基于WiFi及無線遙控技術(shù)遠(yuǎn)程控制井下鏟運(yùn)機(jī)

摘要：在地下施工環(huán)境惡劣，工作人員無法到達(dá)的情況下需要對(duì)機(jī)械進(jìn)行遙控操作。利用WiFi無線通信跟無線電遙控技術(shù)對(duì)鏟運(yùn)機(jī)機(jī)進(jìn)行無人駕駛遙控操作技術(shù)進(jìn)行了相關(guān)的研究，在原有液壓線路的基礎(chǔ)上做了線路修改使其滿足遙控要求。基于WiFi通過Ad Hoc方式直接建立點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信鏈路、地下無線網(wǎng)絡(luò)，可以很好的實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化無人遠(yuǎn)程操作。
關(guān)鍵詞：鏟運(yùn)機(jī)；WiFi；無線遙控；液壓；點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信；遠(yuǎn)程操作

0 引言
    隨著采礦深度的增加，地下開采的環(huán)境質(zhì)量越來越差，對(duì)人的健康及生命安全造成了嚴(yán)重的威脅，再加上嚴(yán)格的環(huán)保，安全法規(guī)的相繼出臺(tái)，造成了地下礦產(chǎn)開采成本的提高，為滿足社會(huì)需求，必須要提高開采效率，因此催發(fā)了自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)運(yùn)而生，而遙控系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用勢必成為必不可少的一部分。
    特別在近幾年隨著無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于工業(yè)的技術(shù)的成熟，可以將WiFi無線網(wǎng)絡(luò)配合無線電遙控操作技術(shù)應(yīng)用于地下鏟運(yùn)機(jī)以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離無線操作，也可以在遙控模式下，駕駛員在遠(yuǎn)離鏟運(yùn)機(jī)的安全區(qū)域，通過無線遙控手柄單元控制鏟運(yùn)機(jī)的各種動(dòng)作。在生產(chǎn)效率上有了很大的提高，也在很大程度上保障了人的健康及生命安全。

1 地下裝載機(jī)的遙控部分
1．1 手柄控制單元
1．1．1 手柄控制單元
    該單元包括一個(gè)帶ARM內(nèi)核微處理器的核心板，一個(gè)2．4 GHz無線通信模塊，兩個(gè)控制手柄，2．4 GHz天線，底層信號(hào)采集板等。該單元要控制裝載機(jī)的前進(jìn)／后退、換向、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、大臂舉升、大臂下降、裝料、卸料、油門增減。同時(shí)還要增加以下輔助功能，包括遠(yuǎn)程啟動(dòng)，熄火、駐車剎車、輔助剎車、前后燈的控制。采用無線遙控時(shí)，人員遠(yuǎn)離鏟運(yùn)機(jī)在安全區(qū)域作業(yè)時(shí)，可以借助操作盒，如圖1所示，實(shí)現(xiàn)安全作業(yè)。

1．1．2 內(nèi)部信號(hào)采集處理及傳輸
    本系統(tǒng)中有4路速變模擬信號(hào)、8路緩變模擬信號(hào)。該采集系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)采集0～5 V之間的模擬信號(hào)，兩者精度均在0．1％以內(nèi)，信號(hào)記錄時(shí)間均不低于0．75 s，整體設(shè)計(jì)如圖2所示。在本系統(tǒng)中，由于模擬輸入信號(hào)的電壓范圍是0～5 V，所以此次設(shè)計(jì)使用LM324運(yùn)算放大器組成的比例電路將輸入信號(hào)變換成0～2．5 V電壓。然后輸入模擬開關(guān)經(jīng)過跟隨器后，再輸入A／D轉(zhuǎn)換器。這里采用AD7492轉(zhuǎn)換芯片，進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣。AD7492是AD公司推出的12位高速、低功耗、逐次逼近式A／D轉(zhuǎn)換器。它可在2．7～5．25 V的電壓下工作，其數(shù)據(jù)通過率高達(dá)1 MSPS。可以滿足采樣標(biāo)準(zhǔn)要求。

