基于熱感與紅外感應(yīng)的火災(zāi)救援路線規(guī)劃小車(chē)

郭智鑫，李明坤，蔡雁培，馬 苗

(1.陜西師范大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院，陜西 西安 710119；2.陜西師范大學(xué) 數(shù)學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院，陜西 西安 710119)

0 引 言

隨著科技的進(jìn)步，人類(lèi)消防隱患的防范措施也越來(lái)越完善。例如，消防人員在接到火警電話1分鐘內(nèi)就會(huì)出警，自備消防栓等滅火設(shè)備的布控也對(duì)短期內(nèi)控制火情起到了至關(guān)重要的作用。時(shí)間就是生命，消防人員在情急之下進(jìn)入內(nèi)部情況不明確的火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行任務(wù)，往往會(huì)將自身生命置于危險(xiǎn)中，出現(xiàn)救人不成反被困的情況。因此，降低潛在的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，最大限度地保護(hù)火場(chǎng)被困人員和消防救援人員的人身財(cái)產(chǎn)安全至關(guān)重要。

當(dāng)今智能小車(chē)的發(fā)展十分迅速，在許多功能上已經(jīng)出現(xiàn)了實(shí)質(zhì)性的成果，可以實(shí)現(xiàn)循跡、避障、測(cè)距、圖像傳輸?shù)裙δ?。文中旨在運(yùn)用超聲波傳感器、紅外傳感器、溫度傳感器以及類(lèi)車(chē)載錄像設(shè)備等，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種可用于救火現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境勘探的智能車(chē)原型，使之可以為外部人員提供準(zhǔn)確的火場(chǎng)內(nèi)部信息，在人身安全無(wú)法保證及救援時(shí)間緊迫的情形之下，實(shí)現(xiàn)對(duì)低層樓房火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)救援路線的快速規(guī)劃，為救援節(jié)約出更多寶貴的時(shí)間，更大限度地保證救援人員的人身安全。

1 設(shè)計(jì)思路與各功能模塊的設(shè)計(jì)

根據(jù)研究目的，文中擬設(shè)計(jì)的火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)勘探智能小車(chē)應(yīng)具備循跡、避障、抗高溫等基本功能。因此，總體設(shè)計(jì)思路是將智能車(chē)分為三個(gè)組成部分，即傳感器部分、指令執(zhí)行部分和CPU。該智能車(chē)除了能實(shí)現(xiàn)超聲波避障和激光測(cè)溫等基本功能外，還擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離圖像傳輸和WIFI遙控功能。傳感器部分增添的攝像頭可以清晰感知前方路況，故溫度傳感器和超聲波傳感器分別采用了非接觸式激光傳感器和簡(jiǎn)單的紅外反式傳感器。智能小車(chē)的指令執(zhí)行部分為直流電機(jī)電源驅(qū)動(dòng)，主要負(fù)責(zé)調(diào)控智能小車(chē)的方向與速度以及舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。為了實(shí)現(xiàn)精確調(diào)速，故而選擇不占用單片機(jī)資源，含有PWM功能的單片機(jī)。CPU為Arduino UNO單片機(jī)，輸入代碼以實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算[1-3]。

智能車(chē)的組件清單如表1所示。各主要組成部分的原理及實(shí)現(xiàn)分別論述如下。

表1 智能車(chē)的組件清單

1.1 紅外自動(dòng)避障

由于物體可以反射紅外光線，可以通過(guò)光線的反射來(lái)判斷障礙物的距離遠(yuǎn)近，所以選用型號(hào)為E18-D50NK的紅外避障傳感器。該傳感器是一種紅外線反射式接近開(kāi)關(guān)傳感器，用于對(duì)障礙物的反射式檢測(cè)，該傳感器擁有體積小、耗能低、穩(wěn)定性強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)?？芍苯优c單片機(jī)的I/O口相連，檢測(cè)目標(biāo)時(shí)輸出信號(hào)為低電平，正常狀態(tài)下則為高電平。檢測(cè)距離約為50 cm左右，距離可通過(guò)電位器調(diào)節(jié)[4]。

