地下鏟運(yùn)機(jī)模型車超視距遙控系統(tǒng)的研究

時(shí)合生++謝麗明++王巍

摘要：地下鏟運(yùn)機(jī)超視距遙控技術(shù)在地下礦山的開采中具有重要意義，本文依據(jù)實(shí)際鏟運(yùn)機(jī)的工作方式，設(shè)計(jì)了鏟運(yùn)機(jī)的模型車以及模擬遠(yuǎn)程控制臺(tái)，兩者之間通過無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊。模型車上的車載電腦通過WIFI接收發(fā)送來的遙控指令，將其轉(zhuǎn)換為CAN總線數(shù)據(jù)并發(fā)送給行駛和轉(zhuǎn)向電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，使車輛按照要求行駛和轉(zhuǎn)向。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，遠(yuǎn)程控制臺(tái)能夠穩(wěn)定的控制模型車進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。

關(guān)鍵詞：地下鏟運(yùn)機(jī)；超視距遙控；數(shù)據(jù)通訊；軟硬件設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TD422.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2016）10（c）-0000-00

1 引言

隨著地下采礦深度的增加，采礦的環(huán)境越來越惡劣，作業(yè)人員的安全問題越來越嚴(yán)峻，應(yīng)對(duì)這一現(xiàn)象，超視距遙控采礦、智能采礦技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生[1]。

超視距控制LHD作業(yè)時(shí)，車輛的運(yùn)行狀態(tài)和周圍的景象等駕駛信息，通過車上傳感器和攝像頭獲取，經(jīng)過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸回基站，在地面基站控制臺(tái)的顯示器上顯示，駕駛員依據(jù)這些信息進(jìn)行判斷，從而發(fā)出遠(yuǎn)程駕駛指令，使LHD進(jìn)行作業(yè)[2]。

CAT公司開發(fā)出了MineGEMTM系統(tǒng)；Sandvik公司推出了Automine系統(tǒng)；Atlas Copco公司研制出了Scooptram Automation 系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)在這方面的技術(shù)目前比較落后，還沒有成熟的技術(shù)產(chǎn)品問世，主要在高等院校和研究院進(jìn)行技術(shù)上的研究[3]。

本文以ACY-2A型地下鏟運(yùn)機(jī)為依據(jù)，設(shè)計(jì)加工出了電氣化的模型鏟運(yùn)機(jī)，同時(shí)設(shè)計(jì)出了遠(yuǎn)程控制臺(tái)，通過在實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所搭建無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)通訊，最終完成了超視距遙控的模擬實(shí)驗(yàn)。

2 系統(tǒng)的組成及工作原理

2.1 系統(tǒng)的整體構(gòu)造

通過設(shè)計(jì)，地下鏟運(yùn)機(jī)超視距遙控系統(tǒng)需要完成以下功能[4]：

（1）柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、停止；（2）照明和喇叭控制；（3）鏟斗的舉升和翻轉(zhuǎn)；（4）車輛急停；（5）車輛的速度、制動(dòng)以及轉(zhuǎn)向控制；（6）車輛工況信息的監(jiān)控：主要有車速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、發(fā)動(dòng)機(jī)水溫和水位、油位顯示、發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油油溫、液壓系統(tǒng)報(bào)警等。

2.2 系統(tǒng)原理

其原理為：操控者在操控臺(tái)上操控踏板、按鈕、手柄等操控機(jī)構(gòu)，向控制臺(tái)上的控制器發(fā)送操作信號(hào)，控制器采集到控制信號(hào)之后，按照協(xié)議通過RS232發(fā)送到上位機(jī)。上位機(jī)將接收到的信號(hào)通過以太網(wǎng)發(fā)送到模型車，模型車接收到信號(hào)之后轉(zhuǎn)換成CAN信號(hào)發(fā)送到執(zhí)行控制器上，從而控制相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使車輛按要求的車速和路線行駛。模型鏟運(yùn)機(jī)的狀態(tài)參數(shù)和周圍的場(chǎng)景由各種傳感器采集以及前后攝像頭拍攝獲取，模型車經(jīng)過車上的車載電腦接入無線以太網(wǎng)，信號(hào)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳回到操控臺(tái)的上位機(jī)上，從而在上位機(jī)上顯示，為操控者展現(xiàn)真實(shí)的車輛駕駛環(huán)境。

