劉學良，王軍濤，劉昌盛

(山河智能特種裝備有限公司，湖南 長沙 410100)

在山體滑坡、泥石流及?；繁ǖ任ｋU場景下，一方面需通過挖掘機進行土石方施工以快速進行救援作業(yè)，另一方面又要保證挖掘機操作手的人身安全，常規(guī)挖掘機無法滿足該需求，故研究開發(fā)遠距離挖掘機無線遙控系統(tǒng)十分必要。

目前挖掘機常用的遙控方式是采用便攜式手持遙控器進行操作，但其遙控距離近，一般小于200m，且其操作手柄短，手感差，因而其應(yīng)用范圍窄、作業(yè)效率低。本方案研究了一種基于遙控艙的遠距離操作的遙控系統(tǒng)，遙控距離不低于2km，遙控艙采用座艙式設(shè)計，艙內(nèi)座椅、操作手柄、腳踏均采用與挖掘機司機室內(nèi)相同的布置方式，操作方式保持很好的一致性；同時該艙內(nèi)顯示屏顯示了挖掘機的工作信息及挖掘機周圍環(huán)境視頻信息并播放挖掘機現(xiàn)場的聲音信息，方便操作手對機器狀態(tài)及周圍環(huán)境的了解，從而可以更高效地進行對挖掘機遠距離遙控操作。

1 技術(shù)原理

挖掘機無線遙控系統(tǒng)（圖1）主要由挖掘機端控制系統(tǒng)、音視頻系統(tǒng)和遙控艙端控制系統(tǒng)、監(jiān)視系統(tǒng)組成，遙控艙與挖掘機通過無線網(wǎng)橋進行通信。遙控操作時，遙控艙內(nèi)控制系統(tǒng)獲取各操作指令后通過網(wǎng)絡(luò)接口經(jīng)交換機后傳輸至遙控艙端無線網(wǎng)橋，信號經(jīng)無線傳輸后傳輸至挖掘機端無線網(wǎng)橋，后經(jīng)交換機后傳輸至挖掘機端控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)根據(jù)接收到的指令控制發(fā)動機、液壓電磁閥組等從而實現(xiàn)挖掘機發(fā)動機油門調(diào)速及整機動作、燈光等的控制。

圖1 挖掘機遙控系統(tǒng)組成

挖掘機端控制系統(tǒng)獲取的各類傳感器數(shù)據(jù)、發(fā)動機信息等數(shù)據(jù)及音視頻系統(tǒng)中各攝像頭、拾音器數(shù)據(jù)均通過網(wǎng)絡(luò)接口經(jīng)交換機傳輸至挖掘機端無線網(wǎng)橋，經(jīng)無線傳輸后發(fā)送至遙控艙無線網(wǎng)橋進行接收，后經(jīng)交換機傳輸至監(jiān)控系統(tǒng)中電腦主機進行數(shù)據(jù)解析，最終通過顯示屏進行挖掘機工作參數(shù)顯示及音、視頻的播放和顯示。

系統(tǒng)中各網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備均設(shè)置為同一網(wǎng)段，并各有唯一的IP地址，從而實現(xiàn)各設(shè)備間的通信。

1.1 挖掘機控制系統(tǒng)

挖掘機控制系統(tǒng)主要包括控制器、顯示屏、模式開關(guān)、發(fā)動機ECU、傳感器、電磁閥組、繼電器等組成，其系統(tǒng)簡圖如圖2 所示。系統(tǒng)中，以控制器為核心，控制器通過CAN 總線與發(fā)動機ECU、回轉(zhuǎn)編碼器、傾角傳感器、顯示屏連接進行數(shù)據(jù)通信，通過開關(guān)量輸出控制繼電器組，通過模擬量信號采集獲取傳感器、操作手柄、行走腳踏數(shù)據(jù)，通過RJ45 網(wǎng)絡(luò)接口與交換機連接，通過DO 與PWM 輸出控制電磁閥開關(guān)或電磁比例閥電流值大小。

