新能源裝載機遠程駕駛控制器開發(fā)

摘 要：為提高某混合動力裝載機遠程操作性能，采用32位高性能單片機開發(fā)控制器，基于5G通信技術(shù)和Simulink軟件，設(shè)計開發(fā)裝載機行走系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)及附件系統(tǒng)的控制策略，并通過時延、行走制動、作業(yè)測試進行試驗驗證，實現(xiàn)對裝載機的遠程駕駛控制。測試結(jié)果表明：整車端與遠程端之間數(shù)據(jù)傳輸完整，數(shù)據(jù)傳輸時延約為25 ms；隨著踩下遠程端制動踏板，大約經(jīng)過0.3 s整車端電機轉(zhuǎn)矩從100 N·m降為0，大約經(jīng)過0.7 s電機轉(zhuǎn)速從800 r/min降為0；裝載機搖臂、動臂均能根據(jù)遠程先導(dǎo)手柄的控制指令正確反應(yīng)，但動作存在輕微滯后；遠程駕駛控制邏輯設(shè)計符合遠程駕駛要求，滿足實際使用需要。

關(guān)鍵詞：新能源裝載機；遠程駕駛；控制策略；功能測試

中圖分類號：TH243文獻標(biāo)志碼：A文章編號：1673-6397（2024）04-0071-06

引用格式：岳遠航，紀(jì)少波，劉振革，等.新能源裝載機遠程駕駛控制器開發(fā)［J］.內(nèi)燃機與動力裝置，2024，41（4）：71-76.

YUE Yuanhang， JI Shaobo， LIU Zhenge，et al.Development of remote driving controller for a new energy loader［J］.Internal Combustion Engine amp; Powerplant， 2024，41（4）：71-76.

0 引言

裝載機施工環(huán)境惡劣，噪音、粉塵污染嚴(yán)重，影響駕駛員人身安全與健康。裝載機體型較大，由于駕駛室和作業(yè)設(shè)備的遮擋，操作者視野受限，影響作業(yè)精度及安全性［1］。近年來，隨著無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，工程機械發(fā)展趨向智能化、信息化，車輛遠程控制成為其中一個發(fā)展方向［2］。駕駛員在遠程端的駕駛室內(nèi)通過視頻圖像得到裝載機的全景實況及各種狀態(tài)信息，實現(xiàn)對裝載機的遠程操控，通過人-機分離，使駕駛員遠離惡劣的施工環(huán)境，提高了作業(yè)安全性。

目前國內(nèi)相關(guān)企業(yè)及科研院所圍繞工程機械遠程控制系統(tǒng)進行了研究：2015年，某集團研制了無駕駛室遠程遙控挖掘機［3］；2017年，某集團SY215型挖掘機采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，以三維視覺為基礎(chǔ)，實現(xiàn)對挖掘機的遠程控制［4］；2019年，某企業(yè)通過5G技術(shù)，實現(xiàn)對DE17推土機的遠程控制［5］；黃志凌等［6］以廈工裝載機為試驗平臺，研制出一套多通道無線遠程控制系統(tǒng)，并進行了相關(guān)的試驗研究；魯恒愿［7］通過分析挖掘機整體結(jié)構(gòu)和作業(yè)規(guī)律，設(shè)計了遠程操縱挖掘機人-機交互系統(tǒng)的整體方案；蔡皓［8］基于遠程控制挖掘機智能清運港口船艙物料的需求，開發(fā)了完整的挖掘機遠程操控系統(tǒng)，并設(shè)計出完善的安全性輔助控制策略；邵彥杰［9］針對電動挖掘機開發(fā)了一套基于5G的遠程遙控系統(tǒng)，并通過了通信測試和遠程控制系統(tǒng)功能性測試。目前，圍繞裝載機遠程控制方面的研究較少，已開發(fā)產(chǎn)品的性能在實時性及功能方面尚有改進空間。

本文中基于5G通信技術(shù)，開發(fā)新能源裝載機的遠程控制系統(tǒng)，并通過測試試驗對控制系統(tǒng)性能進行驗證，開發(fā)的裝載機遠程駕駛控制器可滿足功能需求。

