基于CAN總線的多功能搶險救援車控制系統(tǒng)

漢京勇　李迎武　李軍

摘 要：本文設(shè)計了一種基于CAN總線的多功能搶險救援車控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)可進行近地和無線遙控兩種控制方式，操作手可通過駕駛室內(nèi)的操作手柄、觸摸式顯示器以及無線遙控器等操控元件的相互配合實現(xiàn)對多功能搶險救援車的行走、轉(zhuǎn)向、制動、折疊起重臂、可伸縮式挖掘臂以及工作裝置的動作進行準(zhǔn)確可靠的控制。

關(guān)鍵詞：CAN總線 多功能搶險救援車 控制系統(tǒng)

Multifunctional Rescue Vehicle Control System Based on CAN bus

Han Jingyong Li Yingwu Li Jun

Abstract：This article designs a multifunctional rescue vehicle control system based on CAN bus. The control system can be controlled by both near-ground and wireless remote control. The operator can use the control elements such as the operating handle， touch display and wireless remote control in the cab. The cooperation of the control elements helps the multifunctional rescue vehicle realize the accurate and reliable control of the movement of the multifunctional rescue vehicle's walking， steering， braking， folding boom， retractable excavating boom and working devices.

Key words：CAN bus， multifunctional rescue vehicle， control system

1 引言

多功能搶險救援車是一種重型應(yīng)急搶險救援車輛，主要用在當(dāng)?shù)卣稹⑺?、洪水、泥石流等自然?zāi)害發(fā)生時，道路清障、堰塞湖疏通、廢墟清理、掩埋救援等方面，該車輛主要具有挖掘、起重、拖拽、推土清障等多種功能，同時該車輛還配備多種作業(yè)屬具，通過快換裝置連接到挖掘臂上可實現(xiàn)破碎、抓取、剪切、切割等多種功能[1]?？刂葡到y(tǒng)的性能對整機的操控性、復(fù)合動作的流暢性以及設(shè)備的可靠性有很大的影響，不容忽視。

2 多功能搶險救援車的結(jié)構(gòu)組成

本文提到的多功能搶險救援車輛具有挖掘、起重、破碎、切割、推土、抓取、牽引等功能。本車結(jié)構(gòu)主要由專用底盤、折疊起重臂、可伸縮式挖掘臂、挖掘臂回轉(zhuǎn)平臺、起重臂回轉(zhuǎn)機構(gòu)、上車駕駛室、屬具、電控系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)等組成。

3 多功能搶險救援車的控制系統(tǒng)構(gòu)成

多功能搶險救援車電控系統(tǒng)的組成如圖1所示，主要由一個IMC T3654控制器，一個ICP6600觸摸式顯示屏，底盤控制器，電液比例閥控制器，操作手柄，油門踏板，制動踏板，傳感器及急停按鈕等組成。其中，IMC T3654控制器用來完成整機各部件的運行控制、故障診斷以及運行參數(shù)記錄等任務(wù);觸摸式顯示器顯示整機各部件的運行狀態(tài)，例如：液壓油溫、液壓油位、臂的角度、臂的長度、底盤發(fā)動機的轉(zhuǎn)速等多項工作參數(shù)，以及發(fā)出聲、光報警提示故障，該系統(tǒng)還可以存儲故障的歷史數(shù)據(jù)，對司機的不合理操作給與提示。

多功能搶險救援車的核心控制部件為威卡IMC T3654控制器[2]，該控制器是一款通用可編程控制器，憑借32位的Tricore高速處理器，及最快180MHz的時鐘頻率，可快速的處理各種任務(wù)。該控制器有87個I/O端口，其中54個輸入口，33個輸出口，2個CAN2.0A/B端口，可為外部傳感器提供5V-100mA電源。該控制器設(shè)計可靠，具有多種標(biāo)準(zhǔn)電氣接口，可根據(jù)應(yīng)用需求進行靈活配置。支持CodeSys編程方式降低了用戶的編程難度，大大提高了工作效率。

