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摘要：地下铲运机超视距遥控技术在地下矿山的开采中具有重要意义，本文依据实际铲运机的工作方式，设计了铲运机的模型车以及模拟远程控制台，两者之间通过无线网络进行通讯。模型车上的车载电脑通过WIFI接收发送来的遥控指令，将其转换为CAN总线数据并发送给行驶和转向电机驱动器，使车辆按照要求行驶和转向。实验结果表明，远程控制台能够稳定的控制模型车进行运动。
关键词：地下铲运机；超视距遥控；数据通讯；软硬件设计
中图分类号：TD422.4 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）10（c）-0000-00
1 引言
随着地下采矿深度的增加，采矿的环境越来越恶劣，作业人员的安全问题越来越严峻，应对这一现象，超视距遥控采矿、智能采矿技术应运而生[1]。
超视距控制LHD作业时，车辆的运行状态和周围的景象等驾驶信息，通过车上传感器和摄像头获取，经过无线网络传输回基站，在地面基站控制台的显示器上显示，驾驶员依据这些信息进行判断，从而发出远程驾驶指令，使LHD进行作业[2]。
CAT公司开发出了MineGEMTM系统；Sandvik公司推出了Automine系统；Atlas Copco公司研制出了Scooptram Automation 系统。国内在这方面的技术目前比较落后，还没有成熟的技术产品问世，主要在高等院校和研究院进行技术上的研究[3]。
本文以ACY-2A型地下铲运机为依据，设计加工出了电气化的模型铲运机，同时设计出了远程控制台，通过在实验场所搭建无线网络实现通讯，最终完成了超视距遥控的模拟实验。
2 系统的组成及工作原理
2.1 系统的整体构造
通过设计，地下铲运机超视距遥控系统需要完成以下功能[4]：
（1）柴油发动机的启动、停止；（2）照明和喇叭控制；（3）铲斗的举升和翻转；（4）车辆急停；（5）车辆的速度、制动以及转向控制；（6）车辆工况信息的监控：主要有车速、发动机转速、发动机水温和水位、油位显示、发动机润滑油油温、液压系统报警等。
2.2 系统原理
其原理为：操控者在操控台上操控踏板、按钮、手柄等操控机构，向控制台上的控制器发送操作信号，控制器采集到控制信号之后，按照协议通过RS232发送到上位机。上位机将接收到的信号通过以太网发送到模型车，模型车接收到信号之后转换成CAN信号发送到执行控制器上，从而控制相应的执行机构，使车辆按要求的车速和路线行驶。模型铲运机的状态参数和周围的场景由各种传感器采集以及前后摄像头拍摄获取，模型车经过车上的车载电脑接入无线以太网，信号通过无线网络传回到操控台的上位机上，从而在上位机上显示，为操控者展现真实的车辆驾驶环境。
3 硬件的设计
3.1 系统组成
超视距遥控系统的硬件主要有远程控制平台（包括控制指令的生成传输以及人机交互界面显示），模型车（包括车载电脑，铰接角等各类传感器，摄像头），以及无线通讯系统。
3.2 远程控制平台
远程控制台应该能够生成遥控控制指令并发送控制指令，设计合理的人机界面显示状态参数，从而完成远程操控。遥控控制指令是由远程控制台上的模拟量和开关量两种信号元器件形成。控制数据可变的用模拟量来表示，状态明确、无参数变化的控制指令用开关量来表示。根据铲运机的操控方式，可以将操作指令分为以下四类：
（1）状态设定指令 这是控制车辆行动状态的控制指令，通过按钮和旋钮来实现；（2）速度控制指令 用来控制车辆速度的指令，通过油门和制动踏板来实现车辆行驶速度的控制；（3）铲斗作业指令 铲运机作业需要操作铲斗动作，铲斗有翻转和举升两类动作，这些指令都是模拟量信号，通过操作台上的右手柄来实现；（4）转向控制指令 该指令为模拟量信号，表达驾驶员转向的意图，通过左手柄X轴来实现功能。
