森林滅火航彈智能觀瞄投放控制系統(tǒng)設(shè)計

劉少剛，周釗，張書宇，趙丹，郭云龍，李曉偉

1. 哈爾濱工程大學(xué) 機電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001

2. 哈爾濱第一機器制造集團有限公司 機械制造分公司，黑龍江 哈爾濱 150056

森林滅火航彈智能觀瞄投放控制系統(tǒng)設(shè)計

劉少剛1，周釗1，張書宇2，趙丹1，郭云龍1，李曉偉1

1. 哈爾濱工程大學(xué) 機電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001

2. 哈爾濱第一機器制造集團有限公司 機械制造分公司，黑龍江 哈爾濱 150056

研制出一種森林滅火航彈智能觀瞄投放控制系統(tǒng)，提高森林滅火航彈的滅火效率。文中以工控機為控制系統(tǒng)核心，通過RS232-CAN轉(zhuǎn)換器向CAN總線分布式通訊節(jié)點實時地發(fā)布控制命令以及接收反饋數(shù)據(jù)，實現(xiàn)森林滅火航彈智能觀瞄投放控制系統(tǒng)的高效實時可靠運行。文中描述了控制系統(tǒng)的硬件構(gòu)成以及軟件實現(xiàn)流程，并且對控制系統(tǒng)進行了相關(guān)功能的調(diào)試實驗，經(jīng)過實驗驗證，設(shè)計的森林滅火航彈智能觀瞄投放控制系統(tǒng)可以正常運行，完成相應(yīng)的控制功能。

森林滅火航彈；智能觀瞄；CAN總線；分布式通訊節(jié)點；人機交互界面；控制系統(tǒng)

在森林火災(zāi)消防領(lǐng)域中，以樹冠火的危害最大，也最難撲滅。由于樹冠火的特殊性，到目前為止，世界上還沒有能夠?qū)ζ溥M行遠程迅疾壓制性撲救的消防設(shè)備。樹冠火多發(fā)生在樹脂成分較多的針葉林，遇到大風(fēng)天氣由樹冠火產(chǎn)生的氣旋形成的火旋風(fēng)可將燃燒的樹枝、樹皮刮到幾十米、數(shù)百米甚至幾公里遠的前方形成新的火點。所以，一旦發(fā)生并蔓延，森林里用于防火的隔離帶根本起不到防火作用。而現(xiàn)有滅火裝備和方法又都無法直接將其撲滅，因此樹冠火往往成為釀成重特大森林火災(zāi)的最重要因素[1]。

應(yīng)用森林滅火航彈進行森林滅火是一種全新的森林滅火方法，旨在解決目前森林消防滅火領(lǐng)域危害最大的樹冠火撲滅問題，改變目前基層森林消防官兵手持風(fēng)力滅火機在火場內(nèi)部冒著生命危險與森林火災(zāi)搏斗的狀況[2]。對于難以接近的森林火災(zāi)可以實現(xiàn)遠程高效滅火，使我國遠程森林消防滅火設(shè)施達到國際先進水平。

應(yīng)用森林滅火航彈進行滅火的過程中，需要用直升機掛載森林滅火航彈到火場上空進行投放，本系統(tǒng)主要作用是保證森林滅火航彈能夠在火場上空準(zhǔn)確位置投放，使森林滅火航彈達到最佳的滅火效果。

1 智能觀瞄投放控制系統(tǒng)總體設(shè)計

森林滅火航彈智能觀瞄投放控制系統(tǒng)主要由3部分結(jié)構(gòu)組成：上位機（工控機）、RS232-CAN轉(zhuǎn)換器、下位機（CAN總線分布式通訊節(jié)點），總體結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。上位機（工控機）主要是用來運行人機交互界面以及連接外部監(jiān)控設(shè)備，實現(xiàn)森林滅火航彈智能觀瞄投放控制系統(tǒng)的可視化操作控制，是本系統(tǒng)的核心組成部分。RS232-CAN轉(zhuǎn)換器主要作用是在CAN總線協(xié)議和RS232協(xié)議之間進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，它的性能直接影響著系統(tǒng)的效率[3]。下位機（CAN總線分布式通訊節(jié)點）的主要功能是驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)進行投彈，包括多個掛接在CAN總線上面的CAN總線節(jié)點，每個CAN總線節(jié)點控制一個投彈機構(gòu)，各CAN總線節(jié)點結(jié)構(gòu)功能完全一致，是本系統(tǒng)的具體投彈執(zhí)行控制部分。

