壓路機(jī)司機(jī)職業(yè)技能競(jìng)賽自動(dòng)評(píng)分裝置設(shè)計(jì)

王亮軍 陳燕飛 潘彩霞

（南京交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇南京 211100）

壓路機(jī)司機(jī)的操作水平直接影響道路的外觀質(zhì)量和使用舒適度，技能競(jìng)賽是提高司機(jī)技能水平重要措施[1]。評(píng)分工作是技能競(jìng)賽中重要組成部分，目前評(píng)分工作由裁判員負(fù)責(zé)，各項(xiàng)目的打分和合分均由人工完成，存在評(píng)分不準(zhǔn)確、煩瑣易錯(cuò)的問(wèn)題。為解決相關(guān)問(wèn)題，應(yīng)推進(jìn)考核評(píng)分工作的電子化、自動(dòng)化、可視化[2-3]。本文根據(jù)該項(xiàng)目的考核過(guò)程設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)評(píng)分系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)壓路機(jī)司機(jī)操作技能考核過(guò)程中評(píng)分、記分工作的自動(dòng)進(jìn)行，減少裁判員的工作量，提高評(píng)分過(guò)程的準(zhǔn)確性、客觀性和實(shí)時(shí)性，促進(jìn)壓路機(jī)司機(jī)職業(yè)技能競(jìng)賽活動(dòng)的高效進(jìn)行。

1 壓路機(jī)技能操作考核規(guī)則

壓路機(jī)技能操作考核由三個(gè)項(xiàng)目組成，分別為路面碾壓（直線和弧線）、過(guò)單軌和倒車(chē)入庫(kù)，三個(gè)項(xiàng)目在規(guī)定時(shí)間內(nèi)連續(xù)進(jìn)行。競(jìng)賽總流程如圖1所示。

圖1 競(jìng)賽總流程（單位：cm）

裁判員下達(dá)競(jìng)賽開(kāi)始指令（計(jì)時(shí)開(kāi)始），選手駕駛壓路機(jī)由機(jī)庫(kù)駛出，從碾壓始端FG進(jìn)入碾壓路面的右側(cè)，沿線路（1）前進(jìn)，通過(guò)直線碾壓段FI。出終端KL前進(jìn)入換向區(qū)KLMN，換向倒車(chē)進(jìn)入碾壓路面的左側(cè)，沿線路（2）倒車(chē)，通過(guò)弧線碾壓段KJ及直線碾壓段JG。繼續(xù)向前通過(guò)單軌，按指定路線倒入機(jī)庫(kù)，定點(diǎn)停車(chē)。選手發(fā)出信號(hào)示意競(jìng)賽完成或限定時(shí)間到，裁判員哨音響起同時(shí)舉紅旗示意計(jì)時(shí)終止，選手競(jìng)賽結(jié)束。

路面碾壓：考核選手在施工過(guò)程中駕駛壓路機(jī)進(jìn)行直道和城市狹窄彎道的碾壓技能，要求選手勻速駕駛壓路機(jī)。

過(guò)單軌：考核選手在施工過(guò)程中精確駕駛壓路機(jī)的技能，要求選手駕駛壓路機(jī)勻速通過(guò)單軌。

倒車(chē)入庫(kù)：考核選手駕駛壓路機(jī)倒車(chē)入庫(kù)和定點(diǎn)停車(chē)的技能，要求選手按指定路線倒車(chē)入庫(kù)，居中停正，通過(guò)一次停車(chē)完成。

2 總體設(shè)計(jì)

路面碾壓項(xiàng)目：在圖1中黑圓點(diǎn)位置安放直徑為40 mm的磁鐵作為運(yùn)行軌跡的檢測(cè)點(diǎn)，總數(shù)為60個(gè)。在后輪左右兩側(cè)伸出輪緣20 cm處安裝磁性傳感器，用以檢測(cè)后輪的碾壓軌跡。根據(jù)磁性傳感器與磁鐵的位置判定壓路機(jī)是否在既定的軌跡，判定是否得分。