    首先，對(duì)于4路速變信號(hào)而言，其最低采樣頻率為40 kHz，系統(tǒng)要求的最低記錄時(shí)間為0．75 s。采用了多路切換開關(guān)和一個(gè)AD7492循環(huán)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，將4路速變信號(hào)和8路緩變信號(hào)交叉安排在ADG506上，這樣在每次速變信號(hào)采集后，緊接著采集8路緩變信號(hào)，經(jīng)過循環(huán)交叉采集后，使得速變信號(hào)采樣率是緩變信號(hào)采樣率的2倍。然后將12路信號(hào)經(jīng)模／數(shù)轉(zhuǎn)換后經(jīng)ARM處理器處理后再經(jīng)TLV5613數(shù)／模轉(zhuǎn)換，通過編碼器編碼傳送到無線發(fā)射模塊，經(jīng)過2．4 GHz無線天線將信號(hào)發(fā)射出去。采用的TLV5613轉(zhuǎn)換器是12位電壓輸出數(shù)膜轉(zhuǎn)換器(DAC)，它具有一個(gè)與8位微控制器兼容的并行接口。使用三個(gè)不同的地址來寫入8個(gè)最低位、4個(gè)最高位和3個(gè)控制位。TLV5613可工作于2．7～5．5 V較寬的電源電壓范圍。
1．2 車載接收／發(fā)送單元
1．2．1 車載接收單元
    無線信號(hào)通過天線被信號(hào)收發(fā)模塊接收，然后經(jīng)過DSP(C6000)處理，在經(jīng)過TTL電平轉(zhuǎn)換，將信號(hào)輸送到各個(gè)控制開關(guān)，來控制各個(gè)動(dòng)作。從而實(shí)現(xiàn)在安全區(qū)域內(nèi)無線遙控駕駛。如圖3所示。

    該接收單元不僅能夠接收來自地面的遠(yuǎn)程控制無線信號(hào)，也能接收近距離的無線控制信號(hào)。該收發(fā)模塊在向網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送數(shù)據(jù)包之前先檢查網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)。當(dāng)它檢測到智能接入點(diǎn)沒有控制信號(hào)發(fā)出時(shí)，就發(fā)送數(shù)據(jù)包，傳送到地面控制顯示平臺(tái)，從而獲得實(shí)時(shí)狀態(tài)信號(hào)；如果檢測到此無線電頻率上有其他數(shù)據(jù)，該模塊只是接收信號(hào)對(duì)鏟運(yùn)機(jī)進(jìn)行控制。通過車載單元上的遙控／手控開關(guān)也可以實(shí)現(xiàn)遙控跟手動(dòng)的切換。
1．2．2 車載發(fā)送單元
    鏟運(yùn)機(jī)前后都裝有攝像頭，用于采集實(shí)時(shí)視頻，采用專用高速數(shù)字信號(hào)處理板進(jìn)行。如圖3所示。引擎控制：高電平保持引擎運(yùn)動(dòng)，輸出低電平使引擎熄滅；緊急剎車：高電平釋放緊急剎車；輔助剎車：高電平釋放輔助剎車；快／慢檔位控制：電平切換到快速檔位，低電平在慢速檔位；前進(jìn)控制：高電平轉(zhuǎn)換到前進(jìn)擋位；后退控制：高電平轉(zhuǎn)換到后退檔位；舉升控制：高電平轉(zhuǎn)釋放舉升；放下控制：高電平轉(zhuǎn)釋放放下；鏟斗上翻：高電平釋放上翻；鏟斗下翻：高電平釋放下翻；左行控制：高電平轉(zhuǎn)換到左行檔；右行控制：高電平轉(zhuǎn)換到右行檔位。

    所有的電平信號(hào)被采集傳到高速A／D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)化為數(shù)字量。采用DSP(C6000系列)將轉(zhuǎn)換后的電平信號(hào)及視頻信號(hào)進(jìn)行采集并且壓縮，通過無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行發(fā)送。數(shù)據(jù)會(huì)通過交換機(jī)通過以太網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)降孛婵刂婆_(tái)，綜合顯示裝載機(jī)運(yùn)行的各個(gè)動(dòng)作，從而容易實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離無線操作。其顯示界面包括狀態(tài)顯示界面、顯示控制界面、視頻顯示界面，如圖4所示。

2 鏟運(yùn)機(jī)液壓改造線路
    在原來液壓線路的基礎(chǔ)上，建立一套與原來手動(dòng)操作并行的液壓回路，兩套回路前面有一個(gè)換向閥來進(jìn)行手動(dòng)控制與遙控控制的切換。在遙控時(shí)，采用三個(gè)比例式電磁閥來控制進(jìn)入先導(dǎo)閥液壓油的方向，從而達(dá)到控制鏟運(yùn)機(jī)鏟斗翻斗、動(dòng)臂升降、轉(zhuǎn)向的要求。如圖5所示。

    在制動(dòng)回路中，采用NICO電液動(dòng)制動(dòng)閥與原來的腳踏制動(dòng)閥相并聯(lián)，通過控制面板改變扭轉(zhuǎn)開關(guān)量來輸入不同的電壓值控制閥口的開閉大小，從而實(shí)現(xiàn)輔助制動(dòng)。緊急制動(dòng)電磁閥可以直接通過控制單元控制。

