智能搜救小車設(shè)計(jì)與制作

周向

（武漢交通職業(yè)學(xué)院，湖北 武漢 430065）

近年來(lái)多發(fā)的火災(zāi)、洪水、地震等自然災(zāi)害，SARS、禽流感、核輻射等傳播能力很強(qiáng)、擴(kuò)散范圍很大的對(duì)人體傷害極大的有毒物質(zhì)帶來(lái)的恐怖，已經(jīng)極大地威脅著人們的安全。人口城市化和城市人口密集現(xiàn)象加劇，高層建筑、地下工程、大型商貿(mào)場(chǎng)所、文化娛樂(lè)場(chǎng)所迅猛發(fā)展，使得城市建筑環(huán)境中的搜救工作需面對(duì)十分復(fù)雜的環(huán)境。

在一些危險(xiǎn)性大的災(zāi)難中，如隨時(shí)會(huì)引起爆炸的火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)，有易燃、易爆或有毒氣體存在的現(xiàn)場(chǎng)，地震后存在易二次倒塌建筑物的現(xiàn)場(chǎng)，施救人員深入現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行偵察或救援有極大的危險(xiǎn)性。人們急于了解災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)的內(nèi)部險(xiǎn)情，但又無(wú)法或不敢接近或進(jìn)入災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)。救援中心無(wú)法獲知有無(wú)有毒氣體泄漏、有無(wú)生命體征、火源等災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，無(wú)法正確做出決策，延誤最佳救援時(shí)機(jī)。

針對(duì)這種情況，本文設(shè)計(jì)了一款智能搜救小車代替人進(jìn)行救援時(shí)的數(shù)據(jù)采集工作，探測(cè)災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)溫度、濕度、煙霧、有無(wú)生命特征等環(huán)境參數(shù)，并及時(shí)地將災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)第一手寶貴資料傳送回救援中心，幫助救援中心作出正確的判斷。

一、智能搜救小車的工作方案

本文研制的智能搜救小車，采用超聲波傳感器進(jìn)行避障；采用藍(lán)牙技術(shù)連接手機(jī)和智能小車，實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信和控制；采用多種傳感器感應(yīng)智能小車周圍的環(huán)境數(shù)據(jù)信息，并通過(guò)藍(lán)牙將數(shù)據(jù)傳輸至手機(jī)。智能搜救小車首先需要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)導(dǎo)引功能和避障功能，因此要求智能小車能夠自動(dòng)識(shí)別或感應(yīng)導(dǎo)引線和障礙物。智能小車應(yīng)能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別路線，選擇正確的行進(jìn)路線，使用傳感器感知路線并作出判斷和相應(yīng)的執(zhí)行動(dòng)作。

為了使智能搜救小車能夠到達(dá)人無(wú)法到達(dá)的災(zāi)難區(qū)域，更好地適應(yīng)復(fù)雜的、未知的工作環(huán)境，能夠穩(wěn)定、全面的勘測(cè)災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)，并將災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)的第一手?jǐn)?shù)據(jù)信息實(shí)時(shí)傳遞給救援指揮中心，搜救幸存者，盡力使災(zāi)難引起的損失降至最小，本文設(shè)計(jì)智能搜救小車方案如下：

安裝在智能搜救小車上的攝像頭通過(guò)手機(jī)藍(lán)牙或計(jì)算機(jī)藍(lán)牙實(shí)時(shí)傳遞現(xiàn)場(chǎng)圖像，救援中心人員根據(jù)圖像信息控制智能搜救小車按規(guī)定的方向行駛。智能搜救小車在行駛的同時(shí)，安裝在智能搜救小車上的溫度傳感器、濕度傳感器、人體紅外感應(yīng)傳感器、煙霧傳感器、超聲波傳感器、高清彩色攝像頭等分別將智能搜救小車所處環(huán)境的各項(xiàng)參數(shù)實(shí)時(shí)采集和處理，并傳遞給救援中心的中央控制器和。人體紅外感應(yīng)傳感器檢測(cè)到有37°以上溫度的生命體特征時(shí)，蜂鳴器響，提示需要救人。同時(shí)，超聲波傳感器可檢測(cè)小車前進(jìn)方向有無(wú)障礙物，進(jìn)行合理避讓?？紤]到智能搜救小車采集、處理、傳遞的信息很多，為了提高信息采集、處理的效率，采用兩個(gè)Arduino控制板進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理。

藍(lán)牙通信距離僅為10米，外接匹配器提升發(fā)射功率，傳輸距離可達(dá)到100米。本文先期已采用藍(lán)牙實(shí)現(xiàn)了智能搜救小車與手機(jī)或電腦的近距離無(wú)線通信和數(shù)據(jù)傳輸。如果后期需要擴(kuò)大智能搜救小車的搜救范圍，可以采用遠(yuǎn)距離無(wú)線通信模塊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離無(wú)線通信。

圖1 智能搜救小車Arduino控制板1與傳感器回路

智能搜救小車的核心Arduino控制板1與人體紅外感應(yīng)傳感器、煙霧傳感器、溫濕度傳感器、液晶顯示器接線如圖1所示。Arduino控制板每隔30秒采樣小車所處環(huán)境的溫度、濕度、煙霧值等信息，在LC1602液晶顯示器予以顯示，并將這些數(shù)據(jù)信息通過(guò)藍(lán)牙無(wú)線傳輸給手機(jī)或計(jì)算機(jī)。人體紅外感應(yīng)傳感器探測(cè)到靜止人體，發(fā)信息給Arduino控制板，Arduino控制板啟動(dòng)蜂鳴器鳴笛，并立即將有人的信息通過(guò)藍(lán)牙發(fā)送到手機(jī)或計(jì)算機(jī)。救援人員接到有人信息后，可通過(guò)藍(lán)牙一邊調(diào)節(jié)攝像頭角度一邊控制小車移動(dòng)，定向地尋找幸存者。

