一種消防救援用電助力兩輪運輸車設計

摘要：消防救援人員在野外火災、自然災害救援時，會面臨物資裝備快速、安全運送難題。為解決這一難題，設計并研發(fā)了一種電助力兩輪運輸車。該運輸車具有可折疊、重量輕的特性，在復雜路況或無道路環(huán)境下通過性好、系統穩(wěn)定，可供消防員在野外環(huán)境中單人操控使用。

關鍵詞：消防；電助力；兩輪；運輸車

中圖分類號：D631.6" " " 文獻標識碼：A" " " "文章編號：2096-1227（2025）06-0016-03

0 引言

在野外開展森林火災撲救以及地震、泥石流、洪澇等自然災害救援時，由于災害導致救援現場末端道路不通或者損毀，大型運輸車輛往往無法直接抵達災害救援現場，救援人員只能依靠人力或其他小型運輸設備運送相關救援物資和裝備。在這種復雜多變的環(huán)境下，如何能迅速、方便地將救援物資和裝備送達災害救援現場，成為消防救援人員亟待解決的難題?；诖?，本文設計并研發(fā)了一種消防救援專用的電助力兩輪運輸車，具有可折疊、重量輕、復雜路況下通過性好、系統穩(wěn)定性高的特點，可由單人操控輔助運送物資，既保證了運輸過程中的安全性，又節(jié)省了消防救援人員的體力。

1 消防救援用電助力兩輪運輸車設計

1.1" 總體設計

針對消防員在野外處置山火和自然災害時面臨的物資運輸需求，消防救援用運輸車在設計上需考慮適用于消防野外救援場景的便攜性（重量、體積）、通過性（爬坡、越障、涉水）、操控性（單人使用）、防火性（耐高溫環(huán)境）等主要特性。為實現以上功能，達到消防野外使用的目標，通過以下方式進行設計實現：

1）在結構設計上，車體框架能夠進行兩次折疊并可將兩輪快速拆裝分離，既可以減少長途隨車運輸過程中所占的空間，又可快速安裝成車。同時采用高強度、低密度的車體材料，如鋁合金、碳纖維等，減輕整車重量。

2）該運輸車在動力設計上采用小型高扭矩的輪轂電機，并配備公路、草地、沙地等多種類型輪胎，提升越障能力與不同救援環(huán)境的適應性。同時輪轂驅動、動力系統和操控系統均采用防水設計，提升涉水性能與整車防水性能。

3）在控制系統上采用陀螺儀+加速度儀感知車體狀態(tài)，通過傳感器感知行進速度與傾斜角度，并以高性能處理芯片作為處理單元的全數字控制方式，自動輔助調節(jié)車速與輪速差，減少人員手動調節(jié)，并增強使用安全。

4）所有電子器件和線路均采用準軍用標準設計，能耐105℃高溫，同時關鍵部件采用隔熱設計、非金屬材料采用阻燃材料，進行阻燃、隔熱處理，進一步提升整機耐環(huán)境溫度性能與防火性。

基于以上設計，整車系統由主體框架、輪胎與電機、供電電池、驅動及控制系統組成，見圖1。

整車可快速分解為3部分，左輪（含懸掛減震）、右輪（含懸掛減震）、主體框架。拆裝時單人即可完成操作，分解或組裝時間小于10min。

在組拆解態(tài)下，車架、電池及控制艙可翻折，進一步減小其體積，同時左右兩個車輪也可進行快速拆卸，見圖2。

1.2" 車架與控制設計

主體框架采用高強度鋁合金、碳纖維、工程塑料共同組合構成，其中高強度鋁合金保證車體的強度，在承載重物以及越野震動時不易變形；在與人體接觸的相關部位使用碳纖維以及工程塑料，具有減震功能，既降低整體車重，又提高人機協同性。

主體框架由3部分組成，分別是牽引部、支撐部、電池及控制艙，見圖3。

1.3" 動力部分設計

動力部分主要由輪轂電機以及輪胎構成。兩輪轂電機與懸掛減震部分連接，安裝在車體兩側。懸掛部分與車體之間有快速組裝與分解裝置，見圖1、圖2。

配備的兩個電機可獨立控制，通過電子差速器可實現運輸車原地掉頭、轉彎。同時根據地形不同可配置14寸、16寸等不同尺寸輪轂以及草地、公路、沙地等不同類型外胎，以適應在不同救援環(huán)境中的越障需求。

為滿足兩輪運輸車所具備的越野越障功能，采用的電機具有IP57級的防護能力，具有短途涉水功能。電機內部安裝有光學傳感器，可實時監(jiān)控反饋電機轉速、溫度等特性。同時，電機內設有抱閘系統，可防止駐坡時溜坡。

1.4" 動力驅動與控制系統設計

為了提高車輛內部空間利用率、減少裝備體積，設計時通過分層、分區(qū)域優(yōu)化，集成驅動系統與控制系統。

驅動與控制電路整體封裝在外形為220mm×85mm的屏蔽盒中，安裝在電池與控制艙內部。屏蔽盒內部電路均噴涂三防漆，且外部屏蔽盒做密封處理，線纜連接處均使用防水接頭，具有IP68防護等級。

1.4.1" 動力驅動電路設計

為滿足電機的驅動力，動力驅動電路需要與電機完全適配，為電機極限工作提供可靠的能源輸入，同時兼顧可靠性與散熱性。具體設計如下。

1）通過電路分層、不同功能電路分區(qū)域等電路排版布線方式，將驅動系統與控制系統進行集成化設計，提高車輛內部空間利用率，實現小型化設計。

2）通過良好的信號接地、供電電源接地設計，在關鍵位置增設屏蔽網，做好電路的電磁屏蔽體系，防止驅動電路信號泄露造成干擾；同時防止外部復雜電磁環(huán)境對驅動電路進行干擾。

