机场履带式工程机械行驶控制器及数据通讯系统研发

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论文字数:62536 论文编号:sb2022031210515844792 日期:2022-03-28 来源:硕博论文网

本文是一篇机械论文研究,论文主要研究工作与结论概述如下:(1)考虑了更贴近实际的滑移滑转情况下,建立了瞬时转动中心的距离和驱动电机转速的关系式,通过牛顿迭代法建立 Simulink 仿真,分析横摆角速度和电机转速差之间的关系,提出了工程上用直线取代非线性方程组的近似解。

1 绪论

1.1 引言
随着人们对于远距离交通需求日益增加,飞机的舒适性和便捷性使其得到了广泛的普及,相应的机场建设也在我国如火如荼地进行。在提出的民航十三五规划中资料显示,在过去的 2020 年间 50 多个新机场被建立,运输机场的数量更是达到了 260 多个,这代表机场建设逐步迎来井喷期[1]。
可是我国现有的老年化问题等造成的劳动力缺失现状,迫使机场施工尤其是需要大量劳动力的道面施工采取不同的施工方式解决劳动力的问题[2, 3]。对于机场建设,摊铺机作为一种公路施工先进的智能化工程机械,具有智能化程度高、作业质量好、可靠性高等显着优点,快速有效施工的同时减少作业劳动力[3-5]。虽然摊铺机能够一定程度的取代传统劳动力,但是我国对于机场道面施工有严苛的规范,摊铺机实现摊铺后的表面无法满足规范的要求,需要对其后续进行再处理,然而市面上的摊铺机无法实现后续的处理工序,因此实际施工时还是需要大量的劳动力来辅助道面施工,因此设计智能化工程机械机场道面成型机来实现复杂的后处理工序。工程机械智能化可以实现集成化操作和智能控制,能够替代劳动力的同时使得项目施工高效、低耗,是未来飞机场建设的重要发展方向之一[6]。工程机械智能化是指结合计算机知识、嵌入式知识、电子电工知识等使工程机械完全或部分自动化的技术[7]。我国对于在上世纪末期就已经开始着手研究工程机械智能化,标志性事件是“863”计划的建设[8, 9]。在经历了探索阶段、二次开发阶段、学习研究阶段后,我国在智能化控制技术和工业通讯技术方面取得了极大的进展,工程机械的智能化水平快速发展,已经具备了独立研发的能力[10]。
履带式行走装置因行驶过程中地面附着能力强,拥有较大的支撑面积以及载重能力强的特点,广泛应用于工程机械等领域,尤其在机场建设中,所使用的工程机械基本都采用履带式的行走装置[3,  11]。而使用电驱动的履带式工程机械由于可以通过驱动电机直接驱动工程机械行驶,具备响应速度快、能源利用率高等特点。电驱动履带式工程机械的驱动系统中的电池包、电机控制器等不用机械连接,节省空间,并且百年与数字化和物联化,有利于单车智能和多车智能的实现[12, 13]。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 CAN 总线研究现状
控制局域网 CAN(Controller Area Network)是在汽车、工业领域上使用率很高的一种现场的总线形式,是德国公司最早为了在汽车领域中解决汽车检测以及控制系统研发的一种通讯协议[18, 19]。而如今在机械领域、农业领域、医疗机械领域等都有所发展。CAN总线的通讯方式是串行差分传输,通过这种通讯方式,CAN 总线能够实现 1Mbps 高传输速率,并且其最远传输距离可以达到 10km,具备极强的抗干扰性[20, 21]。在工程机械分布式控制、实时性控制通讯传输网络中得到极大的应用。
CAN 总线的基本特点如下:
(1)可以实现多主控制。CAN 总线上所有的节点都可以发送 CAN 通讯帧,所有帧中不像 TCP/IP 通讯包含设备的硬件地址,帧的传输源和目标都是通过标识符 ID 来标记[22],并且通过标识符判断该帧的优先级。在 CAN 网络中,每帧 ID 是唯一的。此外由于CAN 采用不归零(NRZ,Non-Return to Zero)方式编码,总线只有两种状态分别未显性电平 0 和隐形电平 1。若 CAN 总线上多个节点同时发送帧,对标识符 ID 进行显隐性的判断,先出现隐性的退出竞争,最后只留下优先级最高的,实现总线仲裁[23, 24]。
(2)CAN 总线对于节点的适配性。因为在 CAN 总线上对于帧的判断是通过标识符ID 进行的,而且除了 CAN 两端的节点需要抑制干扰而串联 120 欧姆的终端电阻之外,节点可以直接从 CAN 总线上删减,而不对其他节点造成任何影响,对于数据通讯端的替换、升级都较为方便。[25-27]。
(3)错误处理。在 CAN 总线上的任何数据通讯节点都有错误自检功能,若发现错误则会通知其他节点,并且一直处于重传直到正常为止[28-30]。 
(4)抗干扰能力强,负载能力强。CAN 总线硬件上采用双绞线差分信号进行通讯,通过 CAN_L 和 CAN_H 之间的电位差传递信息,因此其抗噪声干扰能力强,并且 CAN总线还具备极强的负载能力,可以容纳多个数据通讯节点[31, 32]。
CAN 总线的研究成果在各个领域都有广泛的发展。Rohrer[33]等人设计基于 SAE J1939 的控制器局域网连接的嵌入式控制器并广泛用于现代越野机械,以广播用于车载过程和诊断的机器信息。海军装备部的芈小龙[34]等人根据舰船导航系统的信息特征,进行了 CAN 总线网络的搭建,验证其在允许带宽内最大发送速率为 0.568Mbps,以及典型延迟时间为 0.625ms,满足实际需求。吉林大学的李恒[35]设计了基于 CAN 网络的智能车辆管控系统,使用 TJA1050 芯片搭建嵌入式管理系统,对车辆信息进行解析,搭配 TCP/IP架构的服务器实现对于车辆的实时监控和管理。浙江大学的罗源[36]设计研发了重型柴油车远程排放监控系统,在下位机的研发中,采用 CAN 采集模块连接汽车故障诊断系统对车辆故障信息和行驶数据进行采集。
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2 履带式工程机械行驶控制系统方案设计

