高 欣， 涂朝輝， 陳鑫凱， 趙 朋， 孫 帥， 吳 珂

（河北省智能裝備數(shù)字化設(shè)計(jì)及過(guò)程仿真重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室唐山學(xué)院， 河北 唐山 063000）

1 研究背景

水泥罐車、挖掘機(jī)等工程車輛的作業(yè)環(huán)境惡劣危險(xiǎn)，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)會(huì)使得車輛操作人員身處險(xiǎn)境，如圖1所示，而一套便捷的遙控系統(tǒng)可以讓操作人員自由地選擇相對(duì)安全的環(huán)境對(duì)車輛動(dòng)作進(jìn)行遠(yuǎn)距離控制，可以降低現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，不必拘泥于駕駛室操作臺(tái)，更容易觀察現(xiàn)場(chǎng)的作業(yè)條件，改善作業(yè)品質(zhì)。遙控系統(tǒng)作業(yè)可以有效減少人員傷亡，降低風(fēng)險(xiǎn)損失，整體提高工作效率和安全性。

圖1 工程車輛作業(yè)環(huán)境危險(xiǎn)現(xiàn)場(chǎng)

目前遙控大多通過(guò)紅外、無(wú)線電信號(hào)、藍(lán)牙、WIFI等無(wú)線數(shù)據(jù)鏈路進(jìn)行發(fā)射和接收，發(fā)射端的按鈕信號(hào)被接收端轉(zhuǎn)換為開(kāi)關(guān)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)車載開(kāi)關(guān)設(shè)備的控制[1]。但是，目前車載控制器在工程車輛中逐漸普及，其大多采用CAN通信方式，現(xiàn)有遙控系統(tǒng)不能轉(zhuǎn)換為車載CAN信息，不能實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)有車輛車載總線的接口。

本項(xiàng)目研發(fā)了一種專用車輛通用的并行遙控系統(tǒng)，以水泥罐車、挖掘機(jī)等工程車輛為研究對(duì)象，實(shí)現(xiàn)車輛作業(yè)遙控功能。專用車輛并行遙控系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)水泥罐車常規(guī)操作、挖掘機(jī)液壓缸控制、方向閥、油門等，該系統(tǒng)支持作業(yè)人員遙控車輛動(dòng)作，控制權(quán)限與駕駛室操作面板并行，遙控信息能夠轉(zhuǎn)化為常用的車載CAN協(xié)議信息，同時(shí)兼顧車載數(shù)字設(shè)備的開(kāi)關(guān)信號(hào)輸出，通用性更強(qiáng)。

2 并行遙控系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

2.1 并行遙控系統(tǒng)的通信流程設(shè)計(jì)

如圖2所示，系統(tǒng)分為發(fā)射端模塊、接收端模塊，其中發(fā)射端用于操作人員手持，接收端模塊為車載設(shè)備固定于車輛，發(fā)射端和接收端之間通過(guò)無(wú)線鏈路完成通信。

圖2 并行遙控系統(tǒng)的通信鏈路示意圖

2.2 通信方式和通信協(xié)議的選定

目前更多的工程車輛車載操作臺(tái)與執(zhí)行設(shè)備之間采用CAN通信，一般工程車輛車載控制器都選擇CAN接口通信[2]，因此，車端選定CAN通信。發(fā)射端和車端之間的無(wú)線聯(lián)絡(luò)選用WIFI無(wú)線傳輸。

2.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖3所示，并行遙控系統(tǒng)系統(tǒng)由發(fā)射端、接收端兩部分子系統(tǒng)組成。

圖3 并行遙控系統(tǒng)組成設(shè)計(jì)

1） 發(fā)射端。發(fā)射端遙控器按鈕的開(kāi)關(guān)量輸入單片機(jī)，單片機(jī)接收并判斷按鍵ID，并形成鍵盤狀態(tài)數(shù)據(jù)信息，單片機(jī)將鍵盤狀態(tài)數(shù)據(jù)信息以TTL電信號(hào)輸出，TTL-CAN模塊將TTL信號(hào)轉(zhuǎn)換為CAN信息，在經(jīng)CAN-WIFI模塊將CAN信息轉(zhuǎn)換為WIFI無(wú)線信號(hào)傳輸至接收端。

