一種滅火避障小車設(shè)計(jì)

欒廣宇 楊旭峰 苑志宇 申楚儀 楊志宇

（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)電氣與信息學(xué)院，黑龍江 大慶163319）

1 概述

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，智能小車用于火災(zāi)救援具有實(shí)際意義，如家庭等室內(nèi)小型場所的應(yīng)用。國際上，美國和前蘇聯(lián)較早地開展消防小車（消防機(jī)器人）的研究，隨后，日本、德國、英國等國家都開展此項(xiàng)研究。如，日本東京的消防機(jī)器人“彩虹5 號(hào)”、美國的Remotec 公司Andros 消防小車、德國的LUF60 水霧滅火小車（履帶式遙控）、日本的懸浮式消防機(jī)器人“Dragon Fire Fighter”、挪威的“安娜·康達(dá)”消防機(jī)器人、英國的JCB165 型消防偵察小車、美國的InRob Tech 公司的FFR-1 消防小車等等。國內(nèi)，公安部上海消防科學(xué)研究所等單位聯(lián)合研制了履帶式、輪式消防滅火偵察自動(dòng)化小車。大連理工大學(xué)等多單位共同研發(fā)高層建筑消防救災(zāi)小車，該小車具有吸附、爬升、伸縮、破障和照明等功能。上海交通大學(xué)和上海消防科學(xué)研究所聯(lián)合研發(fā)一種多功能的消防小車，該小車可探測和消防火場中易燃、易爆、有毒氣體。中國科技大學(xué)研發(fā)了LA-100 型雙波段大空間早期火災(zāi)智能探測系統(tǒng)，該系統(tǒng)對(duì)火災(zāi)煙霧和火焰探測采用特制感煙紅外陣列器材或紅外攝像機(jī)。各國對(duì)消防小車（消防機(jī)器人）研究的方向以及應(yīng)用場景有所不同，可按照不同的方式進(jìn)行分類。從主要功能角度，消防小車可分為火場偵察小車、破拆小車、危險(xiǎn)品泄露探測小車、滅火小車、救人小車和多功能消防小車。從行走方式角度，消防小車可分為輪式行走消防小車、履帶式行走消防小車、吸盤式行走消防小車。從控制方式角度，消防小車可分為線控消防小車、無線遙控消防小車、自動(dòng)適應(yīng)消防小車?，F(xiàn)在消防小車已由程序控制發(fā)展到具有智能化。為了實(shí)現(xiàn)監(jiān)測小型場所，本文提出了一種基于STC89C52 芯片的滅火避障小車，其利用火焰?zhèn)鞲衅骱统暡▊鞲衅鞣謩e地檢測火源和避開障礙物，然后用高速運(yùn)轉(zhuǎn)滅火扇撲滅火源，同時(shí)通過藍(lán)牙芯片，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送和接收。該小車具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、體積小等優(yōu)點(diǎn)，為及時(shí)救援提供有效幫助，具有一定的實(shí)際應(yīng)用意義。

2 滅火避障小車軟硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的滅火避障小車以STC89C52 芯片為主控器，以及由數(shù)據(jù)采集模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、滅火模塊、藍(lán)牙模塊、電源模塊、報(bào)警模塊組成。該小車硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。圖中，數(shù)據(jù)采集分為火焰?zhèn)鞲衅鳈z測的環(huán)境中火源數(shù)據(jù)和超聲波傳感器（US-015）檢測的障礙物數(shù)據(jù)。為保證火源檢測的精確位置，遠(yuǎn)紅外火焰?zhèn)鞲衅鞅环植加谛≤嚿系亩鄠€(gè)方位。其能探測波長700 納米～1000 納米范圍內(nèi)的紅外光，當(dāng)波長為880 納米時(shí)其靈敏度最高。驅(qū)動(dòng)模塊采用可驅(qū)動(dòng)兩電機(jī)的L293D 芯片為驅(qū)動(dòng)核心，當(dāng)使能端為高電平時(shí)，小車驅(qū)動(dòng)被啟動(dòng)，并根據(jù)檢測到的障礙物數(shù)據(jù)，改變行駛的小車路徑，實(shí)現(xiàn)避障功能。滅火模塊是當(dāng)小車行駛到火源旁時(shí)，通過滅火扇的高速運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)滅火功能。考慮到傳輸距離，藍(lán)牙模塊采用HC-12 芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送和接收。報(bào)警模塊主要由蜂鳴器和數(shù)碼管組成。

圖1 小車硬件結(jié)構(gòu)框圖

2.2 軟件設(shè)計(jì)

該小車?yán)没鹧鎮(zhèn)鞲衅鳈z測環(huán)境中是否有火源，若沒有火源時(shí)，小車不啟動(dòng)，若有火源時(shí)，小車聲音提醒并向火源方向行駛，以及通過超聲波傳感器檢測路徑中是否存在障礙物，若沒有障礙物，小車正常行駛，若有障礙物，小車行駛路徑被調(diào)整。避障時(shí)，依據(jù)小車的前方左側(cè)右側(cè)的情況，分為若左側(cè)右側(cè)有障礙物，而前方?jīng)]有，則小車前進(jìn)，若左側(cè)有障礙物，而右側(cè)沒有，則小車右轉(zhuǎn)，若右側(cè)有障礙物，而左側(cè)沒有，則小車左轉(zhuǎn)，若前方左側(cè)右側(cè)都有障礙物，則小車后退。小車到達(dá)火源附近時(shí)停止，用高速運(yùn)轉(zhuǎn)滅火扇滅火，并尋找其他火源，繼續(xù)滅火。其主程序流程如圖2 所示。

圖2 主程序流程

3 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)中，由于遠(yuǎn)紅外火焰?zhèn)鞲衅鞯墓ぷ鳒囟确秶鸀?25℃～85℃，則滅火時(shí)應(yīng)使火焰?zhèn)鞲衅髋c火源保持一定的距離，防止距離太近造成其損壞。利用紙殼充當(dāng)障礙物進(jìn)行避障測試，小車可以避開障礙物，換路徑行駛，圖3 給出避障測試。利用打火機(jī)的火焰作為火源，進(jìn)行滅火測試，高速滅火扇可以將火源熄滅，圖4 給出滅火測試。

圖3 避障測試

圖4 滅火測試

4 結(jié)論

本設(shè)計(jì)的滅火避障小車以STC89C52 為控制器。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試表明，該小車可檢測室內(nèi)是否起火，以及檢測出火源時(shí)進(jìn)行避障行駛，并到火源處滅火及繼續(xù)檢測火源，同時(shí)通過藍(lán)牙進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送和接收，其可作為家用小型滅火的有效輔助設(shè)備，從而減小家庭火災(zāi)救援的難度。