張積洪，周同旭

（中國民航大學航空自動化學院，天津 300300）

航空器因許多不確定的原因在機場及其周邊喪失其機動性，一旦出現(xiàn)航空器事故或殘損航空器停在機場某一區(qū)域，會妨礙其他航空器的運行，甚至迫使機場實施關(guān)閉。因此，迅速將其搬移出妨礙機場開放的地方，這對旅行公眾、其他運營者、機場當局以及駐場機構(gòu)很重要。同時，應盡快利用搬移拖車將事故航空器在最短時間內(nèi)搬移到不妨礙機場開放的安全區(qū)，減少機場關(guān)閉時間，提高機場使用率。

機場應急救援拖車是航空器應急救援的重要設(shè)備之一，在保障飛機安全拖離事故現(xiàn)場的應用中，起到舉足輕重的作用，在其搬運殘損航空器時，各個拖車應同步轉(zhuǎn)向，以減小對設(shè)備的應力損壞。本文采用ARM9和PLC為核心，通過采集安裝在機場應急救援拖車轉(zhuǎn)向機構(gòu)的角度傳感器數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對組合機場應急救援拖車的同步控制。本文主要對該系統(tǒng)的軟件程序進行了編寫設(shè)計及探討了相應測試方法。

1 系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向原理與實現(xiàn)方法

1.1 組合式機場應急救援拖車轉(zhuǎn)向原理

在搬運殘損航空器時，根據(jù)其起落架損壞程度，分為前起落架或者主起落架一側(cè)損壞、主起落架全部損壞、前起落架和單個主起落架同時損壞和起落架全部損壞，因此，根據(jù)實際工況，有圖1三種組合方式。

為了減小組合式機場應急救援拖車轉(zhuǎn)向時產(chǎn)生的路面對其行駛的附加阻力和輪胎過快磨損，要求轉(zhuǎn)向系能保證在車輛轉(zhuǎn)向時，所有車輪均作為純滾動而不產(chǎn)生側(cè)向滑移，將兩臺拖車看成一個整體，顯然，這只有在所有車輪的軸線都交于一點O0（O0稱為轉(zhuǎn)動中心）方能實現(xiàn)，本文采用兩車平行連接進行分析，建立坐標系，如圖2所示。

設(shè)第一臺救援拖車的左側(cè)第一個輪子的坐標為（x1，y1），車輪轉(zhuǎn)角 α1、第二臺拖車的輪子的坐標為（x2，y2），車輪轉(zhuǎn)角 α2，轉(zhuǎn)動中心 O0的坐標為（x0，y0），軸距和寬分別為l和b，則α1、α2的運算關(guān)系為

由式（1）、式（2）可得

1.2 系統(tǒng)的實現(xiàn)方法

本系統(tǒng)為主從式結(jié)構(gòu)，上位機以S3C2440ARM9控制器為核心，移植Linux系統(tǒng)和QT/Embedded圖形庫，主要實現(xiàn)多臺救援拖車位置關(guān)系的處理、救援拖車轉(zhuǎn)向角度的顯示、手動控制等人機交互功能。下位機以SIEMENS的SIMATIC S7－200PLC控制器為核心，電液比例閥為運動控制器，實現(xiàn)協(xié)同轉(zhuǎn)向控制功能。上下位機通過RS485總線通信。

1.3 系統(tǒng)實現(xiàn)的功能

1）通過操縱盒控制多臺救援拖車協(xié)同轉(zhuǎn)向和復位功能；

2）實時顯示采集到的角度傳感器數(shù)據(jù)、轉(zhuǎn)向狀態(tài)和系統(tǒng)出錯報警。

2 系統(tǒng)的程序設(shè)計

2.1 上位機程序的設(shè)計

2.1.1 利用QT/E多線程實現(xiàn)角度傳感器的同步采集

QT/E是Trolltech公司開發(fā)的面向嵌入式系統(tǒng)的QT版本，其控件豐富，并且支持虛擬幀緩沖。QT/E提供了一個與平臺獨立的線程類實現(xiàn)對多線程的支持，并且提供了線程安全的事件傳遞方式，QT/E將與線程相關(guān)的函數(shù)封裝為標準的C++類庫，使嵌入式系統(tǒng)多線程程序設(shè)計更加靈活和方便。線程Qthread使用start方法調(diào)用從 run（）函數(shù)開始執(zhí)行，Qmutex、Qread WriteLock、Qsemaphore以及QwaitCondition類保證線程可以同步的運行，部分程序如下：

2.1.2 GUI的設(shè)計

使用QT/E命令來編輯系統(tǒng)的GUI會浪費很多精力，如果使用QT Designer可以提高開發(fā)效率，它可以通過設(shè)計把相應的部件布置到顯示頁面上，使用系統(tǒng)中的信號與槽機制讓程序自動運行。

根據(jù)系統(tǒng)的要求，GUI如圖3所示。通過該界面可以實現(xiàn)輸入救援車坐標、控制救援車轉(zhuǎn)向、實現(xiàn)對數(shù)據(jù)實時查詢、與下位機通信等功能。數(shù)字鍵用于輸入救援拖車的坐標，完成后SetFinish鍵即可啟動上位機對下位機的控制，Left鍵、Right鍵、Reset鍵分別控制組合救援拖車的左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)和復位功能，同時在1Angel和2Angel中顯示被控的兩臺救援拖車的轉(zhuǎn)向角度。使用 QT/E 的 QLineEdit、QLabel、QPushButton 等控件可以方便地實現(xiàn)這些功能。

