摘要：针对高空消防车作业中重复性任务，本文设计了一种消防车臂架轨迹记忆与回放软件，该软件通过控制器和人机交互装置采集并优化臂架的运动路径，实现臂架动作的实时记录和自动回放功能。测试结果表明，该软件具有较好的实时性、准确性和可靠性，易于操作能够满足各种类型消防车自动重复作业的需求。
关键词：高空消防车；轨迹记忆；人机交互装置
近年来，随着世界经济的快速发展，世界城市化进程不断加快，高层建筑越来越多，城市对高空灭火救援工作的需求也越来越迫切[1]。消防车作为重要的灭火装备，广泛应用在火灾救援中。现有的消防车产品结构形式复杂，通常兼有伸缩与折叠混合臂作为工作臂[2]。因此在完成同一个任务时，可以通过不同的运动路径来实现，操作工操作臂架的水平和熟练程度，极大的影响了完成任务的效率。
1、高空消防车概述
高空消防车通常是指装备有举升臂架、转台、灭火装置和救援设备可进行高空消防灭火或登高救援的消防车，是进行高楼灭火不可或缺的利器。近年来，随着我国城镇化建设的继续加深和扩大，各地高层建筑也如雨后春笋般不断涌现，带来了极大的高楼火灾安全隐患，特别是近两年内发生的多起高楼火灾，在造成重大人员伤亡和财产损失的同时也让人们逐渐地认识到高空消防车这一稀有特种车辆的重要性。国家因此出台了相关法规，规定我国的普通消防站必须配备２台以上工作高度不小于２０ｍ的高空消防车。正是在这样的大背景下，高空消防车的研发和制造在我国迎来了自己的春天，先后有多家实力雄厚的重型机械研发制造企业投入巨资涉足高空消防车行业，其中不乏世界知名企业徐工集团、三一重工和中联重科，它们的加入也使得中国高空消防车在世界范围内的影响力逐渐增强。
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图１ 高空消防车总体结构
目前的臂架控制方法只能保证车辆安全性和稳定性，而对这种同一任务，多次重复操作的救援形式并没有有效的控制方法。操作人员由于不熟悉周围环境，必须经过多次操作才能准确达到救援地点，浪费了大量时间，从而可能导致错过救援的最好时机。本文针对消防车这种同一任务的重复性作业，设计臂架运动轨迹记忆与回放功能软件，实现臂架按照操作人操作成功的路径进行臂架的自动往返运动。有效减轻了操作人的工作量，加快了救援速度。高空消防车是现代消防装备中极为重要的组成部分，在高空灭火、救援，甚至施工上有着举足轻重的作用。在对多款高空消防车产品进行调研后发现，高空消防车臂架在变幅过程中普遍存在抖动厉害、平稳性差的现象，＋如果这种情况不加以改善，将直接影响高空消防车作业的稳定性，轻则降低其整车性能、影响作业效率，重则引发安全事故、造成人员伤亡。因此，研究如何改善臂架变幅过程中的平稳性，有着重要的现实意义。
2、研究对象
图2是一辆32米登高平台消防车收车时和作业时的状态，共有三节伸缩臂加一节折叠臂，可以360°连续回转。
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图2系统软件结构框图
2.1软件实现
2.1.1人机交互界面
QT是一个创建图形用户接口的应用程序工具包，它为程序开发人员进行显示界面应用程序开发提供了丰富的API和强大的在线帮助功能，是进行嵌入式Linux图像界面开发最强大的工具之一[3]。左侧围动态臂架模型显示区，可以实时显示臂架姿态；中间区域显示支腿，臂架回转位置信号以及回转角度、主臂角度、主臂长度、曲臂角度、高度和幅度的检测信息；右侧是提示信息栏，显示当前操作信息。下方是开始记忆、结束记忆、动作回放、暂停回放、结束回放和数据回放等按钮信息。
2.1.2逻辑控制模块
本模块主要实现臂架、转台联动控制，臂架的运动控制模块框图，具体步骤如下：
（1）完成轨迹记忆：进入记忆回放页面，点击开始记忆，开启轨迹记忆模式，控制器定时采集臂架位置信息，并保存到内存中；点击结束记忆，记录臂架目标位置，结束轨迹记忆。目前消防车辆上普遍使用的控制器和显示器能够实时准确采集臂架姿态信息，并且有足够的内存空间进行臂架动作记忆。
