智能搜救小車設計與制作

周向

（武漢交通職業學院，湖北 武漢 430065）

近年來多發的火災、洪水、地震等自然災害，SARS、禽流感、核輻射等傳播能力很強、擴散范圍很大的對人體傷害極大的有毒物質帶來的恐怖，已經極大地威脅著人們的安全。人口城市化和城市人口密集現象加劇，高層建筑、地下工程、大型商貿場所、文化娛樂場所迅猛發展，使得城市建筑環境中的搜救工作需面對十分復雜的環境。

在一些危險性大的災難中，如隨時會引起爆炸的火災現場，有易燃、易爆或有毒氣體存在的現場，地震后存在易二次倒塌建筑物的現場，施救人員深入現場進行偵察或救援有極大的危險性。人們急于了解災難現場的內部險情，但又無法或不敢接近或進入災難現場。救援中心無法獲知有無有毒氣體泄漏、有無生命體征、火源等災難現場的實際情況，無法正確做出決策，延誤最佳救援時機。

針對這種情況，本文設計了一款智能搜救小車代替人進行救援時的數據采集工作，探測災難現場溫度、濕度、煙霧、有無生命特征等環境參數，并及時地將災難現場第一手寶貴資料傳送回救援中心，幫助救援中心作出正確的判斷。

一、智能搜救小車的工作方案

本文研制的智能搜救小車，采用超聲波傳感器進行避障；采用藍牙技術連接手機和智能小車，實現無線通信和控制；采用多種傳感器感應智能小車周圍的環境數據信息，并通過藍牙將數據傳輸至手機。智能搜救小車首先需要實現自動導引功能和避障功能，因此要求智能小車能夠自動識別或感應導引線和障礙物。智能小車應能實現自動識別路線，選擇正確的行進路線，使用傳感器感知路線并作出判斷和相應的執行動作。

為了使智能搜救小車能夠到達人無法到達的災難區域，更好地適應復雜的、未知的工作環境，能夠穩定、全面的勘測災難現場，并將災難現場的第一手數據信息實時傳遞給救援指揮中心，搜救幸存者，盡力使災難引起的損失降至最小，本文設計智能搜救小車方案如下：

安裝在智能搜救小車上的攝像頭通過手機藍牙或計算機藍牙實時傳遞現場圖像，救援中心人員根據圖像信息控制智能搜救小車按規定的方向行駛。智能搜救小車在行駛的同時，安裝在智能搜救小車上的溫度傳感器、濕度傳感器、人體紅外感應傳感器、煙霧傳感器、超聲波傳感器、高清彩色攝像頭等分別將智能搜救小車所處環境的各項參數實時采集和處理，并傳遞給救援中心的中央控制器和。人體紅外感應傳感器檢測到有37°以上溫度的生命體特征時，蜂鳴器響，提示需要救人。同時，超聲波傳感器可檢測小車前進方向有無障礙物，進行合理避讓。考慮到智能搜救小車采集、處理、傳遞的信息很多，為了提高信息采集、處理的效率，采用兩個Arduino控制板進行數據采集和處理。

藍牙通信距離僅為10米，外接匹配器提升發射功率，傳輸距離可達到100米。本文先期已采用藍牙實現了智能搜救小車與手機或電腦的近距離無線通信和數據傳輸。如果后期需要擴大智能搜救小車的搜救范圍，可以采用遠距離無線通信模塊實現遠距離無線通信。

圖1 智能搜救小車Arduino控制板1與傳感器回路

智能搜救小車的核心Arduino控制板1與人體紅外感應傳感器、煙霧傳感器、溫濕度傳感器、液晶顯示器接線如圖1所示。Arduino控制板每隔30秒采樣小車所處環境的溫度、濕度、煙霧值等信息，在LC1602液晶顯示器予以顯示，并將這些數據信息通過藍牙無線傳輸給手機或計算機。人體紅外感應傳感器探測到靜止人體，發信息給Arduino控制板，Arduino控制板啟動蜂鳴器鳴笛，并立即將有人的信息通過藍牙發送到手機或計算機。救援人員接到有人信息后，可通過藍牙一邊調節攝像頭角度一邊控制小車移動，定向地尋找幸存者。

