呂彬彬 王憲磊 蘇冬冬 冀 恩 方衍義 李永健 張洪艦

（塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300）

無線遙控火災(zāi)救援探測(cè)裝置研究

呂彬彬 王憲磊 蘇冬冬 冀 恩 方衍義 李永健 張洪艦

（塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300）

近年來旋翼無人飛行器的應(yīng)用日趨廣泛，其中四旋翼具有靈活性高，可以垂直升降，多角度操控，搭載多個(gè)傳感器等優(yōu)點(diǎn)，是近來研究的熱門對(duì)象。針對(duì)火災(zāi)中常常需要消防人員進(jìn)入火災(zāi)現(xiàn)場尋找是否有被困人員，文章主要研究小型四旋翼在狹小空間自主飛行，完成特定任務(wù)，能將空間內(nèi)的被控人員信息傳回接收裝置并顯示，方便消防人員判斷處理。采用的飛行器結(jié)構(gòu)簡單，可操控性高，使用靈活，試驗(yàn)機(jī)驗(yàn)證了裝置的可行性，并且該裝置還預(yù)留了wifi視頻接口便于以后升級(jí)，可以添加攝像頭，增加攝影功能等。

無線遙控；火災(zāi)；飛行器；探測(cè)；壁障

1 引言

我國人口眾多，由于自然因素或人為誤操作導(dǎo)致火災(zāi)現(xiàn)象頻繁發(fā)生。在火災(zāi)現(xiàn)場中常常有人因吸入煙霧而昏迷。而且火災(zāi)現(xiàn)場情況復(fù)雜消防人員在煙霧中會(huì)看不清被困人員，導(dǎo)致被困人員的救援延時(shí)。或者現(xiàn)場沒有被困人員而消防人員還要進(jìn)入現(xiàn)場，既耽誤了應(yīng)有的火災(zāi)救援時(shí)間，還有可能對(duì)消防人員安全造成不必要的傷害。

本文設(shè)計(jì)一種小型四軸無線遙控飛行裝置，可按照指令進(jìn)入火災(zāi)現(xiàn)場，檢測(cè)現(xiàn)場是否有人，并把信息傳回遙控裝置，便于救援人員判斷火災(zāi)現(xiàn)場被控人員情況，實(shí)施相應(yīng)的救援方案。

2 探測(cè)裝置核心元件

該探測(cè)裝置需要用到飛行器，采用四軸飛行器。四軸飛行器相對(duì)于傳統(tǒng)的飛行器來說，有結(jié)構(gòu)簡單，體積小，重量輕，噪聲小等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)承力結(jié)構(gòu)沒有什么太大的要求。而且多旋翼能保證飛行的動(dòng)力，空氣動(dòng)力學(xué)性質(zhì)可以有簡單的模型代替，便于控制。四軸飛行器也有較好的飛行性能和垂直起降功能。還可外接多種傳感器，擁有很強(qiáng)的擴(kuò)展性和適應(yīng)性，可以挑戰(zhàn)多種復(fù)雜的環(huán)境實(shí)現(xiàn)不同的實(shí)用要求。

3 探測(cè)裝置系統(tǒng)方案

該裝置主要以STM32單片機(jī)為控制核心，加以電源電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，人體紅外感應(yīng)模塊以及超聲波傳感器模塊等構(gòu)成。消防人員無線遙控裝置使探測(cè)裝置進(jìn)入火災(zāi)現(xiàn)場。裝置進(jìn)入火災(zāi)現(xiàn)場后能智能躲避現(xiàn)場的壁障，并通過人體紅外傳感器采集被困人員信息，將信息送給單片機(jī)進(jìn)行分析處理然后將火災(zāi)現(xiàn)場被困人員信息傳回接收裝置并顯示，易于消防員了解火災(zāi)現(xiàn)場被困人員情況，便于下一步救援措施的制定。整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以單片機(jī)為核心，利用了多種傳感器，將軟件和硬件相結(jié)合。

