消防車自主規劃智能導航系統研究

摘要：在利用消防車進行滅火救援時，消防系統主要依靠消防員的操作熟練程度，這極大影響了救援效率。本文設計了一種自主規劃智能導航系統，對火場目標定位單元進行火源識別和測距，控制器接收目標位置信息，采用蟻群算法進行路徑規劃，通過神經網絡的智能算法進行路徑規劃，并將主臂角度、長度和曲臂角度數據傳遞給顯示器，用戶根據信息進行變幅、伸縮操作。本系統能夠降低消防員的操作難度，實現良好的控制效果，提高滅火效率。

關鍵詞：消防車；路徑規劃；智能導航；人機交互

引言

消防車作為一種特種車輛，主要用于高層建筑、石油化工裝置、倉庫等火災的救援以及其他災害事件中的搶險救援和社會救助[1]。目前消防車控制系統允許操縱人員依據操作說明，通過手柄精準控制臂架的回轉、變幅、伸縮等動作，實現工作平臺的高效定位。在當前的消防車控制系統中，雖然操縱人員能夠依據操作說明通過手柄對臂架進行回轉、變幅、伸縮等動作，但若缺乏系統提供的明確引導信息，操作者想要迅速抵達目標點，必須對登高消防車的幅度曲線有深入理解。然而，若缺乏這種理解，加之對車輛停靠位置、臂架角度及伸長量的選擇不當，可能會導致無法準確到達目標點，這無疑會嚴重削弱搶險救援的時效性和效率。因此，優化消防車控制系統的導航與引導功能，對于提升救援效率和保障救援安全至關重要[2]。為提高救援效率，消防車大多采用一鍵式觸發命令的臂架控制方法。本文圍繞54米登高平臺消防車，構建了一套自主路徑規劃智能導航系統。通過火場目標定位單元進行火源識別和測距，控制器接收目標位置信息，采用神經網絡算法進行路徑規劃，通過人機交互顯示裝置為操作者提供直觀的指導，從而確保臂架能夠迅速且準確地到達預定的目標點。

一、智能導航系統框架

（一）登高平臺消防車

登高平臺消防車是舉高消防車的一種，在高層建筑救援過程中十分重要[3]。整車分為上、下車兩大部分。上車主要有轉臺、伸縮臂、曲臂、工作平臺、云梯、上車消防系統、電液軟管輸送系統等部分。下車主要有副車架、走臺板及器材箱總成、下車消防系統等部分。舉高作業的動力由液壓系統提供，舉高作業的安全控制由電氣系統實現。登高平臺消防車救援需要操作手柄完成臂架回轉、變幅、伸縮等動作。

（二）智能導航系統框架

登高平臺消防車的臂架控制系統由檢測模塊、PLC控制模塊、交互顯示模塊、執行模塊組成。系統通過火車目標識別單元進行目標位置信息確定，控制器接收目標信息，通過路徑規劃算法自動優化最佳姿態，在顯示器上輸出提示信息，操作人員根據顯示器上的提示信息操作手柄，控制器根據手柄信息輸出PWM信號驅動執行機構，進行主臂變幅、伸縮和曲臂變幅的運動控制，使工作平臺盡快到達目標位置。

1.檢測模塊

檢測模塊負責火源信息的定位檢測，并實時監測臂架角度、長度，通過CAN總線或者PLC端口采集信息到控制器。手柄信號通過PLC輸入端口傳遞給控制器。

2.PLC控制模塊

PLC控制模塊作為整個系統的核心，集成了多個關鍵功能單元，包括CAN總線通信、輸入端口、輸出端口和智能導航路徑規劃計算，其功能包括控制器的CAN總線通信實現PLC、顯示器和總線型回轉角度傳感器之間的數據通信；控制器的輸入端口實時接收主臂長度、角度和曲臂角度等位置信息；控制器的智能導航路徑規劃計算模塊計算出到達目標點的主臂角度、主長度和曲臂角度數據；控制器的輸出端口輸出主臂變幅閥、回轉閥和曲臂變幅閥的電流信號，驅動臂架執行機構根據智能導航路徑規劃計算出的角度和長度運行，確保精確到達目標點。控制器采用威卡公司的T系列控制器。

3.交互顯示模塊

顯示器的人機交互界面用于顯示消防車的實時狀態信息，包括主臂的實時角度、實時長度和曲臂的實時角度，并顯示智能導航路徑規劃信息，包括規劃到達目標點的主臂角度、長度和曲臂角度。ICP6600顯示器主要用來接收控制器的車輛狀態信息和智能導航信息。界面實時顯示消防車的狀態參數，方便操作人員操作。人機交互界面以威卡公司的ICP6600系列顯示器為主體進行設計，該顯示器采用Flash軟件平臺設計出顯示界面，利用FlashDevelop編程[4]。

