本發(fā)明涉及地下鏟運機的無線控制領域，具體涉及到了地下鏟運機、工業(yè)控制器、無線通信、液壓控制、視頻監(jiān)測、自動控制等。

背景技術：

地下鏟運機是礦山無軌設備的一種，具有挖、運、卸、填筑、整平等功能，廣泛應用于地下礦山的礦石采掘和運輸。國內現(xiàn)有的鏟運機大都采用人工操作方式，操作人員需要坐在鏟運機上，兩手操縱兩個手柄，兩腳踩油門踏板和制動踏板，才能完成鏟運機的行走、鏟物、舉升、翻轉等動作。鏟運機工作場地一般路面不平，比較顛簸，行駛過程中振動劇烈，再加上柴油機工作時的振動，排出的廢氣、煙霧、噪聲、熱，鏟裝和卸載時產生的塵土等，致使鏟運機的工作環(huán)境十分惡劣，操作人員長時間坐在鏟運機上工作，對人的身體健康是一種威脅。特別是在一些可能會面臨塌方、爆炸性氣體、重金屬輻射以及化學物質危害的工作地段，操作人員坐在鏟運機上抵近操作，會嚴重危脅操作人員的身心健康乃至生命安全。因此，設計一款遙控操作方法，使操作人員遠離鏟運機，在危險范圍外的場地就能操作鏟運機完成鏟運作業(yè)，對于保障操作人員的人身安全具有非常重要的意義。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于：應用無線通信和控制技術，使操作人員在遠距離就能控制鏟運機的動作，完成鏟裝和運輸任務。

本發(fā)明所采用的技術方案如下：

1.將整個控制系統(tǒng)分為遙控操作臺、機載操作臺、遙控接收系統(tǒng)、主控系統(tǒng)和動作執(zhí)行系統(tǒng)共五部分，各部分的組成、功能劃分及相互之間的聯(lián)系如下：

1)遙控操作臺包括遙控器(含各種操作手柄和開關按鈕)、視頻接收顯示器，負責發(fā)送遙控信號，接收鏟運機的狀態(tài)信號，并將接收到的鏟運機視頻信號進行顯示。遙控操作臺由操作人員隨身攜帶，遠離鏟運機進行操作；

2)機載操作臺固定于鏟運機駕駛室，安裝各種操作手柄、開關、按鈕、踏板、儀表、指示燈等，負責機控信號的產生，并用儀表和指示燈顯示鏟運機的運行狀態(tài)；

3)遙控接收系統(tǒng)包括遙控信號接收機、攝像頭、切換器、視頻發(fā)射機等，負責遙控信號的接收、狀態(tài)信號的發(fā)送、視頻信號的切換、發(fā)送；

4)主控系統(tǒng)主要由控制器、電源模塊、繼電器等組成，負責各種控制信號和狀態(tài)信號的調理、傳送，以及控制算法的實現(xiàn)；

5)動作執(zhí)行系統(tǒng)包括電子油門控制器、電液控液壓系統(tǒng)、變速變矩器等，負責實現(xiàn)鏟運機的各種動作，如前進、后退、制動、加速、減速、轉向，鏟斗的舉升、翻轉，發(fā)動機的啟動、停止，動力輸出軸的變速、變矩等。鏟運機的所有動作執(zhí)行機構的輸入控制信號都是電信號；

