工业机房安全防护循迹小车控制系统设计开题报告
2023-02-20 06:02
1. 研究目的与意义
| 1.1研究背景 随着时代的不断进步，工业水平高速发展逐步进入工业4.0时代，工业机房在涉及到大量算法和机器深度学习中大型企业中承担着保障控制系统和设备正常运行的重要作用，是保证高效设备自动化的基础。但是，现有工业机房都是无人化操作管理，仅有的监控无法及时应对处理可能会出现的安全隐患。尤其是对于需要深度学习重型设备所配备的工业机房，要求其能保障7x24小时不间断工作，在高负荷运转之下，更加容易出现安全隐患。因此，如何实现无人智能对火灾及时预警就显得尤为重要。 随着信息化时代到如今工业化4.0时代，数十年的发展与科技的不断突破，信息技术，机器人技术，人工智能技术得到了飞速发展。智能小车作为智能化领域重要的组成部分，在消防救援、交通运输、物流输送、工业探测等领域起到了至关重要的作用。智能小车集中运用了环境感知、路径规划、轨迹跟踪控制等技术，还涉及计算机、传感器信息融合、自动控制技术，是当前控制领域的研究热点。智能汽车环境感知系统是通过感知传感器，收集关于车辆外部环境信息，检测并实时跟踪识别出的物体，进行相关数据处理，最终实现智能驾驶。 火灾是现代社会中最经常发生的人为灾害，严重威胁着人类生命财产安全。如今物流仓库和工厂等火灾高危场所具有占地面积大，建筑结构复杂，运行设备较多，安全风险较高和存放大量易燃物品等特点，早期燃烧的火灾不容易发现，而处于成长期的火灾扑灭难度较大，一旦仓库和工厂发生火灾就会造成重大人员伤亡和财产损失。 1.2研究目的及意义 传统的火灾检测主要靠安装在固定位置的火灾探测器和视频监控来完成，由于建筑物存在大量过道和房间，容易出现监控盲区，降低了火灾监控系统预警火灾的有效性，为了解决火灾监控死角的问题，本文提出一款火灾预警机器人，通过在移动平台上搭载火灾探测设备，巡逻于探测盲区内，扩大监控系统的检测范围， 如何快速准确地掌握和了解火灾现场的实时变化情况具有重要意义，一方面可以尽快救援受困人员，另一方面也可以减少救援人员受到的安全威胁。文中设计并实现了一类火灾现场勘探智能车，该智能车能够以温度传感器探测火场温度的变化，以红外传感器为主完成自主躲避障碍物的功能，通过对设计思想的描述及器件选择、原理、组装与实现的讨论，体现实现不同功能对于多种器件的综合运用，提升火灾预警能力。 火灾在我们生活中普遍存在，它被称为三大自然灾害之一。每年，各种危险场所不可避免的火灾频繁发生，据2021年1月至10月全国火灾事故数据统计，平均下来每两分多钟，就有一起火灾发生，火灾仍然是对我们的生活产生威胁最大的一种灾害。而消防小车作为消防设备可以代替消防员进入危险的火灾现场进行勘察，探测火情，寻找火源，进行灭火作业等等，能有效地减少因火灾而带来的不必要伤亡。所以，为保证消防官兵的人身安全，消防小车的研发及完善也势在必行。 由于传统火情监控巡检方式耗时、耗力且不能及时处理险情，而目前消防机器人控制又过于复杂、灵活性不强，本文设计了一种集自主行驶、自动探测火源、自动灭火于一身的智能灭火小车，可替代人在一些危险性极高的场合进行消防作业。 |
2. 研究内容与预期目标
| 2.1主要研究内容 本课题主要研究的是设计一款应用在工业机房所进行火灾预警的智能小车，为了实现智能小车的火灾预警核心功能，提出同时应用火灾检测方案，可以提高火灾预警能力，避免漏检的发生。围绕着传感器检测火灾技术，进行了智能小车整体方案的设计，分析实际的工作场景，选择适合的智能小车驱动模式，再对驱动进行运动学分析，在理论上验证智能小车能否满足实际需求。 现在常用的火灾检测装置可以分为使用物理传感器的火灾检测装置和使用视频识别的火灾检测装置两类，其中传感器的检测火灾设备是通过识别燃烧产生火焰、烟雾和对外的热传导等方式，传感器部署位置选取要合理，距离触发源过远会导致无法触发，其通常安装在小车高处，便于有更大的覆盖范围，感光型检测器是检测燃烧时发出特定波长段的光辐射来实现对火灾报警。可燃物在燃烧过程中在产生烟雾和辐射热量的同时，还辐射出两种标志性波长段的光波，利用感光元器件对该波段的光进行检测，实现火灾报警。检测器在实际工作中容易闪烁明亮光源影响，造成误判火情的发生。 2.2预期目标 智能小车是汽车工业发展的产物，能在给定的环境中按照预先写入的程序自主运动，涵盖了人工智能、计算机、通信、传感等多种技术。本文基于STC89C52设计了一款智能小车，可实现循迹避障。该小车的系统设计分硬件设计和软件设计，硬件由电源模块、驱动模块、控制模块、红外循迹避障模块组成，软件使用keil4编写C语言。经过调试后能够精准实现循迹避障功能， 可以应用于工业机房火情检测、能够实现火灾智能监控和预警的智能化安全防护预警模型样车。通过控制实现安全防护循迹小车的自动寻找灭火路线、判断并自动躲避障碍物、寻找火源。并且结构简单，功能稳定。