2.1 行驶控制系统的开发背景
2.1.1 机场道面履带式工程机械结构
机场道面成型机是一种应用于机场专用场景的智能化履带式工程机械,相对于应用于其他的场景的履带式工程机械,其主要的工作特点为大宽度大厚度、双边履带同步精度要求高、行驶速度低、工作平台可伸缩等特点。机场道面成型机结构示意图如图 2.1。从示意图中看出整个机场道面成型机可以分成机体部分和走行部分。

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行走部分由驱动机构、履带底盘和行走支撑构成。驱动机构与履带底盘的主驱动轮连接,由开关磁阻电机和一级减速机构组成,将电能转换为机械能,通过减速机构的减速增扭作用驱动履带底盘前进或后退。履带底盘采用钢制的,有较大的承载能力和牵引力,结构强度和刚度大,并且内藏有低俗大扭矩马达行走减速机,实现二次减速增扭作用,具备高通过性。
机体的部分由电池组、操作台、作业机构(抹平机构)和工作平台构成。电池组为机场道面成型机整机提供电能。操作台是人机互动的部分,通过触摸显示器完成对机场道面成型机的作业模式配置等功能。作业机构执行抹平抹光、养护剂喷洒等道面成型工序。作业平台用于支撑和定位作业机构,为了适应多宽度路面的施工,作业平台可伸缩,长度变化范围在 5.4m 和 7.7m 之间。
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2.2 履带式工程机械行驶控制需求分析
应用于机场的智能履带式工程机械行驶控制主要包含以下需求:
(1)履带式工程机械在非作业模式下可以在现场操作员的操控下进行工作场景的转移,该模式下履带式工程机械能够在一定的行走速度的条件下完成前进、倒退、转向等基本行走指。该功能保证了履带式工程机械在非作业模式下能够快速到达指定的工作位置,以及在完成作业后通过斜板退回到集装箱等地点进行安置。
(2)履带式工程机械智能化行驶依赖于各个数据通讯端,因此该工程机械需要具备自检功能,包含对作业依赖的传感器进行测试,对行驶控制器的工作环境测试以及对执行机构的检查。行驶控制系统自检完成后需要将自检的结果反馈给现场操作员,以确保能够及时排除机械故障,保证作业正常。
(3)履带式行驶系统是个多输入量多输出量的控制系统,各个数据通讯端不仅通讯方式不同,且安装在工程机械的不同位置,因此需要设计专用的模块,适应不同的硬件接口(RS232 等)和软件协议的数据通讯端,选取适用于工程机械的通讯方式和行驶控制器连接,并且制定相关的协议,周期性的完成数据的采集和信号的传输。
(4)工程机械作业时履带位于待施工道面的两侧,工程机械在行驶的过程中严禁双边履带和施工道面出现刮蹭现象,因此在自动行驶过程中要保证履带和待施工道面间足够的横向距离。该功能要求履带式工程机械能够在随机外部干扰的情况下保证一定的双边履带同步率,并且通过直行纠偏策略来消除双边履带同步过程中累积的角位移误差和横向距离误差。
(5)对于履带式工程机械的智能化要求,行走系统需要具备基本的安全功能,例如在履带式工程机械的行进道路上如出现障碍物需要制定相应的遇障策略,发出警告的同时实行制动控制,保障履带式工程机械的正常作业和现场施工人员的安全。
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3  履带式工程机械运动仿真分析 ....................................... 17
3.1  履带式工程机械直线行驶运动学分析 ........................................ 17
3.2  履带式工程机械转向行驶分析 ......................................... 18
4  基于 CAN 总线协议的数据通讯系统设计 .................................... 38
4.1  数据通讯系统结构设计 .............................................. 38
4.2  数据通讯系统模块搭建 .................................................... 40
5  履带式工程机械行驶控制器设计 ...................................... 61
5.1  履带式工程机械行驶控制器选型 ......................................... 61
5.2  行驶控制器基于状态机软件总体设计 ....................................... 63

