車載森林防火脈沖式水槍的研究與設計

劉凱+++魏艷秀++楊維東++許繼紅

摘 要：伴隨著科學技術不斷發展，自動控制技術在森林防火領域起到了至關重要的作用，森林防火裝置也逐漸實現了數字化與智能化。“以水滅火”作為撲救森林火災的主要技術手段，如何準確有效的撲滅火源，防止火勢蔓延成為技術關鍵。針對這一問題，設計了一種車載森林防火脈沖式九孔水槍，采用PID控制算法對槍架的仰俯角與方位角進行控制，保證了水槍射擊精度，減小了滅火彈落點誤差，提高了滅火效率。

關鍵詞：森林防火；脈沖式；水槍

中圖分類號：TP271 文獻標識碼：A

Abstract： With the development of science and technology，automatic control technology play a crucial role in the forest fire prevention area， and the forest fire prevention device gradually realizes digital and intelligent. ‘dousing the fire with water is the major technical methods to extinguish the forest fires， and that how to extinguish the fire source accurately and effectively and how to stop the fire from spreading become key technologies on. To solve this problem， a vehicular forest fire proof nine-hole pulsed water gun is designed in this paper. The PID control algorithm is used in this device to control the pitch angle and azimuth angle of the gun rack. This control algorithm ensures the shooting accuracy of the water gun， reduce the fire extinguishing bomb drop point error and improve the efficiency of extinguishing fire.

Keyword： forest-fire prevention； pulse； water gun

森林火災危害巨大，在燒毀樹木的同時還嚴重的破壞了森林結構與森林環境，導致森林生態系統失去平衡。由于森林火災具有突發性強、破壞性大的特點，給森林防火工作帶來諸多阻礙。在火災發生時，火勢蔓延與拓展速度快，無法靠近火源的情況下如何迅速有效地進行撲救，成為當下森林保護領域研究的熱點問題。

本文針對上述問題，設計一種車載森林防火脈沖式水槍，并對其系統組成、使用方式以及系統軟件、硬件的設計進行了理論論證與分析。

1.系統設計方案

車載森林防火脈沖式水槍采用雙閉環控制系統，對槍架的仰俯角與方位角進行閉環控制，選用編碼器對槍架角度進行測量，與輸入角度值進行比較，將誤差進行放大后通過A/D轉換輸入到STM32控制器，通過采用PID控制算法輸出PWM信號驅動伺服電機從而驅動槍架不斷調整仰俯角與方位角，直至誤差為零，系統的控制結構圖如圖1所示。

2.系統硬件設計

車載森林防火脈沖式水槍主要由角度調節裝置以及脈沖式發射裝置組成。其中角度調節裝置包括推桿電機俯角調節裝置、伺服電機方位角調節裝置兩部分組成。根據實際需求與實驗優化搭建了系統實物仿真平臺如圖2所示。下面以各裝置為單位，分別對各裝置進行硬件的分析與設計。

2.1角度調節裝置的設計

為保證車載森林防火脈沖式水槍發射滅火彈的有效范圍與射擊精度，采用伺服推桿電機實現槍筒仰俯角控制，采用大扭矩伺服電機與平面軸承相結合實現槍架方位角控制。

推桿電機仰俯角調節裝置選用的伺服推桿電機行程為500mm，將仰俯裝置的仰俯中心記為原點，仰俯角范圍可由0°～75°，推力可達1600N，帶載運行速度可達12mm/s。

在伺服推桿電機軸上加裝增量式編碼器，將推桿電機行進位移轉化為周期性電信號，再將這個電信號轉變為脈沖信號，脈沖信號經過STM32控制器進行處理便可以將推桿電機位移的變化量轉變成槍架的角度變化量。

方位角控制裝置的伺服電機選型要根據車載森林防火脈沖式水槍的參數進行確定，設計在槍架轉速最大時電機轉速為180r/min，為保證電機的穩定工作，在進行電機選型時增加了15%的轉速余量，即選用n=207r/min的電機。車載森林防火脈沖式水槍的質量M=50kg，對系統模型進行理想化，如圖3所示，將負載質量等效到圓盤上，圓盤直徑D=500mm，則計算出負載的轉動慣量為

