飛機(jī)牽引車無線控制器設(shè)計(jì)

李建軍，高原，陰培

（長安大學(xué)汽車學(xué)院車輛工程系，陜西 西安 712200）

前言

飛機(jī)牽引車是一種專用車輛，作為機(jī)場內(nèi)部的保障設(shè)備，其功能是牽引飛機(jī)在地面進(jìn)行短距離移動(dòng)。一般根據(jù)飛機(jī)牽引車的牽引形式將其分為兩大類，分別是有桿式和無桿式。有桿式的結(jié)構(gòu)簡單，只需要一根桿將飛機(jī)前輪和車體連接起來，便可以實(shí)現(xiàn)牽引，但是需要至少兩名以上的工組人員配合，而無桿式的由于牽引機(jī)構(gòu)和車身直接相連，因此可以做到全自動(dòng)牽引飛機(jī)的操作。本次設(shè)計(jì)飛機(jī)牽引車無線控制器，便是搭載在純電動(dòng)無桿式飛機(jī)牽引車上。

1 系統(tǒng)綜述

飛機(jī)牽引車屬于專用設(shè)備，為了保證有使用權(quán)限的人能使用，需要在遙控器面板中增加用戶身份認(rèn)證功能。在本次設(shè)計(jì)中用戶還需要能通過手持終端查看設(shè)備運(yùn)行情況，因此遙控器還需要加入WIFI 模塊以及藍(lán)牙模塊，以便能實(shí)時(shí)的將設(shè)備運(yùn)行的情況上傳到手持終端。用戶通過操作遙控器上的按鈕及搖桿使單片機(jī)采集相應(yīng)的狀態(tài)量，存入緩沖區(qū)內(nèi)，再通過無線串口發(fā)送給車載主控制器，控制器上的單片機(jī)按照協(xié)議解析數(shù)據(jù)后，便可控制對應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路動(dòng)作。下圖為無線控制器的工作流程圖。

圖1

2 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

2.1 總體結(jié)構(gòu)圖

圖2

該控制器的硬件部分分為兩大塊，包括遙控器模塊以及主控制器模塊。遙控器主要由電源模塊，信號(hào)輸入模塊，和無線通信模塊等其他小的模塊，主控制器模塊主要包括無線通訊模塊，信息采集模塊，以及多個(gè)通道的驅(qū)動(dòng)模塊。在遙控器模塊中，信號(hào)輸入模塊捕捉用戶的操作指令，指令經(jīng)過微處理器處理后再通過無線串口模塊發(fā)送給主控制器模塊。主控制器模塊按照通訊協(xié)議解析遙控器模塊發(fā)過來的數(shù)據(jù)后，操作相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器來控制相應(yīng)的執(zhí)行元件，來完成一次用戶操作。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如上圖所示。

2.2 電源電路的設(shè)計(jì)

在本電控系統(tǒng)中，遙控器采用12V 的可充電鋰電池供電，降壓芯片的選擇有很多，此處不再贅述。而主控制器采用飛機(jī)牽引車車載動(dòng)力電池供電，該動(dòng)力電池的電壓為48V，因此需要選用合適的DC 降壓器將電壓轉(zhuǎn)化為24V 以下，此時(shí)就可以選用大多數(shù)降壓芯片為數(shù)字電路供電，根據(jù)各個(gè)數(shù)字芯片以及控制單元的需求，需要將24V 電壓降到+12V，+5V和+3.3V，故在此設(shè)計(jì)如下的降壓電路。

2.3 模擬信號(hào)放大電路設(shè)計(jì)

用戶在推動(dòng)遙控器的搖桿控制牽引車行走轉(zhuǎn)向時(shí)，遙控器中的單片機(jī)采集到當(dāng)前的搖桿位移量，通過無線串口發(fā)送給牽引車主控制器，主控制器按照協(xié)議解析數(shù)據(jù)后通過數(shù)模轉(zhuǎn)換DA 口輸出模擬量驅(qū)動(dòng)信號(hào)放大電路，經(jīng)過5 倍的信號(hào)放大后，產(chǎn)生0 到10V 的模擬量來控制比例閥動(dòng)作。

由于STM32 只有兩個(gè)DA 模塊，但是我們需要四路的模擬信號(hào)分別控制車輛前后移動(dòng)以及左右轉(zhuǎn)向的比例閥，因此我們通過給單片機(jī)的引腳加阻容濾波電路的方法，將PWM轉(zhuǎn)化為較為平滑的模擬量輸出來控制其中兩路的比例閥，此部分的電路設(shè)計(jì)如下：

