具有语音控制功能的举高类消防车控制系统设计

doi:10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.044

具有语音控制功能的举高类消防车控制系统设计

张静宇^,^,¹, 高志刚², 仝瑶瑶¹, 张玉凤¹, 张勇²

1.江苏师范大学科文学院，电气与智能智造学院，江苏徐州 221132

2.徐工消防安全装备有限公司，江苏徐州 221116

Design of control system of aerial fire fighting vehicle with voice control function

ZHANG Jingyu^,^,¹, GAO Zhigang², TONG Yaoyao¹, ZHANG Yufeng¹, ZHANG Yong²

1.College of Electrical and Intelligent Manufacturing, Jiangsu Normal University Kewen College, Xuzhou 221132, China

2.XCMG Fire-Fighting Safety Equipment Co. , Ltd. , Xuzhou 221116, China

收稿日期: 2023-02-10 修回日期: 2023-03-03

基金资助:

国家重点研发计划项目. 2021YFC3001705
江苏省高等教育学会“十四五”高等教育科学研究规划课题资助项目. YB096

Received: 2023-02-10 Revised: 2023-03-03

作者简介 About authors

张静宇（1989—），男，山东枣庄人，讲师，硕士，从事智能控制研究，E-mail:732257229@qq.com，https://orcid.org/0000-0003-2232-5941 , E-mail：732257229@qq.com

摘要

举高类消防车控制系统复杂，整车操作需要多名操作人员在多个操作位置配合完成，且对操作人员技术水平的要求较高。为此，提出了一种具有语音控制功能的举高类消防车控制系统。在举高类消防车原有控制系统的基础上，增加了自动控制功能、语音控制功能和语音播报功能，以代替常规的手柄及按钮操作方式。其中，语音控制功能即通过语音控制模块识别操作人员的特定语音指令，并通过CAN（controller area network，控制器局域网）总线发送到PLC（programmable logic controller，可编程逻辑控制器），而后PLC根据语音指令和消防车状态自动控制消防车动作。当消防车出现状态变化或发生故障时，PLC将语音指令发送至语音播报模块，语音播报模块基于预存的语音信息进行语音播放，以便操作人员接收重要信息。试验结果表明，所设计的举高类消防车控制系统具有可行性，可有效降低操作难度和提高操作效率。该新型控制系统可迅速推广至其他类型的消防车以及相关的工程机械类产品，具有较高的应用价值。

关键词： 举高类消防车 ; 自动控制 ; 语音控制 ; 语音播报 ; CAN总线

Abstract

The control system of aerial fire fighting vehicles is complex, and the operation of the entire vehicle requires multiple operators to cooperate at multiple operating positions, with high requirements for the technical level of operators. Therefore, a control system of aerial fire fighting vehicle with voice control function was proposed. On the basis of the original control system of the aerial fire fighting vehicle, automatic control function, voice control function and voice broadcast function were added to replace the conventional handle and button operation mode. Among them, the voice control function was to recognize specific voice commands from operators through voice control module and sent them to the PLC (programmable logic controller) through the CAN (controller area network) bus, and then the PLC automatically controlled the action of the fire fighting vehicle based on the voice commands and the status of the fire fighting vehicle. When the status of the fire fighting vehicle changed or malfunctioned, the PLC sent voice commands to the voice broadcast module, which played the voice based on the pre-stored voice information for operators to receive important information. The test results showed that the designed aerial fire fighting vehicle control system was feasible, which could effectively reduce the operation difficulty and improve the operation efficiency. The new control system can be quickly extended to other types of fire fighting vehicles and related construction machinery products, which has high application value.