圖1 智能觀瞄投放控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)組成

圖2 智能觀瞄投放控制系統(tǒng)人機交互界面

2 工控機軟、硬件選擇設(shè)計

2.1 工控機的選擇

工控機是整個控制系統(tǒng)的核心控制部分，需要帶有觸摸式控制面板，可以實現(xiàn)系統(tǒng)的可視化操作控制，主要功能是發(fā)送控制命令以及連接外部監(jiān)控設(shè)備。根據(jù)功能以及使用環(huán)境，工控機需要具有控制穩(wěn)定性、快速高效性、便攜性等性能，采用威強鋁質(zhì)堅固型工業(yè)平板電腦UPC-V312-D525。

2.2 人機交互界面

本系統(tǒng)的人機交互界面是利用Microsoft Visual C++ 6.0軟件進行編寫的，Microsoft Visual C++ 6.0是一種面向?qū)ο蟮目梢暬_發(fā)工具，提供了良好的界面設(shè)計能力，它具有功能強大、簡便易用和代碼執(zhí)行速度快等特點[4]。文中使用MSComm串口通信控件與RS232-CAN轉(zhuǎn)換器進行串口通信，MSComm控件是Microsoft公司提供的串行通信編程的ActiveX控件，它為應(yīng)用程序提供了通過串行接口收發(fā)數(shù)據(jù)的簡便方法。MSComm控件提供了2種處理通信問題的方法：1）事件驅(qū)動方式；2）查詢方式。事件驅(qū)動方式可靠性高，程序響應(yīng)快，是處理串口交互作用的一種非常有效的方法，它使用OnComm事件和CommEvent屬性捕捉并檢查通訊事件和錯誤的值，發(fā)生通訊事件和錯誤時，將觸發(fā)OnComm事件，CommEvent屬性的值也將被改變，應(yīng)用程序檢查CommEvent屬性的值并作出相應(yīng)的反應(yīng)，文中將采用事件驅(qū)動方式來實現(xiàn)串口通信[5-7]。本文所設(shè)計的人機交互界面如圖2所示，人機交互界面工作流程圖如圖3所示。

圖3 人機交互界面工作流程

3 RS232-CAN轉(zhuǎn)換器設(shè)計

3.1 RS232-CAN轉(zhuǎn)換器硬件設(shè)計

RS232-CAN轉(zhuǎn)換器硬件主要包括微處理器、CAN總線控制器、CAN總線收發(fā)器等。微處理器選擇抗干擾微處理器STC89C52RC，CAN總線控制器選擇飛利浦的獨立CAN總線控制器SJA1000，CAN總線收發(fā)器選擇廣泛使用的CAN總線收發(fā)器PCA82C250，外部接口主要包括與上位機通訊的RS232串口以及與CAN總線通訊的CAN總線接口，主要硬件電路如圖4所示。

圖4 RS232-CAN轉(zhuǎn)換器主要硬件電路

3.2 RS232-CAN轉(zhuǎn)換器軟件設(shè)計

整個軟件控制流程如圖5所示。

圖5 RS232-CAN轉(zhuǎn)換器軟件控制流程

RS232-CAN轉(zhuǎn)換器在CAN總線協(xié)議和RS232協(xié)議之間進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換要使用外部中斷0以及串行口中斷，軟件控制首先要進行微處理器初始化MCU_Init()以及CAN總線控制器初始化Peli_Init()[8-9]。

RS232-CAN轉(zhuǎn)換器利用串行口中斷與上位機進行通訊，當(dāng)接收到上位機控制命令時，微處理器調(diào)用串行中斷服務(wù)程序UART_SER (void) interrupt 4進行處理，通過CAN總線發(fā)送數(shù)據(jù)函數(shù)Peli_TXD(void)向CAN總線上寫入控制命令。RS232-CAN轉(zhuǎn)換器利用外部中斷0與CAN總線進行通訊，當(dāng)微處理器接收CAN總線通訊節(jié)點數(shù)據(jù)時調(diào)用外部中斷服務(wù)程序Peli_RXD(void) interrupt 0進行處理，通過向串行口發(fā)送緩沖器SBUF寫入數(shù)據(jù)將下位機發(fā)送的數(shù)據(jù)傳送給上位機進行處理[10-11]。RS232-CAN轉(zhuǎn)換器具體的串行中斷服務(wù)程序如下：