紅外傳感器原理如圖1所示。

圖1 紅外傳感器原理

E18-D50NK紅外開(kāi)關(guān)發(fā)射出紅外線，被物體阻擋后部分反射；E18-D50NK接收到部分反射回來(lái)的紅外光線后，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)由高到低的電壓變化；E18-D50NK再根據(jù)這個(gè)電壓的變化將輸出的數(shù)電信號(hào)傳遞給單片機(jī)處理。

紅外線傳感器包括光學(xué)系統(tǒng)、檢測(cè)元件和轉(zhuǎn)換電路，并具有一對(duì)紅外信號(hào)發(fā)射與接收二極管，發(fā)射管發(fā)射一定頻率的紅外信號(hào)，接收管接收這種頻率的紅外信號(hào)。當(dāng)傳感器的檢測(cè)方向遇到障礙物(反射面)時(shí)，紅外信號(hào)反射回來(lái)被接收管接收，經(jīng)過(guò)處理之后，通過(guò)數(shù)字傳感器接口返回到小車(chē)CPU，小車(chē)?yán)眉t外波的返回信號(hào)來(lái)識(shí)別周?chē)h(huán)境[5]。

紅外避障傳感器的優(yōu)點(diǎn)在于環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，在夜間和惡劣氣象條件下的工作能力優(yōu)于可見(jiàn)光；隱蔽性好，不易被干擾；紅外系統(tǒng)的體積小、質(zhì)量輕、功耗低；不受電磁波的干擾、非噪聲源、可實(shí)現(xiàn)非接觸性測(cè)量。

1.2 溫感測(cè)溫

由于火源會(huì)散發(fā)大量熱量，故而可以期望在相當(dāng)短的時(shí)間內(nèi)獲得較多的溫度測(cè)量值，另一方面因?yàn)闇y(cè)距變化幅度大，溫度變化幅度也會(huì)因而變大，所以將溫度傳感器安裝在小車(chē)上，輔助紅外避障系統(tǒng)[6]。

溫感測(cè)溫的工作原理是，通過(guò)對(duì)周?chē)鷾囟茸兓母兄饘僭诃h(huán)境溫度變化后會(huì)產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的延伸，因此傳感器可以以不同方式對(duì)這種反應(yīng)進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換。這種信號(hào)轉(zhuǎn)換經(jīng)過(guò)處理之后會(huì)返回給小車(chē)CPU，并達(dá)到輔助行進(jìn)的目的。

該智能車(chē)的溫度傳感器為PT100型溫度傳感器，這是一種穩(wěn)定性和線性都比較好的鉑絲熱電阻傳感器，工作溫度范圍為-200～650 ℃之間。

傳感器的接入非常簡(jiǎn)單，從系統(tǒng)的5 V供電端僅僅通過(guò)一支3 kΩ的電阻就連接到PT100了。這種接法通常會(huì)引起嚴(yán)重的非線性問(wèn)題，但是，由于有了單片機(jī)軟件校正的緣故，此問(wèn)題可以被排除，因此就簡(jiǎn)化了傳感器的接入方式。

按照PT100的參數(shù)，其在0 ℃～500 ℃的區(qū)間內(nèi)，電阻值為100 Ω～280.9 Ω，按照其串聯(lián)分壓的揭發(fā)，使用如下公式可以計(jì)算出其在整百℃時(shí)的輸出電壓[7]。

Vcc/(PT100+3K92)*PT100=Vo(mV)

1.3 事先的路線設(shè)計(jì)與自動(dòng)行進(jìn)

雖然智能車(chē)擁有自動(dòng)避障系統(tǒng)，使其可以在運(yùn)行過(guò)程中自行探索出周?chē)h(huán)境道路，但是，仍然希望在智能車(chē)真正投入使用之前在CPU中導(dǎo)入其所工作環(huán)境的具體信息。故實(shí)現(xiàn)了線路設(shè)計(jì)功能，而避障系統(tǒng)僅僅在災(zāi)情發(fā)生之后導(dǎo)致的環(huán)境巨大變化的情況下投入使用，首先可以減少不必要的能源耗費(fèi)，其次可以提升工作的穩(wěn)定性[8]。

線路設(shè)計(jì)的主要目的是，將地圖導(dǎo)入小車(chē)使小車(chē)在不需要開(kāi)啟智能避障系統(tǒng)的情況下便可以進(jìn)行正常行進(jìn)。做法是：通過(guò)C程序?qū)胫苓叚h(huán)境的具體信息，小車(chē)執(zhí)行任務(wù)時(shí)，通過(guò)比對(duì)傳感器反饋的現(xiàn)實(shí)信息與已有的信息，判斷是否啟動(dòng)自動(dòng)避障功能[9]。

