全劍敏，吳光榮，汪曉波，江傳尚，齊國強

(中國電子科技集團公司第52研究所 研發(fā)中心，浙江 杭州 310012)

高空作業(yè)車是一種能夠在各種高空建筑物空隙間作業(yè)的設備，廣泛應用于電力、路燈、市政、園林、通信、機場、造(修)船、交通、廣告、攝影等高空作業(yè)領域[1]。目前，高空作業(yè)車主要有臂式和剪式兩大類，由3個部分組成:基面(base)、起重機構(liftingmechanism)和作業(yè)平臺(platform)組成[2]。文中涉及的控制器主要應用于臂式高空作業(yè)車，其除了具有較寬的車身、較大車輪之外，為了加強穩(wěn)定性，裝配有支腿(outrigger)，起重機構一般為液壓驅動。

傳統(tǒng)的高空作業(yè)車沒有采取智能控制器進行控制操作，而是完全依靠操作人員的視覺反饋以及機械調速閥對機構進行控制，精確性能差，高空作業(yè)安全性不高。文中基于此點設計了一種高空作業(yè)車智能控制器，結合安裝于高空作業(yè)車上的各類傳感器以及檢測開關、比例閥組及手柄等器件，實現(xiàn)了整個高空作業(yè)車控制系統(tǒng)，如圖1所示。由于采用了智能控制器，其作業(yè)范圍、速度輸出以及動作輸出的合法性檢測都由智能控制器進行運算及控制，使得控制精確性更高、可靠性更強、速度輸出的精細度更高、可控性好、操作安全智能，大大提高了高空作業(yè)車的自動化控制水平。

圖1 高空作業(yè)車控制系統(tǒng)組成

1 智能控制器的整體框架設計

文中設計的智能控制器硬件平臺主要由RS232/485及CAN通信模塊、模擬量輸入模塊、PWM信號輸出模塊、開關量輸出模塊、開關量輸入模塊、電源模塊等組成，系統(tǒng)原理框圖，如圖2所示。開關量輸入經(jīng)過輸入電路后連接到CPU的IO總線上。1型模擬量輸入與CPU的片上ADC連接，2型模擬量輸入經(jīng)過ADC芯片后與CPU的IO總線相連。LED、繼電器、PWM等經(jīng)過輸出電路后與CPU的IO總線連接，RS232/485，CAN電路與CPU的對應通信相連。系統(tǒng)采用ARM7架構的低功耗32位RISC處理器NXP LPC2378，主頻達到72 MHz，512 kB片 上Flash，48 kBSRAM，高速的運算處理能力及硬件資源能處理多數(shù)復雜應用[3，4]。

圖2 智能控制器控制電路的框架設計

2 智能控制器硬件模塊電路設計

2.1 電源設計

電源性設計的優(yōu)劣是影響汽車電子產(chǎn)品穩(wěn)定可靠性的重要因素。本控制器設計為24 V系統(tǒng)，允許輸入電壓波動范圍為18～30 V，峰值電壓最大可達45 V。電源設計上主要從電壓跌落保護、逆極性保護以及靜電、脈沖群、浪涌保護等方面進行考慮，方案示意圖，如圖3所示。

圖3 智能控制器電源設計框圖

電源從汽車蓄電池經(jīng)由電源輸入部分引入控制器，為整個系統(tǒng)供電，通過扼流圈后，經(jīng)過逆極性保護電路。此后，電源電路分成兩部分，一部分經(jīng)過外部電源輸出電路，為PWM模塊以及開關量輸出模塊提供電能;另一部分經(jīng)過內部電源電路轉換成12 V，5 V，3.3 V等電壓，向內部器件供電。另外，添加系統(tǒng)電壓監(jiān)測電路，通過軟硬件綜合處理，使得控制器在電源電壓出現(xiàn)20 ms的電壓跌落時正常工作，在500 ms之內的電壓跌落時，不出現(xiàn)誤動作(但允許復位)。