圖2 智能搜救小車Arduino控制板2與超聲波傳感器與電機回路

如圖2所示，智能搜救小車的Arduino控制板2連接超聲波傳感器，檢測到前面有障礙物時，小車可以自行避開。Arduino控制板2與步進電機驅動集成電力L298N相連，根據無線藍牙的控制信息和超聲波檢測的障礙物信息，驅動各步進電機正反轉，從而控制小車的前進、后退、左轉、右轉等運動。智能搜救小車組件如圖3所示。

圖3 智能搜救小車組件

二、設計方案

為了實時監控、顯示災難現場（如火災、地震以及救援人員很難到達的地方）的溫度、濕度、火源距離、光線強度、人體紅外線輻射強度等環境參數，并將環境參數的數據信息實時傳遞到救援中心，項目小組在智能搜救小車上安裝了溫濕度傳感器、人體紅外感應傳感器、煙霧傳感器、高清彩色攝像頭、蜂鳴器、液晶顯示器、Arduino控制器等設備，構成檢測和控制系統。

在電氣控制系統設計上，采用2個功能強大、性能較好、價格適中的Arduino控制器作為主控制器。一個Arduino控制器主要連接傳感器，采集各項環境參數，送入控制器進行處理和傳輸。控制器自動運行事先根據各項功能編制完成并裝載的程序，實現對災難現場環境各項參數的實時顯示、傳輸和報警。一個Arduino控制器主要連接超聲波傳感器和電機驅動模塊，完成控制小車運動的任務。

目前已研制完成的智能搜救小車采用藍牙實現數據傳輸，極大地受到數據傳輸距離的限制。后期擬采用2.4GHZ國際通用的開放頻率的無線影音傳輸系統將攝像頭采集的影音實時傳輸至觀測點；采用27MHZ的多通道無線遙控器，在由高清晰彩色攝像頭拍攝的無線影音傳輸系統傳回的視頻信息協助下控制小車前、后、左、右的運動。

三、功能特點

智能搜救小車體型小，運動靈活，易于控制，可以工作于各種災難現場。

智能搜救小車以Arduino單片機控制板為主控制芯片，通過外部多個獨立的AD轉換器將各種傳感器采集到的各種環境參數轉化為數字信號，送至單片機控制板進行分析處理，運算速度快，能夠將災難現場環境參數實時傳輸給救援中心主控制器，提高搜救效率。

智能搜救小車的行駛既可以采用低速的履帶式，也可以采用高速的橡膠輪胎式，運動方式靈活多樣。智能搜救小車采用無線遙控方式進行控制，使其總體上具有較高的靈活性。智能搜救小車采用無線數據傳輸方式，極大的提高了信息傳遞的效率，為災難援救爭取寶貴的時間。在智能搜救小車上安裝了測量、監控、報警、無線發射、無線傳輸等模塊，使小車總體功能和性能得到很大的提高。

四、主要創新點

本文設計的智能搜救小車立志于以較低的成本、較高的性能、較全的功能解決智能搜救小車在人難以達到或非常危險的災難現場尋人、救人問題，較高效率的挽回損失。為此，大量考察已研制完成的智能小車功能和性能，做出了如下改進：

（一）智能搜救小車的整個電氣控制系統的硬件、軟件設計嚴格按功能劃分模塊，嚴謹合理，可移植性強、設計與執行效率高；（二）智能搜救小車的運動控制采用無線遙控方式，靈活度較高；（三）實時拍攝現場圖像、實時搜集現場環境參數，并通過無線傳輸方式傳輸數據信息。

結語

本文研發的智能搜救小車的硬件、軟件系統的設計、制作完全按照功能劃分模塊，因此可以很方便的在已研制成功的由手機藍牙控制的具有多數據采集功能的智能小車的基礎上，根據實際情況的需要增減功能、修改性能，實現個性化定制的智能小車的設計和制作。