飛機牽引車無線控制器設計

李建軍，高原，陰培

（長安大學汽車學院車輛工程系，陜西 西安 712200）

前言

飛機牽引車是一種專用車輛，作為機場內部的保障設備，其功能是牽引飛機在地面進行短距離移動。一般根據飛機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。有桿式的結構簡單，只需要一根桿將飛機前輪和車體連接起來，便可以實現牽引，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構和車身直接相連，因此可以做到全自動牽引飛機的操作。本次設計飛機牽引車無線控制器，便是搭載在純電動無桿式飛機牽引車上。

1 系統綜述

飛機牽引車屬于專用設備，為了保證有使用權限的人能使用，需要在遙控器面板中增加用戶身份認證功能。在本次設計中用戶還需要能通過手持終端查看設備運行情況，因此遙控器還需要加入WIFI 模塊以及藍牙模塊，以便能實時的將設備運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采集相應的狀態量，存入緩沖區內，再通過無線串口發送給車載主控制器，控制器上的單片機按照協議解析數據后，便可控制對應的驅動電路動作。下圖為無線控制器的工作流程圖。

圖1

2 系統的硬件結構

2.1 總體結構圖

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，以及多個通道的驅動模塊。在遙控器模塊中，信號輸入模塊捕捉用戶的操作指令，指令經過微處理器處理后再通過無線串口模塊發送給主控制器模塊。主控制器模塊按照通訊協議解析遙控器模塊發過來的數據后，操作相應的驅動器來控制相應的執行元件，來完成一次用戶操作。系統的結構圖如上圖所示。

2.2 電源電路的設計

在本電控系統中，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牽引車車載動力電池供電，該動力電池的電壓為48V，因此需要選用合適的DC 降壓器將電壓轉化為24V 以下，此時就可以選用大多數降壓芯片為數字電路供電，根據各個數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，故在此設計如下的降壓電路。

2.3 模擬信號放大電路設計

用戶在推動遙控器的搖桿控制牽引車行走轉向時，遙控器中的單片機采集到當前的搖桿位移量，通過無線串口發送給牽引車主控制器，主控制器按照協議解析數據后通過數模轉換DA 口輸出模擬量驅動信號放大電路，經過5 倍的信號放大后，產生0 到10V 的模擬量來控制比例閥動作。

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

圖3

2.4 開關量電磁閥驅動電路

飛機牽引車上有眾多液壓缸，當油泵開始運轉后，只需要控制相關油路中電磁閥，便可以控制相關的液壓缸的動作，完成作業操作，但是電磁閥是一個感性原件，電磁閥在斷電的瞬間會產生一個非常大的反感應電動勢，反感應電動勢的存在會極易損壞場效應管，所以需要在電路中反接一個二極管，以消除反感應電動勢。具體的電磁閥驅動電路如下所示，其中EN_Door_O 引腳為使能信號引腳，當該引腳輸入高電平時，場效應管漏極和源極之間導通，從而使通過J168 接入電路的電磁閥動作。R159 和R160 用來檢測電磁閥是否正常接入電路，當電磁閥接入到電路后，J168 的3 號引腳會置為+24V，通過電阻分壓將信號輸入到單片機。本系統中其他的驅動電路也類似，在此不再贅述。

圖4

2.5 其他電路設計

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

該系統中有多路開關信號采集通道以及少數模擬量采集通道電路如下如圖：

圖5

3 軟件控制邏輯設計

3.1 用戶信息確認及更改

主控制器和遙控器開機后，在無線連接的模式下，主控制器給遙控器開始發送心跳包，遙控器系統開始檢測連接信號強度。用戶使用RFID 卡來獲得遙控器的使用權限，如需要更改用戶信息時，技術人員可以通過442 串口連接上位機軟件，進行用戶信息配置，重啟遙控器之后，更改的信息便可生效。

3.2 通訊協議的定義

圖6

工作人員在獲取遙控器的使用權后，便可以通過操縱面板上的相關按鈕來操作飛機牽引車。在程序中設定單片機每20ms 檢測一次各個面板按鈕的輸入信號，檢測完成后將狀態量按照下圖的通訊協議存入到一個6 個元素的數組緩沖區內，然后通過無線串口將該緩沖區內的數據發送出去。

主控制器在接受到遙控器發過來的數據后，按照上圖的通訊協議解析數據后，單片機根據相關指令驅動個執行元件的驅動電路，完成一次通信操作。

3.3 多樣的通訊方式

為了保證該系統工作的高可靠性，在設計之初為其增加了有線通訊的備用方案。如果該系統在復雜電磁環境下使用造成無線通訊系統失效，我們可以通過操作模式切換按鍵，將系統操作模式置為有線通訊，單片機采集面板上各個按鈕的狀態后，通過與飛機牽引車連接的CAN 線將數據發送給主控制器，以保證該系統在緊急情況下也可以使用。

4 結論

本文為純電動飛機牽引車設計的無線控制器，功能上能夠實現用戶對飛機牽引車的無線操作，和以往的多人操縱一臺飛機牽引車相比，該系統極大的解放了人力，使得一個人就可以完成飛機牽引作業，并且較傳統的有人駕駛的飛機牽引車相比，由于本系統基于無線遙控設計，因此作業人員的視野范圍更寬，在操作車輛移動時，能更加精確，容易的使車輛到達指定停機點位。并且，通信方式進行了冗余設計，能極大的提高系統的可靠性，使得飛機牽引車能在各種復雜電磁環境下使用。

本系統有非常多的接口，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，只需要更改相應的控制程序便可滿足要求。在一定程度上為工程應用提供了方便。