過(guò)單軌項(xiàng)目：選手駕駛壓路機(jī)通過(guò)單軌時(shí)，整機(jī)前進(jìn)順利通過(guò)單軌得20分，前輪和后輪有任一處著地不得分。在單軌附近適當(dāng)位置設(shè)置傳感器，司機(jī)按照操作路線駕駛壓路機(jī)通過(guò)單軌時(shí)，根據(jù)傳感器采集信息判定壓路機(jī)在單軌上的運(yùn)行狀態(tài)，判定是否得分。

倒車(chē)入庫(kù)項(xiàng)目：車(chē)庫(kù)地面上設(shè)有停車(chē)位置的靶盤(pán)，壓路機(jī)后輪固定有靶針，停車(chē)后靶針在靶盤(pán)中位置決定得分。庫(kù)區(qū)采用測(cè)距傳感器完成壓路機(jī)停車(chē)點(diǎn)測(cè)定，再通過(guò)坐標(biāo)換算判斷靶針在靶盤(pán)中位置評(píng)分。

2 硬件設(shè)計(jì)

評(píng)分系統(tǒng)主要采用定位技術(shù)、微型計(jì)算機(jī)及顯示技術(shù)，使用集成芯片的器件進(jìn)行設(shè)計(jì)，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)選用單片機(jī)最小系統(tǒng)為控制電路，按照模塊化設(shè)計(jì)，包括顯示模塊、鍵盤(pán)輸入模塊以及信息采集模塊。由單片機(jī)控制各個(gè)模塊的工作，通過(guò)單片機(jī)實(shí)現(xiàn)各模塊之間的通信和協(xié)調(diào)。通過(guò)設(shè)置在碾壓區(qū)、單軌區(qū)和庫(kù)區(qū)的傳感器采集壓路機(jī)控制情況，再將數(shù)據(jù)傳送至單片機(jī)處理、判斷并評(píng)分，通過(guò)顯示屏動(dòng)態(tài)顯示。

2.1 單片機(jī)主控電路

根據(jù)對(duì)系統(tǒng)的功能和性能需求分析，選擇具有功耗低、速度快、價(jià)格便宜等諸多優(yōu)點(diǎn)的AT89C52單片機(jī)[4]。

2.2 傳感器模塊

針對(duì)碾壓區(qū)、單軌區(qū)和庫(kù)區(qū)三不同考核場(chǎng)景，選擇不同的傳感器，碾壓區(qū)項(xiàng)目和過(guò)單軌項(xiàng)目選用磁感應(yīng)傳感器，庫(kù)區(qū)定點(diǎn)停車(chē)項(xiàng)目選用激光測(cè)距傳感器。

（1）碾壓區(qū)地面布置60塊磁鐵，壓路機(jī)外輪兩側(cè)安裝M8圓柱形霍爾傳感器，用于檢測(cè)壓路機(jī)運(yùn)行軌跡，該傳感器靈敏度高、穩(wěn)定性好、安裝方便，采用開(kāi)關(guān)量輸出，不需要處理電路，可以直接提供單片機(jī)使用[5]。

（2）單軌區(qū)地面兩側(cè)布置磁性強(qiáng)度適宜的長(zhǎng)條形磁鐵，壓路機(jī)前輪和后輪都未跌落單軌時(shí)，M8圓柱形霍爾傳感器檢測(cè)不到磁鐵信號(hào)，不扣分；如果任何一側(cè)跌落，傳感器距離磁條距離變小，傳感器檢測(cè)到信息，扣分。

（3）庫(kù)區(qū)采用垂直安裝在壓路機(jī)水平方向（一個(gè)安裝于壓路機(jī)前進(jìn)方向，另一個(gè)垂直安裝于水平方向）的高精度激光測(cè)距模塊完成定點(diǎn)停車(chē)信息采集，該模塊測(cè)距精度高，采用模擬量輸出。采用外圍器件處理，經(jīng)過(guò)整形電路濾波、信號(hào)放大數(shù)據(jù)，將兩路數(shù)據(jù)送至單片機(jī)合成計(jì)算[6]。

