車載森林防火脈沖式水槍的研究與設(shè)計(jì)

劉凱+++魏艷秀++楊維東++許繼紅

摘 要：伴隨著科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，自動控制技術(shù)在森林防火領(lǐng)域起到了至關(guān)重要的作用，森林防火裝置也逐漸實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化與智能化?！耙运疁缁稹弊鳛閾渚壬只馂?zāi)的主要技術(shù)手段，如何準(zhǔn)確有效的撲滅火源，防止火勢蔓延成為技術(shù)關(guān)鍵。針對這一問題，設(shè)計(jì)了一種車載森林防火脈沖式九孔水槍，采用PID控制算法對槍架的仰俯角與方位角進(jìn)行控制，保證了水槍射擊精度，減小了滅火彈落點(diǎn)誤差，提高了滅火效率。

關(guān)鍵詞：森林防火；脈沖式；水槍

中圖分類號：TP271 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Abstract： With the development of science and technology，automatic control technology play a crucial role in the forest fire prevention area， and the forest fire prevention device gradually realizes digital and intelligent. ‘dousing the fire with water is the major technical methods to extinguish the forest fires， and that how to extinguish the fire source accurately and effectively and how to stop the fire from spreading become key technologies on. To solve this problem， a vehicular forest fire proof nine-hole pulsed water gun is designed in this paper. The PID control algorithm is used in this device to control the pitch angle and azimuth angle of the gun rack. This control algorithm ensures the shooting accuracy of the water gun， reduce the fire extinguishing bomb drop point error and improve the efficiency of extinguishing fire.

Keyword： forest-fire prevention； pulse； water gun

森林火災(zāi)危害巨大，在燒毀樹木的同時(shí)還嚴(yán)重的破壞了森林結(jié)構(gòu)與森林環(huán)境，導(dǎo)致森林生態(tài)系統(tǒng)失去平衡。由于森林火災(zāi)具有突發(fā)性強(qiáng)、破壞性大的特點(diǎn)，給森林防火工作帶來諸多阻礙。在火災(zāi)發(fā)生時(shí)，火勢蔓延與拓展速度快，無法靠近火源的情況下如何迅速有效地進(jìn)行撲救，成為當(dāng)下森林保護(hù)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問題。

本文針對上述問題，設(shè)計(jì)一種車載森林防火脈沖式水槍，并對其系統(tǒng)組成、使用方式以及系統(tǒng)軟件、硬件的設(shè)計(jì)進(jìn)行了理論論證與分析。

1.系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

車載森林防火脈沖式水槍采用雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，對槍架的仰俯角與方位角進(jìn)行閉環(huán)控制，選用編碼器對槍架角度進(jìn)行測量，與輸入角度值進(jìn)行比較，將誤差進(jìn)行放大后通過A/D轉(zhuǎn)換輸入到STM32控制器，通過采用PID控制算法輸出PWM信號驅(qū)動伺服電機(jī)從而驅(qū)動槍架不斷調(diào)整仰俯角與方位角，直至誤差為零，系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

車載森林防火脈沖式水槍主要由角度調(diào)節(jié)裝置以及脈沖式發(fā)射裝置組成。其中角度調(diào)節(jié)裝置包括推桿電機(jī)俯角調(diào)節(jié)裝置、伺服電機(jī)方位角調(diào)節(jié)裝置兩部分組成。根據(jù)實(shí)際需求與實(shí)驗(yàn)優(yōu)化搭建了系統(tǒng)實(shí)物仿真平臺如圖2所示。下面以各裝置為單位，分別對各裝置進(jìn)行硬件的分析與設(shè)計(jì)。

2.1角度調(diào)節(jié)裝置的設(shè)計(jì)

為保證車載森林防火脈沖式水槍發(fā)射滅火彈的有效范圍與射擊精度，采用伺服推桿電機(jī)實(shí)現(xiàn)槍筒仰俯角控制，采用大扭矩伺服電機(jī)與平面軸承相結(jié)合實(shí)現(xiàn)槍架方位角控制。