圖3

2.4 開關(guān)量電磁閥驅(qū)動(dòng)電路

飛機(jī)牽引車上有眾多液壓缸，當(dāng)油泵開始運(yùn)轉(zhuǎn)后，只需要控制相關(guān)油路中電磁閥，便可以控制相關(guān)的液壓缸的動(dòng)作，完成作業(yè)操作，但是電磁閥是一個(gè)感性原件，電磁閥在斷電的瞬間會(huì)產(chǎn)生一個(gè)非常大的反感應(yīng)電動(dòng)勢，反感應(yīng)電動(dòng)勢的存在會(huì)極易損壞場效應(yīng)管，所以需要在電路中反接一個(gè)二極管，以消除反感應(yīng)電動(dòng)勢。具體的電磁閥驅(qū)動(dòng)電路如下所示，其中EN_Door_O 引腳為使能信號(hào)引腳，當(dāng)該引腳輸入高電平時(shí)，場效應(yīng)管漏極和源極之間導(dǎo)通，從而使通過J168 接入電路的電磁閥動(dòng)作。R159 和R160 用來檢測電磁閥是否正常接入電路，當(dāng)電磁閥接入到電路后，J168 的3 號(hào)引腳會(huì)置為+24V，通過電阻分壓將信號(hào)輸入到單片機(jī)。本系統(tǒng)中其他的驅(qū)動(dòng)電路也類似，在此不再贅述。

圖4

2.5 其他電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中的無線串口模塊，RFID 射頻讀卡模塊，WIFI模塊，藍(lán)牙模塊，422 通訊模塊，LCD 串行顯示屏等器件市面上已經(jīng)非常多，且性能可靠，故直接采用市場上的現(xiàn)成模塊。此處不再贅述。

該系統(tǒng)中有多路開關(guān)信號(hào)采集通道以及少數(shù)模擬量采集通道電路如下如圖：

圖5

3 軟件控制邏輯設(shè)計(jì)

3.1 用戶信息確認(rèn)及更改

主控制器和遙控器開機(jī)后，在無線連接的模式下，主控制器給遙控器開始發(fā)送心跳包，遙控器系統(tǒng)開始檢測連接信號(hào)強(qiáng)度。用戶使用RFID 卡來獲得遙控器的使用權(quán)限，如需要更改用戶信息時(shí)，技術(shù)人員可以通過442 串口連接上位機(jī)軟件，進(jìn)行用戶信息配置，重啟遙控器之后，更改的信息便可生效。

3.2 通訊協(xié)議的定義

圖6

工作人員在獲取遙控器的使用權(quán)后，便可以通過操縱面板上的相關(guān)按鈕來操作飛機(jī)牽引車。在程序中設(shè)定單片機(jī)每20ms 檢測一次各個(gè)面板按鈕的輸入信號(hào)，檢測完成后將狀態(tài)量按照下圖的通訊協(xié)議存入到一個(gè)6 個(gè)元素的數(shù)組緩沖區(qū)內(nèi)，然后通過無線串口將該緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)發(fā)送出去。

主控制器在接受到遙控器發(fā)過來的數(shù)據(jù)后，按照上圖的通訊協(xié)議解析數(shù)據(jù)后，單片機(jī)根據(jù)相關(guān)指令驅(qū)動(dòng)個(gè)執(zhí)行元件的驅(qū)動(dòng)電路，完成一次通信操作。

3.3 多樣的通訊方式

為了保證該系統(tǒng)工作的高可靠性，在設(shè)計(jì)之初為其增加了有線通訊的備用方案。如果該系統(tǒng)在復(fù)雜電磁環(huán)境下使用造成無線通訊系統(tǒng)失效，我們可以通過操作模式切換按鍵，將系統(tǒng)操作模式置為有線通訊，單片機(jī)采集面板上各個(gè)按鈕的狀態(tài)后，通過與飛機(jī)牽引車連接的CAN 線將數(shù)據(jù)發(fā)送給主控制器，以保證該系統(tǒng)在緊急情況下也可以使用。

4 結(jié)論

本文為純電動(dòng)飛機(jī)牽引車設(shè)計(jì)的無線控制器，功能上能夠?qū)崿F(xiàn)用戶對飛機(jī)牽引車的無線操作，和以往的多人操縱一臺(tái)飛機(jī)牽引車相比，該系統(tǒng)極大的解放了人力，使得一個(gè)人就可以完成飛機(jī)牽引作業(yè)，并且較傳統(tǒng)的有人駕駛的飛機(jī)牽引車相比，由于本系統(tǒng)基于無線遙控設(shè)計(jì)，因此作業(yè)人員的視野范圍更寬，在操作車輛移動(dòng)時(shí)，能更加精確，容易的使車輛到達(dá)指定停機(jī)點(diǎn)位。并且，通信方式進(jìn)行了冗余設(shè)計(jì)，能極大的提高系統(tǒng)的可靠性，使得飛機(jī)牽引車能在各種復(fù)雜電磁環(huán)境下使用。

本系統(tǒng)有非常多的接口，并且是寬電壓輸入，因此具有極大的通用性，對于其他的工程車輛，只需要更改相應(yīng)的控制程序便可滿足要求。在一定程度上為工程應(yīng)用提供了方便。