一種新型移動(dòng)式千斤頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)和控制研究

周子悅

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)的千斤頂適用范圍小，無法在特殊環(huán)境下放置工作的問題，提出了一種新的搭載有無線遠(yuǎn)程控制和實(shí)時(shí)通信模塊的移動(dòng)式千斤頂，通過手機(jī)等設(shè)備來控制千斤頂?shù)钠鹇浜鸵苿?dòng)，解決千斤頂人工操作局限性大的問題，實(shí)現(xiàn)特殊地段的勘察和特殊的救援場(chǎng)合。

關(guān)鍵詞：無線遠(yuǎn)程控制;實(shí)時(shí)通信;千斤頂

0? 引言

天災(zāi)人禍往往是一種不可抗拒的力量，由于自然災(zāi)害、公共安全事件等因素而造成的災(zāi)害時(shí)常發(fā)生，在救災(zāi)過程中，救援人員因?yàn)椴荒芗皶r(shí)的把倒塌的樓板撐開縫隙而導(dǎo)致被困人員殘疾或死亡的例子比比皆是。所以在一些場(chǎng)合，新型的移動(dòng)式千斤頂運(yùn)用前景廣闊。基于這種情況，利用電力驅(qū)動(dòng)的千斤頂，通過手機(jī)APP等操作平臺(tái)使其自行進(jìn)入到指定地點(diǎn)起頂撐開重物，減少因地形原因?qū)е卤焕藛T無法被及時(shí)救出的事件。

在千斤頂技術(shù)的研究方面，千斤頂技術(shù)的研究現(xiàn)狀與展望[1]一文中就提出了千斤頂未來發(fā)展的方向是重量輕，攜帶方便，外形美觀，使用可靠，自動(dòng)化，智能化的。而現(xiàn)在的千斤頂大部分都是朝著這個(gè)方向在發(fā)展，不過大多都是在普通環(huán)境下使用的，對(duì)于應(yīng)用在特殊環(huán)境中的很少。一種T-32遠(yuǎn)程手動(dòng)控制救援液壓千斤頂?shù)脑O(shè)計(jì)與研究[2]論文中對(duì)一種在特殊環(huán)境下使用的千斤頂進(jìn)行了論述，但這種千斤頂還是需要人工放置，在某些環(huán)境中十分受限。

1? 千斤頂總體設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)的一個(gè)千斤頂由底座、千斤頂、攝像頭和單片機(jī)組成。以移動(dòng)救援的案例為設(shè)計(jì)場(chǎng)景。一個(gè)智能千斤頂結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

底座由三角履帶支撐，使得底座的靈活性得到極大地提升。同時(shí)底座上帶有一個(gè)活動(dòng)塊，活動(dòng)塊的上部為半圓形，由拉簧與底座相連。

千斤頂?shù)牡撞繛榘雸A形，在立起的時(shí)候與底座上的活動(dòng)塊上部相交使活動(dòng)塊下降，讓活動(dòng)塊的底部落地，起到支撐千斤頂?shù)淖饔谩?/p>

該結(jié)構(gòu)操作簡(jiǎn)單，制作方便，可降低生產(chǎn)成本，且有如下優(yōu)點(diǎn)：

①性能良好：起頂高度低，可達(dá)高度高;

②結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單：重量輕，堅(jiān)固耐用，成本低;

③操作方便。

針對(duì)目前市面上存在人力搬運(yùn)千斤頂費(fèi)時(shí)費(fèi)力的不足，設(shè)計(jì)改良千斤頂能夠自行運(yùn)動(dòng)，同時(shí)擁有無線控制功能， 在千斤頂起頂時(shí)，可以通過手機(jī)等設(shè)備來控制推拉桿使千斤頂立起著地，千斤頂起頂示意圖如圖2所示。當(dāng)千斤頂處于起頂狀態(tài)時(shí)，底座下方的活動(dòng)塊會(huì)與千斤頂?shù)牡撞拷佑|，使活動(dòng)塊的彈簧拉伸，在此過程中活動(dòng)塊底部會(huì)慢慢的接觸地面，直至起頂結(jié)束。當(dāng)千斤頂收回時(shí)，活動(dòng)塊彈簧收縮，使活動(dòng)塊離開地面，并且千斤頂?shù)撞恳矔?huì)與活動(dòng)塊分離。

2? 控制硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件總體設(shè)計(jì)

