地下鏟運機模型車超視距遙控系統的研究

時合生++謝麗明++王巍

摘要：地下鏟運機超視距遙控技術在地下礦山的開采中具有重要意義，本文依據實際鏟運機的工作方式，設計了鏟運機的模型車以及模擬遠程控制臺，兩者之間通過無線網絡進行通訊。模型車上的車載電腦通過WIFI接收發送來的遙控指令，將其轉換為CAN總線數據并發送給行駛和轉向電機驅動器，使車輛按照要求行駛和轉向。實驗結果表明，遠程控制臺能夠穩定的控制模型車進行運動。

關鍵詞：地下鏟運機；超視距遙控；數據通訊；軟硬件設計

中圖分類號：TD422.4 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）10（c）-0000-00

1 引言

隨著地下采礦深度的增加，采礦的環境越來越惡劣，作業人員的安全問題越來越嚴峻，應對這一現象，超視距遙控采礦、智能采礦技術應運而生[1]。

超視距控制LHD作業時，車輛的運行狀態和周圍的景象等駕駛信息，通過車上傳感器和攝像頭獲取，經過無線網絡傳輸回基站，在地面基站控制臺的顯示器上顯示，駕駛員依據這些信息進行判斷，從而發出遠程駕駛指令，使LHD進行作業[2]。

CAT公司開發出了MineGEMTM系統；Sandvik公司推出了Automine系統；Atlas Copco公司研制出了Scooptram Automation 系統。國內在這方面的技術目前比較落后，還沒有成熟的技術產品問世，主要在高等院校和研究院進行技術上的研究[3]。

本文以ACY-2A型地下鏟運機為依據，設計加工出了電氣化的模型鏟運機，同時設計出了遠程控制臺，通過在實驗場所搭建無線網絡實現通訊，最終完成了超視距遙控的模擬實驗。

2 系統的組成及工作原理

2.1 系統的整體構造

通過設計，地下鏟運機超視距遙控系統需要完成以下功能[4]：

（1）柴油發動機的啟動、停止；（2）照明和喇叭控制；（3）鏟斗的舉升和翻轉；（4）車輛急停；（5）車輛的速度、制動以及轉向控制；（6）車輛工況信息的監控：主要有車速、發動機轉速、發動機水溫和水位、油位顯示、發動機潤滑油油溫、液壓系統報警等。

2.2 系統原理

其原理為：操控者在操控臺上操控踏板、按鈕、手柄等操控機構，向控制臺上的控制器發送操作信號，控制器采集到控制信號之后，按照協議通過RS232發送到上位機。上位機將接收到的信號通過以太網發送到模型車，模型車接收到信號之后轉換成CAN信號發送到執行控制器上，從而控制相應的執行機構，使車輛按要求的車速和路線行駛。模型鏟運機的狀態參數和周圍的場景由各種傳感器采集以及前后攝像頭拍攝獲取，模型車經過車上的車載電腦接入無線以太網，信號通過無線網絡傳回到操控臺的上位機上，從而在上位機上顯示，為操控者展現真實的車輛駕駛環境。

3 硬件的設計

3.1 系統組成

超視距遙控系統的硬件主要有遠程控制平臺（包括控制指令的生成傳輸以及人機交互界面顯示），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。

3.2 遠程控制平臺

遠程控制臺應該能夠生成遙控控制指令并發送控制指令，設計合理的人機界面顯示狀態參數，從而完成遠程操控。遙控控制指令是由遠程控制臺上的模擬量和開關量兩種信號元器件形成。控制數據可變的用模擬量來表示，狀態明確、無參數變化的控制指令用開關量來表示。根據鏟運機的操控方式，可以將操作指令分為以下四類：

（1）狀態設定指令 這是控制車輛行動狀態的控制指令，通過按鈕和旋鈕來實現；（2）速度控制指令 用來控制車輛速度的指令，通過油門和制動踏板來實現車輛行駛速度的控制；（3）鏟斗作業指令 鏟運機作業需要操作鏟斗動作，鏟斗有翻轉和舉升兩類動作，這些指令都是模擬量信號，通過操作臺上的右手柄來實現；（4）轉向控制指令 該指令為模擬量信號，表達駕駛員轉向的意圖，通過左手柄X軸來實現功能。

