基于ATMEGA328P芯片的矿洞救援车与新型壁障算法

作者：何宗泰

（北京师范大学珠海分校 工程技术学院 广东 珠海519000）

摘要

数个世纪以来，煤矿一直是人类社会的必须能源之一，煤矿地开采必然伴随着矿难的发生，危险不仅仅伴随着矿工，矿洞内的复杂情况，救援人员往往也冒着极大的风险。

为了进一步减少在救援中的人员损失，本项目设计了一款基于ATMEGA328P芯片的矿洞救援车。该车拥有自动及手动驾驶两种模式。自动驾驶状态下，由中央头部舵机控制超声波传感器旋转，待测得最长距离后，向前后舵机发送命令，旋转至适合比例角度，电机工作，实现不同于传统避障类型车的自动驾驶；手动驾驶状态下，由蓝牙（WiFi）向电机和舵机发送指定命令，实现小车的遥控。在两种模式下，“温湿度传感器”实时监测车体附近温湿度，人体红外传感器实时监测是否有生命体存活，MQ2可燃气体传感器可实时监测附近是否存在甲烷等气体燃烧的安全隐患。

经过调试运行，该设计感应灵敏，功能可以较好实现，一定程度上能够实现救援的目的，后期经过微调可以轻松实现WiFi远程控制。

关键词：矿洞救援；自动驾驶；实时监测；新型避障算法

一、 引言

现如今，社会对煤矿的需求依然居高不下，地下煤矿开采时常伴随着爆炸和塌方。相关资料表明，矿下不可控因素繁多：安全生产立法不完善，政府职能缺失，自然因素等，导致事故无法避免。营救技术的缺少智能化机器人的参与，营救方案不能及时有效的最大程度地降低伤亡。

为改善这种状况，本设计采用ATMEGA328P芯片开发救援车，采用新型的避障算法进行高效避障，利用传感技术，自动控制等技术，代替人探查复杂的地下情况，更大程度的减少灾害伤亡，提升救援效率。

二、 矿洞救援车功能简介

1) 框架设计简介

本设计以ATMEGA328P芯片为核心板的主控电路，整体框架如图1所示。

图 1  小车所含模块总框架图

整部小车主要分为三大部分：串口通信部分，传感监测部分，功率驱动部分。

串口通信部分：蓝牙（易改为WiFi）向小车发送命令，选择控制模式，遥控车辆。

传感监测部分：主要包含HC-SR501人体红外识别传感器（监测是否存在生命体），DHT11温湿度传感器（监测矿洞内温度和湿度是否异常），MQ2可燃气体传感器（监测周围是否有可燃易爆气体，优化救援方案，减少危险系数）超声波传感器（测距，取周期测量最大结果，将中央超声波舵机相应转角按比例传递给前后舵机，改变运动方向）。

功率驱动部分：本设计将功率电源与传感器电源分成了两部分，主要作用于避免传感器舵机与电机的相互干扰，分别接入8.6V(传感器电源)，7.4V(功率电源)。

2) 功能简介

2.1自动避障驾驶

目前市面上的绝大部分“避障车”的避障方式，都是利用超声波传感器感测距离，如果距离过近则后退，换一个角度继续尝试，直到距离足够远才继续前进。本设计采用HY-SR05超声波以及舵机之间的相互关联，利用探头所测得最远距离所对应角度，传递给方向舵机，更加高效的“无后退避障”， 13个测量角度使得前进方向准确。

2.2手动远程遥控

本设计拥有手动和自动两种模式，手动模式可以利用蓝牙或者WiFi，远程控制小车的运动，以及探头的探测。

2.3人体识别

本设计采用HC-SR501人体红外识别模块，可以感测到活动物体的存在，利用高低电平变化来反馈生命信息。

2.4温湿度传感

本设计采用DHT11温湿度传感器采集数字信号，能够在90%的高湿度环境下工作，十分适合地下工作。

2.5危险气体监测

本设计采用MQ2可燃气体传感器监测地下可燃气体，烟雾。监测浓度范围在300-10000ppm范围之间，对可燃性气体以及有毒气体具有高度的敏感性。

三、 工作原理以及系统调试

1) 新型壁障算法

本设计的亮点就在于其新式避障算法，其硬件架构是两个舵机分别带动超声波传感器和方向轴。HY-SR05超声波传感器探测的距离范围可在2cm至450cm之间，精度经过调试可达±0.2cm，其采用IO触发测距，提供至少10us的高电平信号，模块自动发送8个40khz的方波，自动检测是否有信号返回，有信号返回，通过IO输出高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间．测试距离=(高电平时间*声速(340M/S))/2。MG996R数字舵机拥有13kg/cm的扭力，回中误差0度， 左右各45°误差≤3°，响应脉宽时间： ≤5usec。控制信号由接收机的通道进入信号调制芯片，获得直流偏置电压。它内部有一个基准电路，产生周期为20ms，宽度为1.5ms的基准信号，将获得的直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压差输出。最后，电压差的正负输出到电机驱动芯片决定电机的正反转。当电机转速一定时，通过级联减速齿轮带动电位器旋转，使得电压差为0，电机停止转动。

