一種履帶式車輛的遙控改造方案

平凡

（江蘇無線電廠有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引言

履帶式車輛是指通過履帶行駛的車輛，具有越野能力強、轉(zhuǎn)彎半徑小、轉(zhuǎn)向靈活等優(yōu)點，在松軟地面等復(fù)雜地形具有很高的機動性，于很多特殊領(lǐng)域有很大作用。正是在這些特殊領(lǐng)域的某些不利于人工駕駛的特殊情況下，如軍事任務(wù)、危險作業(yè)、野外勘探等，如何通過改造車輛實現(xiàn)遠程遙控駕駛，并使系統(tǒng)具有一定的優(yōu)越性，是本方案主要考慮的問題。

傳統(tǒng)的車輛遙控方式，主要是通過遙控終端向車輛發(fā)射無線信號，車輛接收無線信號后再轉(zhuǎn)換為CAN通信傳輸至車輛的操縱控制系統(tǒng)，進而實現(xiàn)對車輛的遠程遙控。但是這種遠程遙控駕駛系統(tǒng)改造過程復(fù)雜，對車輛內(nèi)部構(gòu)造要熟悉，成本昂貴，且控制上容易出現(xiàn)偏差、影響因素較多。而且對于部分通過機械結(jié)構(gòu)實現(xiàn)操縱控制的車輛，此改造方式并不可行。本方案以氣缸為主要運動執(zhí)行機構(gòu)，通過氣缸運動模擬人工駕駛的方式來實現(xiàn)遠程遙控駕駛，具有結(jié)構(gòu)簡單、影響因素少、可靠性高、適用范圍廣等優(yōu)點。另外，車輛的行駛參數(shù)監(jiān)視系統(tǒng)、安全保護系統(tǒng)、遙控系統(tǒng)也是方案的重要組成部分[1]。

1 系統(tǒng)總方案

系統(tǒng)改造目標(biāo)是使改造后的履帶式車輛可以實現(xiàn)遠程遙控駕駛，具備遠程啟動發(fā)動機、加減速、轉(zhuǎn)向、制動、強制停車等功能，能實時監(jiān)視車輛油量、機油壓力、發(fā)動機轉(zhuǎn)速及車輛行駛速度等行車參數(shù)，同時具有周邊影像傳輸功能和安全保護功能，使車輛可以在操控人員目視范圍外進行作業(yè)。改造后的車輛保留人工駕駛模式，并可實現(xiàn)人工/遙控模式的快速切換。

本方案遠程遙控系統(tǒng)的實現(xiàn)主要是通過遙控終端經(jīng)電臺向車輛發(fā)射控制信號，車輛上的電臺接收到控制信號后經(jīng)PLC控制器驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動，執(zhí)行機構(gòu)代替駕駛員執(zhí)行駕駛車輛所要進行的必要操作，模擬人工駕駛模式。車輛駕駛室內(nèi)和車外裝有高清攝像頭，駕駛室內(nèi)攝像頭用于監(jiān)視儀表盤上的行車參數(shù)，車外攝像頭用于查看車輛周邊影像，攝像頭拍攝的圖像經(jīng)無線信號傳輸設(shè)備發(fā)送至遙控終端進行顯示，便于操控人員及時了解車輛行駛狀態(tài)和周邊環(huán)境，提高遙控駕駛的安全性。車輛前方安裝激光雷達，用于探測一定范圍內(nèi)的障礙物，能準(zhǔn)確給出探測信息，并具備報警功能[2]。此外，車輛還配備了一個獨立的強停電臺，此電臺用于車輛丟失控制信號時或緊急情況時的強制停車，通過步進電機關(guān)閉柴油控制閥，切斷油路，實現(xiàn)強制停車。其系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

2 執(zhí)行機構(gòu)

執(zhí)行機構(gòu)是整個改造方案的核心機構(gòu)，主要由PLC控制器、氣泵、氣缸、電磁閥等組件構(gòu)成。改造時，將PLC控制器、操控電臺、氣泵和電磁閥等部件安裝在車內(nèi)適合位置，將氣缸通過支架固定在駕駛室內(nèi)的油門、離合、剎車、操縱桿、檔位桿等操控機構(gòu)附近，將氣缸的推桿與上述操控機構(gòu)進行連接固定，連接氣泵、電磁閥和氣缸，設(shè)備通過車載電瓶進行供電。當(dāng)PLC控制器通過操控電臺接收到遙控終端發(fā)來的命令后，PLC控制器向電磁閥發(fā)送控制信號，在氣泵的共同作用下驅(qū)動氣缸推桿做推拉運動。氣缸推桿的推拉運動模擬了駕駛員腳踩、手撥等駕駛動作，從而實現(xiàn)了遠程遙控駕駛[3]，如圖2所示。

