车载森林防火脉冲式水枪的研究与设计

刘凯+++魏艳秀++杨维东++许继红

摘 要：伴随着科学技术不断发展，自动控制技术在森林防火领域起到了至关重要的作用，森林防火装置也逐渐实现了数字化与智能化。“以水灭火”作为扑救森林火灾的主要技术手段，如何准确有效的扑灭火源，防止火势蔓延成为技术关键。针对这一问题，设计了一种车载森林防火脉冲式九孔水枪，采用PID控制算法对枪架的仰俯角与方位角进行控制，保证了水枪射击精度，减小了灭火弹落点误差，提高了灭火效率。

关键词：森林防火；脉冲式；水枪

中图分类号：TP271 文献标识码：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

森林火灾危害巨大，在烧毁树木的同时还严重的破坏了森林结构与森林环境，导致森林生态系统失去平衡。由于森林火灾具有突发性强、破坏性大的特点，给森林防火工作带来诸多阻碍。在火灾发生时，火势蔓延与拓展速度快，无法靠近火源的情况下如何迅速有效地进行扑救，成为当下森林保护领域研究的热点问题。

本文针对上述问题，设计一种车载森林防火脉冲式水枪，并对其系统组成、使用方式以及系统软件、硬件的设计进行了理论论证与分析。

1.系统设计方案

车载森林防火脉冲式水枪采用双闭环控制系统，对枪架的仰俯角与方位角进行闭环控制，选用编码器对枪架角度进行测量，与输入角度值进行比较，将误差进行放大后通过A/D转换输入到STM32控制器，通过采用PID控制算法输出PWM信号驱动伺服电机从而驱动枪架不断调整仰俯角与方位角，直至误差为零，系统的控制结构图如图1所示。

2.系统硬件设计

车载森林防火脉冲式水枪主要由角度调节装置以及脉冲式发射装置组成。其中角度调节装置包括推杆电机俯角调节装置、伺服电机方位角调节装置两部分组成。根据实际需求与实验优化搭建了系统实物仿真平台如图2所示。下面以各装置为单位，分别对各装置进行硬件的分析与设计。

2.1角度调节装置的设计

为保证车载森林防火脈冲式水枪发射灭火弹的有效范围与射击精度，采用伺服推杆电机实现枪筒仰俯角控制，采用大扭矩伺服电机与平面轴承相结合实现枪架方位角控制。

推杆电机仰俯角调节装置选用的伺服推杆电机行程为500mm，将仰俯装置的仰俯中心记为原点，仰俯角范围可由0°～75°，推力可达1600N，带载运行速度可达12mm/s。

在伺服推杆电机轴上加装增量式编码器，将推杆电机行进位移转化为周期性电信号，再将这个电信号转变为脉冲信号，脉冲信号经过STM32控制器进行处理便可以将推杆电机位移的变化量转变成枪架的角度变化量。

方位角控制装置的伺服电机选型要根据车载森林防火脉冲式水枪的参数进行确定，设计在枪架转速最大时电机转速为180r/min，为保证电机的稳定工作，在进行电机选型时增加了15%的转速余量，即选用n=207r/min的电机。车载森林防火脉冲式水枪的质量M=50kg，对系统模型进行理想化，如图3所示，将负载质量等效到圆盘上，圆盘直径D=500mm，则计算出负载的转动惯量为

即1.5625kg·m2。设计减速机的减速比为1：20，则折算到伺服电机轴上的负载惯量为

通过查询电机型号及参数，与18W最接近的为36W，则确定所选用伺服电机参数为：额定功率36W，工作电压12V，堵转电流3.2A，传动效率0.8。

伺服电机型号确定后由光电编码器测量到的枪架旋转角度与给定角度进行比较产生偏差送进行控制，经过PID控制器调节后由STM32输出PWM控制信号驱动伺服电机工作。

2.2系统耦合分析

由于车载森林防火脉冲式水枪的特殊工作环境，可能因为林区道路崎岖或者在灭火弹发射时水枪具有一定的后坐力使枪架发生震动将枪架与地面之间形成一定的夹角，从而导致发射精度下降，无法达到预定的效果。所以需要对系统进行耦合分析，对水枪发射坐标系与地面坐标系进行坐标变换，从而可以达到在上述产生夹角的情况下系统进行自动校正，保证发射精度。endprint