圖2 挖掘機控制系統(tǒng)原理框圖

機器工作時，控制器讀取模式開關(guān)信號，判斷當前是手動模式或遙控模式，并采集操作手柄、行走腳踏等信號，讀取發(fā)動機系統(tǒng)轉(zhuǎn)速、冷卻水溫等工作數(shù)據(jù)及發(fā)動機故障代碼信息，采集讀取挖掘機液壓系統(tǒng)溫度及壓力數(shù)據(jù)，讀取平臺回轉(zhuǎn)編碼器數(shù)據(jù)獲取挖掘機上車轉(zhuǎn)動角度值，讀取平臺、動臂、斗桿、鏟斗傾角傳感器數(shù)據(jù)獲取車身傾斜角度值及動臂、斗桿、鏟斗的轉(zhuǎn)動角度值，并將數(shù)據(jù)傳輸至顯示屏及交換機。控制器通過CAN 總線發(fā)送油門調(diào)速指令給發(fā)動機ECU，實現(xiàn)發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制，通控制電磁閥開關(guān)及比例電磁閥電流大小實現(xiàn)機器遙控動作速度的控制。

模式開關(guān)選擇遙控模式時，控制器接收來自遙控艙的操作指令信號，不執(zhí)行司機室內(nèi)操作手柄、腳踏等信號；模式開關(guān)選擇手動模式時，控制器根據(jù)司機室內(nèi)操作手柄、腳踏等信號進行挖掘機動作控制，不再接收遙控操作指令，以區(qū)分手動模式與遙控模式功能。

1.2 音視頻系統(tǒng)

音視頻系統(tǒng)主要包括網(wǎng)絡(luò)拾音器、網(wǎng)絡(luò)攝像頭、360°全景環(huán)視系統(tǒng)，系統(tǒng)簡圖如圖3 所示。

圖3 挖掘機音視頻系統(tǒng)原理框圖

網(wǎng)絡(luò)拾音器用于獲取遙控挖掘機工作現(xiàn)場聲音，安裝于司機室內(nèi)；網(wǎng)絡(luò)攝像頭用于獲取機器周圍及鏟斗與動臂上方視野，360°全景環(huán)視系統(tǒng)包括4 個攝像頭及主機，4 個攝像頭分別安裝在挖掘機的前后左右4 個方向，通過360°全景主機進行合成后形成挖掘機360°環(huán)視系統(tǒng)，實現(xiàn)挖掘機周圍環(huán)境的俯瞰視圖圖像獲取，網(wǎng)絡(luò)拾音器、網(wǎng)絡(luò)攝像頭、360°全景主機均通過RJ45 網(wǎng)絡(luò)接口與交換機進行連接。

1.3 遙控艙系統(tǒng)

遙控艙控制系統(tǒng)及視頻監(jiān)視組成如圖4 所示，控制系統(tǒng)主要由控制器，左、右操作手柄，左、右行走腳踏，油門旋鈕，控制開關(guān)組成；視頻監(jiān)視系統(tǒng)主要由電腦主機及顯示屏組成。遙控操作時，控制器采集操作手柄、行走腳踏、油門旋鈕及控制開關(guān)信號，經(jīng)處理后轉(zhuǎn)化為控制指令通過RJ45 網(wǎng)絡(luò)接口傳輸至交換機；電腦主機通過RJ45 網(wǎng)絡(luò)接口接收來自挖掘機端的控制系統(tǒng)發(fā)送的挖掘機工作參數(shù)及音視頻系統(tǒng)中的拾音器、網(wǎng)絡(luò)攝像頭、360°全景主機數(shù)據(jù)并通過軟件進行解析，最后在顯示屏上進行圖像顯示及聲音播放。