2） 接收端。接收端安裝于工程車輛(車端)，其通過(guò)無(wú)線WIFI形式接收控制信息，CAN-WIFI模塊轉(zhuǎn)換WIFI信號(hào)轉(zhuǎn)換為CAN信號(hào)，CAN信號(hào)接入車載控制器的CAN總線，同時(shí)，TTL-CAN模塊將CAN信息轉(zhuǎn)換為TTL信號(hào)輸入進(jìn)單片機(jī)，單片機(jī)做解算和判斷后輸出開(kāi)關(guān)信號(hào)，控制車載開(kāi)關(guān)設(shè)備，并行于駕駛室實(shí)現(xiàn)車輛動(dòng)作功能。

3） 雙向通信鏈路。為便于調(diào)試和后續(xù)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能的開(kāi)發(fā)，目前的方案設(shè)計(jì)了發(fā)射端和接收端的雙向通信鏈路。

3 系統(tǒng)硬件選型和硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 硬件系統(tǒng)組成與原理

如圖4所示，系統(tǒng)硬件選型如下。其他為12V、5V電源燈，模塊選型單一，便于開(kāi)發(fā)調(diào)試和生產(chǎn)組織。

圖4 專用車輛并行遙控系統(tǒng)硬件系統(tǒng)原理圖

1） 發(fā)射端：TC264單片機(jī)、TTL轉(zhuǎn)CAN模塊、CAN轉(zhuǎn)WIFI模塊（GCAN-211模塊）。

2） 接收端：TC264單片機(jī)、TTL轉(zhuǎn)CAN模塊、CAN轉(zhuǎn)WIFI模塊（GCAN-211模塊）。

3.2 TC264單片機(jī)

發(fā)射端和接收端為兩片TC264單片機(jī)負(fù)責(zé)接收開(kāi)關(guān)量、串口通信、輸出開(kāi)關(guān)量、邏輯判斷、數(shù)據(jù)打包、數(shù)據(jù)解析等。

3.3 TTL轉(zhuǎn)CAN模塊

TC264的P14.0和P14.1引腳連接TTL轉(zhuǎn)CAN模塊（圖5）的TX和RX引腳，發(fā)送端TTL轉(zhuǎn)CAN模塊負(fù)責(zé)將單片機(jī)信號(hào)的TTL信號(hào)轉(zhuǎn)成CAN進(jìn)行傳輸，發(fā)送端TTL轉(zhuǎn)CAN模塊負(fù)責(zé)再將CAN信息轉(zhuǎn)換為TTL信號(hào)輸入單片機(jī)，CAN總線連接通信電纜為CAN_H和CAN_L，模塊通過(guò)AT指令或者串口調(diào)試工具配置為數(shù)據(jù)透?jìng)髂Ｊ健?/p>

圖5 TTL轉(zhuǎn)CAN模塊

3.4 CAN轉(zhuǎn)WIFI模塊

發(fā)射端和接收端的CAN轉(zhuǎn)WIFI模塊（圖6）負(fù)責(zé)將CAN_H和CAN_L線路的CAN信息和WIFI信號(hào)之間互相轉(zhuǎn)換。

圖6 CAN轉(zhuǎn)WIFI模塊

3.5 系統(tǒng)電氣連線設(shè)計(jì)

如圖7所示，發(fā)射端通過(guò)P23.1、P32.4、P13.1、P15.0、P21.2、P21.3、P21.4和P21.5 作 為8 個(gè) 按 鍵，接收 端 通 過(guò)P13.2、 P15.4、 P33.10、 P33.13、 P20.8、 P00.1、 P22.3、P00.2作為車端數(shù)字開(kāi)關(guān)量輸出DO1-DO8，其中CAN_H、CAN_L為車載CAN總線。

圖7 發(fā)射端/接收端電氣連線圖

發(fā)送端的設(shè)計(jì)主要分為4個(gè)部分：發(fā)送TC264單片機(jī)、TTL轉(zhuǎn)CAN模塊、WIFI轉(zhuǎn)CAN模塊、電源等。發(fā)送端程序包括按鍵識(shí)別、消抖、數(shù)據(jù)打包、串口數(shù)據(jù)傳輸?shù)?，TC264單片機(jī)通過(guò)P14.0和P14.1端口發(fā)送數(shù)據(jù)給TTL轉(zhuǎn)CAN模塊，該轉(zhuǎn)換模塊負(fù)責(zé)將信號(hào)轉(zhuǎn)換成CAN信號(hào)進(jìn)行發(fā)送，TTL轉(zhuǎn)CAN模塊的CAN-L和CAN-H引腳口連接WIFI轉(zhuǎn)CAN模塊的CANL和CAN-H引腳，其將轉(zhuǎn)換CAN信號(hào)傳輸給CAN轉(zhuǎn)WIFI模塊，該模塊將CAN信號(hào)轉(zhuǎn)換成WIFI無(wú)線信號(hào)對(duì)外傳輸。