1 遠程駕駛系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)設(shè)計

遠程駕駛系統(tǒng)主要包括遠程端、整車端、網(wǎng)絡(luò)通信3部分。遠程端由模擬駕駛艙、遠程端控制器（vehicle control unit，VCU）、顯示系統(tǒng)構(gòu)成。VCU采集駕駛艙油門、剎車、方向盤、先導(dǎo)手柄及控制面板等模擬信號，并通過5G通信發(fā)送給車端控制器。整車端除傳統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)外，加裝了視頻系統(tǒng)、遠程駕駛所需的傳感器及執(zhí)行器，通過攝像頭、角度傳感器、慣性測量單元（inertial measurement unit，IMU）傳感器、毫米波雷達分別獲得車輛外圍全景圖像、工作機構(gòu)角度、姿態(tài)、后方障礙物位置等，利用無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)傳送到遠程端，并顯示在遠程端顯示屏上，便于駕駛員實時了解車輛端狀態(tài)。此外，整車端改造了液壓系統(tǒng)，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)遠程控制。網(wǎng)絡(luò)通信負責(zé)遠程端與整車端的數(shù)據(jù)傳輸，兩端控制器發(fā)出的數(shù)據(jù)首先通過控制器局域網(wǎng)（controller area network，CAN）通信進入CAN轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊，轉(zhuǎn)化成網(wǎng)絡(luò)信號，再通過5G網(wǎng)關(guān)互傳，整車端視頻圖像直接接入5G網(wǎng)關(guān)并傳輸至遠程端。遠程駕駛系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 控制器硬件、軟件開發(fā)環(huán)境

遠程端控制器選用某公司32位單片機MPC5744P作為控制器主控單元，控制器采用鋁合金殼體封裝，主頻為200 MHz，隨機存取存儲器（random access memory，RAM）為384 KiByte，F(xiàn)lash為2.5 MiByte，帶電可擦可編程只讀存儲器（electrically erasable programmable read-only memory，EEPROM）為96 KiByte［10］。根據(jù)控制器功能需求，設(shè)計電源電路、單片機及外圍電路、模擬信號輸入電路、數(shù)字信號輸入電路、H橋功率輸出電路及CAN通信電路。處理器為32位MPC5744P；電源輸入為直流電壓 9～32V；模擬信號輸入34路；數(shù)字信號輸入8路；CAN通道3路，其中CAN0僅用于程序下載；功率輸出通道2路，由H橋直流電機驅(qū)動，支持脈沖寬度調(diào)制（pulse width modulation，PWM）。

宏程式塊設(shè)計（macroblock design，MBD）方法簡單便捷，基于模型搭建，省去了C語言中復(fù)雜的編程和調(diào)試過程，提高工程開發(fā)效率，在汽車電子等行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用［11］。Simulink是MBD方法常用的編程環(huán)境，具有良好的建模與編譯功能［12］。本文中基于Simulink開發(fā)遠程端控制程序，包括建模、編譯、下載3個環(huán)節(jié)，控制軟件開發(fā)流程如圖2所示。

由圖2可知：在Simulink軟件中搭建控制模型，生成.slx模型文件；向模型下達rtwbuild命令，對模型進行預(yù)編譯，生成包含模型各個模塊參數(shù)和界面信息的.rtw文本文件；利用Simulink coder中的目標(biāo)語言編譯器（target language compiler，TLC），將.rtw文本文件轉(zhuǎn)換為C語言目標(biāo)源代碼；利用程序下載軟件將生成的C代碼刷寫到控制器中。

2 控制策略開發(fā)

2.1 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

為實現(xiàn)整車端遠程轉(zhuǎn)向控制，在遠程端模擬駕駛艙安裝轉(zhuǎn)向盤，并連接轉(zhuǎn)向電機，轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動時，帶動轉(zhuǎn)向電機轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生模擬信號輸入遠程端控制器；根據(jù)模擬信號與轉(zhuǎn)向角度的關(guān)系得到轉(zhuǎn)向盤當(dāng)前轉(zhuǎn)向角度；該角度通過網(wǎng)絡(luò)通信傳送整車端，電控轉(zhuǎn)向閥實現(xiàn)車輛轉(zhuǎn)向控制；為實現(xiàn)轉(zhuǎn)向盤在特定角度內(nèi)轉(zhuǎn)動，通過H橋控制電路控制轉(zhuǎn)向電機。根據(jù)當(dāng)前轉(zhuǎn)向角度確定電機控制信號占空比，轉(zhuǎn)向角度絕對值越大，電壓占空比越大，轉(zhuǎn)向電機輸出轉(zhuǎn)矩越大。當(dāng)轉(zhuǎn)向盤正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)角度到達最大限度時，轉(zhuǎn)向電機控制電流最大，轉(zhuǎn)向阻力矩最大。遠程端轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制策略流程如圖3所示。