Keywords： aerial fire fighting vehicle ; automatic control ; voice control ; voice broadcast ; CAN bus

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本文引用格式

张静宇, 高志刚, 仝瑶瑶, 张玉凤, 张勇. 具有语音控制功能的举高类消防车控制系统设计. 工程设计学报[J], 2023, 30(3): 281-287 doi:10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.044

ZHANG Jingyu, GAO Zhigang, TONG Yaoyao, ZHANG Yufeng, ZHANG Yong. Design of control system of aerial fire fighting vehicle with voice control function. Chinese Journal of Engineering Design[J], 2023, 30(3): 281-287 doi:10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.044

随着社会的发展和进步，高层和超高层建筑逐渐增多，高层消防救援问题日益突出。举高类消防车可实现高空灭火、高层救援等功能，在高层消防救援任务中发挥巨大作用。

举高类消防车通常可以分为三大类：登高平台消防车、云梯消防车以及举高喷射消防车^[1]。为了操作方便，举高类消防车通常在多个位置设置操作台，主要包括消防操作台、下车操作台、转台操作台和工作平台操作台。其中：消防操作台一般布置在消防车下车左侧中部，包括显示器、指示灯和控制按钮等，主要用于实现对消防系统的操作。下车操作台位于消防车下车尾部，同样包括显示器、指示灯和控制按钮等，主要用于实现对下车水平支腿和垂直支腿的控制。转台操作台位于消防车上车转台左侧，包括显示器、指示灯、操作手柄和控制按钮等，主要用于实现对消防车转台、臂架和工作平台的控制。工作平台操作台位于消防车工作平台内，其功能与转台操作台基本相同^[2-3]。

当举高类消防车工作时，操作人员须先进行下车操作，将水平支腿和垂直支腿伸出，并将车身调整至水平状态。随后，操作人员进行上车操作，将臂架伸展至指定的高度和幅度，以开展人员救助；开始灭火时，操作人员须在消防操作台上控制水泵运转、打开相应阀门，以实现灭火剂的喷射；同时，为实现上述操作，操作人员还须在驾驶室内进行挡位控制、油泵取力和水泵取力操作^[4]。

举高类消防车的控制系统复杂，使用时通常需要2名以上的操作人员在多个操作台处互相配合，且要求操作人员对消防车极为熟悉和具有较高的技术水平，这样才能在救援现场实现高效率的操作。但是，不同厂家生产的消防车的操作方法各有不同，而救援现场往往瞬息万变，操作人员须争分夺秒，这对操作人员提出了更高的要求^[5]。

为此，笔者提出了一种具有语音控制功能的举高类消防车控制系统。基于该控制系统，操作人员可以集中精力观察消防车的状态，无须使用操作手柄或控制按钮等来控制消防车动作，只要利用特定语言发出语音指令，PLC（programmable logic controller，可编程逻辑控制器）根据接收到的语音指令和消防车状态自动控制相应的执行机构，实现消防车的动作。同时，当消防车出现状态变化或发生故障时，可通过语音播报模块播放动作限制和故障信息，以便于操作人员接收重要信息。

1 语音控制功能的关键技术

举高类消防车控制系统的语音控制功能要依托语音控制模块和自动控制功能才能实现。

1.1　语音控制模块

鉴于举高类消防车的特殊性，语音控制模块必须能够迅速、准确、有效地识别操作人员发出的语音指令。举高类消防车的控制系统复杂，其控制器、显示器之间的信息传输均采用CAN（controller area network，控制器局域网）总线来实现^[6]。因此，语音控制模块必须能够通过CAN总线将识别到的语音指令发送至整车的CAN总线网络。综合上述需求，本文设计的语音控制模块包括麦克风、LD3320语音识别模块、MCU（microcontroller unit，微控制单元）模块和CAN总线通信模块^[7]。

LD3320芯片是ICRoute公司设计生产的一款专用于语音识别的芯片。该芯片集成了语音识别处理器和一些外部电路，包括A/D（analog/digital，模/数）转换器、D/A转换器、麦克风接口和声音输出接口等。以LD3320芯片为核心的语音识别模块对操作人员发出的语音指令进行特征提取、匹配预存语音指令词条以及频谱分析，从而准确地识别相应的语音指令。随后，将识别到的语音指令转化为数字信号并传输给MCU模块以进行数据处理。LD3320语音识别模块可以预存50条语音指令词条，可满足举高类消防车的控制需求^[8-10]。

MCU模块选用STM32F407单片机，该款单片机具有强大的数据采集和处理功能^[11-12]。MCU模块负责接收LD3320语音识别模块传输的数据，对其进行分析和处理后传输给CAN总线通信模块^[13]。

