基于北斗導(dǎo)航的搜救智能車設(shè)計

李德英，曾佳林，陳 盼，鄒凌峰

（湖南信息學(xué)院 電子科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙 410151）

0 引 言

自然災(zāi)害因具有突發(fā)性高、破壞性強、二次災(zāi)害等特點，給人民群眾的生命安全帶來極大威脅。由于災(zāi)后環(huán)境變化多樣、地形崎嶇復(fù)雜以及人為不可控性因素，災(zāi)后的快速救援就顯得尤為重要。

本設(shè)計是為災(zāi)后救援所需研發(fā)的一款搜救智能車，它具有體積小、靈活性強、數(shù)據(jù)傳輸快、性能穩(wěn)定等特點，可以在廢墟中自由行進，能快速、高效地搜索幸存者。此外，智能車還搭載有傳感器模塊和北斗定位系統(tǒng)，能實現(xiàn)對有毒氣體濃度、溫濕度的檢測和幫助搜救人員根據(jù)智能車的位置快速展開救援，有效解決了災(zāi)后救援不及時帶來的問題。

1 功能模塊搭建+MCU 核心控制介紹

1.1 功能模塊搭建

采用北斗導(dǎo)航定位技術(shù)接收智能機器人位置狀況，通過2.4G 模塊+FPGA 圖像采集將信息送至MCU 數(shù)據(jù)中心。通過這一技術(shù)可以遠(yuǎn)程采集、實時監(jiān)控被困人員身邊的環(huán)境、狀態(tài)情況，為快速安全的救援工作提供保障。

（1）監(jiān)控功能

系統(tǒng)運用了FPGA 圖像采集端+MCU 數(shù)據(jù)中心+OLED數(shù)據(jù)顯示終端，搭建視頻網(wǎng)絡(luò)傳輸平臺。協(xié)議處理模塊的硬件平臺以MPC860 為核心，結(jié)合嵌入式系統(tǒng)開發(fā)，實現(xiàn)實時視頻的網(wǎng)絡(luò)傳輸。用戶可實時獲取數(shù)據(jù)中心處理的信息，可靠性高、通用性強。

（2）北斗定位功能

北斗定位導(dǎo)航技術(shù)可實現(xiàn)雙向報文通信，通信數(shù)據(jù)主要為漢字和代碼兩種形式，可實時顯示經(jīng)緯度以及海拔高度信息。由于我國地域廣闊、地形復(fù)雜，北斗定位導(dǎo)航技術(shù)可以發(fā)揮其優(yōu)勢，精準(zhǔn)定位?；诒倍沸l(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計，更加精準(zhǔn)的定位車能確保行進的路線準(zhǔn)確，讓搜救人員快速發(fā)現(xiàn)遇難者。

（3）太陽能充電功能

本款智能車采用了太陽能充電技術(shù)，是綠色環(huán)保、無污染、可持續(xù)發(fā)展的新能源產(chǎn)品，擁有智能調(diào)節(jié)功能，可以調(diào)節(jié)不同的輸出電壓及電流，可提供在室外長時間工作，當(dāng)光照度到達檢測程度便可進行充電。太陽能獲得電力，綠色、環(huán)保，不受資源分布地域的限制。

（4）5G 技術(shù)

北斗+5G 的結(jié)合使智能車能很好地進行搜救。因為車輛可以通過遠(yuǎn)程遙控規(guī)劃路線，道路避障。

（5）空氣溫濕度和氣體濃度檢測

本款智能車可以實現(xiàn)7×24 小時全天候檢測，溫濕度提示，對災(zāi)難發(fā)生后泄露的有害氣體激增的突發(fā)狀況能及時報警反饋。

1.2 MCU 核心控制

STM32F103ZET6 具有72 MHz CPU 的速度和高達1 MB 的閃存，包含電動機控制外圍設(shè)備以及CAN 和USB全速接口。STM32 系列ARM 擁有用途多的內(nèi)核，同時還可以提供很多引腳接口與各模塊的工作需要，開發(fā)工具比較齊全，開發(fā)資料也比較豐富。此外STM32 擴展性好、能搭載所需外設(shè)，在功耗方面控制得比較好，實時性比較強，對各種流行的嵌入式操作系統(tǒng)，支持度比較好。