推桿電機(jī)仰俯角調(diào)節(jié)裝置選用的伺服推桿電機(jī)行程為500mm，將仰俯裝置的仰俯中心記為原點(diǎn)，仰俯角范圍可由0°～75°，推力可達(dá)1600N，帶載運(yùn)行速度可達(dá)12mm/s。

在伺服推桿電機(jī)軸上加裝增量式編碼器，將推桿電機(jī)行進(jìn)位移轉(zhuǎn)化為周期性電信號，再將這個(gè)電信號轉(zhuǎn)變?yōu)槊}沖信號，脈沖信號經(jīng)過STM32控制器進(jìn)行處理便可以將推桿電機(jī)位移的變化量轉(zhuǎn)變成槍架的角度變化量。

方位角控制裝置的伺服電機(jī)選型要根據(jù)車載森林防火脈沖式水槍的參數(shù)進(jìn)行確定，設(shè)計(jì)在槍架轉(zhuǎn)速最大時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速為180r/min，為保證電機(jī)的穩(wěn)定工作，在進(jìn)行電機(jī)選型時(shí)增加了15%的轉(zhuǎn)速余量，即選用n=207r/min的電機(jī)。車載森林防火脈沖式水槍的質(zhì)量M=50kg，對系統(tǒng)模型進(jìn)行理想化，如圖3所示，將負(fù)載質(zhì)量等效到圓盤上，圓盤直徑D=500mm，則計(jì)算出負(fù)載的轉(zhuǎn)動慣量為

即1.5625kg·m2。設(shè)計(jì)減速機(jī)的減速比為1：20，則折算到伺服電機(jī)軸上的負(fù)載慣量為

通過查詢電機(jī)型號及參數(shù)，與18W最接近的為36W，則確定所選用伺服電機(jī)參數(shù)為：額定功率36W，工作電壓12V，堵轉(zhuǎn)電流3.2A，傳動效率0.8。

伺服電機(jī)型號確定后由光電編碼器測量到的槍架旋轉(zhuǎn)角度與給定角度進(jìn)行比較產(chǎn)生偏差送進(jìn)行控制，經(jīng)過PID控制器調(diào)節(jié)后由STM32輸出PWM控制信號驅(qū)動伺服電機(jī)工作。

2.2系統(tǒng)耦合分析

由于車載森林防火脈沖式水槍的特殊工作環(huán)境，可能因?yàn)榱謪^(qū)道路崎嶇或者在滅火彈發(fā)射時(shí)水槍具有一定的后坐力使槍架發(fā)生震動將槍架與地面之間形成一定的夾角，從而導(dǎo)致發(fā)射精度下降，無法達(dá)到預(yù)定的效果。所以需要對系統(tǒng)進(jìn)行耦合分析，對水槍發(fā)射坐標(biāo)系與地面坐標(biāo)系進(jìn)行坐標(biāo)變換，從而可以達(dá)到在上述產(chǎn)生夾角的情況下系統(tǒng)進(jìn)行自動校正，保證發(fā)射精度。endprint

分別對槍架與地面建立空間直角坐標(biāo)系OXYZ與OX1Y1Z1，則根據(jù)系統(tǒng)與地面產(chǎn)生夾角情況分析，會產(chǎn)生角a與角b，分別是OY1與平面OXY產(chǎn)生的縱向夾角、OX1與平面OXY產(chǎn)生的橫向夾角。夾角在空間直角坐標(biāo)系的示意圖如圖4所示。

根據(jù)空間變換規(guī)則，對坐標(biāo)系OXYZ與OX1Y1Z1進(jìn)行坐標(biāo)變換，得到坐標(biāo)系OXYZ與OX1Y1Z1之間存在如下關(guān)系：

