消防車模完成搶險滅火任務的實現方法

苑香平 胡銘 侯濤 朱業

摘 要：若希望消防車模在火災現場的指定區域內能夠代替工作人員自動、快速地完成搶險滅火任務，就必然會面臨諸多難題。為此，基于一種模擬的火災現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控制調速、路徑最優化以及定點滅火這5個方面對行車過程展開探討，就有關問題給出相應的解決方法。實踐證明，該車模在實驗室環境下工作性能優良，可以輕松完成消防任務。

關鍵詞：循線判決；過渡過程；PWM技術；最優路徑；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，生活中的火災現象時有發生且難以避免，嚴重危害人身和財產安全。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展，基于一種模擬的火災現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問題并給出對應的解決方法，同時通過實際應用測試其工作性能。

1 火災現場模擬環境

如圖1所示，模擬的火災現場為6X6白色方格區域。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的位置，外圍頂角的4個方格為安全區域。車模可以在任意一個安全區域啟動，然后按照預先設定的路徑避開障礙物循黑線到達指定區域完成搶險滅火任務。

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、驅動和電源等模塊組成。

2.1 車基

車基是承載所有模塊的關鍵，包括高性能電機驅動芯片L298N所驅動的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，由相應的芯片驅動才能正常工作。由圖1和圖3可知，在2路小型直流電動機的中前方區域至少安裝4路該模塊才能有效地辨別復雜的路面情況，進而來判斷是否執行相應的行車指令。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 火焰傳感器

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節，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 滅火小風扇

因模擬火場內以蠟燭火焰充當火源，故可采用小風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現火源后執行停車指令，總是會與火源偏差一定角度，導致小風扇無法正對火源，從而很難將其熄滅，搶險滅火任務就無法完成。因此，為了準確、可靠地滅火，一個實用小技巧是小風扇在安裝時需要與火焰傳感器水平線錯開一定的角度。

2.5 主控板

主控板是車模完成搶險滅火任務的指揮中心，其外部設備示意圖如圖4所示。其中，電源采用節能、環保的新型電池，指示燈表征電源是否處于供電狀態，LM2596降壓/穩壓模塊給上述傳感器對應的驅動以及SCMC/EMCU 51核心主控提供連續可調的電壓。

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。考慮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換為機械能的電磁機械裝置，在正常的電力拖動系統當中，往往需要由一個穩定狀態過渡到另一個穩定狀態，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。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、調速和負載突變3個子模塊。其中，車模的所有設備一直保持固定，所以負載突變導致的不確定性因素可以忽略不計；直流電動機的正反轉則直接由其驅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，對應的調速方法有降電壓調速和弱磁調速等多種方式，這里采用應用較為廣泛的PWM控制技術來調速，同時調速性能的好壞取決于調速范圍、靜差率和平滑性等技術和經濟指標。

4.3 制動過渡過程

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

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動芯片信號接收端執行置位或清零操作即均為高電平信號或低電平信號。

5 PWM控制調速

PWM（Pulse Width Modulation）即脈沖寬度調制，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制來等效獲得所需波形的實用技術。SCMC/EMCU 51主控產生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的執行空間會對其他操作產生干擾，故不予采用；較前者而言，定時器模擬方式雖然性能優良，但被許多操作共享，控制繁瑣，故也不可采用；而計數器配置專用IO口輸出方式只需設置好相應的計數器，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動芯片L298N的控制端，就可以讓車模穩定地獲得期望的行車速度，故可采用該方式。

6 路徑最優化

行車路徑可隨意設置，只要完成任務即可，但如果要求用時最短、檢測范圍無死角，那么最優的行車路徑可如圖6所示，這樣便可同時滿足上述2個要求。圖6基于圖1模擬的火災現場，白色軌道為行車路徑，通過圖中的黑色短箭頭進行引導可知車模轉向情況。

7 定點滅火

準確找到火源并將其熄滅是任務中最直接的目的，要實現這一目標，就必須記錄車模行車過程中所經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定，可以自動、快速地發現火源后及時定點停車并將其熄滅，能夠完成指定區域內的搶險滅火任務。

8 結束語

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

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