2 智能車上下位機原理圖及功能

2.1 上位機原理圖

上位機通過按鍵和搖桿語音控制，經(jīng)STM32MCU 進行數(shù)據(jù)采集和分析，通過OLED 顯示，使用5G 無線通信將FPGA 采集圖像進行處理，輸入給RGB 顯示屏顯示。上位機原理圖如圖1所示。

圖1 上位機原理圖

2.2 下位機原理圖

設(shè)置可變可調(diào)PWM 波形脈沖寬度供給伺服電機控制電機運轉(zhuǎn)，采集GPS/北斗雙模塊定位解碼數(shù)據(jù)，使用串口觸摸屏顯示經(jīng)緯度信息。下位機原理圖如圖2所示。

圖2 下位機原理圖

2.3 MCU 模塊功能

（1）MUC 模塊能通過采集信息計算超聲波距離，發(fā)送不同PWM 可變脈沖電壓控制電機。

（2）蜂鳴器電路負(fù)責(zé)報警工作，單片機發(fā)送電平就響，否則不響。

（3）數(shù)碼管負(fù)責(zé)顯示小車跟障礙物的距離。

（4）電源模塊負(fù)責(zé)給元器件供電。

（5）溫濕度以及環(huán)境空氣質(zhì)量檢測。

（6）顯示屏實現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)傳輸、空氣質(zhì)量顯示。

（7）太陽能充電板實現(xiàn)光照環(huán)境下為各個功能模塊充電續(xù)航。

3 PID 控制算法的實現(xiàn)

式中：Ek為本次的偏差；Ek-1為上次的偏差；Ek-2為上上次的偏差；Kp為算法增益調(diào)節(jié)；Ti為積分時間；Td為微分時間常數(shù)。

Dk能夠說明從上次采樣到當(dāng)前采樣的這段時間被控制對象的狀態(tài)變化趨勢，這種變化的趨勢很可能會在一定程度上延續(xù)到下一個采樣時間點。根據(jù)這個變化趨勢（Dk的值）對輸出信號OUT 進行調(diào)整，達到提前控制的目的。圖3為Dk變量控制圖。

圖3 Dk 變量控制圖

4 智能車圖像采集FPGA 控制系統(tǒng)實現(xiàn)

4.1 CPU 型號

CPU 型號如圖4所示。

圖4 FPGA 芯片型號

4.2 數(shù)據(jù)管理

（1）智能管理

智能管理功能分為用戶管理、報警設(shè)置。用戶可點擊界面菜單欄的“傳輸設(shè)置”按鈕，通過該功能對數(shù)據(jù)傳輸?shù)南鄳?yīng)參數(shù)進行設(shè)置。智能管理界面如圖5所示。

圖5 智能管理界面

（2）錄像查詢

用戶可以通過該功能對錄像的相應(yīng)數(shù)據(jù)進行查詢。點擊界面菜單欄“抓拍管理”按鈕，用戶可對抓拍圖片進行相應(yīng)參數(shù)的管理操作。抓拍錄像查詢界面如圖6所示。

圖6 抓拍錄像查詢界面

5 產(chǎn)品圖及系統(tǒng)環(huán)境應(yīng)用介紹

5.1 產(chǎn)品圖

產(chǎn)品實物圖如圖7所示。

圖7 產(chǎn)品實物圖

5.2 系統(tǒng)環(huán)境應(yīng)用介紹

場景實現(xiàn)：這款智能車設(shè)計為了協(xié)助救災(zāi)遠(yuǎn)程探測災(zāi)區(qū)身邊的環(huán)境溫濕度，以及位置情況和查看受困人在狹小空間的情況，一旦有害氣體濃度超標(biāo)，可及時報警。為了更好地協(xié)助搜救人員救援，智能車還搭載有人機交互界面，可實現(xiàn)救援人員與被困人員的及時交流，以便更好地展開救援，同時本款產(chǎn)品配備有太陽能充電續(xù)航技術(shù)，可語音喚醒打開照明燈，在夜晚也能實施救援任務(wù)，是一款多功能型搜救智能車。

6 結(jié) 語

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，在搜救機器人這一領(lǐng)域的發(fā)展這些年來也取得了許多的進步，但是用于在實際中參加救援行動的并不多，只有少部分得到了應(yīng)用，大多數(shù)仍然處在實驗室研究的階段。但是隨著科技的進步和社會的發(fā)展，未來搜救機器人一定會迅猛發(fā)展，所以應(yīng)用前景是非常廣闊的，勢必會引起一場工業(yè)科技革命。

注：本文通訊作者為李德英。