森林滅火航彈智能觀瞄投放控制系統設計

劉少剛，周釗，張書宇，趙丹，郭云龍，李曉偉

1. 哈爾濱工程大學 機電工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001

2. 哈爾濱第一機器制造集團有限公司 機械制造分公司，黑龍江 哈爾濱 150056

森林滅火航彈智能觀瞄投放控制系統設計

劉少剛1，周釗1，張書宇2，趙丹1，郭云龍1，李曉偉1

1. 哈爾濱工程大學 機電工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001

2. 哈爾濱第一機器制造集團有限公司 機械制造分公司，黑龍江 哈爾濱 150056

研制出一種森林滅火航彈智能觀瞄投放控制系統，提高森林滅火航彈的滅火效率。文中以工控機為控制系統核心，通過RS232-CAN轉換器向CAN總線分布式通訊節點實時地發布控制命令以及接收反饋數據，實現森林滅火航彈智能觀瞄投放控制系統的高效實時可靠運行。文中描述了控制系統的硬件構成以及軟件實現流程，并且對控制系統進行了相關功能的調試實驗，經過實驗驗證，設計的森林滅火航彈智能觀瞄投放控制系統可以正常運行，完成相應的控制功能。

森林滅火航彈；智能觀瞄；CAN總線；分布式通訊節點；人機交互界面；控制系統

在森林火災消防領域中，以樹冠火的危害最大，也最難撲滅。由于樹冠火的特殊性，到目前為止，世界上還沒有能夠對其進行遠程迅疾壓制性撲救的消防設備。樹冠火多發生在樹脂成分較多的針葉林，遇到大風天氣由樹冠火產生的氣旋形成的火旋風可將燃燒的樹枝、樹皮刮到幾十米、數百米甚至幾公里遠的前方形成新的火點。所以，一旦發生并蔓延，森林里用于防火的隔離帶根本起不到防火作用。而現有滅火裝備和方法又都無法直接將其撲滅，因此樹冠火往往成為釀成重特大森林火災的最重要因素[1]。

應用森林滅火航彈進行森林滅火是一種全新的森林滅火方法，旨在解決目前森林消防滅火領域危害最大的樹冠火撲滅問題，改變目前基層森林消防官兵手持風力滅火機在火場內部冒著生命危險與森林火災搏斗的狀況[2]。對于難以接近的森林火災可以實現遠程高效滅火，使我國遠程森林消防滅火設施達到國際先進水平。

應用森林滅火航彈進行滅火的過程中，需要用直升機掛載森林滅火航彈到火場上空進行投放，本系統主要作用是保證森林滅火航彈能夠在火場上空準確位置投放，使森林滅火航彈達到最佳的滅火效果。

1 智能觀瞄投放控制系統總體設計

森林滅火航彈智能觀瞄投放控制系統主要由3部分結構組成：上位機（工控機）、RS232-CAN轉換器、下位機（CAN總線分布式通訊節點），總體結構組成如圖1所示。上位機（工控機）主要是用來運行人機交互界面以及連接外部監控設備，實現森林滅火航彈智能觀瞄投放控制系統的可視化操作控制，是本系統的核心組成部分。RS232-CAN轉換器主要作用是在CAN總線協議和RS232協議之間進行數據轉換，它的性能直接影響著系統的效率[3]。下位機（CAN總線分布式通訊節點）的主要功能是驅動執行機構進行投彈，包括多個掛接在CAN總線上面的CAN總線節點，每個CAN總線節點控制一個投彈機構，各CAN總線節點結構功能完全一致，是本系統的具體投彈執行控制部分。

圖1 智能觀瞄投放控制系統總體結構組成

圖2 智能觀瞄投放控制系統人機交互界面

2 工控機軟、硬件選擇設計

2.1 工控機的選擇

工控機是整個控制系統的核心控制部分，需要帶有觸摸式控制面板，可以實現系統的可視化操作控制，主要功能是發送控制命令以及連接外部監控設備。根據功能以及使用環境，工控機需要具有控制穩定性、快速高效性、便攜性等性能，采用威強鋁質堅固型工業平板電腦UPC-V312-D525。

2.2 人機交互界面

本系統的人機交互界面是利用Microsoft Visual C++ 6.0軟件進行編寫的，Microsoft Visual C++ 6.0是一種面向對象的可視化開發工具，提供了良好的界面設計能力，它具有功能強大、簡便易用和代碼執行速度快等特點[4]。文中使用MSComm串口通信控件與RS232-CAN轉換器進行串口通信，MSComm控件是Microsoft公司提供的串行通信編程的ActiveX控件，它為應用程序提供了通過串行接口收發數據的簡便方法。MSComm控件提供了2種處理通信問題的方法：1）事件驅動方式；2）查詢方式。事件驅動方式可靠性高，程序響應快，是處理串口交互作用的一種非常有效的方法，它使用OnComm事件和CommEvent屬性捕捉并檢查通訊事件和錯誤的值，發生通訊事件和錯誤時，將觸發OnComm事件，CommEvent屬性的值也將被改變，應用程序檢查CommEvent屬性的值并作出相應的反應，文中將采用事件驅動方式來實現串口通信[5-7]。本文所設計的人機交互界面如圖2所示，人機交互界面工作流程圖如圖3所示。