多功能搶險救援車的顯示器方案，顯示器為威卡ICP6600系列7英寸觸摸式顯示器，分辨率為800×480電容式觸摸顯示器，并含有5個操作按鍵，1個旋轉(zhuǎn)按鈕，有蜂鳴器，使用flash開發(fā)工具設(shè)計界面元件，通過CAN通訊接口對外通訊。

多功能搶險救援車無線遙控器采用歐姆TCS-C80-H，由發(fā)射器和接收器組成，對上車的挖掘臂和折疊起重臂實現(xiàn)無線遙控操作，接收器配有塑料外殼，與便攜式發(fā)射器連接端口，電源線接口。接收器可在極端惡劣的環(huán)境下使用，塑料外殼可防潮，防熱/冷，防塵，防震以及防腐蝕。接收器的輸入和輸出帶有短路保護，防電極反向保護，過電壓保護，瞬間高壓輸入保護，EMC/RF，以避免接收器連接后受損害，接收器采用+24V （+/-20%）帶負極地。

多功能搶險救援車的操作手柄選用捷斯曼的總線式手柄，安裝在上車駕駛室左右扶手箱各一個，該操作手柄實現(xiàn)對上車的回轉(zhuǎn)平臺和挖掘臂、底盤的行走和轉(zhuǎn)向及作業(yè)屬具的旋轉(zhuǎn)和開合進行操作。該手柄為十字萬向操作，自動回零，機械壽命可達1000萬次，工作溫度為-40℃-+60℃，存儲溫度為-50℃-+80℃，防護等級為IP65，機械行程為前后各30℃。

多功能搶險救援車采用基于CAN總線通訊的電液比例閥，該閥采用壓力傳感器、位置傳感器、集成控制器，通過高級控制控制算法實現(xiàn)雙閥芯的獨立或協(xié)同控制，控制模式多樣，具有多種壓力控制模式和流量控制模式，對硬件要求不敏感，用戶的所有控制指令均可通過CAN bus發(fā)送給電液比例閥。

4 多功能搶險救援車控制系統(tǒng)實現(xiàn)的功能

底盤控制為上車駕駛室內(nèi)可實現(xiàn)對底盤的行走、轉(zhuǎn)向、制動以及液壓支腿的控制，當(dāng)上車顯示器的工作模式操作界面切換到行走模式后，駕駛?cè)藛T可通過上車的操作手柄的左右的擺動，控制底盤的左右轉(zhuǎn)向，通過變速箱控制面板設(shè)置前進后退以及檔位，通過油門踏板和制動踏板控制底盤的車速和制動，通過上車扶手箱的按鈕控制底盤支腿的伸縮。

可伸縮式挖掘臂的控制包含了回轉(zhuǎn)平臺的左右旋轉(zhuǎn)、動臂的升降、斗桿的內(nèi)收與外擺、伸縮臂的伸縮以及鏟斗的內(nèi)收與外擺、快換油缸的伸縮、屬具的開合以及屬具的正反轉(zhuǎn)動作。啟動底盤發(fā)動機并掛取力器，當(dāng)上車顯示器的工作模式操作界面切換到工作模式后，可通過左右操作手柄實現(xiàn)以上動作的控制。

折疊起重臂的控制包含了起重臂的左右旋轉(zhuǎn)、內(nèi)臂的變幅、外臂的變幅、吊臂的伸縮。啟動底盤發(fā)動機并掛取力器，切換到遙控模式，且上車顯示器的工作模式操作界面切換到工作模式后，右旋松開遙控器急停按鈕，可利用遙控器的比例手柄進行相應(yīng)動作的操作。

無線遙控控制包含了挖掘臂回轉(zhuǎn)平臺的左右旋轉(zhuǎn)、動臂的升降、斗桿的內(nèi)收與外擺、伸縮臂的伸縮以及鏟斗的內(nèi)收與外擺、快換油缸的伸縮、屬具的開合以及屬具的正反轉(zhuǎn);起重臂的左右旋轉(zhuǎn)、內(nèi)臂的變幅、外臂的變幅、吊臂的伸縮。此外，無線遙控還可實現(xiàn)雙臂的協(xié)同作業(yè)，提高了作業(yè)效率。

