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多功能智能救援爆破車的設計

發布日期:2021-03-17   來源:《變頻器世界》20-12期   作者:劉靜   瀏覽次數:1335
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【摘   要】:根據救援爆破車非人性化和可視化的要求,目前應用的救援爆破車輛功能單一、系統設計復雜、耐久性差,文中提出了一種優化方案,在統一網絡平臺的基礎上,設計了一種具有探測、引爆、提供毒品輔助、危險區域視頻監測和攝像、現場環境檢測等多種功能的智能車輛。

 

關鍵詞:救援爆破車;無線網絡;多功能救援車;智能

Abstract: According to the requirement of dehumanization and visualization of the rescue and blasting vehicle, an optimization scheme is proposed to solve the problems of the current rescue and blasting vehicle with single function, complex system design and weak endurance. Based on the unified network platform, an intelligent vehicle with multiple functions, such as detection and detonation, provision of drug assistance, video detection and photographing of hazardous area and on-site environment detection, is designed.

Key words: Rescue and Blasting Vehicle; Wireless Network; Intelligent Multi-functional Rescue Vehicle

 

1  引言

救援爆破多功能智能車是一種能夠代替人類進行危險物品排除工作的機械車輛或機器人。中國在這方面的研究起步相對較晚,“智能蝴蝶”系列爆破車由中國科學院沈陽自動化研究所研制,重量達200kg,最大運動速度可達2.40km/h,還可以下40°以下的斜坡或樓梯,具有完美的三段履帶設計,使機器人能順利地爬上或下樓梯,并能克服高達400mm的障礙。廣州威孚機器人公司生產的 PST系列機動車具有很好的移動性能,可以跨越400mm高的障礙物,還可以挖掘500mm寬的溝槽,而且也可以在40°的角度下斜坡或樓梯。它不僅能前后移動,還能以最大30m/min的速度轉彎。

目前,各種救援爆破車輛仍然存在功能單一、系統設計復雜、耐久性差等問題,F有的大多數救援爆破車只能完成引爆任務,而不考慮向被困人員或傷員提供藥品和醫療救助,也不可能有效探測救援爆破環境;诟咝、實用的原則,文中設計了一種多功能爆破智能車,它能夠完成救援和起爆任務,檢測物體周圍環境,并且降低了成本。

 

2  總體方案設計

車輛可以將檢測到的圖片以無線WIFI連接的形式實時上傳到控制端,供指揮員作出相應的決定,指揮員還可以通過無線WIFI連接對智能車及其網絡攝像頭進行實時遙控操作。該系統將無線傳感器網絡的智能監控系統組成一個自組織網絡,將智能車輛的各種參數及時傳輸到控制端。

2.1  各部分結構組成

多功能爆破智能車由智能車身和遙控上位機兩部分組成。車身又由圖1所示的控制系統、移動載體、機載設備和機械臂等5個模塊組成。

 

1-移動載體  2-機械臂  3-控制系統  4-機載設備  5-上位機)

1  多功能爆破智能車結構組成

在設計車身時,必須考慮到與處理可疑危險物質的具體要求有關的許多技術參數,將每個裝配件科學地布置在整機的對應位置,使重量分配科學化,便于使用和維護。為了更科學地分配救援爆破車的軸向載荷和重心,在設計過程中應使整機裝配和部件的布置垂直對稱,使整機保持水平穩定,左右兩側載荷均勻。

2.2  功能模塊組合

根據對車體結構和功能的要求,多功能爆破智能車的移動載體除了包括驅動系統、傳感定位系統、通信系統、供電系統等部分外,還包括行走、行駛、防護、支撐等其它機械結構部分。智能車的控制項目主要是遠程控制,輔以獨立控制,包括操作平臺、無線網絡等部分。

 

3  總體功能模塊設計

3.1  移動載體的功能設計

救援爆破車的移動載體由動力源、電液控制系統和行走機構等部分組成,配備了許多零部件和電氣元件,在一定程度上支撐著整個機器的重量,當整機運行正;虿僮髡r,也會承受很大的動載荷作用。在救援和排除爆炸過程中,為了保證移動載體上各系統的準確運行,有必要對移動載體機器人的設計進行完善。行走機構可以由多種傳動結構組成,常用的結構有履帶式、輪式或者兩者結合的形式。在對各種方案進行比較后,綜合考慮了救援車輛的移動載體、應用場所和工程炸彈處置,最終決定以履帶車輛為主要移動載體。

3.2  機械臂的功能設計

機械臂是救援車輛的主要部件,也是評價救援車輛性能的主要指標,機械臂通常用于消除危險、火災和破壞。彩色CCD攝影機經常用于救援和爆破車輛,以密切檢查可疑物體。機械臂可用來抓取爆炸物、金屬探測器及其他設備,以完全偵測可疑物體,或處理爆炸物。機械臂的長度約為0.5米,具有“6+1”自由度、靈活性高和適應性強的優點,可與相應的控制系統完全匹配,使操作人員操作更加靈活、方便,并且確保任務順利完成。