接收端的設(shè)計(jì)主要分為4個(gè)部分：WIFI轉(zhuǎn)CAN模塊、TTL轉(zhuǎn)CAN模塊、接收TC264單片機(jī)、電池組。WIFI轉(zhuǎn)CAN模塊接收WIFI信號(hào)之后通過(guò)WIFI轉(zhuǎn)CAN模塊將其信號(hào)轉(zhuǎn)成CAN信號(hào)并發(fā)送到TTL轉(zhuǎn)CAN模塊，該模塊將CAN信號(hào)轉(zhuǎn)成單片機(jī)可以識(shí)別的信號(hào)輸入TC264單片機(jī)，TC264單片機(jī)接收到信號(hào)后解析并進(jìn)行相關(guān)判斷，輸出為DI0-DI8的控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的動(dòng)作和姿態(tài)控制，同時(shí)并聯(lián)的CAN_H、CAN_L跟車載控制器的CAN接口連接，通過(guò)車載控制器CAN信息完成車輛控制。

3.6 AURIX軟件設(shè)計(jì)

使用英飛凌開(kāi)發(fā)軟件AURIX Development Studio構(gòu)建開(kāi)發(fā)環(huán)境框架，測(cè)試程序的編寫(xiě)燒錄，發(fā)射端單片機(jī)對(duì)8個(gè)按鍵的對(duì)應(yīng)串口進(jìn)行編程，選擇P23.1、P32.4、P13.1、P15.0、P21.2、P21.3、P21.4和P21.5作為8個(gè)按鍵的發(fā)送引腳口，接收 端 選 擇P13.2、P15.4、P33.10、P33.13、P20.8、P00.1、P22.3和P00.2作為8個(gè)動(dòng)作的輸出端口，編程完成后將程序分別燒錄在發(fā)射單片機(jī)和接收單片機(jī)。AURIX Development Studio編程界面如圖8所示。

圖8 AURIX Development Studio編程界面

3.7 無(wú)線遙控器外殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

利用三維建模軟件Solidworks對(duì)無(wú)線遙控器外殼進(jìn)行設(shè)計(jì)和模擬裝配，做必要的有限元分析，驗(yàn)證其設(shè)計(jì)的合理性，如圖9所示。本課題所設(shè)計(jì)的無(wú)線遙控器體積小，可以通過(guò)螺栓固定在方便使用的地方，也可以通過(guò)無(wú)線遙控器上的兩個(gè)手柄拿在手上，方便實(shí)時(shí)操作，滿足各種情況安裝需求。

圖9 遙控器三維設(shè)計(jì)圖

4 系統(tǒng)調(diào)試

并行遙控系統(tǒng)通過(guò)驗(yàn)證可以實(shí)現(xiàn)相關(guān)控制動(dòng)作，圖10為控制信號(hào)傳到接收端單片機(jī)的測(cè)試實(shí)驗(yàn)，右側(cè)開(kāi)發(fā)板為信號(hào)發(fā)射端，手指按動(dòng)右側(cè)開(kāi)發(fā)板上按鍵控制綠色LED燈點(diǎn)亮，經(jīng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信，控制左側(cè)開(kāi)發(fā)板上綠色LED燈顯示為相同的狀態(tài)，能實(shí)現(xiàn)無(wú)線遙控，控制挖掘機(jī)做出相應(yīng)的規(guī)定動(dòng)作。

圖10 調(diào)試試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

5 結(jié)論

本課題實(shí)現(xiàn)了基于英飛凌TC264的發(fā)射和接收遙控系統(tǒng)的硬軟件設(shè)計(jì)、制作和試驗(yàn)，該系統(tǒng)與工程車輛車載控制系統(tǒng)無(wú)線并行，實(shí)現(xiàn)了CAN通信傳輸、WIFI通信對(duì)工程車輛的遙控并行控制。后期在產(chǎn)品人機(jī)工程學(xué)、成本控制等方面要進(jìn)行更深入的研究。