基于ARM9的機(jī)場(chǎng)應(yīng)急救援拖車同步控制研究

張積洪，周同旭

（中國(guó)民航大學(xué)航空自動(dòng)化學(xué)院，天津 300300）

航空器因許多不確定的原因在機(jī)場(chǎng)及其周邊喪失其機(jī)動(dòng)性，一旦出現(xiàn)航空器事故或殘損航空器停在機(jī)場(chǎng)某一區(qū)域，會(huì)妨礙其他航空器的運(yùn)行，甚至迫使機(jī)場(chǎng)實(shí)施關(guān)閉。因此，迅速將其搬移出妨礙機(jī)場(chǎng)開放的地方，這對(duì)旅行公眾、其他運(yùn)營(yíng)者、機(jī)場(chǎng)當(dāng)局以及駐場(chǎng)機(jī)構(gòu)很重要。同時(shí)，應(yīng)盡快利用搬移拖車將事故航空器在最短時(shí)間內(nèi)搬移到不妨礙機(jī)場(chǎng)開放的安全區(qū)，減少機(jī)場(chǎng)關(guān)閉時(shí)間，提高機(jī)場(chǎng)使用率。

機(jī)場(chǎng)應(yīng)急救援拖車是航空器應(yīng)急救援的重要設(shè)備之一，在保障飛機(jī)安全拖離事故現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用中，起到舉足輕重的作用，在其搬運(yùn)殘損航空器時(shí)，各個(gè)拖車應(yīng)同步轉(zhuǎn)向，以減小對(duì)設(shè)備的應(yīng)力損壞。本文采用ARM9和PLC為核心，通過采集安裝在機(jī)場(chǎng)應(yīng)急救援拖車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的角度傳感器數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)組合機(jī)場(chǎng)應(yīng)急救援拖車的同步控制。本文主要對(duì)該系統(tǒng)的軟件程序進(jìn)行了編寫設(shè)計(jì)及探討了相應(yīng)測(cè)試方法。

1 系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向原理與實(shí)現(xiàn)方法

1.1 組合式機(jī)場(chǎng)應(yīng)急救援拖車轉(zhuǎn)向原理

在搬運(yùn)殘損航空器時(shí)，根據(jù)其起落架損壞程度，分為前起落架或者主起落架一側(cè)損壞、主起落架全部損壞、前起落架和單個(gè)主起落架同時(shí)損壞和起落架全部損壞，因此，根據(jù)實(shí)際工況，有圖1三種組合方式。

為了減小組合式機(jī)場(chǎng)應(yīng)急救援拖車轉(zhuǎn)向時(shí)產(chǎn)生的路面對(duì)其行駛的附加阻力和輪胎過快磨損，要求轉(zhuǎn)向系能保證在車輛轉(zhuǎn)向時(shí)，所有車輪均作為純滾動(dòng)而不產(chǎn)生側(cè)向滑移，將兩臺(tái)拖車看成一個(gè)整體，顯然，這只有在所有車輪的軸線都交于一點(diǎn)O0（O0稱為轉(zhuǎn)動(dòng)中心）方能實(shí)現(xiàn)，本文采用兩車平行連接進(jìn)行分析，建立坐標(biāo)系，如圖2所示。

設(shè)第一臺(tái)救援拖車的左側(cè)第一個(gè)輪子的坐標(biāo)為（x1，y1），車輪轉(zhuǎn)角 α1、第二臺(tái)拖車的輪子的坐標(biāo)為（x2，y2），車輪轉(zhuǎn)角 α2，轉(zhuǎn)動(dòng)中心 O0的坐標(biāo)為（x0，y0），軸距和寬分別為l和b，則α1、α2的運(yùn)算關(guān)系為

由式（1）、式（2）可得

1.2 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法

本系統(tǒng)為主從式結(jié)構(gòu)，上位機(jī)以S3C2440ARM9控制器為核心，移植Linux系統(tǒng)和QT/Embedded圖形庫(kù)，主要實(shí)現(xiàn)多臺(tái)救援拖車位置關(guān)系的處理、救援拖車轉(zhuǎn)向角度的顯示、手動(dòng)控制等人機(jī)交互功能。下位機(jī)以SIEMENS的SIMATIC S7－200PLC控制器為核心，電液比例閥為運(yùn)動(dòng)控制器，實(shí)現(xiàn)協(xié)同轉(zhuǎn)向控制功能。上下位機(jī)通過RS485總線通信。

1.3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能

1）通過操縱盒控制多臺(tái)救援拖車協(xié)同轉(zhuǎn)向和復(fù)位功能；

2）實(shí)時(shí)顯示采集到的角度傳感器數(shù)據(jù)、轉(zhuǎn)向狀態(tài)和系統(tǒng)出錯(cuò)報(bào)警。

2 系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)

2.1 上位機(jī)程序的設(shè)計(jì)

2.1.1 利用QT/E多線程實(shí)現(xiàn)角度傳感器的同步采集

QT/E是Trolltech公司開發(fā)的面向嵌入式系統(tǒng)的QT版本，其控件豐富，并且支持虛擬幀緩沖。QT/E提供了一個(gè)與平臺(tái)獨(dú)立的線程類實(shí)現(xiàn)對(duì)多線程的支持，并且提供了線程安全的事件傳遞方式，QT/E將與線程相關(guān)的函數(shù)封裝為標(biāo)準(zhǔn)的C++類庫(kù)，使嵌入式系統(tǒng)多線程程序設(shè)計(jì)更加靈活和方便。線程Qthread使用start方法調(diào)用從 run（）函數(shù)開始執(zhí)行，Qmutex、Qread WriteLock、Qsemaphore以及QwaitCondition類保證線程可以同步的運(yùn)行，部分程序如下：