4 探測(cè)裝置硬件設(shè)計(jì)

該火災(zāi)救援探測(cè)裝置主要由飛行器模塊，人體感應(yīng)模塊，超聲波模塊，電源模塊，藍(lán)牙模塊等組成。

4.1 機(jī)架構(gòu)成

機(jī)架是十字狀，各種模塊固定在機(jī)架上。電機(jī)采用空心杯牌的無刷直流電機(jī)，固定在四個(gè)端點(diǎn)上。旋轉(zhuǎn)漿固定在電機(jī)上，正漿反漿交替安裝。機(jī)架鳥瞰如圖1所示，機(jī)架近景如圖2所示。

圖1 機(jī)架鳥瞰圖

4.2 紅外線傳感器模塊設(shè)計(jì)

人體紅模塊外傳感器，由集成比較器芯片LM393，1個(gè)紅外接收頭（光敏二極管），2個(gè)濾波電容，2個(gè)上拉電阻2個(gè)限流電阻，2個(gè)LED指示燈，1個(gè)10K的電位器組成。反向輸入端為設(shè)定的閥值，通過電位器來調(diào)節(jié)閥值。當(dāng)沒有感應(yīng)到紅外線時(shí)，正向輸入端IN1+為高電平，反向輸入端IN1-電壓（閥值）低于正向輸入端IN1+電壓；輸出端OUT1沒有輸出；當(dāng)紅外接收管感應(yīng)到紅外線時(shí)，正向輸入端IN1+輸入的電壓快速降低，反向輸入端IN1-電壓高于正向輸入端IN1+電壓，輸出管飽和，所以輸出端OUT1輸出低電平。

4.3 紅外光電開關(guān)ST178進(jìn)行避障

紅外光電開關(guān)ST178進(jìn)行避障，光電開關(guān)的工作原理是根據(jù)投光器發(fā)出的光束，被物體阻斷或部分反射，受光器最終據(jù)此作出判斷反應(yīng)，是利用被檢測(cè)物體對(duì)紅外光速的遮光或反射，當(dāng)檢測(cè)到有障礙物的時(shí)候，光電對(duì)管就能夠接受到物體反射的紅外光，其物體不限于金屬，對(duì)所有能反射的光線的物體均能檢測(cè)。光電對(duì)管ST178操作簡單實(shí)用方便。當(dāng)有光線反射回來時(shí)，輸出低電平。當(dāng)沒有光線反射回來的時(shí)候，輸出高電平。

自動(dòng)壁障主要依靠5個(gè)超聲波傳感器，檢測(cè)人數(shù)依靠紅外人體感應(yīng)傳感器。通過傳感器感應(yīng)外界環(huán)境然后傳送給STM32，STM32根據(jù)超聲波傳感器的數(shù)據(jù)自動(dòng)壁障，把紅外人體感應(yīng)傳感器的數(shù)據(jù)傳給上位機(jī)。運(yùn)行簡述如下：

（1）進(jìn)入假象環(huán)境（火災(zāi)）后，超聲波傳感器五個(gè)方向（前后左右下）傳感器不停的檢測(cè)飛行器四周的距離，紅外人體感應(yīng)傳感器開始檢測(cè)人體。

（2）超聲波傳感器發(fā)現(xiàn)距離小于50cm時(shí)即發(fā)送警告信號(hào)給STM32，紅外人體感應(yīng)傳感器感應(yīng)到人體后發(fā)送高電平。

（3）STM32在接收到某個(gè)方向有警告的信號(hào)后，立即將這個(gè)方向上的速度減為0，接收到紅外人體感應(yīng)傳感器的高電平后發(fā)送給上位機(jī)，上位機(jī)進(jìn)行顯示人數(shù)，再次接受到STM32的數(shù)據(jù)后累加。