（2）记忆回放：进入记忆回放页面，选择“回起点”，控制器实时监控臂架姿态，根据轨迹记忆文件参数，调用逻辑库和减速模型，进行臂架动作反向处理。选择“到终点”，控制器调用逻辑库，按逻辑顺序正向处理。
a减速模型设计：根据车辆现有工况和记录工况进行对比，利用差值法求出减速系数，对比原系统的减速系数，按其中较小的系数进行减速计算；
b控制器逻辑顺序正向处理：利用多维数组（五维以上）进行数据记录与动作调用；
c控制器逻辑反向动作处理：记录正向数据的记录方向，对比现有执行命令是起始点到终点的操作还是终点到起始点的操作，如果是终点到起始点，则进行数据回滚，再按照正向处理模式及逻辑库进行运动。
（3）显示器工况过程回放模拟：利用显示器文件处理系统，对记录数据进行存储，形成显示器路径回放；在显示器内可以查看每一次的救援路径，有助于操作者研究操作方案是否合理，为下一次操作提供了学习依据。
2.2臂架变幅的平稳性控制
臂架变幅过程中，由于臂架自身重量大、惯性矩大，导致启动时需要非常大的启动力，而停止时刻又会产生较大的惯性拉力，加上压力油的可压缩性以及液压回路的泄漏问题，造成信号发生与动作之间的迟滞，在启动时刻和停止时刻震荡厉害，产生较大冲击。动作不能跟随操作员的操作，使得对操作员的操纵经验要求较高，操作员的操控经验丰富，则臂架变幅越为稳定，否则，臂架变幅速度变化大，平稳性差。目前，在国内外各大知名数据库中检索关于高空消防车臂架平稳性控制的其结果非常少，可见，人们对高空消防车臂架变幅平稳性控制的研究还很少，或者得出的有意义的研究成果不多。为此，可以借鉴其类似机构的相关研究成果，比如随车起重机、连杆机构等，来研究高空消防车的臂架变幅平稳性控制。
高空消防车的臂架机构，可以看成是多自由度的连杆机构，文献以连杆机构为对象，通过建立连杆机构的运动学模型，并在ＭＡＴＬＡＢ软件中进行仿真，分析造成连杆运动不平稳的原因，基于此，提出了改善连杆机构运动平稳性的方法。液压缸是高空消防车臂架变幅的驱动机构，活塞杆的运动平稳性对臂架变幅的平稳性影响非常大，文献以非对称液压缸为研究对象，建立了液压缸一负载模型，并综合考虑液压回路及液压缸加工因素的影响，指出了影响液压缸活塞杆运动平稳性的主要因素，并结合工程实际提出了一些预防和抑制液压缸工作不稳定的方法。针对电液控制系统的时变特点，提出了一种自适应控制算法，通过建立系统的离散模型进行分析，结果表明应用该算法可以改善电液控制系统性能。以随车起重机同步伸缩臂架的伸缩运动为研究对象，对随车起重机吊臂在进行空载同步伸缩过程中出现的伸缩运动不平稳现象，分析了造成运动不平稳现象的原因，并给出了提高同步伸缩平稳性的切实有效的解决方法。
3、结论
本文为实现消防车臂架轨迹记忆与回放，设计并实现了臂架轨迹记忆与回放控制软件。该软件能够准确记录并显示臂架动作的起点、终点和工作路径，实现臂架自动回工作起点，到工作终点的往返作业。经过试验验证和分析，该软件对臂架轨迹的记忆与回放有较高的精度，完全能够满足32米消防车在各种工况下的往返作业，提高工作效率，为下一步控制软件在不同类型消防车辆上推广应用奠定基础。
参考文献：
[1]方国强.基于动态滑模理论的举高消防车轨迹跟踪研究[D].大连理工大学.2017
[2]李玉鑫.举高消防车时间最优控制策略研究[D].大连理工大学，2017
[3]计三有，张伟健.基于Qt/Embedded的嵌入式门座起重机作业监控系统控制界面的设计[J].2014（2）
论文作者:曹启升
论文发表刊物:《科学与技术》2019年18期
论文发表时间:2020/4/28
标签：消防车论文; 高空论文; 记忆论文; 平稳论文; 作业论文; 操作论文; 轨迹论文; 《科学与技术》2019年18期论文;