1.4 移動(dòng)拍攝部分的設(shè)計(jì)

拍攝裝置的作用是保證火場(chǎng)內(nèi)的實(shí)時(shí)情況得以讓外部消防人員及時(shí)掌握，以快速制定總體滅火救援行動(dòng)方案，便于指揮入場(chǎng)救援人員的實(shí)時(shí)行動(dòng)。如，本計(jì)劃由A號(hào)樓梯上樓，而在救援人員已經(jīng)進(jìn)入火場(chǎng)之后，由小車(chē)傳回A號(hào)樓梯火勢(shì)已經(jīng)不適宜強(qiáng)行上樓。此時(shí)，指揮人員便可及時(shí)更改計(jì)劃并通知前方人員;在整個(gè)行動(dòng)結(jié)束之后，通過(guò)對(duì)已有視頻的再分析，達(dá)到總結(jié)經(jīng)驗(yàn)的目的。

文中選擇的拍攝裝置及信息傳輸?shù)姆绞剑号臄z裝置需要通過(guò)PC或Android完成控制、獲取視頻圖像的功能。主要包括TCP通信，Bluetooth通信，Camera的調(diào)用[10]。

首先，通過(guò)監(jiān)聽(tīng)button的pressed與released來(lái)發(fā)送控制指令。

然后，指令發(fā)送到Android手機(jī)端，繼而轉(zhuǎn)發(fā)給Arduino，從而控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)。

最后，通過(guò)調(diào)用Camera獲取圖像數(shù)據(jù)，傳輸?shù)絇C端，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為圖像顯示ImagePanel。

1.5 遠(yuǎn)程無(wú)線控制部分

通過(guò)Arduino、Linux及其延伸的使用，使可自動(dòng)化的小車(chē)同時(shí)能夠手動(dòng)控制，受控于手機(jī)端/PC端，并能夠與手機(jī)端/PC端進(jìn)行信息交互[11]。智能避障系統(tǒng)使小車(chē)在遇到任何障礙時(shí)選擇回避，故而可能會(huì)錯(cuò)失一些重要的火場(chǎng)信息。為避免該情況的發(fā)生，為小車(chē)設(shè)置人工操作環(huán)節(jié)[12-13]。

人工操作時(shí)，小車(chē)的操作會(huì)由本來(lái)的雙驅(qū)變?yōu)樗尿?qū)(適時(shí)四驅(qū)系統(tǒng)會(huì)在后文詳解)，為人為操作的越障行為給予更大支持。全自動(dòng)的智能車(chē)無(wú)法滿足外部人員所需信息的收集需求，在消防人員到場(chǎng)的時(shí)候，先行獲取小車(chē)自動(dòng)行進(jìn)時(shí)獲取的信息，分析之后產(chǎn)生對(duì)智能車(chē)下一步探尋信息的需求指令，通過(guò)人為去獲取下一步重要信息。

1.6 防火防高溫材料的選擇

高溫防護(hù)材料具有阻燃、耐用、絕緣、輕便、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，是有效的屏蔽紅外輻射熱輻射和熱傳導(dǎo)的材料。在火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的高溫環(huán)境下，過(guò)高的氣溫與接觸到被點(diǎn)燃物品的可能性大大增加，在此情況下，保證智能車(chē)內(nèi)部的正常工作狀態(tài)是至關(guān)重要的。高溫防護(hù)材料不但能保護(hù)智能車(chē)內(nèi)部重要部分在一定限度內(nèi)不受火場(chǎng)環(huán)境影響，而且可以多次使用，其輕便的特點(diǎn)更是控制了智能車(chē)本身的質(zhì)量，讓小車(chē)的工作能夠方便快捷的執(zhí)行。

通過(guò)查閱有關(guān)資料，選用建筑所用的耐火硅膠，即20%陶瓷化硼酸鋅+50%氫氧化鋁(ATH)800 ℃×3h，進(jìn)行智能車(chē)的部分外包裝。其中，紅外感應(yīng)裝置、火焰?zhèn)鞲衅鳌囟葌鞲衅饕约耙苿?dòng)端攝像頭不在包裹范圍之內(nèi)。在包裹完成之后，小車(chē)的總體體積有小幅增加但并不影響整體運(yùn)行。