3.3 模型车
模型车依据实际铲运机设计成铰接车模型，采用四轮独立驱动。车载电脑采用的是联合工控的PPC-3000 车载加固平板电脑，它带有一路WIFI以太网接口和两路USB接口。利用以太网接口来接受控制台发送来的控制信号并传输回激光等传感器采集到的信号；车上主控制器通过I/O口检测到各传感器信号并通过CAN总线发送给车载电脑，车载电脑通过主控制器下达控制信号，从而控制各执行部件的动作，这些执行部件有四个轮边电机驱动系统，车载电气系统（包括车灯、顶灯、喇叭等设备）以及液压系统（铲斗工作的驱动电机以及转向推杆电机）。
3.4 无线通信
无线局域网的功能是实现车载电脑控制系统和远程控制台之间的无线通信，从而实现铲运机超视距遥控。无线网络由多个无线AP（ Access Point） 组成，这些AP的SSID名设置为一个，IP为同一个网段，信道间隔为5。模型车在楼道中行走时，车载电脑的无线网卡会扫描AP的信道并自动切换到信号最好的AP，通讯不会中断，切换所需时间为几毫秒。
4 软件的设计
控制软件是整个系统的核心部分，本系统的远程遥控软件可以分为两部分，一部分是远程控制台基于单片机STM32控制器的程序，这部分是为了采集操作机构输入信号，生成遥控指令，并通过RS232发送给上位机；另一部分是无线通讯程序，这是实现远程控制端上位机和车载电脑之间数据的接受和发送。
4.1 单片机STM32程序
本系统中采用的单片机的编程语言是C语言，选择的软件开发平台是IAR，在设计的远程操控系统中，有六路模拟输信号输入，分别是：控制铲斗姿态两路、控制车辆行驶转向两路以及控制车速和制动两路；四路开关量输入，包括左右手柄两个使能输入信号、急停信号以及自动/手动信号。根据输入的控制信号，单片机经过处理后将数据打包通过RS232发送出去，每帧共7个字节。上位机收到数据之后，如果校验正确，则返回数据0x11以表示数据传输无误，否则发送数据0x00以表示数据传输错误，要求重新发送。
4.2 无线通讯程序
通过网络编程来实现控制端上位机和车载电脑之间的通讯，采用C#编程语言，具体实现是采用基于TCP/IP协议的Windows Socket。为了保证通讯信息的稳定和可靠性，超视距遥控系统采用的是TCP协议。由于在服务器端和客户端两端，利用Socket套接字传输的是连续的字节数据，通讯双方并不知道传输而来的字节代表何种含义，因此必须在传输层定义自己的通讯协议，这样才能使传输的数据转换为有意义的信息。
5 实验
为了检验超视距系统的控制效果，对模型车进行了多次的场地遥控实验，实验场所为“L”型楼道。通过控制台完成车辆的启动、加速、恒速、制动、换挡和急停。实验表明，车辆在楼道中能够以超视距的方式实现驾驶，断开重连程序保证了车辆遇到无线网络信号不好的时候也能够进行操控。
实验结果说明，该超视距遥控操作系统具有良好的遥控驾驶功能，控制台对模型车完全可控，操作简便，能够按照设计生成正确的远程驾驶指令，能够满足安全性和可靠性的要求。
6 结束语
系统依据实际铲运机设计出远程操控系统和模型车，通过无线网络系统实现了远程控制。该模拟系统和实际系统的区别在于被控车辆工作环境不一样，实际铲运机工作于恶劣的井下，需要考虑通讯的稳定性和可靠性，这对于无线网络硬件和软件的搭建提出了更高的要求。本论文的研究对于实际超视距遥控技术具有良好的指导意义。
参考文献
[1] 战凯，顾洪枢，周俊武，等.地下遥控铲运机遥控技术和精确定位技术研究[J].有色金属，2009，61（1）：107-112.
[2] 李偉为，胡天友.地下铲运机遥控控制系统的研究[J].金属矿山，2008（10）：100-102.
[3] 高梦熊.国内外地下金属矿山采矿车辆的现在与未来[J].金属矿山，2010（8）：57-62.
