jìn)行物理識(shí)別,獲取圖像溫度及位置信息并實(shí)時(shí)反饋至消防救援中心,由消防工作人員判斷后下達(dá)消防指令,每日定時(shí)定點(diǎn)巡邏。

圖1 消防偵察機(jī)器人

除上述消防小車偵查機(jī)器人外,當(dāng)前消防排煙機(jī)器人與消防滅火機(jī)器人也逐漸得到應(yīng)用,如圖2—3所示。 其主要實(shí)現(xiàn)滅火、排煙、降毒等功能,每臺(tái)重量達(dá)千斤,需用卡車運(yùn)送,由消防員操作無(wú)線遙控控制方向,開啟排煙或噴水系統(tǒng)。 受體型空間限制,該機(jī)器人通常在火災(zāi)建筑物周邊移動(dòng),生產(chǎn)廠家主要為中信重工[6]。

圖2 消防排煙機(jī)器人

圖3 消防滅火機(jī)器人

目前,智能小車研究和應(yīng)用較為廣泛,根據(jù)文獻(xiàn)和網(wǎng)絡(luò)資源的檢索,消防智能小車研究主要集中在:(1)消防小車的路線尋跡避障;(2)火情現(xiàn)場(chǎng)的滅火機(jī)制機(jī)構(gòu)。 二者的研究重點(diǎn)均為如何消滅火情,對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間的滅火,忽略了滅火所需的原料與電源,如泡沫、水罐和干粉等耗材會(huì)限制智能消防小車的使用。除此之外,對(duì)智能小車而言,喊話救援功能比滅火救援更具有實(shí)用價(jià)值[7-9]。

在無(wú)法得知火場(chǎng)內(nèi)部情況時(shí),外部指揮人員控制小車進(jìn)入火場(chǎng)內(nèi),并播放逃生指引,被困人員可以按照指引方法逃生。 通過(guò)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)火場(chǎng)內(nèi)部的環(huán)境和火情進(jìn)行攝像,并將視頻由通信系統(tǒng)傳送至外部的指揮員處,方便外部指揮員了解火場(chǎng)內(nèi)情況。

社會(huì)經(jīng)濟(jì)日益發(fā)展,某些建筑在擁有巨大社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)利益的同時(shí),也伴隨著巨大的風(fēng)險(xiǎn)導(dǎo)致危險(xiǎn)物品和易燃易爆物質(zhì)發(fā)生燃燒、爆炸等。 一旦發(fā)生災(zāi)害,消防員必須冒著生命危險(xiǎn)完成任務(wù)。 近5 年中,年均20 萬(wàn)起火災(zāi)數(shù)量、有30 位消防人員犧牲,因火情受傷更不在少數(shù)。 如何降低火災(zāi)發(fā)生率和提升消防隊(duì)員安全系數(shù)的問(wèn)題急需解決,若是有了先進(jìn)的“小車”輔助消防員,在提升效率的同時(shí)也能提升營(yíng)救的安全系數(shù)。

2 喊話救援小車的設(shè)計(jì)

2.1 本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)思路和方法

基于本項(xiàng)目主要功用是替代和輔助消防員作業(yè),在受困人情緒緊張不知所措的前提下指引逃生。 本設(shè)計(jì)采用STM32F105 單片機(jī)實(shí)現(xiàn),控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),調(diào)節(jié)4 個(gè)麥輪的轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)速,調(diào)整喊話救援內(nèi)容。電源采用24 V 動(dòng)力鋰電池供電,攝像模塊完成圖像采集,存儲(chǔ)到存儲(chǔ)器并發(fā)射至控制操作員端,操作員控制轉(zhuǎn)向模塊調(diào)整攝像區(qū)域,聲放模塊播放逃生指引,拾音模塊收集火情現(xiàn)場(chǎng)聲音信息,操作員根據(jù)聲音信息進(jìn)行直接喊話救援。

具體設(shè)計(jì)思路如圖4 所示,共包含4 部分內(nèi)容:(1)車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 設(shè)計(jì)整體車架結(jié)構(gòu),選擇保險(xiǎn)杠形式與安裝方法,前后獨(dú)立懸掛的實(shí)現(xiàn)與固定,根據(jù)電子硬件和電源系統(tǒng)尺寸,對(duì)外殼尺寸及安裝孔位進(jìn)行設(shè)計(jì)。 (2)系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)。 完成單片機(jī)型號(hào)的選定,直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的選型,攝像、存儲(chǔ)、聲放、拾音的匹配設(shè)計(jì)。 (3)硬件電路設(shè)計(jì)。 單片機(jī)主控單元的設(shè)計(jì),攝像驅(qū)動(dòng)單元設(shè)計(jì),聲放與拾音驅(qū)動(dòng)單元設(shè)計(jì)。 (4)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。 主程序設(shè)計(jì),電機(jī)檢測(cè)驅(qū)動(dòng)模塊程序設(shè)計(jì),通信模塊程序設(shè)計(jì),軟件抗干擾程序設(shè)計(jì),安卓操作端的設(shè)計(jì)等。

