基于北斗導航的搜救智能車設計

李德英，曾佳林，陳 盼，鄒凌峰

（湖南信息學院 電子科學與工程學院，湖南 長沙 410151）

0 引 言

自然災害因具有突發性高、破壞性強、二次災害等特點，給人民群眾的生命安全帶來極大威脅。由于災后環境變化多樣、地形崎嶇復雜以及人為不可控性因素，災后的快速救援就顯得尤為重要。

本設計是為災后救援所需研發的一款搜救智能車，它具有體積小、靈活性強、數據傳輸快、性能穩定等特點，可以在廢墟中自由行進，能快速、高效地搜索幸存者。此外，智能車還搭載有傳感器模塊和北斗定位系統，能實現對有毒氣體濃度、溫濕度的檢測和幫助搜救人員根據智能車的位置快速展開救援，有效解決了災后救援不及時帶來的問題。

1 功能模塊搭建+MCU 核心控制介紹

1.1 功能模塊搭建

采用北斗導航定位技術接收智能機器人位置狀況，通過2.4G 模塊+FPGA 圖像采集將信息送至MCU 數據中心。通過這一技術可以遠程采集、實時監控被困人員身邊的環境、狀態情況，為快速安全的救援工作提供保障。

（1）監控功能

系統運用了FPGA 圖像采集端+MCU 數據中心+OLED數據顯示終端，搭建視頻網絡傳輸平臺。協議處理模塊的硬件平臺以MPC860 為核心，結合嵌入式系統開發，實現實時視頻的網絡傳輸。用戶可實時獲取數據中心處理的信息，可靠性高、通用性強。

（2）北斗定位功能

北斗定位導航技術可實現雙向報文通信，通信數據主要為漢字和代碼兩種形式，可實時顯示經緯度以及海拔高度信息。由于我國地域廣闊、地形復雜，北斗定位導航技術可以發揮其優勢，精準定位。基于北斗衛星導航系統的設計，更加精準的定位車能確保行進的路線準確，讓搜救人員快速發現遇難者。

（3）太陽能充電功能

本款智能車采用了太陽能充電技術，是綠色環保、無污染、可持續發展的新能源產品，擁有智能調節功能，可以調節不同的輸出電壓及電流，可提供在室外長時間工作，當光照度到達檢測程度便可進行充電。太陽能獲得電力，綠色、環保，不受資源分布地域的限制。

（4）5G 技術

北斗+5G 的結合使智能車能很好地進行搜救。因為車輛可以通過遠程遙控規劃路線，道路避障。

（5）空氣溫濕度和氣體濃度檢測

本款智能車可以實現7×24 小時全天候檢測，溫濕度提示，對災難發生后泄露的有害氣體激增的突發狀況能及時報警反饋。

1.2 MCU 核心控制

STM32F103ZET6 具有72 MHz CPU 的速度和高達1 MB 的閃存，包含電動機控制外圍設備以及CAN 和USB全速接口。STM32 系列ARM 擁有用途多的內核，同時還可以提供很多引腳接口與各模塊的工作需要，開發工具比較齊全，開發資料也比較豐富。此外STM32 擴展性好、能搭載所需外設，在功耗方面控制得比較好，實時性比較強，對各種流行的嵌入式操作系統，支持度比較好。

2 智能車上下位機原理圖及功能

2.1 上位機原理圖

上位機通過按鍵和搖桿語音控制，經STM32MCU 進行數據采集和分析，通過OLED 顯示，使用5G 無線通信將FPGA 采集圖像進行處理，輸入給RGB 顯示屏顯示。上位機原理圖如圖1所示。

圖1 上位機原理圖

2.2 下位機原理圖

設置可變可調PWM 波形脈沖寬度供給伺服電機控制電機運轉，采集GPS/北斗雙模塊定位解碼數據，使用串口觸摸屏顯示經緯度信息。下位機原理圖如圖2所示。

圖2 下位機原理圖

2.3 MCU 模塊功能

（1）MUC 模塊能通過采集信息計算超聲波距離，發送不同PWM 可變脈沖電壓控制電機。

（2）蜂鳴器電路負責報警工作，單片機發送電平就響，否則不響。

（3）數碼管負責顯示小車跟障礙物的距離。

（4）電源模塊負責給元器件供電。

（5）溫濕度以及環境空氣質量檢測。

（6）顯示屏實現圖像數據傳輸、空氣質量顯示。

（7）太陽能充電板實現光照環境下為各個功能模塊充電續航。

3 PID 控制算法的實現

式中：Ek為本次的偏差；Ek-1為上次的偏差；Ek-2為上上次的偏差；Kp為算法增益調節；Ti為積分時間；Td為微分時間常數。

Dk能夠說明從上次采樣到當前采樣的這段時間被控制對象的狀態變化趨勢，這種變化的趨勢很可能會在一定程度上延續到下一個采樣時間點。根據這個變化趨勢（Dk的值）對輸出信號OUT 進行調整，達到提前控制的目的。圖3為Dk變量控制圖。

圖3 Dk 變量控制圖

4 智能車圖像采集FPGA 控制系統實現

4.1 CPU 型號

CPU 型號如圖4所示。

圖4 FPGA 芯片型號

4.2 數據管理

（1）智能管理

智能管理功能分為用戶管理、報警設置。用戶可點擊界面菜單欄的“傳輸設置”按鈕，通過該功能對數據傳輸的相應參數進行設置。智能管理界面如圖5所示。

圖5 智能管理界面

（2）錄像查詢

用戶可以通過該功能對錄像的相應數據進行查詢。點擊界面菜單欄“抓拍管理”按鈕，用戶可對抓拍圖片進行相應參數的管理操作。抓拍錄像查詢界面如圖6所示。

圖6 抓拍錄像查詢界面

5 產品圖及系統環境應用介紹

5.1 產品圖

產品實物圖如圖7所示。

圖7 產品實物圖

5.2 系統環境應用介紹

場景實現：這款智能車設計為了協助救災遠程探測災區身邊的環境溫濕度，以及位置情況和查看受困人在狹小空間的情況，一旦有害氣體濃度超標，可及時報警。為了更好地協助搜救人員救援，智能車還搭載有人機交互界面，可實現救援人員與被困人員的及時交流，以便更好地展開救援，同時本款產品配備有太陽能充電續航技術，可語音喚醒打開照明燈，在夜晚也能實施救援任務，是一款多功能型搜救智能車。

6 結 語

隨著科學技術的不斷發展，在搜救機器人這一領域的發展這些年來也取得了許多的進步，但是用于在實際中參加救援行動的并不多，只有少部分得到了應用，大多數仍然處在實驗室研究的階段。但是隨著科技的進步和社會的發展，未來搜救機器人一定會迅猛發展，所以應用前景是非常廣闊的，勢必會引起一場工業科技革命。

注：本文通訊作者為李德英。