2.1.2 GUI的設(shè)計(jì)

使用QT/E命令來編輯系統(tǒng)的GUI會(huì)浪費(fèi)很多精力，如果使用QT Designer可以提高開發(fā)效率，它可以通過設(shè)計(jì)把相應(yīng)的部件布置到顯示頁面上，使用系統(tǒng)中的信號(hào)與槽機(jī)制讓程序自動(dòng)運(yùn)行。

根據(jù)系統(tǒng)的要求，GUI如圖3所示。通過該界面可以實(shí)現(xiàn)輸入救援車坐標(biāo)、控制救援車轉(zhuǎn)向、實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)查詢、與下位機(jī)通信等功能。數(shù)字鍵用于輸入救援拖車的坐標(biāo)，完成后SetFinish鍵即可啟動(dòng)上位機(jī)對(duì)下位機(jī)的控制，Left鍵、Right鍵、Reset鍵分別控制組合救援拖車的左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)和復(fù)位功能，同時(shí)在1Angel和2Angel中顯示被控的兩臺(tái)救援拖車的轉(zhuǎn)向角度。使用 QT/E 的 QLineEdit、QLabel、QPushButton 等控件可以方便地實(shí)現(xiàn)這些功能。

2.1.3 Linux平臺(tái)下串行口通訊

Linux所的設(shè)備文件都放在“/dev”目錄下，因此串

口對(duì)應(yīng)的設(shè)備文件的路徑是“/dev/s3c2410_serial2”和“/dev/s3c2410_serial3”，配置的過程如下

在完成串口配置后，可調(diào)用read/write函數(shù)來讀寫串口：

2.2 系統(tǒng)的通訊協(xié)議

2.2.1 角度傳感器與上位機(jī)的串行通信協(xié)議

采用波特率為9 600 bit/s的半雙工傳輸，幀格式為串口9位方式，一個(gè)起始位，八個(gè)數(shù)據(jù)位，一個(gè)奇偶校驗(yàn)位，一個(gè)停止位，偶校驗(yàn)。數(shù)據(jù)格式：共6字節(jié)，如下：

數(shù)據(jù)含義：第一字節(jié)為起始標(biāo)志0xAA，第二、第三字節(jié)為數(shù)據(jù)位的高字節(jié)和低字節(jié)，第四字節(jié)、第五字節(jié)為取反的數(shù)據(jù)位高字節(jié)和低字節(jié)，第六字節(jié)為結(jié)束字節(jié)0xFF。

若輸出的角度值為345.27，則其乘100后為34 527，其十六進(jìn)制為0x86DF，按位取反后：0x7920，那么數(shù)據(jù)幀的組成如下

2.2.2 上位機(jī)與下位機(jī)串行通信協(xié)議

下位機(jī)S7-200 CPU在RUN模式下，通信接口設(shè)置為通訊協(xié)議完全由用戶程序控制的自由口通訊模式，使用SMB30定義通訊口工作模式，如表1所示。

表1 自由口工作模式Tab.1 Freedom port working mode

通過設(shè)置SMB87、SMB94可以實(shí)現(xiàn)接收數(shù)據(jù)和最大字符數(shù)，在本文中，設(shè)置如下：

上下位機(jī)數(shù)據(jù)格式：共8字節(jié)，如下：

數(shù)據(jù)含義：第一字節(jié)為起始標(biāo)志0xBB，第二、第三字節(jié)選擇被控分機(jī)和取反字節(jié)，第四、第五字節(jié)為數(shù)據(jù)位的高字節(jié)和低字節(jié)，第六字節(jié)、第七字節(jié)為取反的數(shù)據(jù)位高字節(jié)和低字節(jié)，第八字節(jié)為結(jié)束字節(jié)0xEE。

被控分機(jī)得到主機(jī)傳入的數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)裝入脈沖口，實(shí)現(xiàn)變頻脈沖輸出。

2.2.3 利用PWM控制電液比例閥

脈沖寬度調(diào)制功能提供連續(xù)、占空比可調(diào)的脈沖輸出，提供用戶控制周期和脈沖寬度。此功能常被用作實(shí)際控制量輸出，通過調(diào)節(jié)其占空比和周期方可便地控制線圈的開合時(shí)間和頻率。本文利用它來控制電液比例閥實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)救援拖車協(xié)同作業(yè)。

3 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果分析

模型連接如圖4所示。

測(cè)量模型各尺寸為：車軸距l(xiāng)=0.6 m，車寬b=0.36 m，第一臺(tái)車的坐標(biāo)為（0，0），第二臺(tái)車的坐標(biāo)為（0，0.3），單位：m，則由式（3）可得

理論角度 α1、理論角度 α2、實(shí)測(cè)角度 α1、實(shí)測(cè)角度α2、誤差角度σ如表2所示。

表2 試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Results of test

本系統(tǒng)采用與實(shí)物1∶7.5的模型作為試驗(yàn)，連接各模型和控制系統(tǒng)后，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。由表2可知，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)誤差在0.3°以內(nèi)，符合設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語

本文介紹了一種基于ARM9的機(jī)場(chǎng)應(yīng)急救援拖車電氣同步控制系統(tǒng)。通過輸入兩臺(tái)機(jī)場(chǎng)應(yīng)急救援拖車坐標(biāo)的方法來確定轉(zhuǎn)向關(guān)系，適用于不同工況下的飛機(jī)應(yīng)急拖救；采用QT/E多線程的方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)兩個(gè)角度傳感器的數(shù)據(jù)同步采集和處理，提高了效率，縮小了系統(tǒng)誤差；將程序移植到系統(tǒng)后，經(jīng)測(cè)試其值與理論值誤差在0.3°以內(nèi)，滿足系統(tǒng)的要求。

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