消防车臂架轨迹记忆与回放软件设计和实现

消防车臂架轨迹记忆与回放软件设计和实现

张勇仝瑶瑶

徐工消防安全装备有限公司江苏徐州221008

摘要：针对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：消防车；轨迹记忆；人机交互装置

1前言

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。

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。

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。

图2系统软件结构框图

3.2软件实现

3.2.1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。

图3人机交互界面

3.2.2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。

4软件测试

消防车臂架运动轨迹记忆与回放技术是在安全为前提下，兼顾操作实用性和便利性进行研究与设计的功能。为验证消防车运动估计记忆与回放技术的控制效果，通过对下载了轨迹记忆与回放技术程序的32米登高平台消防车整机进行测试。测试步骤如下：

1、在初始点进行开始记忆，操作到目标点停止，然后进行回放操作，臂架应能按照相反方向返回初始点；在初始点进行回放操作，臂架应能按照工况步骤回到目标点；

2、在目标点进行开始记忆，操作到初始点停止，然后进行回放操作，臂架应能按照相反方向返回目标点；在目标点进行回放操作，臂架应能按照工况步骤回到初始点；

3、在现场测试中如果臂架进行单一动作的变化，例如主臂变幅从50°到70°又到60°，此时系统认为是操作者在进行目标位置调整，在工况回放时直接从50°到60°变化，进行步骤的优化。

具体测试结果如下图：

图6反向自动回放运动优化记录

图7为原始手动操作臂架运动轨迹，其中突出锯齿为动作的反复调整，图8为正向回放运动轨迹，图9为反向回放运动轨迹。从图中可以看出自动轨迹回放时，臂架运动路径同记录轨迹基本保持一致，并且进行了优化，优化后的图形更加平顺，减小运动过程中的机械冲击，提高电气元件使用寿命。

5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）