3）在高功耗電子元器件處加裝金屬散熱片，在散熱片與高功耗電子元器件之間填充導熱硅脂，確保散熱良好，防止溫度過高造成芯片失效，以及長時間高溫導致芯片使用壽命縮短。

4）驅動電路由全固態(tài)芯片組裝而成。所選用的芯片級別均達到車規(guī)級以上標準，部分關鍵芯片選用軍用級，提高整體電路的可靠性和壽命。

1.4.2" 控制系統設計

控制系統采用高性能芯片控制[1]，通過讀取陀螺儀和加速度計傳感器的數據，經數據融合測算出車輛的當前姿態(tài)和速度。根據不同的姿態(tài)和速度對應的輸出電機控制信號，對電機進行有效控制，調整運輸車的運動，控制系統原理見圖4。

車輛的系統控制算法采用經典的PID控制方式。PID控制方式[2]已在兩輪電動滑車上成熟應用，控制框架結構簡單，魯棒性較強，可保證控制系統的快速響應和穩(wěn)定的閉環(huán)控制，減少控制誤差。

通過加速度計實時感知車身速度，并據此自動調節(jié)車輪轉速[3]，減少車輛與人體之間因阻力或過大推力產生的不適感，降低使用時對車輛速度的手動干預。同時，通過陀螺儀對車身角度的感知，控制系統可自動調節(jié)兩個車輪的轉速差，提高車輛在坡地環(huán)境下的穩(wěn)定性與安全性。

1.4.3" 電源管理與電池設計

車輛的電源管理采用電池管理系統，該系統可對電池的電壓、充放電電流、溫度、剩余電量與電池壽命進行實時監(jiān)測，同時具備過充保護、過放保護、過流保護、短路保護、溫度保護等功能，可對電池組進行有效管理，提升動力電池的安全性與使用壽命。在電池管理系統的硬件架構設計上，采用模塊化設計，構建了包含主控單元、從控單元和通信接口的分層結構；狀態(tài)監(jiān)控上，采用高精度電壓采集電路、雙向電流監(jiān)測和多點溫度監(jiān)測網絡，能更加精準、快速檢測到電池組的工作狀態(tài)與異常，及時調整電池組的充、放電策略，保障電池組的使用安全。

車輛的動力電池采用安全可靠性更高的磷酸鐵鋰電池組，相較于其他類型電池，磷酸鐵鋰電池成本更低、熱穩(wěn)定性更好，在高溫環(huán)境下不易分解，熱失控風險低于三元鋰電池等其他電池。此外，電池充放電循環(huán)次數可達2000～5000次，能夠滿足運輸車長期充放電使用的需求。

2 性能測試

2.1" 峰值扭矩測試

采用高精度扭矩傳感器，將其安裝在電機與負載之間，利用負載模擬最大負載以及爬坡所需的牽引力。測試時，先進行空載測試，后逐步給電機增加機械負載，增加過程平穩(wěn)緩慢，記錄電機在不同負載下的扭矩和轉速。當負載增加到一定程度后，扭矩數值不再上升，而轉速急劇下降，則該值為峰值扭矩。

2.2" 最大轉速測試

通過電機內置光電傳感器，配合測試軟件，可直接讀取電機在最大負載、坡地測試中的最大轉速。

2.3" 爬坡越野性能測試

在測試車輛爬坡性能、續(xù)航性能時，參考《軍用越野汽車設計定型試驗規(guī)程》，搭建相關測試平臺，測試平臺包含30°測試斜坡、0.2m垂直障礙、0.3m深度水池等障礙設施，以模擬實際救援場景中的復雜路況。續(xù)航性能測試通過搭建專用滾輪帶，模擬平地以及30°坡度，讓車輛負載后連續(xù)工作，測得最大續(xù)航里程。

2.4" 測試結果

經坡地上測試，在30°坡度下，運輸車最大負載60kg時，單個輪轂電機最大輸出扭力可達42N·m，最大轉速71.5r/min，最大行進速度5.4km/h；在平地上最大行進速度10km/h，涉水深度最大0.3m，越障高度最大0.2m，續(xù)航時間為6h，同時，空載時整車重量不超過40kg，可較好滿足消防救援人員在野外救援現場最后幾公里的物資運輸需求。

3 結束語

消防救援用電助力兩輪運輸車，能較好適應野外山地叢林環(huán)境下的救援物資裝備的輸運需求，既能夠提高單人負載能力，節(jié)省消防員體力，還能提高物資裝備的運送效率。該運輸車具有折疊后體積小、操作簡便、在復雜路況下通過性好的優(yōu)點，可輔助消防員在野外無道路的救援環(huán)境中運送物資、裝備，解決消防野外救援現場最后幾公里的運輸難題。若對該裝備的重量與體積進一步優(yōu)化，將具有較好的推廣應用前景。

參考文獻

[1]劉杰，袁良煒，殷學濤.基于STM32的無人自平衡自行車設計[J].工業(yè)控制計算機，2025，38（3）：167-168.

[2]趙坤燦，朱榮.基于DDPG-PID控制算法的機器人高精度運動控制研究[J/OL].計算機測量與控制，2025-5-6.

[3]楊東旭，賈少鋒，梁得亮，等.永磁無刷輪轂電機輪對系統同步工況下的協調控制策略[J].中國電機工程學報，2024，44（6）：2418-2428.