CAN总线通信模块以SN65HVD232DR芯片为核心，负责接收MCU模块处理后的语音指令数据，并按照CANopen通信协议将数据发送至整车的CAN总线网络。其中，波特率可设为250 kB，也可根据实际需求进行设定。在整车CAN总线网络上，PLC负责实时接收信息和进行数据处理^[14]。

1.2　自动控制功能

举高类消防车自动控制功能的实现主要依靠PLC，当PLC接收到外界指令信息后，根据程序逻辑和算法运算自动控制消防车执行机构动作。举高类消防车的自动控制功能包括常规操作（消防车的起动、熄火、油门加减、水泵取力和油泵取力等）、消防系统动作（消防打水、消防打泡沫和消防清洗）和臂架动作的自动控制。

在举高类消防车的自动控制功能中，最重要的是臂架动作的自动控制，须兼顾臂架动作的灵敏度、速度和平顺性，否则会直接影响消防车的整车性能^[15]。一般情况下，臂架动作速度由操作人员通过操作手柄控制，通常操作手柄的推动角度越大，PLC输出的控制臂架动作的液压比例阀的驱动电流越大，则臂架动作速度越快。液压比例阀的开启电流约为270 mA，其理论最大电流为700 mA左右。PLC通过控制PWM（pulse width modulation，脉冲宽度调制）输出端口的PWM波占空比来控制液压比例阀的驱动电流，进而控制臂架动作速度^[16]。

举高类消防车的自动控制功能可实现不使用操作手柄进行臂架动作，但须提前在PLC内设置固定的操作手柄参数^[17]。PLC根据操作手柄参数设定值、臂架的角度和长度等信息自动控制臂架平稳动作。

首先，在PLC内设置操作手柄参数，其设定范围为0~16 383。经过多次测试验证，自动控制时操作手柄参数设置为15 000左右较合适，需要调整时可在显示器上直接修改。

然后，根据臂架的角度和长度，计算减速参数。以主臂变幅起动作为例，利用式(1)计算主臂的减速参数，当主臂变幅起至接近最大角度时，减速参数逐渐减小至0。为了避免因减速参数太小而导致相应液压比例阀的驱动电流太小，从而导致臂架动作速度太慢，减速参数的最小值通常设为0.3左右。

K = \frac{θ_{m a x} - θ_{n o w}}{θ_{m a x} - θ_{m i n}}

(1)

式中：K——减速参数，取值范围为0.3~1.0；

θ_max——主臂的最大角度，通常为83°或85°；

θ_min——主臂的最小角度，通常为0°；

θ_now——主臂的实时角度。

最后，利用式(2)计算液压比例阀的实际最大驱动电流，设PWM输出端口输出的驱动电流在每个PLC扫描周期内递增或递减50 mA。当臂架动作起步时，使PWM输出端口输出的驱动电流从270 mA开始逐渐递增，直至达到实际最大电流。液压比例阀的实际最大电流由操作手柄参数和减速参数共同决定，以保证臂架动作稳定起步。

I_{a, m a x} = K \frac{J_{s e t}}{J_{m a x}} I_{m a x}

(2)

式中：I_{a, max}——液压比例阀的实际最大驱动电流，取值范围为270~700 mA；

J_set——操作手柄参数设定值；

J_max——操作手柄参数最大值，为16 383；

I_max——液压比例阀的理论最大驱动电流。

当需要停止臂架动作时，使液压比例阀的驱动电流从最大值开始逐渐递减，直至降到270 mA以下，此时臂架停止动作。

通过上述方法，可利用PLC实现举高类消防车臂架平稳起步、动作和停止的自动控制。

2 新型控制系统应用方案

本文提出的具有语音控制功能的举高类消防车控制系统是在原有控制系统的基础上增加了智能语音控制模块和语音播报模块，用于实现相应的功能，其结构框图如图1所示。

图1

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图1 具有语音控制功能的举高类消防车控制系统的结构框图

Fig.1 Structure diagram of control system of aerial fire fighting vehicle with voice control function

2.1　语音控制功能

考虑到消防车功能的特殊性，必须保证消防车的运行过程绝对可靠，因此语音控制功能和常规的基于操作手柄、控制按钮等的手动操作功能应同时存在。当一种功能出现问题时，另一种功能可应急使用。此外，语音控制功能的优先级须低于常规的手动操作功能，即当操作人员通过操作手柄或控制按钮来控制消防车时，语音控制功能自动被屏蔽，无法使用。当所有操作手柄或控制按钮均未被操作时，只有按下语音控制模式的使能按钮，才能启用语音控制功能，这是为了避免多套控制系统同时起作用，导致意外情况发生，从而保证消防车可靠运行。