圖3 人機交互界面工作流程

3 RS232-CAN轉換器設計

3.1 RS232-CAN轉換器硬件設計

RS232-CAN轉換器硬件主要包括微處理器、CAN總線控制器、CAN總線收發器等。微處理器選擇抗干擾微處理器STC89C52RC，CAN總線控制器選擇飛利浦的獨立CAN總線控制器SJA1000，CAN總線收發器選擇廣泛使用的CAN總線收發器PCA82C250，外部接口主要包括與上位機通訊的RS232串口以及與CAN總線通訊的CAN總線接口，主要硬件電路如圖4所示。

圖4 RS232-CAN轉換器主要硬件電路

3.2 RS232-CAN轉換器軟件設計

整個軟件控制流程如圖5所示。

圖5 RS232-CAN轉換器軟件控制流程

RS232-CAN轉換器在CAN總線協議和RS232協議之間進行數據轉換要使用外部中斷0以及串行口中斷，軟件控制首先要進行微處理器初始化MCU_Init()以及CAN總線控制器初始化Peli_Init()[8-9]。

RS232-CAN轉換器利用串行口中斷與上位機進行通訊，當接收到上位機控制命令時，微處理器調用串行中斷服務程序UART_SER (void) interrupt 4進行處理，通過CAN總線發送數據函數Peli_TXD(void)向CAN總線上寫入控制命令。RS232-CAN轉換器利用外部中斷0與CAN總線進行通訊，當微處理器接收CAN總線通訊節點數據時調用外部中斷服務程序Peli_RXD(void) interrupt 0進行處理，通過向串行口發送緩沖器SBUF寫入數據將下位機發送的數據傳送給上位機進行處理[10-11]。RS232-CAN轉換器具體的串行中斷服務程序如下：

RS232-CAN轉換器在本系統中主要作用有：1）通過RS232串口接收上位機發布的控制命令，然后將控制命令經過轉換通過CAN總線發送到指定的通訊節點；2）通過CAN總線接收通訊節點發送的數據，經過轉換通過RS232串口發送給上位機。

4 CAN總線分布式通訊節點設計

4.1 CAN總線分布式通訊節點硬件設計

CAN總線分布式通訊節點主要包括掛接在CAN總線上面的各CAN總線節點，節點電路硬件主要包括微處理器、CAN總線控制器、CAN總線收發器、繼電器等。微處理器選擇抗干擾微處理器STC89C52RC；CAN總線控制器選擇飛利浦的獨立CAN總線控制器SJA1000；CAN總線收發器選擇廣泛使用的CAN總線收發器PCA82C250；繼電器主要任務是執行投彈的控制命令，選擇JQC-3F-C小型中功率電磁繼電器。外部接口主要包括與CAN總線通訊的CAN總線接口，主要硬件電路如圖6所示。

圖6 CAN總線分布式通訊節點主要硬件電路

4.2 CAN總線分布式通訊節點軟件設計整個軟件控制流程如圖7所示。

圖7 CAN總線分布式通訊節點軟件控制流程

CAN總線分布式通訊節點進行CAN總線通訊時使用外部中斷0，軟件控制首先要進行微處理器初始化MCU_Init()以及CAN總線控制器初始化Peli_Init()。CAN總線分布式通訊節點利用外部中斷0與CAN總線進行通訊，當某個CAN節點微處理器接收到上位機投彈控制命令時調用外部中斷服務程序Peli_RXD(void) interrupt 0進行處理，MCU通過置位相應的控制位使繼電器閉合，執行投彈操作，并且將投彈成功的狀態反饋給上位機。CAN總線分布式通訊節點外部中斷服務程序如下：

CAN總線分布式通訊節點的主要作用是執行上位機的投彈命令并且將投彈成功的信號反饋給上位機。森林滅火航彈投彈機構核心部件是電磁鐵，主要工作原理是通過電磁鐵的吸合和斷開實現投彈和機構復位。每個CAN總線分布式通訊節點均帶有繼電器，通過繼電器的閉合和斷開來控制電磁鐵吸合和斷開，從而實現投彈和復位。當相應的CAN總線分布式通訊節點接收到投彈命令時，微處理器控制繼電器閉合實現投彈，并且將投彈成功的信號反饋給上位機；當相應的CAN總線分布式通訊節點接收到復位命令時，微處理器控制繼電器斷開實現復位，為下一次投彈做準備。