2.2 行走系統(tǒng)

行走系統(tǒng)控制包括油門控制、擋位控制及制動控制等功能。油門控制策略為根據(jù)油門踏板輸出的模擬信號和油門開度的線性關(guān)系，計算得到油門開度。在實際使用中，踏板零位會發(fā)生變化，即零位漂移現(xiàn)象，導(dǎo)致油門開度計算出現(xiàn)誤差，因此，在油門控制程序中添加加速踏板零位自學(xué)習(xí)功能，修正油門開度；此外，若駕駛員踩下油門的速度過快，會使整車端行走電機目標(biāo)轉(zhuǎn)矩變化過快，出現(xiàn)較大的沖擊電流，對行走電機造成損傷，應(yīng)對加速踏板進行開度滯后處理。擋位控制策略為通過控制遠程端擋位功能開關(guān)，實現(xiàn)前進、后退擋位切換，將擋位開關(guān)輸出信號輸入遠程端控制器。遠程端油門控制策略流程如圖4所示。

遠程制動功能包括遠程制動踏板控制、遠程駐車控制及急停控制：遠程制動踏板控制可以根據(jù)制動踏板輸出的模擬信號和踏板開度的線性關(guān)系，得到制動踏板開度；由于制動踏板在使用過程中也會出現(xiàn)類似油門踏板零位漂移現(xiàn)象，所以在制動踏板開度計算中同樣添加零位自學(xué)習(xí)功能；為保證制動安全，對制動踏板的開度不做滯后處理。遠程駐車控制通過在遠程端安裝的駐車按鈕實現(xiàn)，該按鈕輸出開關(guān)信號。為保證車輛遠程控制的可靠性，在遠程端與整車端均安裝急停按鈕，緊急情況下，按下按鈕產(chǎn)生開關(guān)信號，實現(xiàn)車輛緊急制動。遠程端制動控制策略流程如圖5所示。

2.3 工作系統(tǒng)

遠程端有2個先導(dǎo)手柄，可前、后移動，分別控制裝載機搖臂、動臂，手柄1不同開度實現(xiàn)鏟斗收、放，手柄2不同開度實現(xiàn)動臂升、降。手柄不同開度以CAN信號發(fā)送到遠程端控制器，通過網(wǎng)絡(luò)通信發(fā)送到整車端液壓微控制單元（microcontroller unit，MCU）控制動臂升、降與鏟斗收、放。整車端角度傳感器及攝像頭分別將檢測的動臂、鏟斗的角度變化信號及車輛外圍全景圖像，通過網(wǎng)絡(luò)通信顯示在遠程端顯示屏上，反饋整車端工作指令執(zhí)行情況。遠程端液壓系統(tǒng)控制策略流程如圖6所示。

2.4 附件系統(tǒng)

通過遠程端控制面板上燈光、雨刮、喇叭等附件系統(tǒng)的控制按鍵實現(xiàn)附件系統(tǒng)控制，控制面板各按鍵輸出的數(shù)字信號輸入至整車端控制器，實現(xiàn)車輛相應(yīng)部件的運行控制，各部件運行狀態(tài)通過網(wǎng)絡(luò)通信傳輸給遠程端，反饋整車端附件控制指令執(zhí)行情況。遠程端附件系統(tǒng)控制策略流程如圖7所示。

3 實車測試

3.1 時延測試

不起動車輛，操作員轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤，遠程控制裝載機原地轉(zhuǎn)向，同時采集遠程端請求轉(zhuǎn)向角度與整車端接收轉(zhuǎn)向角度，測試遠程端與整車端的數(shù)據(jù)傳輸時延，數(shù)據(jù)傳輸時延測試如圖8所示。