通過測量橫向夾角b與縱向夾角a的值便可以計(jì)算出變換后的坐標(biāo)值，即對產(chǎn)生誤差后的發(fā)射角進(jìn)行了矯正。

2.3脈沖式發(fā)射裝置的設(shè)計(jì)

為提高車載森林防火脈沖式水槍的自動化程度，設(shè)計(jì)時(shí)采用點(diǎn)動開關(guān)進(jìn)行觸發(fā)，STM32對點(diǎn)動開關(guān)進(jìn)行掃描，當(dāng)檢測到點(diǎn)動開關(guān)動作時(shí)發(fā)生中斷，輸出PWM信號對相應(yīng)舵機(jī)進(jìn)行控制，舵機(jī)動作觸動水槍發(fā)射開關(guān)進(jìn)行滅火彈發(fā)射。脈沖式發(fā)射裝置硬件連接示意圖如圖5所示。

2.4電源電路的設(shè)計(jì)

車載森林防火脈沖式水槍采用車載12V電源供電，分模塊對各功能器件進(jìn)行供電，電源電路設(shè)計(jì)框圖如圖6所示。為保證脈沖觸發(fā)裝置工作的可靠性，對觸動發(fā)射開關(guān)的舵機(jī)采用最大扭矩輸出情況下的電壓供電，經(jīng)LTC3780降壓模塊將車載12V轉(zhuǎn)換為8.4V；STM32供電由車載12V經(jīng)LTC3780降壓模塊轉(zhuǎn)換為3.3V；為保證控制仰俯角的伺服推桿電機(jī)以及控制方位角的伺服電機(jī)工作的穩(wěn)定性，車載12V首先經(jīng)穩(wěn)壓模塊進(jìn)行穩(wěn)壓并對其進(jìn)行過流保護(hù)后接入電機(jī)，防止對系統(tǒng)造成損害。

3.系統(tǒng)控制算法設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括對外部輸入信號的檢測、伺服電機(jī)位置環(huán)與速度環(huán)任務(wù)信息的處理以及PWM信號的處理，設(shè)計(jì)系統(tǒng)主程序流程圖如圖7所示。

首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，包括STM32初始化以及外部設(shè)備初始化，初始化完成后循環(huán)判斷是否觸發(fā)定時(shí)中斷，中斷到來后對控制者輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理，并根據(jù)輸出值控制STM32首次輸出PWM控制信號，對發(fā)射方位角與仰俯角進(jìn)行調(diào)整。第一次粗調(diào)結(jié)束后，讀取角度傳感器值，判斷角度是否達(dá)到發(fā)射精度要求。若未達(dá)到要求，則按著坐標(biāo)系變化規(guī)則進(jìn)行角度調(diào)整得到角度偏差，并對偏差進(jìn)行PID控制直至滿足精度要求；達(dá)到精度要求對點(diǎn)動按鈕進(jìn)行掃描，當(dāng)控制者發(fā)出發(fā)射命令時(shí)，STM32控制相應(yīng)舵機(jī)動作觸動發(fā)射開關(guān)進(jìn)行發(fā)射。

結(jié)語

車載森林防火脈沖式水槍設(shè)計(jì)從森林防火所遇到的難點(diǎn)出發(fā)，系統(tǒng)選擇車載的方式，提高了系統(tǒng)的機(jī)動性，適合在林區(qū)長期作業(yè)；在設(shè)計(jì)中針對外界因素以及裝置本身震動可能引起的發(fā)射誤差采用耦合分析的方式進(jìn)行了發(fā)射角度矯正，保證了發(fā)射精度；滅火彈的發(fā)射采用脈沖式觸發(fā)裝置，增強(qiáng)了系統(tǒng)的自動化程度，為森林防火裝備的數(shù)字化與智能化建設(shè)提供新的思路。經(jīng)過對車載森林防火脈沖式水槍進(jìn)行滅火彈發(fā)射滅火實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了其具有優(yōu)越的滅火性能，具有較好的應(yīng)用前景。

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