与超声波固定的舵机在前进中对前方30°~150°进行12等分，采集13个距离值，对比的出最小值所对应角度，利用map函数传递给与方向轴相连的舵机，控制车辆方向。距离采集参数对比如图2所示。

图 2 超声波测距对比图像

2) 人体识别

车辆前方装有HC-SR501人体识别模块，电平 L不可重复，H可重复，默认值为H。感应范围小于120度锥角，7米以内。工作温度在-15~+70度，适用范围广。体温一般维持在37度左右，会发出10UM左右波长的红外线，被动式红外探头靠探测人体发射的10UM左右的红外线而进行工作。10UM左右的红外线通过菲泥尔滤光片增强后聚集到红外感应源上。红外感应源通常采用热释电元件，元件在接收到人体红外辐射温度发生变化时失去电荷平衡，向外释放电荷，后续电路经检测处理后产生报警信号。

3) 温度监测

车辆顶端装有DHT11数字温湿度传感器，可测湿度20-90%RH，温度0~50℃，测量精度:湿度+-5%RH，温度+-2℃。分辨率:湿度1%RH，温度1℃，测量范围广。经过初始化设置，每次传输40位数据=8bit湿度整数数据 + 8bit湿度小数数据 + 8bint温度整数数据 + 8bit温度小数数据 + 8bit校验位。

4) 危险气体监测

车辆顶端装有MQ2可燃气体传感器，可以在温度-15~40℃；相对湿度20～85%RH，大气压力80～106KPa环境下使用。环境温湿度的变化会给元件电阻带来小的影响，可进行湿度补偿，最简便的方法是采用热敏电阻补偿。MQ-2是基于QM-NG1探头的气体传感器，QM-NG1是采用目前国际上工艺最成熟，生产规模最大的Sn02材料作为敏感基体制作的广谱性气体传感器。其最大特点是对各种可燃性气体(如氢气、液化石油气、一氧化碳、烷烃类等气体)以及酒精、乙醚、汽油、烟雾等有毒气体具有高度的敏感性。元件开始通电工作时，没有接触可燃性气体，其电导率也急剧增加，约一分钟后达到稳定，这时方可正常使用，这段变化在设计电路时可采用延时处理解决。加热电压的改变会直接影响元件的性能，所以在规定的电压范围内使用为佳。元件在接触标定气体1000ppm可燃气体后10秒钟以内负载电阻两端的电压可达到 ( Vdg-Va )差值的70% ( 即响应时间 )；脱离标定气体1000ppm可燃气体30秒钟以内负载电阻两端的电压下降到 ( Vdg -Va )差值的70%（恢复时间）；

5) 蓝牙通信

本设计采用HC-05蓝牙串口进行通信，TTL电平，兼容各类3.3V/5V单片机系统，波特率范围极广（4800~1382400），所有功能通过AT指令设置，简单易用拥有记忆功能，可作为全双工串口使用。

四、 程序设计

主程序实现：蓝牙控制救援车自动驾驶（狭窄空间内），或手动驾驶，手动驾驶状态下，由蓝牙指令小车进行指定运动。如图3：

            图 3 程序逻辑总流程图           图 4 距离函数以及角度选择流程图

其子函数还包括气体读取函数，人体监测函数，温湿度读取函数，距离函数以及角度选择函数（核型函数，逻辑流程如图4，利用超声波测距仪找出最长距离，把相应旋转角度传给前后舵机，控制转向），手动驾驶函数。

五、 模型设计

本设计采用solid works2012建模，并用cura2.5生成gcode文件进行3D打印。经过测试，本设计拥有最大40°转角，27°爬坡能力，32°最大防侧翻能力，抗震能力良好。

图 5 整车实物                   图 6 万向联轴器（核心部件建模）

六、 总结

基于ATMEGA328P芯片与新型避障算法，实现了本矿洞救援车的设计，与传统的避障车以及救援小车相比，成本更低，操作更简单，采集数据更加准确多样。另一方面，本设计为第一代设计，使用蓝牙，稍作程序以及硬件修改，用WiFi作为通讯手段，能让小车在控制以及位置判断上有更大提升。

参考文献

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