3 地下無線網(wǎng)絡(luò)
    迄今為止，我國礦井多數(shù)采用有線通信方式，國外礦井通信方式主要有泄漏、感應(yīng)、透地、CDMA和WiFi通信等。本文采用WiFi通信進(jìn)行工作。
3．1 采用“智能接入點(diǎn)+交換機(jī)”的礦井移動(dòng)通信系統(tǒng)
    該系統(tǒng)由智能接入點(diǎn)(Intelligent Access Point，IAP)、交換機(jī)和電纜等組成，如圖6所示。

    智能接入點(diǎn)是礦山綜合無線局域網(wǎng)絡(luò)中無線、有線網(wǎng)絡(luò)之間的橋接，由一個(gè)無線輸出口和一個(gè)有線的網(wǎng)絡(luò)接口(802．3接口)構(gòu)成。如同網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)無線基站，將網(wǎng)絡(luò)終端的所有設(shè)備信息聚合到有線的網(wǎng)絡(luò)上。網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)在網(wǎng)絡(luò)中除了作為分路器功能之外，主要用于數(shù)據(jù)包的快速轉(zhuǎn)發(fā)，它為數(shù)據(jù)幀從一個(gè)端口到另一個(gè)任意端口轉(zhuǎn)發(fā)提供了低延時(shí)、低開銷的通路。
    智能接入點(diǎn)每隔一定距離2R(無線傳輸?shù)木嚯x)和巷道急轉(zhuǎn)彎處設(shè)置，如圖7所示。

    智能接入點(diǎn)跟交換機(jī)采用無線通信，在小區(qū)各個(gè)裝載機(jī)可以實(shí)現(xiàn)無線直通，或者經(jīng)過智能接入點(diǎn)進(jìn)行通信。如果要實(shí)現(xiàn)A，B兩臺(tái)器械的遠(yuǎn)距離無線通信，A可以通過所在區(qū)域的智能接入點(diǎn)發(fā)出的無線信號(hào)經(jīng)過交換機(jī)，再通過光纜傳輸后到達(dá)B所在區(qū)域的智能接入點(diǎn)，然后將信息傳輸給器械B，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距的通信。也可以直接發(fā)送信號(hào)到地面控制臺(tái)，通過地面控制系統(tǒng)來向B發(fā)送信號(hào)，同樣B也可以通過控制臺(tái)向A發(fā)送實(shí)時(shí)信息。在這個(gè)通信系統(tǒng)中，任意一個(gè)只能接入點(diǎn)發(fā)生故障，只是會(huì)影響局部通信，但是不會(huì)影星總體網(wǎng)絡(luò)的通信。所以，在一定程度上，該系統(tǒng)的抗故障能力強(qiáng)，同時(shí)，通信通過交換機(jī)控制，沒有通信的智能接入點(diǎn)的無線信道未被占用，可供其他用戶使用，線路的利用率高。
    該無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中主要包括802．11 b／g無線接入點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)和通信電纜，工作頻率為2．4 GHz，帶寬達(dá)到54 Mb／s，完全可以實(shí)現(xiàn)視頻實(shí)時(shí)傳輸，便于遠(yuǎn)程操作人員進(jìn)行遠(yuǎn)距離遙控操作。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，可以采用基于802．11n，802．11a的MESH接入點(diǎn)或者其他無線網(wǎng)絡(luò)。
3．2 “點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”通信
    車載接收發(fā)送單元采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)，Ad Hoe技術(shù)與智能基站進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，再通過智能基站與整個(gè)網(wǎng)絡(luò)建立網(wǎng)絡(luò)鏈接，可以實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)內(nèi)無線電通信。因?yàn)闆]有中心，所有的節(jié)點(diǎn)地位都是平等的，組成一個(gè)對(duì)等式網(wǎng)絡(luò)，其中的節(jié)點(diǎn)可以隨時(shí)加入和離開網(wǎng)絡(luò)，任意節(jié)點(diǎn)的故障不會(huì)影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行。即使在有線部分損壞的情況下，也可以在地下建立局域通信網(wǎng)絡(luò)，這樣方便了地下的通信交流，也在一定程度上保證了工作人員的生命安全。

4 結(jié)語
    通過對(duì)計(jì)算機(jī)技術(shù)、無線網(wǎng)絡(luò)與無線遙控技術(shù)的綜合應(yīng)用，使得地下遠(yuǎn)距離遙控操作成為了可能，在很大程度上降低了勞動(dòng)成本，提高了生產(chǎn)效率，同時(shí)也保障了工作人員的生命安全。伴隨著計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)及無線電技術(shù)的不斷更新，網(wǎng)絡(luò)帶寬的不斷增加，地下采礦技術(shù)會(huì)變得更智能化，各種軟硬件系統(tǒng)更為標(biāo)準(zhǔn)化。