3.3 模型車

模型車依據實際鏟運機設計成鉸接車模型，采用四輪獨立驅動。車載電腦采用的是聯合工控的PPC-3000 車載加固平板電腦，它帶有一路WIFI以太網接口和兩路USB接口。利用以太網接口來接受控制臺發送來的控制信號并傳輸回激光等傳感器采集到的信號；車上主控制器通過I/O口檢測到各傳感器信號并通過CAN總線發送給車載電腦，車載電腦通過主控制器下達控制信號，從而控制各執行部件的動作，這些執行部件有四個輪邊電機驅動系統，車載電氣系統（包括車燈、頂燈、喇叭等設備）以及液壓系統（鏟斗工作的驅動電機以及轉向推桿電機）。

3.4 無線通信

無線局域網的功能是實現車載電腦控制系統和遠程控制臺之間的無線通信，從而實現鏟運機超視距遙控。無線網絡由多個無線AP（ Access Point） 組成，這些AP的SSID名設置為一個，IP為同一個網段，信道間隔為5。模型車在樓道中行走時，車載電腦的無線網卡會掃描AP的信道并自動切換到信號最好的AP，通訊不會中斷，切換所需時間為幾毫秒。

4 軟件的設計

控制軟件是整個系統的核心部分，本系統的遠程遙控軟件可以分為兩部分，一部分是遠程控制臺基于單片機STM32控制器的程序，這部分是為了采集操作機構輸入信號，生成遙控指令，并通過RS232發送給上位機；另一部分是無線通訊程序，這是實現遠程控制端上位機和車載電腦之間數據的接受和發送。

4.1 單片機STM32程序

本系統中采用的單片機的編程語言是C語言，選擇的軟件開發平臺是IAR，在設計的遠程操控系統中，有六路模擬輸信號輸入，分別是：控制鏟斗姿態兩路、控制車輛行駛轉向兩路以及控制車速和制動兩路；四路開關量輸入，包括左右手柄兩個使能輸入信號、急停信號以及自動/手動信號。根據輸入的控制信號，單片機經過處理后將數據打包通過RS232發送出去，每幀共7個字節。上位機收到數據之后，如果校驗正確，則返回數據0x11以表示數據傳輸無誤，否則發送數據0x00以表示數據傳輸錯誤，要求重新發送。

4.2 無線通訊程序

通過網絡編程來實現控制端上位機和車載電腦之間的通訊，采用C#編程語言，具體實現是采用基于TCP/IP協議的Windows Socket。為了保證通訊信息的穩定和可靠性，超視距遙控系統采用的是TCP協議。由于在服務器端和客戶端兩端，利用Socket套接字傳輸的是連續的字節數據，通訊雙方并不知道傳輸而來的字節代表何種含義，因此必須在傳輸層定義自己的通訊協議，這樣才能使傳輸的數據轉換為有意義的信息。

5 實驗

為了檢驗超視距系統的控制效果，對模型車進行了多次的場地遙控實驗，實驗場所為“L”型樓道。通過控制臺完成車輛的啟動、加速、恒速、制動、換擋和急停。實驗表明，車輛在樓道中能夠以超視距的方式實現駕駛，斷開重連程序保證了車輛遇到無線網絡信號不好的時候也能夠進行操控。

實驗結果說明，該超視距遙控操作系統具有良好的遙控駕駛功能，控制臺對模型車完全可控，操作簡便，能夠按照設計生成正確的遠程駕駛指令，能夠滿足安全性和可靠性的要求。

6 結束語

系統依據實際鏟運機設計出遠程操控系統和模型車，通過無線網絡系統實現了遠程控制。該模擬系統和實際系統的區別在于被控車輛工作環境不一樣，實際鏟運機工作于惡劣的井下，需要考慮通訊的穩定性和可靠性，這對于無線網絡硬件和軟件的搭建提出了更高的要求。本論文的研究對于實際超視距遙控技術具有良好的指導意義。

參考文獻

[1] 戰凱，顧洪樞，周俊武，等.地下遙控鏟運機遙控技術和精確定位技術研究[J].有色金屬，2009，61（1）：107-112.

[2] 李偉為，胡天友.地下鏟運機遙控控制系統的研究[J].金屬礦山，2008（10）：100-102.

[3] 高夢熊.國內外地下金屬礦山采礦車輛的現在與未來[J].金屬礦山，2010（8）：57-62.

[4] 楊超，劉立，陳樹新，羅維東，孟宇.基于CAN總線的地下鏟運機遙控系統的研究[J].礦山機械，2011，39（3）：30-33.