由圖8可知：遠程端請求轉(zhuǎn)向角度與整車端接收轉(zhuǎn)向角度完全一致，數(shù)據(jù)完整無誤地從遠程端傳遞到整車端；遠程端請求轉(zhuǎn)向角度傳遞到整車端接收轉(zhuǎn)向角度的平均時延約為25 ms。參考文獻［13-15］，數(shù)據(jù)傳輸時延滿足遠程駕駛控制要求。

3.2 功能測試

3.2.1 行走制動測試

裝載機在試驗場地行走過程中，踩下制動踏板遠程控制裝載機制動動作，同時采集遠程端制動踏板開度，

整車端行走轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩信號，行走制動測試如圖9所示。

由圖9可知：操作員踩下制動踏板，踏板最大開度達到100%，維持一段時間后松開；隨著踩下制動踏板，整車端電機轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩均逐漸減小，大約經(jīng)過0.3 s電機轉(zhuǎn)矩從100 N·m降為0，大約經(jīng)過0.7 s電機轉(zhuǎn)速從800 r/min快速降為0。電機轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速迅速減小并出現(xiàn)負值，原因為測試過程制動過急，使轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩下降到0后，出現(xiàn)波動。遠程端發(fā)出的行走指令能夠傳遞到整車端，整車端響應(yīng)迅速、準(zhǔn)確，實現(xiàn)了遠程控制行走功能。

3.2.2 作業(yè)測試

以手柄中間位置開度為0，相對手柄中間位置，向前移動開度為+，向后開度為－，測試時將手柄至于開度為0處，向前移動到最大開度，維持一段時間后，再移至開度為0，并向后移動，至反向開度最大，維持一段時間后，復(fù)歸開度為0處。2個手柄不同開度下，整車端搖臂、動臂測試結(jié)果如圖10所示。

由圖10a）可知：手柄1向前最大開度約為+77%，向后最大開度約-76%；結(jié)合搖臂角度變化，分析搖臂動作滯后約0.5 s；手柄1正向移動過程中搖臂角度逐漸增大，至開度為0時，達到最大，為17°；負向移動過程中搖臂角度逐漸減小，至手柄1開度復(fù)歸為0時，達到最小。

由圖10b）可知：手柄2與手柄1操作大致相同，動臂動作滯后約1.0 s；手柄2正向移動過程中動臂角度逐漸增大，至開度為0時，達到最大，為33°，動臂達到最大旋轉(zhuǎn)角度后持續(xù)約2 s；負向移動過程中動臂角度逐漸減小，至手柄2開度復(fù)歸為0時，達到最小。

搖臂、動臂均能根據(jù)遠程先導(dǎo)手柄的控制指令正確反應(yīng)，但動作存在滯后，滯后時間與網(wǎng)絡(luò)通信延遲、整車端控制器發(fā)出控制信號后至機械結(jié)構(gòu)開始動作存在延遲等方面因素有關(guān)。

4 結(jié)論

針對某新能源裝載機，開發(fā)了遠程端控制器硬件，并完成了遠程端不同系統(tǒng)控制策略的設(shè)計與開發(fā)，通過試驗測試驗證遠程駕駛系統(tǒng)功能。

1）基于5G通信技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)整車端與遠程端的圖像及運行數(shù)據(jù)傳輸，遠程端到整車端的數(shù)據(jù)傳輸時延約為25 ms，數(shù)據(jù)傳輸完整，滿足遠程控制數(shù)據(jù)傳輸要求。

2）基于32位單片機開發(fā)了遠程端控制器硬件，通過宏程式塊設(shè)計開發(fā)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、行走系統(tǒng)、工作系統(tǒng)及附件系統(tǒng)控制模型，實現(xiàn)車輛遠程控制。

3）行走制動測試、作業(yè)測試表明，遠程端發(fā)出的各項指令能夠迅速傳遞到整車端，整車端響應(yīng)及時、準(zhǔn)確，滿足遠程駕駛時行走制動、功能控制的要求。

參考文獻：

［1］ 翟建波，張寶金，劉育明，等.鏟運機遙控系統(tǒng)智能技術(shù)應(yīng)用研究［J］.設(shè)備管理與維修，2024（10）：25-27.