2.1.3 Linux平臺下串行口通訊

Linux所的設(shè)備文件都放在“/dev”目錄下，因此串

口對應的設(shè)備文件的路徑是“/dev/s3c2410_serial2”和“/dev/s3c2410_serial3”，配置的過程如下

在完成串口配置后，可調(diào)用read/write函數(shù)來讀寫串口：

2.2 系統(tǒng)的通訊協(xié)議

2.2.1 角度傳感器與上位機的串行通信協(xié)議

采用波特率為9 600 bit/s的半雙工傳輸，幀格式為串口9位方式，一個起始位，八個數(shù)據(jù)位，一個奇偶校驗位，一個停止位，偶校驗。數(shù)據(jù)格式：共6字節(jié)，如下：

數(shù)據(jù)含義：第一字節(jié)為起始標志0xAA，第二、第三字節(jié)為數(shù)據(jù)位的高字節(jié)和低字節(jié)，第四字節(jié)、第五字節(jié)為取反的數(shù)據(jù)位高字節(jié)和低字節(jié)，第六字節(jié)為結(jié)束字節(jié)0xFF。

若輸出的角度值為345.27，則其乘100后為34 527，其十六進制為0x86DF，按位取反后：0x7920，那么數(shù)據(jù)幀的組成如下

2.2.2 上位機與下位機串行通信協(xié)議

下位機S7-200 CPU在RUN模式下，通信接口設(shè)置為通訊協(xié)議完全由用戶程序控制的自由口通訊模式，使用SMB30定義通訊口工作模式，如表1所示。

表1 自由口工作模式Tab.1 Freedom port working mode

通過設(shè)置SMB87、SMB94可以實現(xiàn)接收數(shù)據(jù)和最大字符數(shù)，在本文中，設(shè)置如下：

上下位機數(shù)據(jù)格式：共8字節(jié)，如下：

數(shù)據(jù)含義：第一字節(jié)為起始標志0xBB，第二、第三字節(jié)選擇被控分機和取反字節(jié)，第四、第五字節(jié)為數(shù)據(jù)位的高字節(jié)和低字節(jié)，第六字節(jié)、第七字節(jié)為取反的數(shù)據(jù)位高字節(jié)和低字節(jié)，第八字節(jié)為結(jié)束字節(jié)0xEE。

被控分機得到主機傳入的數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)裝入脈沖口，實現(xiàn)變頻脈沖輸出。

2.2.3 利用PWM控制電液比例閥

脈沖寬度調(diào)制功能提供連續(xù)、占空比可調(diào)的脈沖輸出，提供用戶控制周期和脈沖寬度。此功能常被用作實際控制量輸出，通過調(diào)節(jié)其占空比和周期方可便地控制線圈的開合時間和頻率。本文利用它來控制電液比例閥實現(xiàn)兩臺救援拖車協(xié)同作業(yè)。

3 系統(tǒng)測試結(jié)果分析

模型連接如圖4所示。

測量模型各尺寸為：車軸距l(xiāng)=0.6 m，車寬b=0.36 m，第一臺車的坐標為（0，0），第二臺車的坐標為（0，0.3），單位：m，則由式（3）可得

理論角度 α1、理論角度 α2、實測角度 α1、實測角度α2、誤差角度σ如表2所示。

表2 試驗結(jié)果Tab.2 Results of test

本系統(tǒng)采用與實物1∶7.5的模型作為試驗，連接各模型和控制系統(tǒng)后，實測數(shù)據(jù)。由表2可知，實測數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)誤差在0.3°以內(nèi)，符合設(shè)計要求。

4 結(jié)語

本文介紹了一種基于ARM9的機場應急救援拖車電氣同步控制系統(tǒng)。通過輸入兩臺機場應急救援拖車坐標的方法來確定轉(zhuǎn)向關(guān)系，適用于不同工況下的飛機應急拖救；采用QT/E多線程的方法實現(xiàn)了對兩個角度傳感器的數(shù)據(jù)同步采集和處理，提高了效率，縮小了系統(tǒng)誤差；將程序移植到系統(tǒng)后，經(jīng)測試其值與理論值誤差在0.3°以內(nèi)，滿足系統(tǒng)的要求。

[1] 吳克強，吳政清，姜斯平.汽車構(gòu)造[M].上海：上?？茖W技術(shù)出版社，2003：327-354.

[2] 許曉東，李秀娟，紀賴恩.多線程技術(shù)在糧庫監(jiān)控管理系統(tǒng)中的應用[J].微計算機信息，2010，26（7-2）：84-85.

[3] 陳旭紅，高文學.Qt_Embedded串口類的設(shè)計及應用[J].湖北汽車工業(yè)學院學報，2010，24（4）：51-53.

[4] 丁林松，黃麗琴.Qt4圖形設(shè)計與嵌入式開發(fā)[M].北京：人民郵電出版社，2009：327-343.

[5] 黃宇東，陳耀明，陳 安.基于Qt的多線程技術(shù)應用與研究[J].軟件導刊，2009，8（10）：40-42.

[6] 張修如，袁曉紅.PC與S7-200 PLC自由通信協(xié)議的研究[J].湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院學報，2004，4（3）：16-17.