RS232-CAN轉(zhuǎn)換器在本系統(tǒng)中主要作用有：1）通過RS232串口接收上位機發(fā)布的控制命令，然后將控制命令經(jīng)過轉(zhuǎn)換通過CAN總線發(fā)送到指定的通訊節(jié)點；2）通過CAN總線接收通訊節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)，經(jīng)過轉(zhuǎn)換通過RS232串口發(fā)送給上位機。

4 CAN總線分布式通訊節(jié)點設(shè)計

4.1 CAN總線分布式通訊節(jié)點硬件設(shè)計

CAN總線分布式通訊節(jié)點主要包括掛接在CAN總線上面的各CAN總線節(jié)點，節(jié)點電路硬件主要包括微處理器、CAN總線控制器、CAN總線收發(fā)器、繼電器等。微處理器選擇抗干擾微處理器STC89C52RC；CAN總線控制器選擇飛利浦的獨立CAN總線控制器SJA1000；CAN總線收發(fā)器選擇廣泛使用的CAN總線收發(fā)器PCA82C250；繼電器主要任務(wù)是執(zhí)行投彈的控制命令，選擇JQC-3F-C小型中功率電磁繼電器。外部接口主要包括與CAN總線通訊的CAN總線接口，主要硬件電路如圖6所示。

圖6 CAN總線分布式通訊節(jié)點主要硬件電路

4.2 CAN總線分布式通訊節(jié)點軟件設(shè)計整個軟件控制流程如圖7所示。

圖7 CAN總線分布式通訊節(jié)點軟件控制流程

CAN總線分布式通訊節(jié)點進行CAN總線通訊時使用外部中斷0，軟件控制首先要進行微處理器初始化MCU_Init()以及CAN總線控制器初始化Peli_Init()。CAN總線分布式通訊節(jié)點利用外部中斷0與CAN總線進行通訊，當(dāng)某個CAN節(jié)點微處理器接收到上位機投彈控制命令時調(diào)用外部中斷服務(wù)程序Peli_RXD(void) interrupt 0進行處理，MCU通過置位相應(yīng)的控制位使繼電器閉合，執(zhí)行投彈操作，并且將投彈成功的狀態(tài)反饋給上位機。CAN總線分布式通訊節(jié)點外部中斷服務(wù)程序如下：

CAN總線分布式通訊節(jié)點的主要作用是執(zhí)行上位機的投彈命令并且將投彈成功的信號反饋給上位機。森林滅火航彈投彈機構(gòu)核心部件是電磁鐵，主要工作原理是通過電磁鐵的吸合和斷開實現(xiàn)投彈和機構(gòu)復(fù)位。每個CAN總線分布式通訊節(jié)點均帶有繼電器，通過繼電器的閉合和斷開來控制電磁鐵吸合和斷開，從而實現(xiàn)投彈和復(fù)位。當(dāng)相應(yīng)的CAN總線分布式通訊節(jié)點接收到投彈命令時，微處理器控制繼電器閉合實現(xiàn)投彈，并且將投彈成功的信號反饋給上位機；當(dāng)相應(yīng)的CAN總線分布式通訊節(jié)點接收到復(fù)位命令時，微處理器控制繼電器斷開實現(xiàn)復(fù)位，為下一次投彈做準(zhǔn)備。

5 智能觀瞄投放控制系統(tǒng)調(diào)試實驗

智能觀瞄投放控制系統(tǒng)調(diào)試實驗主要是測試人機交互界面、RS232-CAN轉(zhuǎn)換器以及CAN總線分布式控制系統(tǒng)之間的通訊狀況，在單擊人機交互界面上初始化、投彈、復(fù)位等按鈕時，CAN總線分布式通訊節(jié)點能夠快速做出相應(yīng)的動作以及反饋數(shù)據(jù)，人機交互界面根據(jù)反饋的數(shù)據(jù)判斷命令執(zhí)行情況。智能觀瞄投放控制系統(tǒng)調(diào)試實驗需要1臺工控機、1個RS232-CAN轉(zhuǎn)換器以及2個CAN總線分布式通訊節(jié)點，工控機和RS232-CAN轉(zhuǎn)換器利用1根RS232串口線進行通訊，RS232-CAN轉(zhuǎn)換器和CAN總線分布式通訊節(jié)點利用CAN總線進行通訊，智能觀瞄投放控制系統(tǒng)實驗平臺如圖8所示。