［2］ 李運華，范茹軍，楊麗曼，等.智能化挖掘機的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢［J］.機械工程學(xué)報，2020，56（13）：165-178.

［3］ 王榮標(biāo).智能遙控“小天鵝”：徐工首款XE15R型挖掘機誕生［J］.工程機械，2015，46（6）：94.

［4］ 張磊慶.透過BICES 2017看工程機械的智能化［J］.建筑機械化，2017，38（10）：10-13.

［5］ 鄭宇.BICES 2019以優(yōu)異成績向祖國70華誕獻禮［J］.建筑機械，2019（10）：6-13.

［6］ 黃志凌，馮勇建.一種裝載機的無線遙控系統(tǒng)設(shè)計［J］.機電工程，2011，28（2）：235-237.

［7］ 魯恒愿.遠程操縱挖掘機人機交互系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)［D］.西安：長安大學(xué)，2021.

［8］ 蔡皓.挖掘機遠程操控及主動安全防護系統(tǒng)研究［D］.濟南：山東大學(xué)，2023.

［9］ 邵彥杰.基于5G無線通信的電動挖掘機遠程遙控系統(tǒng)研究［D］.泉州：華僑大學(xué)，2022.

［10］ 程紹琿.基于MPC5744P的線控轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)研究［D］.大連：大連理工大學(xué)，2021.

［11］ 張亞楠，謝冬紅.基于模型設(shè)計的嵌入式軟件測試技術(shù)研究［J］.電子世界，2018（9）：66.

［12］ 李洋.純電動裝載機整車控制器及控制策略研究［D］.濟南：山東大學(xué)，2022.

［13］ 申開宇.小型挖掘機遠程控制系統(tǒng)設(shè)計與軌跡規(guī)劃研究［D］.太原：太原科技大學(xué)，2023.

［14］ 王銳松，吳曉東.面向遠程駕駛的數(shù)據(jù)通訊交互時延分析［J］.電子技術(shù)與軟件工程，2021（22）：22-25.

［15］ 孫宇彤.5G遠程實時控制的時延分析［C］//5G網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新研討會（2019）論文集.北京：TD產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，2019：5.

Development of remote driving controller for a new energy loader

YUE Yuanhang1， JI Shaobo1，2*， LIU Zhenge3， HU Longyu1，

CHEN Zhongyan4， ZHANG Qiang1

1.School of Energy and Power Engineering，Shandong University，Jinan 250061，China；

2.Shandong Province Engineering Research Center，Intelligent Testing and High-end Equipment of Automotive Power Systems，Jinan 250357， China;

3.School of Intelligent Transportation， Shandong Technician Institute，Jinan 250204，China;

4.Shandong Fuel Cell Power in Technology Co.， Ltd.， Jinan 250100，China

Abstract：To enhance the remote operation performance of a hybrid loader， a controller is developed using a 32-bit high-performance microcontroller. Based on 5G communication technology and Simulink software， control strategies are designed for the loader′s walking system， hydraulic system， braking system， steering system， and accessory systems. Experimental validation is conducted through tests on delay， braking， and operational performance to achieve remote driving control of the loader. The test results indicate that data transmission between the vehicle end and the remote end is complete， with a data transmission delay of approximately 25 ms. When the remote braking pedal is pressed， after about 0.3 s， the motor torque at the vehicle end drops from 100 N·m to 0; after about 0.7 s， the motor speed decreases from 800 r/min to 0. The loader′s rocker arm and boom respond correctly to the control commands from the remote pilot handle， although there is a slight delay in action. The design of the remote driving control logic meets the requirements for remote driving and satisfies practical usage needs.

Keywords：new energy loader; remote driving; control strategy; functional testing

（責(zé)任編輯：胡曉燕）

收稿日期：2024-05-10

基金項目：山東省科技型中小企業(yè)創(chuàng)新能力提升工程項目（2022TSGC2041）；動力機械與工程教育部重點實驗室開放課題項目（202302）

第一作者簡介：岳遠航（2001—），男，山東濟寧人，碩士研究生，研究方向為汽車測控技術(shù)，E-mail：480491661@qq.com。

*通信作者簡介：紀(jì)少波（1979—），男，山東煙臺人，教授，主要研究方向為新能源車輛測控技術(shù)研究，E-mail：jobo@sdu.edu.cn。