即1.5625kg·m2。設計減速機的減速比為1：20，則折算到伺服電機軸上的負載慣量為

通過查詢電機型號及參數，與18W最接近的為36W，則確定所選用伺服電機參數為：額定功率36W，工作電壓12V，堵轉電流3.2A，傳動效率0.8。

伺服電機型號確定后由光電編碼器測量到的槍架旋轉角度與給定角度進行比較產生偏差送進行控制，經過PID控制器調節后由STM32輸出PWM控制信號驅動伺服電機工作。

2.2系統耦合分析

由于車載森林防火脈沖式水槍的特殊工作環境，可能因為林區道路崎嶇或者在滅火彈發射時水槍具有一定的后坐力使槍架發生震動將槍架與地面之間形成一定的夾角，從而導致發射精度下降，無法達到預定的效果。所以需要對系統進行耦合分析，對水槍發射坐標系與地面坐標系進行坐標變換，從而可以達到在上述產生夾角的情況下系統進行自動校正，保證發射精度。endprint

分別對槍架與地面建立空間直角坐標系OXYZ與OX1Y1Z1，則根據系統與地面產生夾角情況分析，會產生角a與角b，分別是OY1與平面OXY產生的縱向夾角、OX1與平面OXY產生的橫向夾角。夾角在空間直角坐標系的示意圖如圖4所示。

根據空間變換規則，對坐標系OXYZ與OX1Y1Z1進行坐標變換，得到坐標系OXYZ與OX1Y1Z1之間存在如下關系：

通過測量橫向夾角b與縱向夾角a的值便可以計算出變換后的坐標值，即對產生誤差后的發射角進行了矯正。

2.3脈沖式發射裝置的設計

為提高車載森林防火脈沖式水槍的自動化程度，設計時采用點動開關進行觸發，STM32對點動開關進行掃描，當檢測到點動開關動作時發生中斷，輸出PWM信號對相應舵機進行控制，舵機動作觸動水槍發射開關進行滅火彈發射。脈沖式發射裝置硬件連接示意圖如圖5所示。

2.4電源電路的設計

車載森林防火脈沖式水槍采用車載12V電源供電，分模塊對各功能器件進行供電，電源電路設計框圖如圖6所示。為保證脈沖觸發裝置工作的可靠性，對觸動發射開關的舵機采用最大扭矩輸出情況下的電壓供電，經LTC3780降壓模塊將車載12V轉換為8.4V；STM32供電由車載12V經LTC3780降壓模塊轉換為3.3V；為保證控制仰俯角的伺服推桿電機以及控制方位角的伺服電機工作的穩定性，車載12V首先經穩壓模塊進行穩壓并對其進行過流保護后接入電機，防止對系統造成損害。

3.系統控制算法設計

系統軟件設計主要包括對外部輸入信號的檢測、伺服電機位置環與速度環任務信息的處理以及PWM信號的處理，設計系統主程序流程圖如圖7所示。

首先進行系統初始化，包括STM32初始化以及外部設備初始化，初始化完成后循環判斷是否觸發定時中斷，中斷到來后對控制者輸入數據進行運算處理，并根據輸出值控制STM32首次輸出PWM控制信號，對發射方位角與仰俯角進行調整。第一次粗調結束后，讀取角度傳感器值，判斷角度是否達到發射精度要求。若未達到要求，則按著坐標系變化規則進行角度調整得到角度偏差，并對偏差進行PID控制直至滿足精度要求；達到精度要求對點動按鈕進行掃描，當控制者發出發射命令時，STM32控制相應舵機動作觸動發射開關進行發射。

結語

車載森林防火脈沖式水槍設計從森林防火所遇到的難點出發，系統選擇車載的方式，提高了系統的機動性，適合在林區長期作業；在設計中針對外界因素以及裝置本身震動可能引起的發射誤差采用耦合分析的方式進行了發射角度矯正，保證了發射精度；滅火彈的發射采用脈沖式觸發裝置，增強了系統的自動化程度，為森林防火裝備的數字化與智能化建設提供新的思路。經過對車載森林防火脈沖式水槍進行滅火彈發射滅火實驗，驗證了其具有優越的滅火性能，具有較好的應用前景。

參考文獻

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