2 實(shí)驗(yàn)部分與性能分析

文中的智能車(chē)拼裝包括以下幾個(gè)主要步驟，分別簡(jiǎn)述如下：

(1)底盤(pán)部分：使用螺絲和螺帽將左右兩側(cè)的履帶安裝在不銹鋼底盤(pán)上，并將兩個(gè)電機(jī)固定在履帶驅(qū)動(dòng)的兩側(cè)[14]。

(2)電子系統(tǒng)部分的安裝：包括三個(gè)模塊，XRbot-link 4.0 WIFI視頻數(shù)傳模塊、UNO主板和PWR.AR.D電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。首先使用尼龍柱將UNO主板安裝在底盤(pán)上，并用螺絲固定；之后將電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊按照引腳對(duì)應(yīng)插在UNO主板的插槽內(nèi)；然后同樣使用尼龍柱將WIFI視頻數(shù)傳模塊安裝在底盤(pán)上，并用螺絲固定；最后用USB數(shù)據(jù)線將電機(jī)驅(qū)動(dòng)板和WIFI視頻數(shù)傳模塊連接，并將DBi天線安裝在WIFI模塊的天線底座上。

(3)電機(jī)的接線部分：共有兩個(gè)大功率電機(jī)，由于電機(jī)導(dǎo)線不分正負(fù)，逐個(gè)將電機(jī)的兩根導(dǎo)線安裝在電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊同組的電機(jī)接線孔內(nèi)，并用螺絲固定。

(4)云臺(tái)的組裝：包括底座、兩個(gè)舵機(jī)和四個(gè)舵盤(pán)，首先將十字舵盤(pán)安裝在底座上，并用螺絲固定；之后將舵機(jī)和云臺(tái)連接在一起，檢查左右旋轉(zhuǎn)角度是否能達(dá)到180°；然后使用舵盤(pán)將云臺(tái)頂蓋與另一個(gè)舵機(jī)連接在一起，最后將兩個(gè)部分用螺絲連接固定[15]。

(5)云臺(tái)及攝像頭的安裝：首先使用螺絲和螺帽將云臺(tái)底座固定在底盤(pán)上，之后將攝像頭底盤(pán)卡在云臺(tái)頂蓋的凹槽內(nèi)，然后將舵機(jī)的GND、VCC和信號(hào)線對(duì)應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的接口安裝固定，最后將攝像頭的USB傳輸線接在WIFI數(shù)傳模塊的USB接口上。

(6)電池的安裝：使用魔術(shù)貼將電池粘在底盤(pán)的下方，并將輸出線安裝在電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的供電接口上。

(7)傳感器的安裝：包括一個(gè)超聲波傳感器和一組紅外傳感器。首先使用杜邦線將超聲波傳感器的四個(gè)引腳按照GND、ECHO、TRHE、VCC對(duì)應(yīng)連接電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊上的接口；之后將超聲波傳感器固定在超聲波傳感器的底座上，并用螺絲將傳感器固定在云臺(tái)的前端；然后使用旋鈕將紅外傳感器盡可能低地固定在底盤(pán)上；最后將紅外傳感器的導(dǎo)線按照GND、VCC和信號(hào)線對(duì)應(yīng)接在電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊上[2]。

經(jīng)過(guò)硬件安裝后(如圖2所示)，進(jìn)入性能測(cè)試環(huán)節(jié)。發(fā)現(xiàn)：(1)WIFI視頻數(shù)傳模塊及攝像頭在WIFI信號(hào)的傳輸極限在空曠地帶大約在80米，在有阻擋的情況下大概在60米；(2)攝像頭的分辨率為480×360，調(diào)焦效果較差；(3)關(guān)于云臺(tái)的測(cè)試結(jié)果是其左右各可旋轉(zhuǎn)90°，上下可旋轉(zhuǎn)180°；(4)舵機(jī)控制并未出現(xiàn)卡頓或停滯，比較靈敏。