用于实现语音控制功能的语音控制模块与PLC通过CAN总线进行通信。当切换为语音控制模式时，语音控制模块识别操作人员发出的语音指令并与寄存器内预存的语音指令词条进行匹配^[18]，以确认操作人员的动作指令，而后将识别到的语音指令通过CAN总线发送到PLC^[19]，PLC根据语音指令和消防车状态，控制消防车的执行机构进行相应的动作。

不同类型消防车的语音控制模块中存储的语音指令词条有所区别。以徐工消防安全装备有限公司生产的66 m登高平台消防车为例，其可以设置50条语音指令词条，具体如表1所示。

表1 66 m登高平台消防车的语音指令词条

Table 1 Voice command entries of 66 m high platform fire fighting vehicle

序号	语音指令	序号	语音指令
1	起动	26	主臂伸
2	熄火	27	主臂缩
3	接通油泵取力	28	主臂伸缩停止
4	断开油泵取力	29	二臂变幅起
5	接通水泵取力	30	二臂变幅落
6	断开水泵取力	31	二臂变幅停止
7	真空泵开启	32	二臂伸
8	真空泵停止	33	二臂缩
9	油门加	34	二臂伸缩停止
10	油门减	35	曲臂展
11	油门调整停止	36	曲臂收
12	消防打水	37	曲臂展收停止
13	关闭消防打水	38	平台左旋
14	消防打泡沫	39	平台右旋
15	关闭消防打泡沫	40	平台上旋
16	消防管路清洗	41	平台下旋
17	关闭消防管路清洗	42	平台旋转停止
18	下车支腿伸	43	平台回中位
19	下车支腿收	44	水炮上旋
20	转台左转	45	水炮下旋
21	转台右转	46	水炮左旋
22	转台旋转停止	47	水炮右旋
23	主臂变幅起	48	水炮直流
24	主臂变幅落	49	水炮散花
25	主臂变幅停止	50	水炮动作停止

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以消防车主臂变幅起的语音控制为例，阐述语音控制功能的实现过程。首先，设置消防车上的操作手柄和控制按钮等常规操作装置不能使用；然后，按下语音控制模式使能按钮，进入语音控制模式。在语音控制模式下，若出现任何常规操作装置的动作，则立刻退出语音控制模式，语音指令无效，从而保证消防车稳定可靠运行。

基于语音控制的主臂变幅起流程如图2所示。当识别到语音指令“主臂变幅起”时，语音控制模块将该语音指令通过CAN总线发送到PLC。PLC接收到该语音指令后进行逻辑运算，判断是否满足主臂变幅起动作的条件：若不满足条件，则通过显示器和语音报警装置进行文字和语音提示，及时告知操作人员限制条件；若满足条件，则PLC控制主臂变幅阀通电，进行主臂变幅起动作。PLC根据主臂角度、长度等信息，自动调整主臂变幅阀的驱动电流，控制变幅起动作的速度，以保证主臂动作的稳定性。当主臂变幅起动作持续进行时，若未收到任何停止指令，则PLC控制主臂变幅阀通电，直到主臂变幅起至极限角度后停止，此时显示器和语音报警装置通过文字和语音提示“主臂变幅起至极限角度”；若PLC接收到语音指令“主臂变幅停止”，则主臂变幅阀的驱动电流逐渐减小直至断电，主臂迅速减速并停止动作，同时显示器和语音报警装置通过文字和语音提示“主臂变幅已停止”。

图2

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图2 基于语音控制的主臂变幅起流程

Fig.2 Main boom luffing lifting flow based on voice control

在利用语音控制消防车相应的动作时，操作人员只需要注意消防车的状态和现场情况，通过语音发出相应的动作指令，由语音控制模块识别语音指令并通过CAN总线传输到PLC，PLC根据语音指令和消防车状态，智能化地控制相应的执行机构动作。这种方式大大减轻了操作人员的工作量和降低了工作难度。

