一種井下鏟運機無線遙控系統

王亞東 田立勇 李 勝 謝廣峰

(1.河北鋼鐵集團礦山設計有限公司 河北 灤縣 063700;2.河北鋼鐵集團礦業有限公司石人溝鐵礦,河北 遵化 064200)

生產安全歷來受到人們的關注，并且隨著經濟技術的發展，更加受到人們的重視，與此同時提高生產安全的技術也獲得了廣泛的發展。井下鏟運機無線遙控系統就是隨著通信技術的發展應運而生。井下采礦歷來是危險程度較高的作業，尤其是進入礦房鏟取礦石的過程。在鏟取礦石的過程中，爆破后的礦石會產生移動，而礦石的移動則對于鏟運機及其駕駛員產生極大的安全威脅。如果采用遙控系統控制鏟運機，操作人員可以不用隨鏟運機進入礦房，在礦房外面操作鏟運機即可完成鏟料作業。使操作人員遠離危險區域，這無疑在很大程度上保證了操作人員的安全。遙控操作系統屬于視距內作業，鏟運機改造起來相對簡單，無需建設網絡系統，沒有網絡延遲，實時性好，工作可靠，投入低見效快。可以顯著地提高安全效益，并可以在一定程度上提高經濟效益。

1 硬件部分

遙控操作系統主要由2部分組成：其一為遙控器，負責發送控制命令，顯示車輛及遙控器的狀態信息。其二為車載控制器，負責接收遙控器及車載手柄、按鈕發出的命令，并將接收到的命令進行解析，實現對車輛的控制。同時其兼具車輛狀態的監督及連鎖保護，防止錯誤的操作對車輛造成損害。

1.1 遙控器

遙控器主要由以下幾部分組成：①操作部分，包括操作手柄、按鈕、換擋開關、撥動開關；②顯示報警部分，包括1個OLED顯示模塊及1個蜂鳴器；③無線收發部分，包括1個無線收發模塊及其天線；④電源部分，包括電池、DC-DC電源模塊、電壓模擬量輸出部分；⑤核心控制部分，包括1個核心控制板。

結構框圖如圖1所示。

圖1 遙控器結構框圖

數字量的輸入主要集中在操作部分，其中的按鈕、撥動開關等部件采用按鍵掃描程序讀取其開關狀態。模擬量的輸入主要為操作手柄及電源電壓的輸出，電壓輸出范圍0～3.3 V。模擬量的輸入采用AD轉換器進行掃描讀取。核心控制器與無線收發模塊的數據交換是通過串口實現的，數據的收發采用DMA控制器控制，提高了數據收發的可靠度并減輕了CPU的工作量。電源部分負責為其余部分提供合適的工作電壓。

1.2 車載控制器

車載控制器主要由以下部分組成：①IO部分，主要包括傳感器、車載控制手柄、電子油門、開關等數字模擬量輸入及電磁閥、變矩器、燈、喇叭等的控制輸出。② CAN通信接口，CAN通信接口作為預留端口，可以與其他CAN通信設備通信實現功能的拓展。③無線收發部分，包括無線收發模塊及其配套天線。④電源部分，主要包括DC-DC電源模塊、電壓模擬量輸出，電池采用原車自帶的蓄電池。⑤核心控制部分，系為ARM處理器的最小核心系統。結構框圖如圖2所示。

圖2 車載控制器結構框圖

IO部分是車載控制器與鏟運機交互的信息接口。負責采集機油壓力、機油溫度、缸蓋溫度、蓄電池電壓、發電機工作狀態、皮帶斷裂、回油堵塞、蓄能器壓力等信息，控制轉向、鏟斗裝卸料、鏟臂升降、熄火、剎車、駐車等電磁閥及喇叭、燈、油門等設備的動作。IO部分同樣可以采集車載控制手柄、電子油門、開關按鈕等信息，使得鏟運機不光能夠實現遙控控制，也可以本地操作。IO部分是整個系統非常重要的部分。控制核心一方面根據傳感器采集到的車輛狀態信息、通信狀態信息，產生相應的標志位。另一方面接收控制命令，解析命令，并與車輛控制策略及車輛狀態對比產生正確的輸出。

2 軟件部分

2.1 遙控器

遙控器主程序的工作流程如圖3所示。

圖3 遙控器主程序流程

圖3中初始化程序實現GPIO、DMA、USART、SPI等端口功能的配置，自檢程序主要檢查手柄的位置是否處于中間的位置，如果不是則停止運行并發出警告。OLED程序實現各種狀態數據的OLED顯示。按鍵掃描程序掃描按鍵的開合狀態并消除抖動的干擾。