為克服傳統(tǒng)千斤頂需人力搬運(yùn)并手工操作的問題，采取用履帶底盤載運(yùn)千斤頂，上位機(jī)遠(yuǎn)程對(duì)其起頂收放控制的總體方案。運(yùn)動(dòng)時(shí)，利用直流電機(jī)，控制履帶轉(zhuǎn)動(dòng)及轉(zhuǎn)向。單片機(jī)通過控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度來實(shí)現(xiàn)千斤頂?shù)捻斊稹⒒芈溥^程。而底座頭部的攝像頭則實(shí)時(shí)傳輸環(huán)境圖像，便于監(jiān)控人員調(diào)整位置。硬件總體設(shè)計(jì)見圖3。

2.2 千斤頂?shù)闹饕O(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)

千斤頂作為常用的舉升工具，其主要功能是承受被舉物體的重量。設(shè)計(jì)是根據(jù)車用千斤頂改進(jìn)的，因此為了使設(shè)計(jì)的產(chǎn)品具有普遍適用性，將其最大承受載荷設(shè)計(jì)為1000kg，其具體技術(shù)指標(biāo)如下：

①最大承受載重：1000kg;②最低高度：165mm;③起升高度：220mm;④最大高度：385mm;⑤驅(qū)動(dòng)方式：電動(dòng);⑥凈重：5kg;⑦外型尺寸：257×248×136。

由于受材料及現(xiàn)實(shí)問題，采用模型試驗(yàn)方式來驗(yàn)證設(shè)計(jì)的千斤頂結(jié)構(gòu)及功能。

3? 軟件設(shè)計(jì)

軟件總體設(shè)計(jì)部分?jǐn)M按照如圖4所示流程設(shè)計(jì)。

軟件總體設(shè)計(jì)分為三部分：第一部分為主控單片機(jī)控制程序設(shè)計(jì)，負(fù)責(zé)控制底座運(yùn)動(dòng)、千斤頂?shù)钠痦敿皵z像頭模塊的工作。第二部分為無線通訊模塊的程序設(shè)計(jì)，是無線遠(yuǎn)程控制千斤頂工作的保障。第三部分為上位機(jī)及手機(jī)APP程序的開發(fā)，它是接收攝像頭輸送圖像的窗口，利用它可以實(shí)時(shí)監(jiān)控周圍環(huán)境狀況并及時(shí)調(diào)整達(dá)到最佳起頂位置。

系統(tǒng)主函數(shù)流程及代碼如圖5所示。

綜合考慮選取的單片機(jī)規(guī)格和編寫程序的難易，采用裸機(jī)程序開發(fā)。第一、第二軟件編程部分均采用stm32庫函數(shù)方式完成編寫，采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，與各子程序做為實(shí)現(xiàn)各部分功能和過程的入口，完成底盤前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)向，舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，視頻傳輸?shù)裙δ艿脑O(shè)計(jì)。

程序的編寫采用模塊化的編程思想，提高代碼的移植能力，對(duì)代碼進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)。

單片機(jī)根據(jù)寫入內(nèi)部的程序直接控制直流電機(jī)、舵機(jī)以及車載其他部件。搭載的攝像頭能將視頻傳送上位機(jī)，便于用戶監(jiān)控;另外，用戶也可在遠(yuǎn)處使用手機(jī)APP操作端實(shí)現(xiàn)對(duì)千斤頂?shù)目刂啤?/p>

PC機(jī)的軟件采用VB編寫，主要用來完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、界面顯示、與單片機(jī)的通信等功能，工作界面直觀，操作簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)了良好的人機(jī)對(duì)話。單片機(jī)的軟件采用C語言編寫，用來完成與PC機(jī)的通信，數(shù)據(jù)采集，以及通過人機(jī)交互監(jiān)控畫面，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)千斤頂?shù)倪h(yuǎn)程控制。

4? 總結(jié)

隨著突發(fā)安全事件在各種復(fù)雜地形中發(fā)生，千斤頂?shù)倪m應(yīng)性也日益受到關(guān)注，而改變運(yùn)動(dòng)方式，提高靈活性是提高適應(yīng)性的途徑之一。當(dāng)在復(fù)雜環(huán)境和空間未知時(shí)，人為安放千斤頂無法確保準(zhǔn)確性，環(huán)境越復(fù)雜，千斤頂?shù)倪m應(yīng)性越低。因此本文提出了采用帶三角履帶的底座承載千斤頂來控制千斤頂運(yùn)動(dòng)到合適位置展開。最后采用無線通訊傳輸使地形內(nèi)部信息傳輸?shù)酵饨纾瑸楸O(jiān)控千斤頂工作提供了可靠性保證，對(duì)于實(shí)際應(yīng)用還有待驗(yàn)證，特別是在特殊環(huán)境下如何選取合適的千斤頂支點(diǎn)，還需要綜合考慮很多因素。由于實(shí)驗(yàn)條件所限，本設(shè)計(jì)只能做一個(gè)大概的模型，如果有條件的話，還可以對(duì)千斤頂進(jìn)行全面的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

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