圖2 智能搜救小車Arduino控制板2與超聲波傳感器與電機(jī)回路

如圖2所示，智能搜救小車的Arduino控制板2連接超聲波傳感器，檢測(cè)到前面有障礙物時(shí)，小車可以自行避開(kāi)。Arduino控制板2與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)集成電力L298N相連，根據(jù)無(wú)線藍(lán)牙的控制信息和超聲波檢測(cè)的障礙物信息，驅(qū)動(dòng)各步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)，從而控制小車的前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)。智能搜救小車組件如圖3所示。

圖3 智能搜救小車組件

二、設(shè)計(jì)方案

為了實(shí)時(shí)監(jiān)控、顯示災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)（如火災(zāi)、地震以及救援人員很難到達(dá)的地方）的溫度、濕度、火源距離、光線強(qiáng)度、人體紅外線輻射強(qiáng)度等環(huán)境參數(shù)，并將環(huán)境參數(shù)的數(shù)據(jù)信息實(shí)時(shí)傳遞到救援中心，項(xiàng)目小組在智能搜救小車上安裝了溫濕度傳感器、人體紅外感應(yīng)傳感器、煙霧傳感器、高清彩色攝像頭、蜂鳴器、液晶顯示器、Arduino控制器等設(shè)備，構(gòu)成檢測(cè)和控制系統(tǒng)。

在電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，采用2個(gè)功能強(qiáng)大、性能較好、價(jià)格適中的Arduino控制器作為主控制器。一個(gè)Arduino控制器主要連接傳感器，采集各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)，送入控制器進(jìn)行處理和傳輸?？刂破髯詣?dòng)運(yùn)行事先根據(jù)各項(xiàng)功能編制完成并裝載的程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境各項(xiàng)參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示、傳輸和報(bào)警。一個(gè)Arduino控制器主要連接超聲波傳感器和電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，完成控制小車運(yùn)動(dòng)的任務(wù)。

目前已研制完成的智能搜救小車采用藍(lán)牙實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，極大地受到數(shù)據(jù)傳輸距離的限制。后期擬采用2.4GHZ國(guó)際通用的開(kāi)放頻率的無(wú)線影音傳輸系統(tǒng)將攝像頭采集的影音實(shí)時(shí)傳輸至觀測(cè)點(diǎn)；采用27MHZ的多通道無(wú)線遙控器，在由高清晰彩色攝像頭拍攝的無(wú)線影音傳輸系統(tǒng)傳回的視頻信息協(xié)助下控制小車前、后、左、右的運(yùn)動(dòng)。

三、功能特點(diǎn)

智能搜救小車體型小，運(yùn)動(dòng)靈活，易于控制，可以工作于各種災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)。

智能搜救小車以Arduino單片機(jī)控制板為主控制芯片，通過(guò)外部多個(gè)獨(dú)立的AD轉(zhuǎn)換器將各種傳感器采集到的各種環(huán)境參數(shù)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，送至單片機(jī)控制板進(jìn)行分析處理，運(yùn)算速度快，能夠?qū)?zāi)難現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境參數(shù)實(shí)時(shí)傳輸給救援中心主控制器，提高搜救效率。

智能搜救小車的行駛既可以采用低速的履帶式，也可以采用高速的橡膠輪胎式，運(yùn)動(dòng)方式靈活多樣。智能搜救小車采用無(wú)線遙控方式進(jìn)行控制，使其總體上具有較高的靈活性。智能搜救小車采用無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸方式，極大的提高了信息傳遞的效率，為災(zāi)難援救爭(zhēng)取寶貴的時(shí)間。在智能搜救小車上安裝了測(cè)量、監(jiān)控、報(bào)警、無(wú)線發(fā)射、無(wú)線傳輸?shù)饶K，使小車總體功能和性能得到很大的提高。

四、主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)

本文設(shè)計(jì)的智能搜救小車立志于以較低的成本、較高的性能、較全的功能解決智能搜救小車在人難以達(dá)到或非常危險(xiǎn)的災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)尋人、救人問(wèn)題，較高效率的挽回?fù)p失。為此，大量考察已研制完成的智能小車功能和性能，做出了如下改進(jìn)：

（一）智能搜救小車的整個(gè)電氣控制系統(tǒng)的硬件、軟件設(shè)計(jì)嚴(yán)格按功能劃分模塊，嚴(yán)謹(jǐn)合理，可移植性強(qiáng)、設(shè)計(jì)與執(zhí)行效率高；（二）智能搜救小車的運(yùn)動(dòng)控制采用無(wú)線遙控方式，靈活度較高；（三）實(shí)時(shí)拍攝現(xiàn)場(chǎng)圖像、實(shí)時(shí)搜集現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境參數(shù)，并通過(guò)無(wú)線傳輸方式傳輸數(shù)據(jù)信息。

結(jié)語(yǔ)

本文研發(fā)的智能搜救小車的硬件、軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制作完全按照功能劃分模塊，因此可以很方便的在已研制成功的由手機(jī)藍(lán)牙控制的具有多數(shù)據(jù)采集功能的智能小車的基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)際情況的需要增減功能、修改性能，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化定制的智能小車的設(shè)計(jì)和制作。