3 硬件的設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)組成

超視距遙控系統(tǒng)的硬件主要有遠(yuǎn)程控制平臺(tái)（包括控制指令的生成傳輸以及人機(jī)交互界面顯示），模型車（包括車載電腦，鉸接角等各類傳感器，攝像頭），以及無線通訊系統(tǒng)。

3.2 遠(yuǎn)程控制平臺(tái)

遠(yuǎn)程控制臺(tái)應(yīng)該能夠生成遙控控制指令并發(fā)送控制指令，設(shè)計(jì)合理的人機(jī)界面顯示狀態(tài)參數(shù)，從而完成遠(yuǎn)程操控。遙控控制指令是由遠(yuǎn)程控制臺(tái)上的模擬量和開關(guān)量?jī)煞N信號(hào)元器件形成?？刂茢?shù)據(jù)可變的用模擬量來表示，狀態(tài)明確、無參數(shù)變化的控制指令用開關(guān)量來表示。根據(jù)鏟運(yùn)機(jī)的操控方式，可以將操作指令分為以下四類：

（1）狀態(tài)設(shè)定指令 這是控制車輛行動(dòng)狀態(tài)的控制指令，通過按鈕和旋鈕來實(shí)現(xiàn)；（2）速度控制指令 用來控制車輛速度的指令，通過油門和制動(dòng)踏板來實(shí)現(xiàn)車輛行駛速度的控制；（3）鏟斗作業(yè)指令 鏟運(yùn)機(jī)作業(yè)需要操作鏟斗動(dòng)作，鏟斗有翻轉(zhuǎn)和舉升兩類動(dòng)作，這些指令都是模擬量信號(hào)，通過操作臺(tái)上的右手柄來實(shí)現(xiàn)；（4）轉(zhuǎn)向控制指令 該指令為模擬量信號(hào)，表達(dá)駕駛員轉(zhuǎn)向的意圖，通過左手柄X軸來實(shí)現(xiàn)功能。

3.3 模型車

模型車依據(jù)實(shí)際鏟運(yùn)機(jī)設(shè)計(jì)成鉸接車模型，采用四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)。車載電腦采用的是聯(lián)合工控的PPC-3000 車載加固平板電腦，它帶有一路WIFI以太網(wǎng)接口和兩路USB接口。利用以太網(wǎng)接口來接受控制臺(tái)發(fā)送來的控制信號(hào)并傳輸回激光等傳感器采集到的信號(hào)；車上主控制器通過I/O口檢測(cè)到各傳感器信號(hào)并通過CAN總線發(fā)送給車載電腦，車載電腦通過主控制器下達(dá)控制信號(hào)，從而控制各執(zhí)行部件的動(dòng)作，這些執(zhí)行部件有四個(gè)輪邊電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，車載電氣系統(tǒng)（包括車燈、頂燈、喇叭等設(shè)備）以及液壓系統(tǒng)（鏟斗工作的驅(qū)動(dòng)電機(jī)以及轉(zhuǎn)向推桿電機(jī)）。

3.4 無線通信

無線局域網(wǎng)的功能是實(shí)現(xiàn)車載電腦控制系統(tǒng)和遠(yuǎn)程控制臺(tái)之間的無線通信，從而實(shí)現(xiàn)鏟運(yùn)機(jī)超視距遙控。無線網(wǎng)絡(luò)由多個(gè)無線AP（ Access Point） 組成，這些AP的SSID名設(shè)置為一個(gè)，IP為同一個(gè)網(wǎng)段，信道間隔為5。模型車在樓道中行走時(shí)，車載電腦的無線網(wǎng)卡會(huì)掃描AP的信道并自動(dòng)切換到信號(hào)最好的AP，通訊不會(huì)中斷，切換所需時(shí)間為幾毫秒。