4.4 無線遙控模塊選擇

無線遙控是利用無線信號(hào)在空氣中傳播可根據(jù)無線電波的頻率來遙控可穿透一定的障礙物，它的特點(diǎn)是無方向性、可以不面對(duì)面控制、距離遠(yuǎn)、容易受電磁干擾。

5 探測(cè)裝置軟件構(gòu)成

5.1 上位機(jī)

主要是針對(duì)裝置的需要通過藍(lán)牙與飛行器通信，具有傳感器數(shù)據(jù)的傳輸，姿態(tài)的顯示，測(cè)試電機(jī)及傳感器，還可以查看電亮以及其他功能。上位機(jī)如圖3所示。

圖3 上位機(jī)

5.2 下位機(jī)

下位機(jī)主要是STM32里的程序，主要負(fù)責(zé)姿態(tài)的檢測(cè)及計(jì)算，接受命令及傳輸數(shù)據(jù)，控制輸出。STM32直接控制著電機(jī)的旋轉(zhuǎn)，所以飛行器的安全性，可操作性，穩(wěn)定性等都依靠它。

6 結(jié)束語

本文主要是針對(duì)建筑物內(nèi)發(fā)生火災(zāi)而設(shè)計(jì)的飛行器探測(cè)器，其機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單，可操控性好，具有廣闊的應(yīng)用前景。消防人員無線遙控該裝置進(jìn)入火災(zāi)現(xiàn)場，探測(cè)裝置通過人體紅外傳感器采集火災(zāi)現(xiàn)場被困人員數(shù)量，并將信息傳回單片機(jī)接收裝置進(jìn)行分析處理，并通過數(shù)碼管顯示火災(zāi)現(xiàn)場被困人員數(shù)量，便于消防員采取不同救援措施提供參考。整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以單片機(jī)為核心，利用了多種傳感器，將軟件和硬件相結(jié)合，可以為消防員火災(zāi)救援提供幫助。該裝置擴(kuò)展性高，以后還可搭載攝像頭進(jìn)行高壓巡線，拍攝高處線路的故障圖片，還可以對(duì)建筑物內(nèi)進(jìn)行拍攝，以便給安保人員和警察提供信息參考，有很廣泛的應(yīng)用前景。

[1] 孟磊,蔣宏,羅俊,等.四旋翼飛行器無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程,2011(12):140-142.

[2] 劉煥曄.小型四旋翼飛行器飛行控制系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[D].上海:上海交通大學(xué),2009.

[3] 寇建國.人體紅外感應(yīng)技術(shù)在斜井運(yùn)輸管理上的應(yīng)用[J].山東煤炭科技,2012(6):37-38.

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[6] 黃鵬宇,曾路榮,楊川,等.一種新型災(zāi)難救援四軸航拍飛行器設(shè)計(jì)[J].四川兵工學(xué)報(bào),2014,06:124-128.

Wireless remote control fire rescue detection device research

In recent years, the application of rotor unmanned aerial vehicle is getting more and more widely, including four rotor with high flexibility, vertical movements, multi angle control, equipped with multiple sensors and other advantages, is a popular object of recent research. Aiming at the fire often need to fire personnel to enter the scene of the fire to find out whether there is trapped, this paper mainly studies the small four rotor in the autonomous flight of narrow space, to complete a specific task, can be accused of personnel within the space of information back to the receiving device and display, convenient for firemen to judgment processing. The aircraft structure is simple, controllable high, flexible use, verified the feasibility of the testing machine device, and the device also reserved the WiFi video interface to facilitate later upgrade, you can add a camera photography, increase the function etc.

Wireless remote control; fire; aircraft; probe; barrier

TP249

A

1008-1151(2015)01-0021-02

2014-12-01

塔里木大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（2014045）。

呂彬彬（1990－），男，新疆精河人，塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院學(xué)生，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)電氣化與自動(dòng)化。

王憲磊（1983－），男，陜西子洲人，塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院講師，碩士，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)及其自動(dòng)化。