圖2 氣缸執(zhí)行機構(gòu)示意圖

單個氣缸推桿的推拉運動只能模擬踩離合和踩剎車這樣簡單的單行程運動，對于踩油門、拉操縱桿和檔位桿等多行程運動無法實現(xiàn)。此處通過串聯(lián)組合2個或多個氣缸來加以實現(xiàn)，并且通過對不同氣缸的行程的選擇，可以實現(xiàn)等距或不等距的多段運動。以2個氣缸串聯(lián)為例，假設(shè)氣缸1的行程為L1，氣缸2的行程為L2，當(dāng)L1等于L2時，串聯(lián)組合氣缸可實現(xiàn)2段行程，分別是L1和L1+L2；當(dāng)L1不等于L2時，串聯(lián)組合氣缸可實現(xiàn)3段行程，分別是L1、L2和L1+L2。通過此種方式可以模擬不同給油量和操縱桿多段檔位的控制，示意圖如圖3所示。在串聯(lián)組合氣缸的基礎(chǔ)上，增加一個垂直于運動方向的氣缸，即可實現(xiàn)2個方向的運動，通過PLC控制器控制氣缸運動的先后順序，即可實現(xiàn)檔位桿的多段掛檔，示意如圖4所示。

圖3 串聯(lián)組合工作氣缸運動示意圖

此外，為了檢測氣缸推桿是否運動到位，在車內(nèi)操縱機構(gòu)的每個檔位位置要設(shè)立接近開關(guān)。將接近開關(guān)的信號反饋至PLC控制器，一部分信號用于控制氣缸聯(lián)動，一部分信號通過操控電臺發(fā)送至遙控終端，通過遙控終端上的指示燈顯示各氣缸的動作狀態(tài)，供操控人員進行識別和判斷。氣缸與車輛之間通過安裝支架和快拆銷連接固定，當(dāng)需要切換至人工駕駛模式時，只要拔出快拆銷即可拆除執(zhí)行機構(gòu)，快速切換至人工駕駛模式。

設(shè)計執(zhí)行機構(gòu)時，也可使用液壓油缸、伺服電機、步進電機等具有直線運動特性的機構(gòu)來代替氣缸。液壓油缸相比氣缸來說，優(yōu)點在于推力大，但液壓系統(tǒng)往往體積大、重量重，不適合安裝在駕駛室狹小的環(huán)境，也不便于拆裝，同時液壓油泄露會對駕駛室環(huán)境造成嚴重污染，影響人工駕駛。電機的優(yōu)勢在于可以替代串聯(lián)組合氣缸執(zhí)行多行程動作，但電機的成本相比氣缸來說要高很多。綜合各方面因素，在滿足功能要求的前提下，以氣缸作為執(zhí)行機構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、易于拆裝、穩(wěn)定性高、成本低、適合范圍廣等特點，是最適合本方案的執(zhí)行機構(gòu)[4]。

3 行駛參數(shù)監(jiān)視系統(tǒng)

車輛油量、機油壓力、發(fā)動機轉(zhuǎn)速及車輛行駛速度等行車參數(shù)是體現(xiàn)車輛狀況的重要數(shù)據(jù)，可為駕駛員或操控人員操縱和維護車輛提供判斷信息。一般是由車輛各個部位的傳感器進行數(shù)據(jù)采集，然后將采集到的數(shù)據(jù)傳送至對應(yīng)的處理系統(tǒng)進行計算，再將計算結(jié)果傳輸至儀表盤進行顯示。改造時，在駕駛室內(nèi)安裝一個高清攝像頭對儀表盤數(shù)據(jù)進行視頻采集，再將視頻信號經(jīng)過無線信號傳輸設(shè)備發(fā)送到遙控終端的顯示屏上進行顯示，操控人員在遙控操作的同時便可查看到車內(nèi)儀表盤上的行車參數(shù)。切換人工駕駛模式時，無需拆除駕駛室內(nèi)攝像頭，節(jié)約切換時間。設(shè)計行駛參數(shù)監(jiān)視系統(tǒng)時，也可以通過改造將儀表盤的傳感器數(shù)據(jù)直接傳輸至遙控終端，在遙控終端進行數(shù)據(jù)的顯示，但此方案施工復(fù)雜，還需有相應(yīng)的軟件進行數(shù)據(jù)處理，改造成本高。綜合各方面因素，使用攝像頭以視頻畫面的方式直接采集行駛參數(shù)，具有操作簡單、可行性高、技術(shù)要求低、成本低等優(yōu)點，適合本改造方案[5]。