圖4中有2個中斷子程序：DMA1-ADC1通道中斷子程序和DMA1-USART2發送通道中斷子程序。DMA1-ADC1通道中斷子程序是在ADC1掃描端口、完成ADC轉換、DMA控制數據存儲并且存儲的數據個數達到設定值后，DMA- ADC1觸發數據傳輸完成中斷，清除中斷標志位。在判斷自檢結束的前提下，DMA1-ADC1通道中斷子程序啟動開啟DMA1-USART2發送通道發送數據。DMA1-USART2通道發送完畢后觸發發送完畢的中斷關閉DMA1-USART2發送通道。如果沒有關閉的這一個過程，數據將不停地發送。這2個中斷子程序相互配合完成了模擬量數據采集，控制命令的發送。

圖4 DMA中斷程序

圖5中DMA1-USART2發送通道開啟USART2空閑中斷子程序的作用主要有2方面：一是在DMA-USART接收通道接收的數據完整時對整幀進行CRC校驗，以判斷接收的數據是否正確，正確后即可使用；二是在DMA-USART接收通道接收的數據不完整時，重置DMA-USART接收通道的計數器，以確保下一幀數據能夠正常接收，這是一個自我糾正的程序。

圖5 USART2 空閑中斷子程序

2.2 車載控制器

圖6是車載控制器的主要程序流程圖。

圖6 車載控制器主要程序流程

定時器中斷子程序作為一個監視程序，獨立于主程序。當出現故障狀態時在規定的時間處理完畢。運算處理程序把接收到的控制信息，依據控制策略、車輛狀態、輸出形式轉換成所需的數據，統一放到輸出緩存器中，最后由輸出程序進行統一輸出。

車載控制器同樣具有遙控器中所列的中斷程序，以便完成模擬量采集、通信數據幀的收發等功能。

3 系統應用

該系統先應用于井下鏟運機，由于我們改造的鏟運機本身是機械操控的，所以需要對其進行電控系統改造，將機械控制的閥門改造成電磁控制的閥門，并根據需要增加一些傳感器，如轉速傳感器，軸編碼器等。車載控制器采集車輛傳感器的信息，依據傳感器的狀態及遙控器信息或車載控制手柄的信息控制車輛的運行。車輛有2種運行模式，一是遙控模式，在視距范圍內通過在車外操縱遙控器來控制車輛作業；二是本地控制模式，人在車內通過車上的控制手柄來控制車輛的運行。遙控模式適合鏟運機進入危險程度高的處所作業，如礦房內，當車輛退出危險處所后，操作人員上車作業。這樣既保證了人員的安全，也保證了操控的靈活高效。

對于更加先進的電控系統鏟運機，可以將輸出控制、信息采集與原有系統進行并聯，遙控作業采用本遙控系統，本地作業可采用原有的操控系統，改造的工作量會更小一些。

4 結 論

該遙控系統在實際運行中，工作穩定可靠，有效實現了對鏟運機的控制。在礦房外操控鏟運機進入礦房鏟取礦石，運至礦房外面；切換到本地操作，駕駛車輛行進至溜井卸料處，將礦石卸入溜井之中，再駕駛回到礦房外，依次循環往復。該系統改造投入小、見效快、建設周期短，對于復雜的地下環境尤為適合，可以在最大程度上保障人身安全的前提下，提高作業的效率。

[1] 杜春雷.ARM體系結構與編程[M].北京：清華大學出版社，2003.

Du Chunlei.ARM Architecture and Programming[M].Beijing:Tsinghua University Press,2003.

[2] 宋 巖，譯.Cortex-M3權威指南[M].北京：北京航空航天大學出版社，2009.

Song Yan translation.Cortex-M3 Authoritative Guide[M].Beijing:Beijing University of Aeronautics and Astronautics Press,2009.

[3] 蒙博宇.STM32自學筆記[M].北京：北京航空航天大學出版社，2012.

Meng Boyu.STM32 Self-study Notes[M].Beijing:Beijing University of Aeronautics and Astronautics Press,2012.

[4] 馮新宇.ARM Cortex-M3體系結構與編程[M].2版.北京：清華大學出版社，2017.

Feng Xinyu.ARM Cortex-M3 Architecture and Programming[M].2nd Edit.Beijing:Tsinghua University Press，2017.

[5] 黃志凌.一種裝載機的無線遙控系統設計[J].機電工程,2011,28(2):235-242.

Huang Zhiling.Design of wireless remote control system in loaders[J].Journal of Mechanical & Electrical Engineering,2011,28(2):235-242.

[6] 何 宏.基于單片機的工業無線遙控系統[J].化工自動化及儀表,2016(5):513-516.

He Hong.Industrial remote control system based on MCU[J].Control and Instruments in Chemical Industry,2016(5):513-516.

[7] 李 枳.無線遙控地下鏟運機的發展及液壓系統的改進[J].冶金設備,2008(2):54-57.

Li Zhi.Reform on hydraulic system and development of radio remote controlled LHD[J].Metallurgical Equipment,2008(2):54-57.

[8] 楊 超.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):30-32.

Yang Chao.Research on remote control system for underground scrapers based on CAN bus[J].Mining & Processing Equipment,2011,39(3):30-32.