高空作業(yè)車智能控制器的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

全劍敏，吳光榮，汪曉波，江傳尚，齊國(guó)強(qiáng)

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第52研究所 研發(fā)中心，浙江 杭州 310012)

高空作業(yè)車是一種能夠在各種高空建筑物空隙間作業(yè)的設(shè)備，廣泛應(yīng)用于電力、路燈、市政、園林、通信、機(jī)場(chǎng)、造(修)船、交通、廣告、攝影等高空作業(yè)領(lǐng)域[1]。目前，高空作業(yè)車主要有臂式和剪式兩大類，由3個(gè)部分組成:基面(base)、起重機(jī)構(gòu)(liftingmechanism)和作業(yè)平臺(tái)(platform)組成[2]。文中涉及的控制器主要應(yīng)用于臂式高空作業(yè)車，其除了具有較寬的車身、較大車輪之外，為了加強(qiáng)穩(wěn)定性，裝配有支腿(outrigger)，起重機(jī)構(gòu)一般為液壓驅(qū)動(dòng)。

傳統(tǒng)的高空作業(yè)車沒(méi)有采取智能控制器進(jìn)行控制操作，而是完全依靠操作人員的視覺(jué)反饋以及機(jī)械調(diào)速閥對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，精確性能差，高空作業(yè)安全性不高。文中基于此點(diǎn)設(shè)計(jì)了一種高空作業(yè)車智能控制器，結(jié)合安裝于高空作業(yè)車上的各類傳感器以及檢測(cè)開(kāi)關(guān)、比例閥組及手柄等器件，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)高空作業(yè)車控制系統(tǒng)，如圖1所示。由于采用了智能控制器，其作業(yè)范圍、速度輸出以及動(dòng)作輸出的合法性檢測(cè)都由智能控制器進(jìn)行運(yùn)算及控制，使得控制精確性更高、可靠性更強(qiáng)、速度輸出的精細(xì)度更高、可控性好、操作安全智能，大大提高了高空作業(yè)車的自動(dòng)化控制水平。

圖1 高空作業(yè)車控制系統(tǒng)組成

1 智能控制器的整體框架設(shè)計(jì)

文中設(shè)計(jì)的智能控制器硬件平臺(tái)主要由RS232/485及CAN通信模塊、模擬量輸入模塊、PWM信號(hào)輸出模塊、開(kāi)關(guān)量輸出模塊、開(kāi)關(guān)量輸入模塊、電源模塊等組成，系統(tǒng)原理框圖，如圖2所示。開(kāi)關(guān)量輸入經(jīng)過(guò)輸入電路后連接到CPU的IO總線上。1型模擬量輸入與CPU的片上ADC連接，2型模擬量輸入經(jīng)過(guò)ADC芯片后與CPU的IO總線相連。LED、繼電器、PWM等經(jīng)過(guò)輸出電路后與CPU的IO總線連接，RS232/485，CAN電路與CPU的對(duì)應(yīng)通信相連。系統(tǒng)采用ARM7架構(gòu)的低功耗32位RISC處理器NXP LPC2378，主頻達(dá)到72 MHz，512 kB片 上Flash，48 kBSRAM，高速的運(yùn)算處理能力及硬件資源能處理多數(shù)復(fù)雜應(yīng)用[3，4]。

圖2 智能控制器控制電路的框架設(shè)計(jì)

2 智能控制器硬件模塊電路設(shè)計(jì)

2.1 電源設(shè)計(jì)

電源性設(shè)計(jì)的優(yōu)劣是影響汽車電子產(chǎn)品穩(wěn)定可靠性的重要因素。本控制器設(shè)計(jì)為24 V系統(tǒng)，允許輸入電壓波動(dòng)范圍為18～30 V，峰值電壓最大可達(dá)45 V。電源設(shè)計(jì)上主要從電壓跌落保護(hù)、逆極性保護(hù)以及靜電、脈沖群、浪涌保護(hù)等方面進(jìn)行考慮，方案示意圖，如圖3所示。

圖3 智能控制器電源設(shè)計(jì)框圖

電源從汽車蓄電池經(jīng)由電源輸入部分引入控制器，為整個(gè)系統(tǒng)供電，通過(guò)扼流圈后，經(jīng)過(guò)逆極性保護(hù)電路。此后，電源電路分成兩部分，一部分經(jīng)過(guò)外部電源輸出電路，為PWM模塊以及開(kāi)關(guān)量輸出模塊提供電能;另一部分經(jīng)過(guò)內(nèi)部電源電路轉(zhuǎn)換成12 V，5 V，3.3 V等電壓，向內(nèi)部器件供電。另外，添加系統(tǒng)電壓監(jiān)測(cè)電路，通過(guò)軟硬件綜合處理，使得控制器在電源電壓出現(xiàn)20 ms的電壓跌落時(shí)正常工作，在500 ms之內(nèi)的電壓跌落時(shí)，不出現(xiàn)誤動(dòng)作(但允許復(fù)位)。

2.2 輸入輸出模塊電路設(shè)計(jì)