機械臂由六部分組成:手爪,手腕,前臂,中臂,大臂和腰部(又稱為基座),和“6+1”自由度。在這些組成部分之間,還包括腰部轉動、大臂、中臂、小臂和手腕的投擲、手爪的旋轉和張開。通過減速器,電機可以直接驅動腰部旋轉、中臂、前臂和腕部節距。由于大臂承載能力有限,存在許多安全隱患,采用大臂電機通過減速器驅動推桿來驅動大臂變距。同時它還具有一定的自鎖能力和穩定的結構。手爪部分比較特殊,在手爪的旋轉和張開運動之間需要有一定的耦合。要實現手爪運動的旋轉,必須在手爪電機運動過程中保證手爪開閉電機按照規定的速比運動,最大限度地實現回轉。相反,手爪開閉也不會影響機械臂的旋轉。

3.3  控制系統設計

考慮到救援爆破車工作環境的復雜性和危險性,可以采用統一的無線通信方式,提高其對環境的適應性。系統中的所有子系統設備都是通過接收機的通信子系統發送的,以避免模塊之間的電磁干擾,提高抗干擾性能。由于減少了自干擾,所以通信距離更長,并有效地降低了能量消耗。多功能爆破智能車的控制系統按照功能劃分和模塊組成分為三部分:后控臺(上位機)、救援爆破車車體(下位機)和通信子系統,控制系統結構框圖如圖2所示。

 

                          




2  控制系統結構框圖

3.3.1  上位機

上位機按功能可分為五個子系統,即視頻監控子系統、無線傳感檢測子系統、智能汽車報警子系統、雙車子系統和人機交互子系統。其中,人機交互子系統是操作者與上位機之間的主要人機界面,操作者可以使用鼠標、按鈕、鍵盤和操縱桿等多種輸入設備對智能汽車進行遠程控制操作。同時,它在軟件界面上會顯示其他四個子系統傳輸的視頻、音頻、環境、工作狀態、地理位置等信息,為指揮員提供決策指令。報警子系統通常由報警指示燈和蜂鳴器組成。 雙車交互子系統主要用于處理緊急情況,這兩輛車可以放置在不同的視角,并配備輔助武器裝備,以覆蓋和支持對方。

3.3.2  車身控制與傳感系統

1)控制執行裝置

救援爆破車本身是下位機,包括所有安裝在移動運輸車上的設備?紤]到智能設備眾多,需要大量的I/O端口和模擬端口,并在 RS-485總線的基礎上建立了一個管理系統,以確保信號的及時處理。上位機采用PC104四軸控制器作為主站,下位機則采用手臂控制器控制移動載體和機械設備。根據控制功能,下位機可分為四個子系統,即現場視頻監控子系統、控制執行子系統、工作狀態子系統和無線傳感器監控子系統。

除了機械手和移動載體外,安裝在車上的設備還有傳感器監控系統和應急醫療箱。所有這些機載設備都位于智能車的后平臺上,其位置的擺放不會影響智能車的自動操作。

2)視覺傳感裝置

視覺傳感器裝置采用網絡攝像機,可以通過網絡實現圖像的遠程傳輸。設備中所使用的攝像頭支持h.264編碼,可以滿足最大1080p 30FPS的傳輸。視頻處理電路具有自動增益控制、背光補償等功能。通過POE網絡可以簡單方便的將它連接到通信子系統。未來可以根據需要更換紅外攝像機。

3)其他傳感器裝置

其他傳感器設備由位于智能車內的多個傳感器節點組成,包括傳感器、電源管理、數據處理和傳輸模塊四個主要部分。傳感器模塊的主要任務是采集監測區域的信息以及實現數據轉換,采集的信息包括光強、聲音、大氣壓力等。電源管理模塊反映節點當前的電能消耗和電源狀態。數據處理模塊的主要任務是控制整個節點的同步位置、處理操作、任務和電源管理。數據傳輸模塊的主要任務是與其他節點進行無線通信,交換控制信息,收集數據。所有傳感器數據由通信子系統統一處理后發送至上位機。

3.3.3  通訊子系統

通信子系統用于連接后控制臺與救援引爆裝置。該系統采用hyperion電子公司的UART-WIFI模塊,該模塊同時具有DART接口和在線接入,WIFI網絡標準嵌入式模塊,內置無線IEEE802.11網絡協議棧,可實現用戶數據到無線網絡的轉換。其中,虛擬串行端口功能完全支持串行透明數據傳輸模式,真正實現串行端口即插即用,具有完整的TCP/IP協議棧,動態IP地址分配支持DHCP(動態主機配置協議)和DNS域名解析能力,串行傳輸速度高達KBPS。通過UART-WIFI單片機串行口,它可以方便地將各種傳統控制設備連接到無線網絡。由于采用模塊化設計,只需將每個模塊的引腳與引腳連接即可,網絡接口設備可以直接實現人機交互,以實現未來的功能擴展。

4  結論

文中設計的智能救援防爆系統可以最大限度地降低電磁干擾,并通過統一的無線網絡通信子系統對其功能進行擴展。通過IP協議整合其他子系統的各種信息,使軟件運行更加穩定可靠,使硬件設計更加簡單節能,達到了實用高效的設計目的。

 

參考文獻:

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作者簡介:

劉靜,1983年10月,女,陜西西安,現任重慶科創職業學院骨干教師,副教授,聯系電話:13594334525;郵箱:2103771@ qq.com;地址:重慶永川區重慶科創職業學院智能制造學院,劉靜(收);郵編:402160。

 
 
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