[4] 杨超，刘立，陈树新，罗维东，孟宇.基于CAN总线的地下铲运机遥控系统的研究[J].矿山机械，2011，39（3）：30-33.
关键词：地下铲运机；超视距遥控；数据通讯；软硬件设计
中图分类号：TD422.4 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）10（c）-0000-00
1 引言
随着地下采矿深度的增加，采矿的环境越来越恶劣，作业人员的安全问题越来越严峻，应对这一现象，超视距遥控采矿、智能采矿技术应运而生[1]。
超视距控制LHD作业时，车辆的运行状态和周围的景象等驾驶信息，通过车上传感器和摄像头获取，经过无线网络传输回基站，在地面基站控制台的显示器上显示，驾驶员依据这些信息进行判断，从而发出远程驾驶指令，使LHD进行作业[2]。
CAT公司开发出了MineGEMTM系统；Sandvik公司推出了Automine系统；Atlas Copco公司研制出了Scooptram Automation 系统。国内在这方面的技术目前比较落后，还没有成熟的技术产品问世，主要在高等院校和研究院进行技术上的研究[3]。
本文以ACY-2A型地下铲运机为依据，设计加工出了电气化的模型铲运机，同时设计出了远程控制台，通过在实验场所搭建无线网络实现通讯，最终完成了超视距遥控的模拟实验。
2 系统的组成及工作原理
2.1 系统的整体构造
通过设计，地下铲运机超视距遥控系统需要完成以下功能[4]：
（1）柴油发动机的启动、停止；（2）照明和喇叭控制；（3）铲斗的举升和翻转；（4）车辆急停；（5）车辆的速度、制动以及转向控制；（6）车辆工况信息的监控：主要有车速、发动机转速、发动机水温和水位、油位显示、发动机润滑油油温、液压系统报警等。
2.2 系统原理
其原理为：操控者在操控台上操控踏板、按钮、手柄等操控机构，向控制台上的控制器发送操作信号，控制器采集到控制信号之后，按照协议通过RS232发送到上位机。上位机将接收到的信号通过以太网发送到模型车，模型车接收到信号之后转换成CAN信号发送到执行控制器上，从而控制相应的执行机构，使车辆按要求的车速和路线行驶。模型铲运机的状态参数和周围的场景由各种传感器采集以及前后摄像头拍摄获取，模型车经过车上的车载电脑接入无线以太网，信号通过无线网络传回到操控台的上位机上，从而在上位机上显示，为操控者展现真实的车辆驾驶环境。
3 硬件的设计
3.1 系统组成
超视距遥控系统的硬件主要有远程控制平台（包括控制指令的生成传输以及人机交互界面显示），模型车（包括车载电脑，铰接角等各类传感器，摄像头），以及无线通讯系统。
3.2 远程控制平台
远程控制台应该能够生成遥控控制指令并发送控制指令，设计合理的人机界面显示状态参数，从而完成远程操控。遥控控制指令是由远程控制台上的模拟量和开关量两种信号元器件形成。控制数据可变的用模拟量来表示，状态明确、无参数变化的控制指令用开关量来表示。根据铲运机的操控方式，可以将操作指令分为以下四类：
（1）状态设定指令 这是控制车辆行动状态的控制指令，通过按钮和旋钮来实现；（2）速度控制指令 用来控制车辆速度的指令，通过油门和制动踏板来实现车辆行驶速度的控制；（3）铲斗作业指令 铲运机作业需要操作铲斗动作，铲斗有翻转和举升两类动作，这些指令都是模拟量信号，通过操作台上的右手柄来实现；（4）转向控制指令 该指令为模拟量信号，表达驾驶员转向的意图，通过左手柄X轴来实现功能。
3.3 模型车