圖4 設(shè)計(jì)思路

2.2 車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

車身主要包括車架、保險(xiǎn)桿、麥克納姆輪、電機(jī)、前后獨(dú)立懸掛、外殼。 本項(xiàng)目采用薄壁粗鋁方管制作成車架,能安裝螺母的內(nèi)嵌件進(jìn)行與方管形成車架主體,在車架前后端均安裝落地防卡導(dǎo)輪,避免飛坡姿態(tài)或速度過(guò)快造成不穩(wěn)定落地倒,保險(xiǎn)杠與車架采用鋼板進(jìn)行連接,當(dāng)車身在承受大載荷沖擊時(shí)共同吸收能量,以保護(hù)車架破壞。 麥克納姆輪對(duì)稱進(jìn)行分布,魯棒性好,減小內(nèi)部摩擦損耗,采用連軸方式與電機(jī)連接,拆裝簡(jiǎn)易,連接強(qiáng)度高,可實(shí)現(xiàn)全向移動(dòng)。 文章所述的電機(jī)為M3508P19 直流無(wú)刷減速電機(jī),具有體積小功率大的優(yōu)點(diǎn),前后獨(dú)立懸掛采用縱臂形式,可簡(jiǎn)化省去連桿非獨(dú)立。 車殼上采用1 mm Q345B 鋼板鈑金制作,以安裝電源系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等。 其外形如圖5 所示。

圖5 整體設(shè)計(jì)外形

2.3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)主要完成外部傳感器采集信息的處理,如溫度傳感器、煙霧傳感器、氧氣濃度傳感器等,以實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)部件運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)采集。

采集火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的火情和判斷所在建筑位置后,以便更準(zhǔn)確地控制行進(jìn)方向,操作員根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)的圖像信息通過(guò)控制轉(zhuǎn)向模塊調(diào)整攝像區(qū)域,而不影響車體行進(jìn),聲音播放模塊循環(huán)播放逃生指引,拾音模塊收集火情現(xiàn)場(chǎng)聲音信息存儲(chǔ)到存儲(chǔ)器或?qū)⑵渫ㄟ^(guò)通信系統(tǒng)發(fā)射至控制操作員端,操作員根據(jù)聲音信息調(diào)整控制內(nèi)容,進(jìn)行直接喊話救援。

對(duì)于設(shè)置目標(biāo)坐標(biāo)方位的控制指令,可由手機(jī)端繪制PC 端同時(shí)發(fā)送控制指令至接收器,可實(shí)現(xiàn)喊話救援內(nèi)容轉(zhuǎn)播與音量大小調(diào)節(jié),控制收發(fā)信息內(nèi)容與優(yōu)先順序。 通信系統(tǒng)采用WiFi 進(jìn)行傳輸,主要收發(fā)車身與外部指揮員二者之間的圖像與聲音信息。

部分核心方位坐標(biāo)的控制代碼如下:

Get coordinate (IDC_E_X, str1);

Get coordinate (IDC_E_Y, str1);

numberx= _txoset(str1);

numbery= _tyoset(str1);

coordinate 8_t gz1_data[] = { 0x00, 0x02, 0x01,0x06, numberx / 512, numbery / 512 };

next (control time);

3 結(jié)語(yǔ)

本文提出的基于STM32 的喊話救援小車,首先對(duì)整體車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì),其次對(duì)控制系統(tǒng)總體方案進(jìn)行了研究,最后完成了硬件電路和系統(tǒng)軟件的調(diào)試。 主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)如下:(1)系統(tǒng)軟件先進(jìn)程度高。 基于STM32F105 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)了多種接口和協(xié)議的集成,電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序、通信模塊程序、抗干擾程序、攝像驅(qū)動(dòng)程序、聲放與拾音驅(qū)動(dòng)程序,可控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),控制收發(fā)信息內(nèi)容與優(yōu)先順序。 (2)動(dòng)力性能與通過(guò)性能好。 電源系統(tǒng)采用24 V 動(dòng)力鋰電池(99.9 Wh)進(jìn)行供電,整體車架采用7075 高強(qiáng)鋁合金,整備質(zhì)量輕,最高時(shí)速為45.2 m/min,可實(shí)現(xiàn)全向任意移動(dòng),最大爬坡度達(dá)到51°,關(guān)鍵電子元件部位采用氣凝膠包裹隔熱。 (3)使用穩(wěn)定性高與可靠性強(qiáng)。小車設(shè)有前后獨(dú)立懸掛和飛輪導(dǎo)向,提高產(chǎn)品結(jié)構(gòu)使用壽命。 設(shè)置麥克納姆輪和直流無(wú)刷減速電機(jī),魯棒性好,減小內(nèi)部摩擦損耗,大幅提升小車使用性能,操作員根據(jù)聲音信息調(diào)整控制內(nèi)容,進(jìn)行直接喊話救援,完成控制即時(shí)性。

由于實(shí)驗(yàn)條件限制,暫時(shí)未對(duì)其他性能進(jìn)行測(cè)試,如高溫環(huán)境下的使用性能缺少具體數(shù)據(jù),搭載的部分傳感器分辨率欠佳,下一步擬應(yīng)用到真實(shí)場(chǎng)景下改進(jìn)設(shè)計(jì)。