可伸縮式挖掘臂和折疊臂安全墻的設(shè)定主要是在這兩個工作臂上安裝角度傳感器和長度傳感器，通過控制器采集這些傳感器的檢測信號，從而可以判斷處這兩個臂的具體位置，避免了工作的時候發(fā)生相互碰撞以及和底盤的碰撞，保護了設(shè)備的操作安全。

采用威卡的顯示器作為系統(tǒng)的人機交互界面，作為主要的人機交互通道，彩色液晶顯示器還可以進行整機作業(yè)工作模式的選擇與切換，例如：A：行走模式、B：破碎模式、C：抓斗模式、D：液壓剪模式、E：切割鋸模式、F：挖斗模式。此外操作手還可直觀的觀察到折疊起重臂、伸縮式挖掘臂和底盤的工作狀態(tài)參數(shù)，比如伸縮式挖掘臂的工作姿態(tài)，以及車輛的故障信息等，方便操作者實時了解操作設(shè)備的狀態(tài)。操作者還可通過人機界面對車輛的某些參數(shù)進行設(shè)置，以便設(shè)備工作裝置的調(diào)試和維護。

5 多功能搶險救援車控制系統(tǒng)CAN總線的應(yīng)用

CAN全稱為“Controller Area Network”，即控制器局域網(wǎng)。CAN最初出現(xiàn)在80年代末的汽車工業(yè)中，由德國Bosch公司最先提出，并最終成為國際標(biāo)準(zhǔn)，是國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一，CAN通信具有很高的實時性能、傳輸距離遠、高抗電磁干擾性、成本低等優(yōu)點，目前CANopen協(xié)議已經(jīng)在運動控制、車輛工業(yè)、電機驅(qū)動、工程機械等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用[3]。

CAN具有十分優(yōu)越的特點，這些特性包括：（1）CAN總線的數(shù)據(jù)傳輸距離很遠，理論極限值為10千米，而排名第二的RS485總線僅達到1200米，幾乎是十倍的差距;（2）CAN總線可連接多個節(jié)點設(shè)備，一條CAN總線理論上可同時連接110個節(jié)點設(shè)備。（3）CAN總線的數(shù)據(jù)傳輸速度快，最大波特率數(shù)值高達1Mbit/s;（4）可根據(jù)報文的ID決定接收或屏蔽該報文。（5）具有可靠的錯誤處理和檢錯機制。（6）發(fā)送的信息遭到破壞后，可自動重發(fā)（7）節(jié)點在錯誤嚴重的情況下，具有自動退出總線的功能。（8）報文不包含源地址或目標(biāo)地址，僅用標(biāo)志符來指示功能信息、優(yōu)先級信息。

功能搶險救援車控制系統(tǒng)的CAN總線網(wǎng)絡(luò)如圖2所示，該網(wǎng)絡(luò)上主要由底盤控制器、IMC T3654控制器、電液比例閥控制器、觸摸式顯示器、左操作手柄、右操作手柄、無線遙控接收器及兩個120歐終端電阻構(gòu)成。

6 結(jié)束語

在目前的國內(nèi)應(yīng)急搶險救援設(shè)備應(yīng)用領(lǐng)域，基于CAN總線的控制設(shè)備開發(fā)還是比較晚的，相對比較落后。研究和開發(fā)基于CAN總線的多功能搶險救援車的控制系統(tǒng)，用于多功能搶險救援車的動作控制以及車輛的狀態(tài)信息監(jiān)控，對加強應(yīng)急搶險救援設(shè)備的協(xié)同工作能力，提高工作效率和維護保養(yǎng)效率具有重要的現(xiàn)實意義。

基金項目：國家重點研發(fā)計劃資助項目（2016YFC0802905）

參考文獻：

[1]李軍，張勇，劉玉川.應(yīng)急救援車概念創(chuàng)新設(shè)計中的QFD_TRIZ_AD集成方法[J].中國工程機械學(xué)報，2018，（2）：35-41.

[2]徐州威卡電子控制技術(shù)有限公司.IMC T3654控制器使用說明書.

[3]王恒升，何清華，薛云.基于CAN總線的鑿巖機器人分布式控制系統(tǒng)設(shè)計[J].傳感技術(shù)學(xué)報，2007，20（3）.