4 軟件的設(shè)計(jì)

控制軟件是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，本系統(tǒng)的遠(yuǎn)程遙控軟件可以分為兩部分，一部分是遠(yuǎn)程控制臺(tái)基于單片機(jī)STM32控制器的程序，這部分是為了采集操作機(jī)構(gòu)輸入信號(hào)，生成遙控指令，并通過RS232發(fā)送給上位機(jī)；另一部分是無線通訊程序，這是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制端上位機(jī)和車載電腦之間數(shù)據(jù)的接受和發(fā)送。

4.1 單片機(jī)STM32程序

本系統(tǒng)中采用的單片機(jī)的編程語言是C語言，選擇的軟件開發(fā)平臺(tái)是IAR，在設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)中，有六路模擬輸信號(hào)輸入，分別是：控制鏟斗姿態(tài)兩路、控制車輛行駛轉(zhuǎn)向兩路以及控制車速和制動(dòng)兩路；四路開關(guān)量輸入，包括左右手柄兩個(gè)使能輸入信號(hào)、急停信號(hào)以及自動(dòng)/手動(dòng)信號(hào)。根據(jù)輸入的控制信號(hào)，單片機(jī)經(jīng)過處理后將數(shù)據(jù)打包通過RS232發(fā)送出去，每幀共7個(gè)字節(jié)。上位機(jī)收到數(shù)據(jù)之后，如果校驗(yàn)正確，則返回?cái)?shù)據(jù)0x11以表示數(shù)據(jù)傳輸無誤，否則發(fā)送數(shù)據(jù)0x00以表示數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤，要求重新發(fā)送。

4.2 無線通訊程序

通過網(wǎng)絡(luò)編程來實(shí)現(xiàn)控制端上位機(jī)和車載電腦之間的通訊，采用C#編程語言，具體實(shí)現(xiàn)是采用基于TCP/IP協(xié)議的Windows Socket。為了保證通訊信息的穩(wěn)定和可靠性，超視距遙控系統(tǒng)采用的是TCP協(xié)議。由于在服務(wù)器端和客戶端兩端，利用Socket套接字傳輸?shù)氖沁B續(xù)的字節(jié)數(shù)據(jù)，通訊雙方并不知道傳輸而來的字節(jié)代表何種含義，因此必須在傳輸層定義自己的通訊協(xié)議，這樣才能使傳輸?shù)臄?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為有意義的信息。

5 實(shí)驗(yàn)

為了檢驗(yàn)超視距系統(tǒng)的控制效果，對(duì)模型車進(jìn)行了多次的場(chǎng)地遙控實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所為“L”型樓道。通過控制臺(tái)完成車輛的啟動(dòng)、加速、恒速、制動(dòng)、換擋和急停。實(shí)驗(yàn)表明，車輛在樓道中能夠以超視距的方式實(shí)現(xiàn)駕駛，斷開重連程序保證了車輛遇到無線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)不好的時(shí)候也能夠進(jìn)行操控。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明，該超視距遙控操作系統(tǒng)具有良好的遙控駕駛功能，控制臺(tái)對(duì)模型車完全可控，操作簡(jiǎn)便，能夠按照設(shè)計(jì)生成正確的遠(yuǎn)程駕駛指令，能夠滿足安全性和可靠性的要求。

6 結(jié)束語

系統(tǒng)依據(jù)實(shí)際鏟運(yùn)機(jī)設(shè)計(jì)出遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)和模型車，通過無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制。該模擬系統(tǒng)和實(shí)際系統(tǒng)的區(qū)別在于被控車輛工作環(huán)境不一樣，實(shí)際鏟運(yùn)機(jī)工作于惡劣的井下，需要考慮通訊的穩(wěn)定性和可靠性，這對(duì)于無線網(wǎng)絡(luò)硬件和軟件的搭建提出了更高的要求。本論文的研究對(duì)于實(shí)際超視距遙控技術(shù)具有良好的指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)

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