基于STM32 的喊話救援小車設計

富浩然,吳文伍

(浙江農業商貿職業學院 汽車技術系,浙江 紹興 312088)

0 引言

隨著用電器使用數量的增加和燃氣管道數量增多,火災發生的概率增大,與此同時,高層建筑中裝修使用有機易燃易爆物比例不降反升。 而火災一旦發生,必須投入消防力量進行救援,以減小著火建筑處的人員傷亡和財產損失。 本文研究了一種消防智能小車來替代部分消防人工作;當消防人員無法進入火情現場時,也可實現火情現場與外界的溝通[1]。

本文擬基于ARM 設計一款具有喊話救援功能的救援智能小車。 同時,對車身結構、電源系統、麥克納姆輪、電機系統控制進行設計選型,主要為在車身上設置有監控系統、控制系統和通信系統。 監控系統和通信系統均與控制系統相連。 監控系統用于采集火災現場的火情和判斷火災建筑所在位置,以便更準確地控制行進方向;通信系統用于外部人員與火場內部人員的通訊[2]。 該智能小車可在未了解火場內部情況時,先進入火場內進行探測,為后續消防人員提供火場情報,減少火場中突發情況對消防員的損害。

1 智能小車的發展與救援小車的研究現狀

1.1 智能小車的發展

智能小車研究始于20 世紀60 年代末,曾名為行走機器人研究。 最初只是單純的機械控制,近10 余年隨著控制芯片的發展,逐漸“智能”化,雖然時間不長,但智能小車的應用非常廣泛。 (1)軍事領域:給智能小車上設置高清攝像機、GPS、夜視儀等裝置,讓智能小車完成情報收集,敵情監測、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)航天領域:代替人類去探索未知的星球。2021 年5 月,我國“祝融”號天問一號任務火星車登陸火星,完成了地面巡視、地質探測任務,這使我國成為世界上第二個獨立掌握火星著陸巡視探測技術的國家。 (3)工程領域:煤氣管道、工業管道、輸油輸汽管道裂紋或泄露破損點的排查等一系列具一定危險性的工作,智能小車都可以完成。 (4)救援工作:自然災害發生后的廢墟巡生救援工作和火災消防救援工作,智能小車都可以協助完成[3-5]。

1.2 喊話救援智能小車的研究現狀

如圖1 所示為一款消防偵察機器人,主要實現在火情早期探測高溫物體,進行物理識別,獲取圖像溫度及位置信息并實時反饋至消防救援中心,由消防工作人員判斷后下達消防指令,每日定時定點巡邏。

圖1 消防偵察機器人

除上述消防小車偵查機器人外,當前消防排煙機器人與消防滅火機器人也逐漸得到應用,如圖2—3所示。 其主要實現滅火、排煙、降毒等功能,每臺重量達千斤,需用卡車運送,由消防員操作無線遙控控制方向,開啟排煙或噴水系統。 受體型空間限制,該機器人通常在火災建筑物周邊移動,生產廠家主要為中信重工[6]。

圖2 消防排煙機器人

圖3 消防滅火機器人

目前,智能小車研究和應用較為廣泛,根據文獻和網絡資源的檢索,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)火情現場的滅火機制機構。 二者的研究重點均為如何消滅火情,對于長時間的滅火,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限制智能消防小車的使用。除此之外,對智能小車而言,喊話救援功能比滅火救援更具有實用價值[7-9]。

在無法得知火場內部情況時,外部指揮人員控制小車進入火場內,并播放逃生指引,被困人員可以按照指引方法逃生。 通過監控系統對火場內部的環境和火情進行攝像,并將視頻由通信系統傳送至外部的指揮員處,方便外部指揮員了解火場內情況。

社會經濟日益發展,某些建筑在擁有巨大社會效益和經濟利益的同時,也伴隨著巨大的風險導致危險物品和易燃易爆物質發生燃燒、爆炸等。 一旦發生災害,消防員必須冒著生命危險完成任務。 近5 年中,年均20 萬起火災數量、有30 位消防人員犧牲,因火情受傷更不在少數。 如何降低火災發生率和提升消防隊員安全系數的問題急需解決,若是有了先進的“小車”輔助消防員,在提升效率的同時也能提升營救的安全系數。