2.2 輸入輸出模塊電路設計

智能控制器硬件的輸入模塊，主要包含開關量輸入和模擬量輸入。出于系統(tǒng)安全可靠性考慮，在模塊電路的設計上進行了很多處理[5]。下面以開關量原理圖簡要說明。如圖4所示，外部電平信號從DI1端輸入，經(jīng)過壓敏電阻和高壓電容進行瞬態(tài)保護后，通過信號濾波及限流電阻。出于抗干擾考慮，添加一個11 V左右導通的穩(wěn)壓管，則低于11 V的電平信號都不會通過該器件進入內部電路;對于負電平輸入，通過BAT54把電壓穩(wěn)定0 V附近?？刂破鞯哪M量輸入分別用于系統(tǒng)電壓及傳感器電壓監(jiān)控、PWM輸出反饋和外部傳感器信號采集。根據(jù)不同的應用要求，前者采用CPU的片上10位ADC，后者采用AD7891轉換芯片進行模擬信號采集。對于控制器硬件的輸出模塊，則包括繼電器輸出、場效應管輸出、PWM以及LED輸出。

2.3 動作急停電路

出于安全性考慮，防止誤動作輸出，作為開關量輸入信號的動作停止信號，除了傳遞給CPU用于程序停止的硬件輸出之外，還傳遞給動作急停電路。動作急停電路將所有的CPU信號輸出立即屏蔽，使得CPU程序對高空作業(yè)車的輸出，除LED信號之外的其他任何控制信號，都被屏蔽，充分保證系統(tǒng)安全。LED信號用于故障顯示，如圖2所示。圖6是智能控制器的硬件實物圖。

圖6 智能控制器硬件實物圖

3 智能控制器的軟件設計

智能控制的軟件設計框架，如圖7所示，分為控制信號輸入模塊、工作臂動作控制模塊、車體姿態(tài)計算模塊、作業(yè)范圍計算與處理模塊、錯誤診斷及處理模塊、發(fā)動機處理模塊以及控制信號輸出模塊等等。其中工作臂動作處理，包括操作優(yōu)先級處理、閥處理、自動收回控制器、周速處理、速度緩沖處理及速度輸出等處理。錯誤診斷及處理模塊貫穿整個軟件系統(tǒng)。

圖7 智能控制器軟件框架

針對該智能控制器的各種控制功能及控制精確度，進行了長時間的實車測試。在測試中，與沒有采用智能控制器的車輛相比，操作人員明顯感覺現(xiàn)有系統(tǒng)對速度控制精度有顯著提高。在超過車輛作業(yè)范圍時，控制器能夠自動禁止會發(fā)生危險方向的動作輸出，相比單純依靠操作人員反饋，安全性及精度都有較大提高。圖8是該高空作業(yè)車智能控制器在進行伸縮動作的現(xiàn)場測試圖。經(jīng)過細致測試，控制器的各項功能都達到設計要求。

圖8 現(xiàn)場測試圖

4 結束語

文中在介紹高空作業(yè)車控制系統(tǒng)組成的基礎上，給出了智能控制器的整體框架結構，接著針對控制器的軟硬件實現(xiàn)進行了闡述。高空作業(yè)車的作業(yè)范圍限制，動作的輸出控制完全由控制器進行運算控制，使得高空作業(yè)車的控制精確性更高，速度控制更加細致。同時，對操作人員的要求降低，操作安全智能、可靠性高。目前，該系統(tǒng)在實際應用測試中，運行良好，取得了預期效果。

[1] 中商情報網(wǎng).2009～2010年中國高空作業(yè)車行業(yè)投資分析與前景預測報告[EB/OL].(2009-03-11)[2009-06-01]http://www.askci.com/UploadFiles/200931610188304.doc.

[2] Bowden，F(xiàn)rank Roger.Mobile work Platform[EB/OL].(2008-03-01)[2009-05-12]https://pub lications.european-patent-office.org/PublicationServer/getpdf.jsp？cc=EP＆pn=1967486＆ki=A 1.

[3] 周立功.ARM嵌入式系統(tǒng)基礎教程[M].北京:北京航空航天大學出版社，2005.

[4] NXP.LPC2378 Datasheet[EB/OL].(2008-11-19)[2009-06-01]http://www.nxp.com/acrobat_download/datasheets/LPC2377_78_4.pdf.

[5] 張景春，錢莉.日產(chǎn)高空作業(yè)車主控電路板的原理分析[J].計算機與數(shù)字工程，2005，33(5):53-55.