4 安全保護系統(tǒng)

安全保護系統(tǒng)是車輛遙控駕駛的重要保護措施，包括車輛周邊影像采集功能、雷達報警功能、電池供電功能和強制停車功能。影像采集功能通過車外攝像頭采集車輛周邊視頻畫面，將視頻畫面通過無線信號傳輸設(shè)備發(fā)送到遙控終端上進行實時畫面顯示，可供操控人員查看周邊地形和路況、判斷警情，也可作為操控人員的“雙眼”，為目視范圍之外的遙控作業(yè)提供幫助。雷達報警功能是通過安裝在車輛前部的激光雷達對車輛行駛方向上的障礙物進行探測，將障礙物報警信號發(fā)送至PLC控制器，PLC控制器再將報警信號分兩路輸出，一路輸出至車輛頂部的報警燈，一路經(jīng)操控電臺輸出至遙控終端，觸發(fā)報警指示燈，此時操控人員通過目視或車外攝像頭查看車輛周邊情況，對警情做出判斷。電池供電功能是通過遙控終端的內(nèi)置電池為車外設(shè)備供電，遙控終端可在電池供電與外部供電之間自動切換，以應(yīng)對一些突發(fā)情況。強制停車功能是車輛遙控駕駛的最后一道安全防線，用于緊急情況的強制停車或車輛失去控制信號后的自動停車，主要由強停電臺和步進電機組成。當(dāng)操控人員觸發(fā)遙控終端的強停按鈕時，強停電臺收到觸發(fā)信號，驅(qū)動步進電機關(guān)閉柴油控制閥，直接切斷車輛油路以達到強制停車的目的；當(dāng)強停電臺失去控制信號，操控電臺未失去控制信號時，強停電臺信號指示燈閃爍，由操控人員判斷是否強停；當(dāng)強停電臺未失去控制信號，操控電臺失去控制信號時，操控電臺信號指示燈閃爍，由操控人員判斷是否強停；當(dāng)強停電臺和操控電臺都失去控制信號時，步進電機延遲一段時間自動觸發(fā)強制停車功能。強制停車功能對照表如表1所示。

表1 強制停車功能對照表

5 遙控系統(tǒng)

遙控系統(tǒng)主要由遙控終端、電臺、天線等部分組成，其中遙控終端是整個系統(tǒng)命令的輸入機構(gòu)，也是執(zhí)行機構(gòu)和其他分系統(tǒng)的行動反饋機構(gòu)，包含開關(guān)按鍵、指示燈、顯示屏、電池、航空插座等部分。遙控終端在設(shè)計時，除了需要合理布局所有器件，提升操控人員使用的便捷性和可操作性，減少誤操作的可能性，還要注意器件的選型要安全可靠。電池電量選用數(shù)碼管進行顯示；電源輸入選用12V直流電源，保證使用安全性；啟動、離合、剎車選用自復(fù)位式撥動開關(guān)；油門、操縱桿1、操縱桿2選用3檔撥動開關(guān)，用于檔位選擇；檔位開關(guān)選用自復(fù)位式按鍵，按下按鍵后由PLC控制器控制執(zhí)行機構(gòu)依次運動，實現(xiàn)檔位切換；強停開關(guān)旁邊放置電臺信號指示燈，方便根據(jù)電臺信號判斷是否啟動強停功能；報警信號燈的開關(guān)可控，用于特殊情況下屏蔽激光雷達的干擾；顯示屏通過畫中畫模式同時顯示車輛周邊環(huán)境和儀表盤信息，節(jié)省空間[6]。遙控終端界面示意如圖5所示。

圖5 遙控終端界面示意圖

6 結(jié)語

以氣缸作為執(zhí)行機構(gòu)，通過模擬人工駕駛方式來實現(xiàn)遠程遙控駕駛的方案，具有結(jié)構(gòu)簡單、拆裝便捷、靈活可靠、成本低的優(yōu)勢，同時方案兼顧了行車參數(shù)顯示和安全保護功能，是一個完善的、具有可執(zhí)行性的方案，對于一些未配備中控電腦的履帶式車輛，作用尤為突出。通過對方案某些設(shè)計的延伸，可以使車輛在多種場合完成多種任務(wù)，比如應(yīng)用在工程車輛上，通過增加串聯(lián)組合氣缸的數(shù)量便可在完成車輛行駛功能的基礎(chǔ)上，執(zhí)行其他動作；運用在軍事領(lǐng)域，通過選用抗干擾能力強、性能更加穩(wěn)定的軍用級器件，便可加裝在坦克、裝甲車等履帶式裝備上執(zhí)行偵察、模擬靶標(biāo)等軍事任務(wù)。