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、轉彎半徑小、轉向靈活等優點，在松軟地面等復雜地形具有很高的機動性，于很多特殊領域有很大作用。正是在這些特殊領域的某些不利于人工駕駛的特殊情況下，如軍事任務、危險作業、野外勘探等，如何通過改造車輛實現遠程遙控駕駛，并使系統具有一定的優越性，是本方案主要考慮的問題。

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

1 系統總方案

系統改造目標是使改造后的履帶式車輛可以實現遠程遙控駕駛，具備遠程啟動發動機、加減速、轉向、制動、強制停車等功能，能實時監視車輛油量、機油壓力、發動機轉速及車輛行駛速度等行車參數，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。改造后的車輛保留人工駕駛模式，并可實現人工/遙控模式的快速切換。

本方案遠程遙控系統的實現主要是通過遙控終端經電臺向車輛發射控制信號，車輛上的電臺接收到控制信號后經PLC控制器驅動執行機構運動，執行機構代替駕駛員執行駕駛車輛所要進行的必要操作，模擬人工駕駛模式。車輛駕駛室內和車外裝有高清攝像頭，駕駛室內攝像頭用于監視儀表盤上的行車參數，車外攝像頭用于查看車輛周邊影像，攝像頭拍攝的圖像經無線信號傳輸設備發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和周邊環境，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的障礙物，能準確給出探測信息，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，通過步進電機關閉柴油控制閥，切斷油路，實現強制停車。其系統組成框圖如圖1所示。

圖1 系統組成框圖

2 執行機構

執行機構是整個改造方案的核心機構，主要由PLC控制器、氣泵、氣缸、電磁閥等組件構成。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適合位置，將氣缸通過支架固定在駕駛室內的油門、離合、剎車、操縱桿、檔位桿等操控機構附近，將氣缸的推桿與上述操控機構進行連接固定，連接氣泵、電磁閥和氣缸，設備通過車載電瓶進行供電。當PLC控制器通過操控電臺接收到遙控終端發來的命令后，PLC控制器向電磁閥發送控制信號，在氣泵的共同作用下驅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，從而實現了遠程遙控駕駛[3]，如圖2所示。

圖2 氣缸執行機構示意圖

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。此處通過串聯組合2個或多個氣缸來加以實現，并且通過對不同氣缸的行程的選擇，可以實現等距或不等距的多段運動。以2個氣缸串聯為例，假設氣缸1的行程為L1，氣缸2的行程為L2，當L1等于L2時，串聯組合氣缸可實現2段行程，分別是L1和L1+L2；當L1不等于L2時，串聯組合氣缸可實現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。在串聯組合氣缸的基礎上，增加一個垂直于運動方向的氣缸，即可實現2個方向的運動，通過PLC控制器控制氣缸運動的先后順序，即可實現檔位桿的多段掛檔，示意如圖4所示。

圖3 串聯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，在車內操縱機構的每個檔位位置要設立接近開關。將接近開關的信號反饋至PLC控制器，一部分信號用于控制氣缸聯動，一部分信號通過操控電臺發送至遙控終端，通過遙控終端上的指示燈顯示各氣缸的動作狀態，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，當需要切換至人工駕駛模式時，只要拔出快拆銷即可拆除執行機構，快速切換至人工駕駛模式。

設計執行機構時，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來代替氣缸。液壓油缸相比氣缸來說，優點在于推力大，但液壓系統往往體積大、重量重，不適合安裝在駕駛室狹小的環境，也不便于拆裝，同時液壓油泄露會對駕駛室環境造成嚴重污染，影響人工駕駛。電機的優勢在于可以替代串聯組合氣缸執行多行程動作，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，以氣缸作為執行機構具有結構簡單、易于拆裝、穩定性高、成本低、適合范圍廣等特點，是最適合本方案的執行機構[4]。

3 行駛參數監視系統

車輛油量、機油壓力、發動機轉速及車輛行駛速度等行車參數是體現車輛狀況的重要數據，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據采集，然后將采集到的數據傳送至對應的處理系統進行計算，再將計算結果傳輸至儀表盤進行顯示。改造時，在駕駛室內安裝一個高清攝像頭對儀表盤數據進行視頻采集，再將視頻信號經過無線信號傳輸設備發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儀表盤上的行車參數。切換人工駕駛模式時，無需拆除駕駛室內攝像頭，節約切換時間。設計行駛參數監視系統時，也可以通過改造將儀表盤的傳感器數據直接傳輸至遙控終端，在遙控終端進行數據的顯示，但此方案施工復雜，還需有相應的軟件進行數據處理，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，具有操作簡單、可行性高、技術要求低、成本低等優點，適合本改造方案[5]。

4 安全保護系統

安全保護系統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備發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，一路經操控電臺輸出至遙控終端，觸發報警指示燈，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置電池為車外設備供電，遙控終端可在電池供電與外部供電之間自動切換，以應對一些突發情況。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。當操控人員觸發遙控終端的強停按鈕時，強停電臺收到觸發信號，驅動步進電機關閉柴油控制閥，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

遙控系統主要由遙控終端、電臺、天線等部分組成，其中遙控終端是整個系統命令的輸入機構，也是執行機構和其他分系統的行動反饋機構，包含開關按鍵、指示燈、顯示屏、電池、航空插座等部分。遙控終端在設計時，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、剎車選用自復位式撥動開關；油門、操縱桿1、操縱桿2選用3檔撥動開關，用于檔位選擇；檔位開關選用自復位式按鍵，按下按鍵后由PLC控制器控制執行機構依次運動，實現檔位切換；強停開關旁邊放置電臺信號指示燈，方便根據電臺信號判斷是否啟動強停功能；報警信號燈的開關可控，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境和儀表盤信息，節省空間[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 結語

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