5 智能觀瞄投放控制系統調試實驗

智能觀瞄投放控制系統調試實驗主要是測試人機交互界面、RS232-CAN轉換器以及CAN總線分布式控制系統之間的通訊狀況，在單擊人機交互界面上初始化、投彈、復位等按鈕時，CAN總線分布式通訊節點能夠快速做出相應的動作以及反饋數據，人機交互界面根據反饋的數據判斷命令執行情況。智能觀瞄投放控制系統調試實驗需要1臺工控機、1個RS232-CAN轉換器以及2個CAN總線分布式通訊節點，工控機和RS232-CAN轉換器利用1根RS232串口線進行通訊，RS232-CAN轉換器和CAN總線分布式通訊節點利用CAN總線進行通訊，智能觀瞄投放控制系統實驗平臺如圖8所示。

智能觀瞄投放控制系統調試實驗主要測試了系統兩方面的性能：1）人機交互界面顯示從外部監控設備獲取的視頻信號；2）人機交互界面穩定可靠地與CAN總線分布式通訊節點進行通訊、數據交換以及發布命令，CAN總線分布式通訊節點可以準確地執行命令。

圖8 智能觀瞄投放控制系統實驗平臺

智能觀瞄投放控制系統調試實驗主要涉及到以上2個方面，首先完成整體系統的安裝工作。當單擊人機交互界面上面靜態視頻信號和動態視頻信號時，人機交互界面上的視頻框出現相應的視頻信號，當單擊斷開信號按鈕時，視頻框里的視頻信號消失，如圖9（a）所示。然后單擊人機交互界面上面初始化按鈕，對整個系統進行初始化，人機交互界面上面投彈指示燈會全部變成綠色，然后單擊開始投彈按鈕。當單擊投彈1按鈕時，相應的CAN總線分布式通訊節點上面的繼電器閉合，人機交互界面上的投彈指示燈會變成紅色，投彈成功。當單擊人機交互界面上面復位按鈕時，CAN總線分布式通訊節點上的繼電器全部復位。如圖9（b）所示。

實驗結果顯示，在單擊人機交互界面上功能按鈕時，CAN總線分布式通訊節點都會快速準確地做出相應的動作，并且將執行命令的情況實時快速地反饋給上位機，在遇到通訊錯誤時，CAN總線也會出現錯誤指示。整個系統基本達到控制需求，能夠完成投彈任務，調試實驗如圖9所示。

圖9 智能觀瞄投放控制系統調試實驗

6 結束語

本文研究了一種森林滅火航彈智能觀瞄投放控制系統，它可以將森林滅火航彈準確的投放到火場表面，實現森林滅火航彈投彈的智能化，解決以往森林滅火過程中資源利用率低的問題。文中將CAN總線分布式控制系統應用到了森林火災領域，使整個控制系統具有較高的實時性、可靠性以及準確性，在發生森林火災時，保證森林滅火航彈可以快速地投放到火場上空準確位置，大大提高森林滅火航彈的滅火效率。本文研究的森林滅火航彈智能觀瞄投放控制系統中有些需要進一步研究的方向，例如投彈策略研究、投彈控制算法研究等等。

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Design on the intelligent view glance control system of the aerial bomb for forest fire fighting

LIU Shaogang1, ZHOU Zhao1, ZHANG Shuyu2, ZHAO Dan1, GUO Yunlong1, LI Xiaowei1

1. College of Mechanical and Electrical Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China 2. Harbin No.1 Machine Manufacturing Group Co., Ltd, Machinery Branch, Harbin 150056, China

The purpose of this paper is to develop an intelligent view glance control system of the forest fire bomb to improve fire extinguishing efficiency. In this paper, taking industrial computer as the core of control system, through the RS232-CAN converter to release control commands to the CAN bus distributed communication node and receive feedback data real-timely, realize the efficient, real-time and reliable operation of the intelligent view glance control system of the forest fire bomb. This paper describes the hardware constitution and software implementation process of the control system, and conducts the debugging experiment on the related function testing of the control system. The experimental results show that the intelligent view glance control system of the forest fire bomb can work properly, and complete the corresponding control functions.

aerial bomb for forest fire fighting; intelligent view glance; CAN bus; distributed communication node; human-computer interaction interface; control system

TP368.1

A

1009-671X（2014）01-0069-06

10.3969/j.issn.1009-671X.201301004

2013-01-06.

哈爾濱市應用技術研究與開發項目（2013RFXXJ002）；高等學校博士學科點專項科研基金資助項目（20102304110007）.

劉少剛（1962-）, 男，教授，博士生導師.

劉少剛, E-mail: liushaogang@hrbeu.edu.cn.