圖4 遙控艙系統(tǒng)原理框圖

2 主要設(shè)備選型

系統(tǒng)主要設(shè)備為無線網(wǎng)橋、控制器、攝像頭，分別影響了無線傳輸?shù)木嚯x與速率、控制系統(tǒng)功能、視頻延時。系統(tǒng)以9 路攝像頭共9Mbps速率，1 路音頻200kbps 速率，系統(tǒng)工作參數(shù)與遙控指令共約800kbps 計算，無線網(wǎng)橋需滿足10Mbps@2km 的帶寬要求?？刂破鲬?yīng)具有多IO端口及網(wǎng)絡(luò)通信功能，可進行整車功能控制及通過TCP/IP、UDP/IP 協(xié)議與外部設(shè)備進行通信。攝像頭應(yīng)為低延時的車載網(wǎng)絡(luò)攝像頭，視頻延時應(yīng)低于300ms.

1）無線網(wǎng)橋 無線網(wǎng)橋采用的是6690 型無線網(wǎng)橋，設(shè)備使用的是5.8GHz 的波段，主要參數(shù)如表1 所示，具有傳輸帶寬大、抗干擾能力強的特點。最大帶寬可達到20Mbps@2km。

表1 無線網(wǎng)橋主要參數(shù)

2）控制器 挖掘機及遙控艙所使用的控制器采用的是CR711S控制器，其具有2 路網(wǎng)絡(luò)接口，兼容TCP/IP、UDP/IP 及Modbus UDP通信協(xié)議，可直接進行網(wǎng)絡(luò)通信，此外具有4 路CAN通信接口，可滿足與各類CAN 設(shè)備的通信需求，其主要參數(shù)如表2 所示。控制器軟件采用的時Codesys V3.5 版本軟件，具備在線監(jiān)測及離線仿真功能，使用方便。

表2 CR711S控制器主要參數(shù)

3）網(wǎng)絡(luò)攝像頭 攝像頭采用DH-IPCHMW7230 車載網(wǎng)絡(luò)攝像頭，其具有很好的抗振動及抗沖擊性能，攝像頭主要參數(shù)如表3 所示，其分辨率最高可達1 080P，圖像延時不高于300ms，并自帶紅外補光燈，可滿足挖掘機夜間施工作業(yè)時的攝像要求。

表3 DH-IPC-HMW7230攝像頭主要參數(shù)

3 功能實現(xiàn)

通過在山河智能SWE215ERC 挖掘機上搭載該方案的遙控系統(tǒng)，實現(xiàn)了遙控艙對挖掘機的遙控操作及挖掘機信息的監(jiān)視功能，挖掘機及遙控艙外形如圖5 所示，遙控艙內(nèi)顯示屏顯示畫面如圖6 所示，實現(xiàn)畫面中包括攝像頭畫面、360°環(huán)視畫面、挖掘機三維姿態(tài)實時模型及工作信息。

圖5 挖掘機與遙控艙

圖6 遙控艙顯示屏監(jiān)控界面

通過試驗測試，遙控艙與挖掘機距離2km時，操作手在遙控艙內(nèi)仍能正常遙控操作機器，艙內(nèi)顯示屏顯示的挖掘機各攝像頭視頻及播放的挖掘機現(xiàn)場聲音均流暢無卡滯。試驗驗證了該技術(shù)方案可行，滿足遠距離遙控操作的需求。

4 總結(jié)

通過在山河智能挖掘機上進行該技術(shù)方案的驗證，結(jié)果表明該方案實現(xiàn)了挖掘機的遠程遙控及對挖掘機周圍環(huán)境的視頻與聲音監(jiān)控，達到了預(yù)期效果。遙控艙因其與挖掘機司機室一致的布置方式及操作方式，極大地提高了遙控作業(yè)時的作業(yè)效率。遠程無線遙控作業(yè)挖掘機有效地解決了挖掘機受限于危險作業(yè)環(huán)境下的難題，提高了挖掘機的適應(yīng)性，具有良好的推廣應(yīng)用價值。