4.執行模塊

執行模塊主要由電液比例閥組和油缸執行機構構成。該模塊接收控制器輸出的電信號。通過精確調控的液壓動力裝置，該模塊能夠驅動臂架結構，使其按照預設的指令完成相應動作。

二、智能導航系統原理

（一）數學模型

以DG54C登高消防車為例，其臂架系統由3個折疊臂和1個曲臂組成，根據變幅臂角度、伸縮臂長度、折臂角度和飛臂角度能確定臂架末端工作斗的唯一位置[5]。我們定義l₁為主臂長度，α為主臂角度，l₂為曲臂長度，β為主臂與曲臂之間的夾角。此外，R表示主臂后絞點到曲臂前絞點之間的水平距離，H代表平臺底部到主臂后絞點的垂直距離[6]。基于這些參數，我們可以進行以下的高度和幅度計算。

l₁cosα+l₂cos（α+β-180°）=R

l₁sinα+l₂sin（α+β-180°）=H

基于登高消防車的實際作業需求，設定主曲臂夾角β為180°作為主臂有效工作的最小極限角度；主曲臂夾角β達到90°，視為主臂有效工作的最大極限角度。工作平臺的位置對應無數種臂架姿態，即變幅角度、伸縮長度、折臂角度和飛臂角度的各種組合。從這無數種臂架姿態中尋找出一種最合理的姿態，是本系統的核心問題，也是路徑的合理規劃問題。

（二）路徑規劃算法

1.BP神經網絡

BP神經網絡也叫誤差反向傳播神經網絡，由一層或多層非線性處理單元組成。相鄰層之間通過突觸權重系數連接起來，一般前一層的輸出作為下一層的輸入。這種神經網絡是一種模擬人腦工作方式的數學模型，具有良好的自適應信息處理能力[7]。其中[x₁，…，x_n]T為輸入向量，y為輸出，f為激發函數，θ為閾值。Wi為神經元與其他神經元的連接強度，也稱權值。模型可描述為：

Net_i=∑_jW_ijx_j+s_i-θ_i （3-1）

u_i=f（Net_i） （3-2）

y_i=g（u_i）=h（Net_i） （3-3）

通常情況下，可以假設：

g（u_i）=u_i

即

y_i=f（Net_i）

本文采用BP神經網絡進行消防車臂架路徑規劃，目標點坐標和固定角度、臂長作為BP神經網絡的輸入，臂架角度、長度和曲臂角度作為BP神經網絡的輸出。構建了六輸入、三輸出的BP神經網絡。選擇具有一個隱含層的神經網絡結構進行路徑優化問題求解。

2.BP神經網絡算法流程

BP神經網絡算法的核心是求解誤差函數的最小值。BP神經網絡根據誤差梯度下降法對每層的閾值與權值進行調整，存在收斂速度慢、學習效率低、泛化能力弱、易陷入局部極小值等缺點，因此對算法進行改進仍然是需要的[8]。登高平臺消防車的路徑規劃屬于連續路徑運動，在規劃此類運動時，需考慮臂架的起始位置和終止位置。臂架的起始位置信息為l₁=10.4，l₂=5.7m，α₁=80°，β₁=100°，以54米消防車的100組實測數據為訓練樣本，完成BP神經網絡的訓練。

（三）智能導航系統路徑規劃流程

在智能導航系列路徑規劃中，首先通過火源監控單元檢測出火源目標，確定目標距離，顯示器顯示位置信息，信息輸入控制器，控制器驗證目標點的有效性。一旦確認目標點有效，控制器將啟動路徑規劃程序。確定目標點的坐標（P_x，P_y，P_z），通過BP神經網絡進行路徑規劃，輸出最終的主臂角度、主臂長度和曲臂角度。通過CAN總線通信方式將信息傳遞給顯示器，顯示器實時顯示導航引導信息，操作者根據導航引導信息的提示，操作主臂變幅、主臂伸縮和曲臂變幅手柄，調整主臂角度、主臂長度和曲臂角度，最終準確達到目標點。

在建立顯示器、控制器、火源定位裝置、操作手柄和臂架執行機構的硬件平臺后，成功構建了一個智能路徑規劃系統。其實施步驟包括S1—S4，具體如下。S1：通過火源監測系統進行目標定位，確定目標點的坐標，并將這些坐標轉化成消防車臂架的幅度、高度和回轉角度。S2：根據計算出的幅度、高度和回轉角度，判斷是否有效，即目標點的位置是否安全，是否處于幅度曲線規定的范圍內。如果不在，判斷該目標點無效，否則進入下一步。S3：根據訓練好的神經網絡系統進行路徑規劃，輸出主臂角度、主臂長度和曲臂角度。S4：系統將主臂角度、長度和曲臂角度信息傳遞給顯示器，用戶根據提示信息操作手柄變幅、伸縮和回轉，到達目標點。

三、人機交互界面設計

人機交互界面實時顯示臂架狀態信息，包括主臂角度、長度、高度和幅度，并對操作者進行操作提示。

結語

智能導航路徑規劃系統能夠根據火源目標定位系統進行目標定位，判斷目標點在工作幅度范圍后，采用神經網絡算法確定目標點的最優路徑。該系統采用火源目標定位方式準確定位目標點，有效規避人為觀察的不準確性和碰撞可能，極大提升了登高消防車的救援效率和車輛安全性。參考文獻

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[7]趙晶.基于混合鯨魚粒子群算法的機械手運動規劃與控制[D].中北大學，2022.

[8]張勇.一種登高平臺消防車的控制系統應用研究[D].中國礦業大學，2019.