电动消防水炮自动避障碍功能的实现0电子药盒

电动消防水炮自动避障碍功能的实现

电动消防水炮自动避障碍功能的实现 2011年12月09日 来源： 1引言 消防系统的智能化是一项新兴的研究课题。由于消防现场各种恶劣、危险、多变的环境因素，使得传统人力操纵的消防设备正在被各种自动化设备所代替。其中，实现消防水炮的自动、智能控制是消防现代化的一个重要内容。目前，国内已经有不少线控或遥控的电动消防水炮，这使消防人员摆脱了繁重的人工操作方式，并能远离危险环境。但是，这些控制系统往往只具有简单的操纵功能，使水炮在操纵指令下实现水平和俯仰角度的人为调节。我们知道，大多数大型现代化消防车顶都有各种竖立的消防设备和突起结构(如警灯、车顶舱盖、水泵阀门、现场照明灯等)，本文中统称为“障碍物”。实战时，操作水炮的人员需要集中精力观察火场情况，很容易忽视这些障碍物的存在，在操炮过程中常误使庞大的水炮筒撞上障碍物酿成事故。 为此，笔者提出了一种可靠、实用的基于单片机和E2PROM［1］的控制系统，该系统能准确地记忆各障碍物的位置坐标，并在水炮运行过程中自动调节炮筒的仰角，以平稳的运行轨迹精确规避障碍物，从而实现操作过程中的智能化控制，提高了电动水炮的安全性。2主控制系统构成 水炮的自动避障碍功能是在“消防水炮控制系统”［2］硬件及其主控程序的基础上，经扩展外部存储设备后开发出来的子程序实现的。操纵人员通过转动操纵手柄实施炮塔方位角变化的随动控制，以及炮筒俯仰角变化的随动控制，如图2—1所示。 图2—2给出了炮塔方位角控制系统的结构框图，炮筒俯仰角控制系统的结构与之类同。 在图2—2所示的闭环控制系统中，单片机通过比较炮塔方位角传感器的采样值与系统输入的方位值之间的误差，从而产生相应PWM(脉宽调制)控制信号［3］。PWM功率放大电路，把控制信号放大后驱动直流电机的方位和转速，使炮塔转到与输入值相一致的位置。其控制算法为数字PID控制器［4］。 如图2—1所示，水炮自动避障碍的含义如下：①在水炮被操纵着向左或右连续转动过程中，如果炮筒仰角过低以至于可能碰上突起的障碍物时，单片机能及时发出抬高炮筒仰角的控制指令以避开障碍。②当炮筒被操纵向下连续转动时，如果炮筒下方存在有障碍物的话，则单片机能及时发出停止下转的指令，使炮筒自动在障碍物上方停住。 从逻辑上讲，要使水炮完成上述功能，首先要求控制系统能够记忆、存储障碍物的空间坐标。其次，由于不同型号的消防车辆有不同的结构，障碍物的位置也因车而异，因此，利用E2PROM电可擦写的特性，用作记录、存储坐标的数据，同时也能方便更新存储的数据。3自动避障碍原理及实现3.1控制系统核心电路结构 图3—1给出了水炮控制系统核心电路的结构。两片89C51单片机作为系统运算、控制的中枢。水炮的方位、俯仰角传感器值，以及操作手柄输入的相应角度值经A／D转换器(ADC0809)输入单片机1。型号为X25045的串行E2PROM(512个存储单元)作为记录障碍坐标的存贮器，单片机1是主控计算机，用于运算比较操纵手柄的输入值与炮位值的误差，以产生所谓的手柄控制指令；同时，也将当前炮的方位、俯仰角与对应的障碍坐标比较，作出是否需要规避障碍的决策以及发出避障碍控制指令，其中避障碍控制指令的优先权高于手柄控制指令。各控制指令通过串口通讯发送给单片机2，该单片机将控制指令转换为PWM信号，经过光耦送到PWM放大电路以驱动直流电机做出相应动作。3.2障碍曲线的存储 在以水炮两个转轴交点为原心的球坐标系中，如果把各个障碍物在车顶的外轮廓投影到以水炮主位角θ和俯仰角为坐标的二维平面，就形成了一条用以限制炮筒运行的“障碍线”(障碍线与实际障碍间有一定的裕量空间)，如图3—2所示。把这条线离散化后，实际上对应的就是一组由水炮的方位角采样值和对应俯仰角采样值构成的数据。 水炮方位角变化范围为0～270°，经A／D转换后的采样值范围为0～255的8位二进制数据，须录入的数据量较多。为了使整个录入过程简便，将障碍曲线近似为几段折线(如图3—2所示)，这样只须由小到大顺序录入各个折点上所采样到的水炮方位、俯仰坐标值，就可以通过线性插值运算自动计算出两相邻折点间各离散

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