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)場的指定區(qū)域內(nèi)能夠代替工作人員自動、快速地完成搶險滅火任務(wù)，就必然會面臨諸多難題。為此，基于一種模擬的火災(zāi)現(xiàn)場和消防智能電動小車實物模型，從路徑識別、直流電動機過渡過程、PWM控制調(diào)速、路徑最優(yōu)化以及定點滅火這5個方面對行車過程展開探討，就有關(guān)問題給出相應(yīng)的解決方法。實踐證明，該車模在實驗室環(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；定點滅火

中圖分類號：TU998.1 文獻標志碼：A 文章編號：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)象時有發(fā)生且難以避免，嚴重危害人身和財產(chǎn)安全。因此，智能滅火機器人的研制一直在路上。

為助力智能滅火機器人的進一步發(fā)展，基于一種模擬的火災(zāi)現(xiàn)場和消防智能電動小車實物模型，探討車模行車過程中所遇到的相關(guān)問題并給出對應(yīng)的解決方法，同時通過實際應(yīng)用測試其工作性能。

1 火災(zāi)現(xiàn)場模擬環(huán)境

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

2 消防智能電動小車實物模型

如圖2所示，該模型由車基、紅外對管、火焰探測儀、滅火裝置、主控板、驅(qū)動和電源等模塊組成。

2.1 車基

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

2.2 紅外尋跡對管

紅外對管是一種光電尋跡傳感器，由相應(yīng)的芯片驅(qū)動才能正常工作。由圖1和圖3可知，在2路小型直流電動機的中前方區(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，進而來判斷是否執(zhí)行相應(yīng)的行車指令。因車模的行進是由位置固定的紅外對管所決定，故簡稱循線判決。

2.3 火焰?zhèn)鞲衅?/p>

該模塊專門用來檢測周圍空間中存在的火焰，探測距離和精度均可調(diào)節(jié)，其安裝于直流電動機和紅外對管之間，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

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

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

2.5 主控板

主控板是車模完成搶險滅火任務(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應(yīng)的驅(qū)動以及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單片微型計算機或嵌入式微控制器，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行車過程，其PROTEUS仿真電路圖如圖5所示（以AT89C51RD

2型單片機為例）。

下文就車模在整個行車過程當中所遇到的相關(guān)問題展開探討。

3 路徑識別

目前，用于識別路徑的傳感器有很多，包括攝像頭、CCD光電傳感器、灰度管以及紅外對管等?？紤]到模擬火場的實際情況，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管作為行車引導(dǎo)儀性價比最高。

4 過渡過程

直流電動機是一種將直流電能轉(zhuǎn)換為機械能的電磁機械裝置，在正常的電力拖動系統(tǒng)當中，往往需要由一個穩(wěn)定狀態(tài)過渡到另一個穩(wěn)定狀態(tài)，這個過程稱為電力拖動的過渡過程，包括起動、正常運行和制動三個方面。下面以他勵直流電動機為例，探討小型直流電動機的過渡過程。

4.1 起動過渡過程

他勵直流電動機的勵磁線圈和電樞繞組分別單獨供電，按照先勵磁后電樞的原則起動。如果直接起動，電樞電流會突增，將損壞傳動機構(gòu)。因此，可以采取減壓起動和串電阻起動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機前置專用的高性能L298N驅(qū)動芯片，所以直接賦予其控制信號起動即可。

4.2 正常運行過渡過程

對于直流電動機而言，該過程又包括正反轉(zhuǎn)、調(diào)速和負載突變3個子模塊。其中，車模的所有設(shè)備一直保持固定，所以負載突變導(dǎo)致的不確定性因素可以忽略不計；直流電動機的正反轉(zhuǎn)則直接由其驅(qū)動芯片所接收到的邏輯信號來決定；而車模的運行速度卻是整個行車過程的核心所在，對應(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)濟指標。

4.3 制動過渡過程

他勵直流電動機有2種工作狀態(tài)，分別是電動運轉(zhuǎn)狀態(tài)和制動運轉(zhuǎn)狀態(tài)。其中，電動運轉(zhuǎn)狀態(tài)可以由上述2個過渡過程解釋，而制動運轉(zhuǎn)狀態(tài)的特點是電機電磁轉(zhuǎn)矩的方向與轉(zhuǎn)速的方向相反，目的是使電力拖動系統(tǒng)停車。

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

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，通過對一系列等幅不等寬矩形波脈沖的寬度進行調(diào)制來等效獲得所需波形的實用技術(shù)。SCMC/EMCU 51主控產(chǎn)生PWM信號的基本方式有3種，分別是延時模擬、定時器模擬和計數(shù)器配置專用IO口輸出。延時模擬方式適用于電機速度測試，因占用CPU的執(zhí)行空間會對其他操作產(chǎn)生干擾，故不予采用；較前者而言，定時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；而計數(shù)器配置專用IO口輸出方式只需設(shè)置好相應(yīng)的計數(shù)器，將單片機外部P1^3和P1^4中任意一個控制口的輸出信號送入高性能電機驅(qū)動芯片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，但如果要求用時最短、檢測范圍無死角，那么最優(yōu)的行車路徑可如圖6所示，這樣便可同時滿足上述2個要求。圖6基于圖1模擬的火災(zāi)現(xiàn)場，白色軌道為行車路徑，通過圖中的黑色短箭頭進行引導(dǎo)可知車模轉(zhuǎn)向情況。

7 定點滅火

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

下面給出十字交叉點位置信息的采集程序，對行車原理作一補充說明。

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

8 結(jié)束語

經(jīng)驗證，該消防智能電動小車實物模型在實驗室環(huán)境下工作性能良好，因此在全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽中取得了優(yōu)異的成績。相信以此為原型的智能滅火機器人會逐步投入到實際應(yīng)用當中并普及開來，為人類自身和財產(chǎn)安全保駕護航。

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