分别对枪架与地面建立空间直角坐标系OXYZ与OX1Y1Z1，则根据系统与地面產生夹角情况分析，会产生角a与角b，分别是OY1与平面OXY产生的纵向夹角、OX1与平面OXY产生的横向夹角。夹角在空间直角坐标系的示意图如图4所示。

根据空间变换规则，对坐标系OXYZ与OX1Y1Z1进行坐标变换，得到坐标系OXYZ与OX1Y1Z1之间存在如下关系：

通过测量横向夹角b与纵向夹角a的值便可以计算出变换后的坐标值，即对产生误差后的发射角进行了矫正。

2.3脉冲式发射装置的设计

为提高车载森林防火脉冲式水枪的自动化程度，设计时采用点动开关进行触发，STM32对点动开关进行扫描，当检测到点动开关动作时发生中断，输出PWM信号对相应舵机进行控制，舵机动作触动水枪发射开关进行灭火弹发射。脉冲式发射装置硬件连接示意图如图5所示。

2.4电源电路的设计

车载森林防火脉冲式水枪采用车载12V电源供电，分模块对各功能器件进行供电，电源电路设计框图如图6所示。为保证脉冲触发装置工作的可靠性，对触动发射开关的舵机采用最大扭矩输出情况下的电压供电，经LTC3780降压模块将车载12V转换为8.4V；STM32供电由车载12V经LTC3780降压模块转换为3.3V；为保证控制仰俯角的伺服推杆电机以及控制方位角的伺服电机工作的稳定性，车载12V首先经稳压模块进行稳压并对其进行过流保护后接入电机，防止对系统造成损害。

3.系统控制算法设计

系统软件设计主要包括对外部输入信号的检测、伺服电机位置环与速度环任务信息的处理以及PWM信号的处理，设计系统主程序流程图如图7所示。

首先进行系统初始化，包括STM32初始化以及外部设备初始化，初始化完成后循环判断是否触发定时中断，中断到来后对控制者输入数据进行运算处理，并根据输出值控制STM32首次输出PWM控制信号，对发射方位角与仰俯角进行调整。第一次粗调结束后，读取角度传感器值，判断角度是否达到发射精度要求。若未达到要求，则按着坐标系变化规则进行角度调整得到角度偏差，并对偏差进行PID控制直至满足精度要求；达到精度要求对点动按钮进行扫描，当控制者发出发射命令时，STM32控制相应舵机动作触动发射开关进行发射。

结语

车载森林防火脉冲式水枪设计从森林防火所遇到的难点出发，系统选择车载的方式，提高了系统的机动性，适合在林区长期作业；在设计中针对外界因素以及装置本身震动可能引起的发射误差采用耦合分析的方式进行了发射角度矫正，保证了发射精度；灭火弹的发射采用脉冲式触发装置，增强了系统的自动化程度，为森林防火装备的数字化与智能化建设提供新的思路。经过对车载森林防火脉冲式水枪进行灭火弹发射灭火实验，验证了其具有优越的灭火性能，具有较好的应用前景。

参考文献

[1]朱恩亮.PID控制算法在智能灭火机器人中的应用[J].盐城工学院学报（自然科学版），2012（3）：73-78.

[2]唐梓珈.浮式风机平台的系泊系统研究与耦合分析[D].湖南：湖南大学，2016.

[3]刘广通. 半实物火炮自动操瞄俯仰角度控制系统的研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2008.

[4]廖义奎.Cortex-M3之STM32嵌入式系统设计[M].北京：中国电力出版社，2012.

[5]何苗，吴永刚，陈金花.基于STM32的数字舵机控制系统[J].水雷战与舰船防护，2015，23（1）：52-54.endprint