圖2 智能車(chē)的原型

在拼裝過(guò)程中遇到的問(wèn)題主要有：(1)云臺(tái)的上下旋轉(zhuǎn)舵機(jī)在旋轉(zhuǎn)到接近0°時(shí)會(huì)擠壓到左右旋轉(zhuǎn)的舵機(jī)造成鎖死。解決方法：在未用螺絲鎖死之前，手動(dòng)調(diào)整舵機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度，使其旋轉(zhuǎn)角度能到達(dá)0°，再重新固定舵機(jī)并用螺絲鎖死。(2)電機(jī)的接線無(wú)法對(duì)應(yīng)控制端的信號(hào)。解決方法：在控制端更改對(duì)應(yīng)信號(hào)所驅(qū)動(dòng)的電機(jī)。(3)智能車(chē)選材的耐火性質(zhì)優(yōu)于普通阻燃硅膠。在周邊有可見(jiàn)火焰的情況下，小車(chē)的運(yùn)行未收到影響。

在遠(yuǎn)距離測(cè)溫實(shí)驗(yàn)中，PT100型溫度傳感器在智能小車(chē)所構(gòu)建的電路中采用了恒壓法連接，并通過(guò)歐姆定律所計(jì)算出PT100型溫度傳感器的實(shí)時(shí)電阻值，將所計(jì)算出的阻值傳輸至智能小車(chē)的主控板，并通過(guò)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)計(jì)算，進(jìn)而求出智能小車(chē)周邊的實(shí)時(shí)溫度，顯示在遠(yuǎn)程超控面板上。

在自動(dòng)避障環(huán)節(jié)的測(cè)試中，發(fā)現(xiàn)在小車(chē)的轉(zhuǎn)彎時(shí)間方面，由于地面摩擦力的不同，小車(chē)在不同路面上的轉(zhuǎn)彎時(shí)間可能會(huì)有所不同。于是分別在光滑瓷磚和水泥路面上進(jìn)行了轉(zhuǎn)彎實(shí)驗(yàn)。經(jīng)測(cè)量得，小車(chē)在光滑瓷磚上的轉(zhuǎn)彎時(shí)間約為0.4 s，而在水泥路面上的轉(zhuǎn)彎時(shí)間約為0.7 s。但由于火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)情況復(fù)雜，路面摩擦力甚至?xí)螅M(jìn)而通過(guò)調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速，最終實(shí)現(xiàn)了小車(chē)在兩種路面上的轉(zhuǎn)彎時(shí)間都在0.5 s以內(nèi)。

在檢測(cè)障礙物的距離方面，分別用黑色障礙物和白色障礙物進(jìn)行了避障實(shí)驗(yàn)。經(jīng)檢測(cè)，當(dāng)前方放置白色障礙物時(shí)，小車(chē)在距離障礙物20 cm～25 cm時(shí)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障，而當(dāng)小車(chē)遇到黑色障礙物時(shí)，小車(chē)的避障距離卻僅有5 cm～10 cm，若此時(shí)車(chē)速過(guò)大，可能會(huì)造成小車(chē)的損毀狀況，所以為了避免這種情況，輔助安裝了一個(gè)超聲波避障裝置，進(jìn)一步改善小車(chē)的避障功能。

在遠(yuǎn)距離拍攝方面的性能測(cè)試時(shí)，將小車(chē)放置于距離操作安卓系統(tǒng)約200米處，操作手機(jī)使小車(chē)移動(dòng)，并轉(zhuǎn)動(dòng)舵機(jī)使攝像頭進(jìn)行全方位拍攝。

3 結(jié)束語(yǔ)

文中設(shè)計(jì)的智能車(chē)以Arduino UNO單片機(jī)為核心，通過(guò)WIFI通信控制單片機(jī)與攝像頭，以達(dá)到對(duì)行進(jìn)方向與視頻信號(hào)傳輸?shù)牟倏?，初步?shí)現(xiàn)了在手機(jī)或PC端對(duì)小車(chē)的遠(yuǎn)程控制及其運(yùn)動(dòng)時(shí)捕捉周邊環(huán)境圖像視頻信息的實(shí)時(shí)監(jiān)控。該原型系統(tǒng)融合了以人為本的思想與物聯(lián)網(wǎng)的新型“類(lèi)消防栓式”思想，對(duì)爭(zhēng)取火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的勘探設(shè)計(jì)及研發(fā)新型的智能產(chǎn)品具有一定的現(xiàn)實(shí)意義和參考價(jià)值。