模型车依据实际铲运机设计成铰接车模型，采用四轮独立驱动。车载电脑采用的是联合工控的PPC-3000 车载加固平板电脑，它带有一路WIFI以太网接口和两路USB接口。利用以太网接口来接受控制台发送来的控制信号并传输回激光等传感器采集到的信号；车上主控制器通过I/O口检测到各传感器信号并通过CAN总线发送给车载电脑，车载电脑通过主控制器下达控制信号，从而控制各执行部件的动作，这些执行部件有四个轮边电机驱动系统，车载电气系统（包括车灯、顶灯、喇叭等设备）以及液压系统（铲斗工作的驱动电机以及转向推杆电机）。
3.4 无线通信
无线局域网的功能是实现车载电脑控制系统和远程控制台之间的无线通信，从而实现铲运机超视距遥控。无线网络由多个无线AP（ Access Point） 组成，这些AP的SSID名设置为一个，IP为同一个网段，信道间隔为5。模型车在楼道中行走时，车载电脑的无线网卡会扫描AP的信道并自动切换到信号最好的AP，通讯不会中断，切换所需时间为几毫秒。
4 软件的设计
控制软件是整个系统的核心部分，本系统的远程遥控软件可以分为两部分，一部分是远程控制台基于单片机STM32控制器的程序，这部分是为了采集操作机构输入信号，生成遥控指令，并通过RS232发送给上位机；另一部分是无线通讯程序，这是实现远程控制端上位机和车载电脑之间数据的接受和发送。
4.1 单片机STM32程序
本系统中采用的单片机的编程语言是C语言，选择的软件开发平台是IAR，在设计的远程操控系统中，有六路模拟输信号输入，分别是：控制铲斗姿态两路、控制车辆行驶转向两路以及控制车速和制动两路；四路开关量输入，包括左右手柄两个使能输入信号、急停信号以及自动/手动信号。根据输入的控制信号，单片机经过处理后将数据打包通过RS232发送出去，每帧共7个字节。上位机收到数据之后，如果校验正确，则返回数据0x11以表示数据传输无误，否则发送数据0x00以表示数据传输错误，要求重新发送。
4.2 无线通讯程序
通过网络编程来实现控制端上位机和车载电脑之间的通讯，采用C#编程语言，具体实现是采用基于TCP/IP协议的Windows Socket。为了保证通讯信息的稳定和可靠性，超视距遥控系统采用的是TCP协议。由于在服务器端和客户端两端，利用Socket套接字传输的是连续的字节数据，通讯双方并不知道传输而来的字节代表何种含义，因此必须在传输层定义自己的通讯协议，这样才能使传输的数据转换为有意义的信息。
5 实验
为了检验超视距系统的控制效果，对模型车进行了多次的场地遥控实验，实验场所为“L”型楼道。通过控制台完成车辆的启动、加速、恒速、制动、换挡和急停。实验表明，车辆在楼道中能够以超视距的方式实现驾驶，断开重连程序保证了车辆遇到无线网络信号不好的时候也能够进行操控。
实验结果说明，该超视距遥控操作系统具有良好的遥控驾驶功能，控制台对模型车完全可控，操作简便，能够按照设计生成正确的远程驾驶指令，能够满足安全性和可靠性的要求。
6 结束语
系统依据实际铲运机设计出远程操控系统和模型车，通过无线网络系统实现了远程控制。该模拟系统和实际系统的区别在于被控车辆工作环境不一样，实际铲运机工作于恶劣的井下，需要考虑通讯的稳定性和可靠性，这对于无线网络硬件和软件的搭建提出了更高的要求。本论文的研究对于实际超视距遥控技术具有良好的指导意义。
参考文献
[1] 战凯，顾洪枢，周俊武，等.地下遥控铲运机遥控技术和精确定位技术研究[J].有色金属，2009，61（1）：107-112.
[2] 李偉为，胡天友.地下铲运机遥控控制系统的研究[J].金属矿山，2008（10）：100-102.
[3] 高梦熊.国内外地下金属矿山采矿车辆的现在与未来[J].金属矿山，2010（8）：57-62.
[4] 杨超，刘立，陈树新，罗维东，孟宇.基于CAN总线的地下铲运机遥控系统的研究[J].矿山机械，2011，39（3）：30-33.