2 喊話救援小車的設計

2.1 本項目的設計思路和方法

基于本項目主要功用是替代和輔助消防員作業,在受困人情緒緊張不知所措的前提下指引逃生。 本設計采用STM32F105 單片機實現,控制電機驅動系統,調節4 個麥輪的轉向與轉速,調整喊話救援內容。電源采用24 V 動力鋰電池供電,攝像模塊完成圖像采集,存儲到存儲器并發射至控制操作員端,操作員控制轉向模塊調整攝像區域,聲放模塊播放逃生指引,拾音模塊收集火情現場聲音信息,操作員根據聲音信息進行直接喊話救援。

具體設計思路如圖4 所示,共包含4 部分內容:(1)車身結構設計。 設計整體車架結構,選擇保險杠形式與安裝方法,前后獨立懸掛的實現與固定,根據電子硬件和電源系統尺寸,對外殼尺寸及安裝孔位進行設計。 (2)系統總體方案設計。 完成單片機型號的選定,直流電機驅動芯片的選型,攝像、存儲、聲放、拾音的匹配設計。 (3)硬件電路設計。 單片機主控單元的設計,攝像驅動單元設計,聲放與拾音驅動單元設計。 (4)系統軟件設計。 主程序設計,電機檢測驅動模塊程序設計,通信模塊程序設計,軟件抗干擾程序設計,安卓操作端的設計等。

圖4 設計思路

2.2 車身結構設計

車身主要包括車架、保險桿、麥克納姆輪、電機、前后獨立懸掛、外殼。 本項目采用薄壁粗鋁方管制作成車架,能安裝螺母的內嵌件進行與方管形成車架主體,在車架前后端均安裝落地防卡導輪,避免飛坡姿態或速度過快造成不穩定落地倒,保險杠與車架采用鋼板進行連接,當車身在承受大載荷沖擊時共同吸收能量,以保護車架破壞。 麥克納姆輪對稱進行分布,魯棒性好,減小內部摩擦損耗,采用連軸方式與電機連接,拆裝簡易,連接強度高,可實現全向移動。 文章所述的電機為M3508P19 直流無刷減速電機,具有體積小功率大的優點,前后獨立懸掛采用縱臂形式,可簡化省去連桿非獨立。 車殼上采用1 mm Q345B 鋼板鈑金制作,以安裝電源系統、監控系統、控制系統等。 其外形如圖5 所示。

圖5 整體設計外形

2.3 控制系統設計

控制系統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,以實現對各個部件運行狀態的監測和數據采集。

采集火災現場的火情和判斷所在建筑位置后,以便更準確地控制行進方向,操作員根據監控系統的圖像信息通過控制轉向模塊調整攝像區域,而不影響車體行進,聲音播放模塊循環播放逃生指引,拾音模塊收集火情現場聲音信息存儲到存儲器或將其通過通信系統發射至控制操作員端,操作員根據聲音信息調整控制內容,進行直接喊話救援。

對于設置目標坐標方位的控制指令,可由手機端繪制PC 端同時發送控制指令至接收器,可實現喊話救援內容轉播與音量大小調節,控制收發信息內容與優先順序。 通信系統采用WiFi 進行傳輸,主要收發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 結語

本文提出的基于STM32 的喊話救援小車,首先對整體車架結構進行了設計,其次對控制系統總體方案進行了研究,最后完成了硬件電路和系統軟件的調試。 主要創新點如下:(1)系統軟件先進程度高。 基于STM32F105 單片機實現了多種接口和協議的集成,電機驅動程序、通信模塊程序、抗干擾程序、攝像驅動程序、聲放與拾音驅動程序,可控制電機驅動系統,控制收發信息內容與優先順序。 (2)動力性能與通過性能好。 電源系統采用24 V 動力鋰電池(99.9 Wh)進行供電,整體車架采用7075 高強鋁合金,整備質量輕,最高時速為45.2 m/min,可實現全向任意移動,最大爬坡度達到51°,關鍵電子元件部位采用氣凝膠包裹隔熱。 (3)使用穩定性高與可靠性強。小車設有前后獨立懸掛和飛輪導向,提高產品結構使用壽命。 設置麥克納姆輪和直流無刷減速電機,魯棒性好,減小內部摩擦損耗,大幅提升小車使用性能,操作員根據聲音信息調整控制內容,進行直接喊話救援,完成控制即時性。

由于實驗條件限制,暫時未對其他性能進行測試,如高溫環境下的使用性能缺少具體數據,搭載的部分傳感器分辨率欠佳,下一步擬應用到真實場景下改進設計。