智能觀瞄投放控制系統(tǒng)調(diào)試實驗主要測試了系統(tǒng)兩方面的性能：1）人機交互界面顯示從外部監(jiān)控設(shè)備獲取的視頻信號；2）人機交互界面穩(wěn)定可靠地與CAN總線分布式通訊節(jié)點進行通訊、數(shù)據(jù)交換以及發(fā)布命令，CAN總線分布式通訊節(jié)點可以準(zhǔn)確地執(zhí)行命令。

圖8 智能觀瞄投放控制系統(tǒng)實驗平臺

智能觀瞄投放控制系統(tǒng)調(diào)試實驗主要涉及到以上2個方面，首先完成整體系統(tǒng)的安裝工作。當(dāng)單擊人機交互界面上面靜態(tài)視頻信號和動態(tài)視頻信號時，人機交互界面上的視頻框出現(xiàn)相應(yīng)的視頻信號，當(dāng)單擊斷開信號按鈕時，視頻框里的視頻信號消失，如圖9（a）所示。然后單擊人機交互界面上面初始化按鈕，對整個系統(tǒng)進行初始化，人機交互界面上面投彈指示燈會全部變成綠色，然后單擊開始投彈按鈕。當(dāng)單擊投彈1按鈕時，相應(yīng)的CAN總線分布式通訊節(jié)點上面的繼電器閉合，人機交互界面上的投彈指示燈會變成紅色，投彈成功。當(dāng)單擊人機交互界面上面復(fù)位按鈕時，CAN總線分布式通訊節(jié)點上的繼電器全部復(fù)位。如圖9（b）所示。

實驗結(jié)果顯示，在單擊人機交互界面上功能按鈕時，CAN總線分布式通訊節(jié)點都會快速準(zhǔn)確地做出相應(yīng)的動作，并且將執(zhí)行命令的情況實時快速地反饋給上位機，在遇到通訊錯誤時，CAN總線也會出現(xiàn)錯誤指示。整個系統(tǒng)基本達到控制需求，能夠完成投彈任務(wù)，調(diào)試實驗如圖9所示。

圖9 智能觀瞄投放控制系統(tǒng)調(diào)試實驗

6 結(jié)束語

本文研究了一種森林滅火航彈智能觀瞄投放控制系統(tǒng)，它可以將森林滅火航彈準(zhǔn)確的投放到火場表面，實現(xiàn)森林滅火航彈投彈的智能化，解決以往森林滅火過程中資源利用率低的問題。文中將CAN總線分布式控制系統(tǒng)應(yīng)用到了森林火災(zāi)領(lǐng)域，使整個控制系統(tǒng)具有較高的實時性、可靠性以及準(zhǔn)確性，在發(fā)生森林火災(zāi)時，保證森林滅火航彈可以快速地投放到火場上空準(zhǔn)確位置，大大提高森林滅火航彈的滅火效率。本文研究的森林滅火航彈智能觀瞄投放控制系統(tǒng)中有些需要進一步研究的方向，例如投彈策略研究、投彈控制算法研究等等。

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Design on the intelligent view glance control system of the aerial bomb for forest fire fighting

LIU Shaogang1, ZHOU Zhao1, ZHANG Shuyu2, ZHAO Dan1, GUO Yunlong1, LI Xiaowei1

1. College of Mechanical and Electrical Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China 2. Harbin No.1 Machine Manufacturing Group Co., Ltd, Machinery Branch, Harbin 150056, China

The purpose of this paper is to develop an intelligent view glance control system of the forest fire bomb to improve fire extinguishing efficiency. In this paper, taking industrial computer as the core of control system, through the RS232-CAN converter to release control commands to the CAN bus distributed communication node and receive feedback data real-timely, realize the efficient, real-time and reliable operation of the intelligent view glance control system of the forest fire bomb. This paper describes the hardware constitution and software implementation process of the control system, and conducts the debugging experiment on the related function testing of the control system. The experimental results show that the intelligent view glance control system of the forest fire bomb can work properly, and complete the corresponding control functions.

aerial bomb for forest fire fighting; intelligent view glance; CAN bus; distributed communication node; human-computer interaction interface; control system

TP368.1

A

1009-671X（2014）01-0069-06

10.3969/j.issn.1009-671X.201301004

2013-01-06.

哈爾濱市應(yīng)用技術(shù)研究與開發(fā)項目（2013RFXXJ002）；高等學(xué)校博士學(xué)科點專項科研基金資助項目（20102304110007）.

劉少剛（1962-）, 男，教授，博士生導(dǎo)師.

劉少剛, E-mail: liushaogang@hrbeu.edu.cn.