6 行驶控制器及数据通讯系统功能验证与分析

6.1 试验平台的搭建
6.1.1 履带式工程机械试验样机搭建
根据第四章中的对于 CAN 总线协议模块的电路部分设计,进行 PCB 板的制作以及贴片回流焊,经过电路调式,试制出模块的具体实物图如图 6.1。

机械论文参考
机械论文参考
在 CAN 总线协议模块的基础上完成数据通讯系统的搭建,已选择的数据通讯端中避障雷达原本的通讯方式是 TTL,实际应用中采用 TTL 接入 CAN 总线协议模块再经过远距离 CAN 总线传递给行驶控制器,在试验台架中为了节省 CAN 总线协议模块的 USART 口采用 USART 转 RS485 接入 CAN 总线协议模块,如图 6.2;横摆角速度传感器使用 RS232通讯接口和 CAN 总线协议模块连接;Zigbee 模块使用 TTL 和 CAN 总线协议模块连接;警报机构使用的是 I/O 口控制,在已使用的 CAN 总线接口资源中,存在两个 RS485 的配置口,通过对 CAN 总线协议模块编程实现 RS485 配置口对于警报机构的控制。
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7 总结与展望

7.1 全文总结
本文是基于机场道面成型机开发背景下提出的机场履带式工程机械行驶控制器及数据通讯系统研发。根据机场施工环境下提出的行驶智能化需求,对行驶控制器及数据通讯系统进行方案设计,提出基于 CAN 总线的数据通讯系统和模块化理念的行驶控制器,并且通过搭建的试验平台对功能模块进行验证。论文主要研究工作与结论概述如下:
(1)考虑了更贴近实际的滑移滑转情况下,建立了瞬时转动中心的距离和驱动电机转速的关系式,通过牛顿迭代法建立 Simulink 仿真,分析横摆角速度和电机转速差之间的关系,提出了工程上用直线取代非线性方程组的近似解。
(2)根据多输入量多输出量的特点设计了基于 CAN 总线的数据通讯系统,将多样的数据通讯端通过 CAN 协议模块接入到行驶控制器的控制总线,CAN 总线具备抗干扰能力强的特点,便于在履带式工程机械上进行布线。对于人机交互的遥控操作端,使用低功耗的 Zigbee 无线通讯,和行驶控制器建立近距离、低成本、传输可靠的安全通讯。
(3)在 CAN 总线协议模块的硬件设计中,输入接口设计为两个可以灵活选择的RS232/RS485 和一个常用的 USART 接口(TTL 电平),输入接口基本覆盖了市面上数据通讯端最为常见的硬件接口,并且还设计了两个 RS485 传输的配置引脚,在未选择 RS485的时候也可以作为数字引脚输出输入。采用光耦隔离提高 CAN 总线的可靠性,防止数据通讯端若工作在高压下出现短路等对通讯芯片甚至行驶控制器造成干扰,并且配置了FLASH 和 EEPROM 外设,保存关键数据。
(4)在 CAN 总线协议模块的软件设计中,在主控芯片上运行 μC/OS-II 操作系统,采用多任务的结构,解决数据通讯端和 CAN 总线通讯频率不同的问题,并且完成厂商协议和 CAN 自定义协议之间的转换。极大减轻行驶控制器的工作负荷,便于快速开发。通过 PC 端对 CAN 总线数据帧解析,验证了各个数据通讯端的功能,包括数据周期上报和数据交互功能。
参考文献(略)
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