语音控制模块可以根据需要安装在消防操作台、下车操作台、转台操作台或工作平台操作台上，也可以根据需要安装在驾驶室内或遥控器上。当多个位置都装有语音控制模块时，可通过设置优先级的方式或设置使能按钮的方式来保证PLC不会同时接收多路控制信号。

2.2　语音播报功能

语音播报功能是为了方便操作人员通过语音的方式接收重要信息。本文设计的语音播报功能是通过增加语音播报模块来实现的。此外，仍须保留消防车常规人机交互界面中的显示器和指示灯，以便操作人员能够多渠道、多方式地及时查看消防车的相关信息及状态。

语音播报模块和PLC通过CAN总线相连，且须按照约定的节点顺序在语音播报模块中提前存储所有的语音信息。当消防车工作时，PLC自动判断消防车状态，在消防车出现动作限制和故障报警时，PLC通过CAN总线将相关信息发送到语音播报模块，而后语音播报模块从相应的语音库中选择对应的语音信息并通过音箱播放，以便操作人员能够及时接收重要信息。

语音播报功能默认开启且以汉语普通话进行播放。同时，为了使操作人员有良好的操作体验，可在显示器上选择开启或关闭语音播报功能，并可进行音量调节、循环播报次数设置以及播报语言选择（汉语或英语）。语音播报功能调整界面如图3所示。

图3

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图3 语音播报功能调整界面

Fig.3 Voice broadcast function adjustment interface

以消防车出现超幅报警为例^[20]，介绍语音播报功能。当PLC判定消防车出现超幅现象时，通过CAN总线将报警信息及时发送至显示器和语音播报模块。当显示器接收到超幅报警信息时，故障报警页面会显示相关文字。若语音播报功能不开启，则语音播报装置不工作；若语音播报功能正常开启，则语音播报装置接收超幅报警信息，同时选择对应节点上的超幅报警语音并通过音箱播放，直至超幅报警解除。超幅报警具体流程如图4所示。

图4

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图4 超幅报警流程

Fig.4 Over luffing alarm flow

3 新型控制系统功能测试

3.1　试验装置

选择徐工消防安全装备有限公司生产的一款66 m登高平台消防车（见图5），在加装语音控制装置和图6所示的语音播报装置后，将消防车开到空旷地带处进行语音控制功能测试。

图5

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图5 66 m登高平台消防车试验现场

Fig.5 Test site for 66 m high platform fire fighting vehicle

图6

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图6 语音播报装置实物

Fig.6 Physical object of voice broadcast device

3.2　试验步骤

操作人员在操作台上通过语音发布控制指令，依次控制登高平台消防车起动、熄火、支腿展收、主臂变幅起落、主臂伸缩、二臂变幅起落、二臂伸缩和转台回转等功能。同时，记录语音播报模块是否能够及时播放消防车的动作限制和故障报警信息。

3.3　试验结果

经过测试，在登高平台消防车动作过程中，语音控制模块可以准确识别操作人员发出的语音指令，识别率达到95%以上。结果表明，所设计的具有语音控制功能的控制系统可以根据语音指令自动控制66 m登高平台消防车动作，且具有较好的控制效果；语音播报装置能够及时对动作限制和消防车故障进行循环语音提示，保证操作人员及时注意到重要信息。经验证，具有语音控制功能的举高类消防车控制系统达到了预期的设计效果。

4 结语

本文设计了一种具有语音控制功能的举高类消防车控制系统，在消防车原有功能的基础上增加了自动控制功能、语音控制功能和语音播报功能。语音控制功能是由语音控制模块识别操作人员的语音指令，通过CAN总线将指令发送到PLC，PLC自动控制执行机构动作。语音播报功能可以及时播放消防车状态变化情况和故障报警信息。所设计的新型自动控制系统能够有效帮助操作人员更加简便地操作举高类消防车，降低了对操作人员技术水平的要求，大大提高了操作效率，且该控制系统可迅速推广至其他类型的消防车以及相关的工程机械类产品，具有较高的应用价值。

参考文献

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被引期刊影响因子

[1]

中华人民共和国公安部. 消防车第1部分：通用技术条件：［S］.北京：中国标准出版社，2014：2-3.