智能控制器硬件的輸入模塊，主要包含開(kāi)關(guān)量輸入和模擬量輸入。出于系統(tǒng)安全可靠性考慮，在模塊電路的設(shè)計(jì)上進(jìn)行了很多處理[5]。下面以開(kāi)關(guān)量原理圖簡(jiǎn)要說(shuō)明。如圖4所示，外部電平信號(hào)從DI1端輸入，經(jīng)過(guò)壓敏電阻和高壓電容進(jìn)行瞬態(tài)保護(hù)后，通過(guò)信號(hào)濾波及限流電阻。出于抗干擾考慮，添加一個(gè)11 V左右導(dǎo)通的穩(wěn)壓管，則低于11 V的電平信號(hào)都不會(huì)通過(guò)該器件進(jìn)入內(nèi)部電路;對(duì)于負(fù)電平輸入，通過(guò)BAT54把電壓穩(wěn)定0 V附近?？刂破鞯哪M量輸入分別用于系統(tǒng)電壓及傳感器電壓監(jiān)控、PWM輸出反饋和外部傳感器信號(hào)采集。根據(jù)不同的應(yīng)用要求，前者采用CPU的片上10位ADC，后者采用AD7891轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行模擬信號(hào)采集。對(duì)于控制器硬件的輸出模塊，則包括繼電器輸出、場(chǎng)效應(yīng)管輸出、PWM以及LED輸出。

2.3 動(dòng)作急停電路

出于安全性考慮，防止誤動(dòng)作輸出，作為開(kāi)關(guān)量輸入信號(hào)的動(dòng)作停止信號(hào)，除了傳遞給CPU用于程序停止的硬件輸出之外，還傳遞給動(dòng)作急停電路。動(dòng)作急停電路將所有的CPU信號(hào)輸出立即屏蔽，使得CPU程序?qū)Ω呖兆鳂I(yè)車的輸出，除LED信號(hào)之外的其他任何控制信號(hào)，都被屏蔽，充分保證系統(tǒng)安全。LED信號(hào)用于故障顯示，如圖2所示。圖6是智能控制器的硬件實(shí)物圖。

圖6 智能控制器硬件實(shí)物圖

3 智能控制器的軟件設(shè)計(jì)

智能控制的軟件設(shè)計(jì)框架，如圖7所示，分為控制信號(hào)輸入模塊、工作臂動(dòng)作控制模塊、車體姿態(tài)計(jì)算模塊、作業(yè)范圍計(jì)算與處理模塊、錯(cuò)誤診斷及處理模塊、發(fā)動(dòng)機(jī)處理模塊以及控制信號(hào)輸出模塊等等。其中工作臂動(dòng)作處理，包括操作優(yōu)先級(jí)處理、閥處理、自動(dòng)收回控制器、周速處理、速度緩沖處理及速度輸出等處理。錯(cuò)誤診斷及處理模塊貫穿整個(gè)軟件系統(tǒng)。

圖7 智能控制器軟件框架

針對(duì)該智能控制器的各種控制功能及控制精確度，進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)車測(cè)試。在測(cè)試中，與沒(méi)有采用智能控制器的車輛相比，操作人員明顯感覺(jué)現(xiàn)有系統(tǒng)對(duì)速度控制精度有顯著提高。在超過(guò)車輛作業(yè)范圍時(shí)，控制器能夠自動(dòng)禁止會(huì)發(fā)生危險(xiǎn)方向的動(dòng)作輸出，相比單純依靠操作人員反饋，安全性及精度都有較大提高。圖8是該高空作業(yè)車智能控制器在進(jìn)行伸縮動(dòng)作的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試圖。經(jīng)過(guò)細(xì)致測(cè)試，控制器的各項(xiàng)功能都達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

圖8 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試圖

4 結(jié)束語(yǔ)

文中在介紹高空作業(yè)車控制系統(tǒng)組成的基礎(chǔ)上，給出了智能控制器的整體框架結(jié)構(gòu)，接著針對(duì)控制器的軟硬件實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了闡述。高空作業(yè)車的作業(yè)范圍限制，動(dòng)作的輸出控制完全由控制器進(jìn)行運(yùn)算控制，使得高空作業(yè)車的控制精確性更高，速度控制更加細(xì)致。同時(shí)，對(duì)操作人員的要求降低，操作安全智能、可靠性高。目前，該系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用測(cè)試中，運(yùn)行良好，取得了預(yù)期效果。

[1] 中商情報(bào)網(wǎng).2009～2010年中國(guó)高空作業(yè)車行業(yè)投資分析與前景預(yù)測(cè)報(bào)告[EB/OL].(2009-03-11)[2009-06-01]http://www.askci.com/UploadFiles/200931610188304.doc.

[2] Bowden，F(xiàn)rank Roger.Mobile work Platform[EB/OL].(2008-03-01)[2009-05-12]https://pub lications.european-patent-office.org/PublicationServer/getpdf.jsp？cc=EP＆pn=1967486＆ki=A 1.

[3] 周立功.ARM嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2005.

[4] NXP.LPC2378 Datasheet[EB/OL].(2008-11-19)[2009-06-01]http://www.nxp.com/acrobat_download/datasheets/LPC2377_78_4.pdf.

[5] 張景春，錢莉.日產(chǎn)高空作業(yè)車主控電路板的原理分析[J].計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程，2005，33(5):53-55.