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3. 研究方法与步骤
| 3.1研究方法 本课题拟采用的研究方法是文献研究法 实证研究法 定性分析法。 文献研究法，是指在搜集与整理研究领域相关文献的基础上，对文献进行研究之后形成新的认识的一种研究方法，要求研究者做到全面且客观。主要是搜索、整理文献并进行研究，最终完成文献综述来陈述个人观点，以便支撑后续的整体研究工作——它有助于研究者系统全面地了解研究有关领域的情况，从而解释研究内容，形成研究结果。根据本课题要研究的内容和实现的功能，通过查阅文献来获得资料，从而全面地、正确地了解掌握所要研究的问题，了解有关本课题的现状，帮助确定研究对象，形成关于研究对象的一般印象，得到现实资料，了解安全防护循迹小车控制系统的组成，清楚每个模块的使用方法，进而了解消防循迹小车的全貌。 分析和确定文献资料与调查研究主题的关系。对于初步整理好的文献资料，先要仔细地、反复地推敲，理清文献资料内在的逻辑关系，从中归纳出一个个精准的概念，并进一步由概念演绎成推理，即形成基本观点。然后，要认真思考这些基本观点及其所反映的内容与调查研究主题的关系，明确其说明主题的要义所在及其逻辑层次和逻辑顺序，形成课题的理论架构。然后对研究对象进行质的方面的分析，运用定性分析法，对获得的各种材料进行思维加工，做到去粗取精、去伪存真、由此及彼、由表及里，依据现有的科学理论和实践的需要，提出设计，确定系统初步设计方案，依据实际，选出最适合安全防护循迹小车控制系统的方案。 所谓实证研究是指从大量的经验事实中通过科学归纳，总结出具有普遍意义的结论或规律，然后通过科学的逻辑演绎方法推导出某些结论或规律，再将这些结论或规律拿回到现实中进行检验的方法论思想。案例研究可以分为单个案研究和多个案研究。个案研究不仅有助于积累不同广泛而深入的个案资料，形成对于问题的实感，也可以为调查者获得第一手资料，从现实获取灵感源泉。最后利用科学仪器和设备，通过有目的有步骤地操纵，设计系统总电路图和搭建系统初始模型，根据想要实现的功能，进行代码编写，焊接好电路及进行整体调试，最后对小车观察、记录、测试，找出系统BUG并及时解决，制作出能够完整实现设计功能实物。 3.2步骤 系统采用STC89C52作为主控芯片，增加复位电路、晶振电路、稳压电路形成单片机最小系统。使用锂电池稳压电路对小车进行供电。使用两个直流电机作为小车的驱动，配合万向轮实现小车的转向，通过控制两个电机的转速和方向实现小车的左右转动。采用H桥电路控制直流电机的正反转，实现小车的前进后退加减速。使用5路红外对管实现小车的寻迹功能，通过采集红外对管的状态，控制小车的运行逻辑。使用两个红外避障模块置于小车左右两侧，通过编程实现小车的避障功能。使用火焰探测器检测火源位置，并对火源进行喷水灭火，同时蜂鸣器报警，实验中指示灯代替喷水。 电源模块：智能消防车提供动力支持，使用两个直流电机作为小车的驱动，配合万向轮实现小车的转向，通过控制两个电机的转速和方向实现小车的左右转动。采用H桥电路控制直流电机的正反转，实现小车的前进后退加减速。 驱动模块：系统采用STC89C52作为主控芯片，增加复位电路、晶振电路、稳压电路形成单片机最小系统。 控制模块：采用H桥电路控制直流电机的正反转从而来实现小车的前进后退加减速，通过keil4编写程序在接受到红外信号后实现小车的避障功能。 红外循迹避障模块：使用红外对管实现小车的寻迹功能和避障功能。灭火是设计的核心部分， 能够实现自动检测火源并且进行灭火，使用火焰探测器检测火源位置，并对火源进行喷水灭火，同时蜂鸣器报警，提醒救援人员注意。
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4. 参考文献
[1] 杨楠,王恩泽.基于msp430可循迹智能小车控制系统设计[j].电子质量,2021(05):63-66.
[2] 卢威. 智能小车避障系统的设计与实现[d].南昌大学,2012.
[3] 张坤. 基于arm单片机的智能小车循迹避障研究设计[d].齐鲁工业大学,2020.
5. 工作计划
2月21日——2月28日 收集课题相关资料，大量查收文献，了解相关学术进展。
3月1日——3月14日 对课题进行详细的了解分析，查看大量文献，完成开题报告，填写毕业论文任务书。
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