2.3 顯示模塊

本系統(tǒng)的顯示模塊采用LCD1602液晶顯示方式實(shí)現(xiàn)，包括字符型液晶顯示屏、驅(qū)動(dòng)電路HD44780，顯示信息主要包括當(dāng)前的考核項(xiàng)目、當(dāng)前的考試評(píng)分和剩余時(shí)間。

2.4 鍵盤(pán)輸入模塊

系統(tǒng)需要設(shè)置三個(gè)按鍵，包括考核開(kāi)始、考核結(jié)束和模式開(kāi)關(guān)，可以選擇AT89C51單片機(jī)的P2.5、P2.6和P2.7三個(gè)引腳實(shí)現(xiàn)。

3 軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)自動(dòng)評(píng)分系統(tǒng)的考核過(guò)程及要求，系統(tǒng)應(yīng)實(shí)現(xiàn)的軟件功能包括傳感器信息處理、考核項(xiàng)目自動(dòng)識(shí)別、評(píng)分、記分和顯示功能。使用Keil軟件編寫(xiě)程序，軟件由主程序和各個(gè)模塊的子程序組成。

3.1 數(shù)據(jù)處理

碾壓區(qū)：壓路機(jī)在沿著碾壓路徑前進(jìn)過(guò)程中，如果選手控制壓路機(jī)的精度達(dá)到要求，霍爾傳感器會(huì)檢測(cè)到布置在地面的磁鐵，產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)，如果一直達(dá)到控制精度，就會(huì)檢測(cè)到60個(gè)開(kāi)關(guān)信號(hào)，采用加分制。

式中：I1——分值權(quán)重；n——磁鐵數(shù)目，60個(gè)；ai——第i個(gè)采樣值，如果有開(kāi)關(guān)量輸入為1，否則為0。

單軌區(qū)：當(dāng)壓路機(jī)正常跌落單軌時(shí)，霍爾傳感器檢測(cè)到一個(gè)開(kāi)關(guān)信號(hào)，扣分，得0分，否則不扣分，得滿分。

式中：b——采樣值；a——該項(xiàng)目滿分值。

庫(kù)區(qū)定點(diǎn)停車(chē)：壓路機(jī)入庫(kù)定點(diǎn)停車(chē)后，根據(jù)兩個(gè)激光測(cè)距傳感器數(shù)據(jù)計(jì)算停車(chē)點(diǎn)到靶盤(pán)中心距離，再進(jìn)行賦分：

式中：L——停車(chē)點(diǎn)到靶盤(pán)中心的距離；（x0，y0）——庫(kù)區(qū)靶盤(pán)中心坐標(biāo)位置，根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)尺寸決定；ai——停車(chē)點(diǎn)到靶盤(pán)中心距離在[Li,Li+1]范圍的分值；（xi，yi）——壓路機(jī)第i次停車(chē)位置坐標(biāo)，由兩路激光測(cè)距傳感器采集；a0——最大分值；an——最小分值；Lmin——最小的靶盤(pán)距離；Lmax——最大靶盤(pán)距離。

3.2 軟件處理流程

評(píng)分裝置通電啟動(dòng)后，先進(jìn)行初始化和上電自檢，等待考評(píng)員通過(guò)鍵盤(pán)啟動(dòng)考核，選手按照既定流程完成考核的過(guò)程中，評(píng)分裝置首先完成考核項(xiàng)目的識(shí)別，再根據(jù)傳感器的輸入判斷得分情況并記分，直到考核項(xiàng)目全部完成，顯示模塊實(shí)時(shí)顯示得分情況。系統(tǒng)軟件流程如圖3所示。

圖3 軟件流程

4 結(jié)語(yǔ)

該評(píng)分裝置以單片機(jī)為核心，根據(jù)競(jìng)賽項(xiàng)目特點(diǎn)選擇傳感器，從軟硬件兩個(gè)方面對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，可以動(dòng)態(tài)顯示評(píng)分結(jié)果。該裝置能夠穩(wěn)定、可靠工作，與裁判員評(píng)分結(jié)果對(duì)比可知，裝置評(píng)分和記分結(jié)果準(zhǔn)確性較高。裝置可以提高評(píng)分工作的效率，保證考核過(guò)程的透明度及客觀性，具備替代裁判員完成評(píng)分和記分工作的條件。