6)鏟運機的操作分為遙控和機控兩種控制模式，由機載操作臺上的一個開關進行切換，同一時間只有一套操作裝置的控制信號起作用；

7)遙控操作臺和鏟運機之間沒有電纜連接，所有控制信號、狀態(tài)信號、視頻信號都通過無線通信方式傳送；

8)監(jiān)控信號和視頻信號的無線通信通道相互獨立，互不干擾。

2.遙控操作臺的特征在于：

1)遙控操作臺由遙控器和視頻接收顯示器兩部分組成，可以由操作人員隨身攜帶，遠離鏟運機操作；

2)遙控器的操作面板安裝有手柄、開關、按鈕等器件，產生的控制信號通過無線通信方式傳送到鏟運機上的遙控信號接收機；

3)遙控器面板安裝有指示燈，反映鏟運機的運行和通信狀態(tài)，狀態(tài)信號通過無線通信方式從鏟運機傳送到遙控器；

4)視頻接收顯示器的視頻信號通過無線通信方式從鏟運機傳送到主控系統(tǒng)；

5)視頻顯示器顯示鏟運機行進方向的視頻，當鏟運機改變?yōu)榍斑M或后退狀態(tài)時，自動切換為相應方向的視頻。

3.機載操作臺的特征在于：

1)機載操作臺固定于鏟運機駕駛室；

2)機載操作臺安裝手柄、開關、按鈕等器件，油門踏板和行車制動踏板安裝于操作面板下方，方便雙腳踩踏。機控操作時，控制信號由機載操作臺上的手柄、開關、按鈕、踏板產生；

3)機載操作臺安裝儀表和指示燈，反映鏟運機的運行狀態(tài)和監(jiān)測參數(shù)，如機油壓力、轉速、是否制動、預熱是否完成、是否報警、是否處于遙控、是否存在故障等信息；

4)機載操作臺產生的控制信號只和主控系統(tǒng)相連，二者之間通過有線方式傳送信號。

4.遙控接收系統(tǒng)的特征在于：

1)遙控接收系統(tǒng)包括遙控信號接收機、攝像頭、切換器、視頻發(fā)射機等，固定于鏟運機上；

2)遙控信號接收機負責接收遙控操作臺通過無線通信方式傳送過來的遙控信號，并將各種控制信息通過CAN總線接口傳送到主控系統(tǒng)；

3)遙控信號接收機同時負責將鏟運機的狀態(tài)信號通過無線通信方式傳送到遙控操作臺；

4)攝像頭共2個，分別負責拍攝鏟運機前進、后退方向的場景；

5)視頻切換器負責視頻發(fā)射信號的信號源切換，根據(jù)鏟運機的行進方向，自動切換為前進或后退方向的視頻；

6)視頻發(fā)射器負責向遙控操作臺發(fā)送視頻信號；

7)遙控接收系統(tǒng)和主控系統(tǒng)之間是有線通信連接，其中遙控信號接收機和主控系統(tǒng)的控制器之間通過CAN總線傳送控制和狀態(tài)信號的數(shù)據(jù)。

5.主控系統(tǒng)的特征在于：

1)主控系統(tǒng)包括控制器、電源模塊、繼電器等，安裝于控制箱內；

2)電源模塊的輸出有24V和12V兩種規(guī)格，分別給機載各元器件供電；

3)控制器具有CAN總線接口，控制器和遙控接收機之間、控制器和變速變矩控制器之間，都通過CAN總線連接進行數(shù)據(jù)通信；

4)鏟運機的各種檢測、控制算法在控制器中編程實現(xiàn)；

5)控制器輸出功率大，驅動能力強，除行車制動的電液制動閥外，其它電磁液壓閥直接由控制器驅動，減少動作執(zhí)行機構中驅動器的安裝數(shù)量。

6.鏟運機動作執(zhí)行系統(tǒng)的特征在于：

1)鏟運機的執(zhí)行動作包括發(fā)動機油門控制、鏟運機轉向、停車制動、行車制動、鏟斗升降、鏟斗翻轉、動力輸出軸變速變矩等，所有執(zhí)行機構及元器件都固定于鏟運機；

2)電子油門控制器的輸入控制信號為電信號，輸出為位移，直接與柴油機油門拉桿相連，控制油門拉桿的位移角度；

3)發(fā)動機變速變矩器用于控制動力輸出軸轉動的快慢和力矩大小，采用專用的控制器，該控制器和主控系統(tǒng)的控制器之間通過CAN總線傳送數(shù)據(jù)；

4)鏟運機轉向、行車制動、停車制動、鏟斗升降、鏟斗翻轉都是通過液壓系統(tǒng)控制，所有液壓閥的輸入控制信號都為電信號。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的優(yōu)點是：

1)地下鏟運機既能在鏟運機上操作控制，也能遠距離無線遙控；

2)遙控和機控的控制信號、狀態(tài)信號都經(jīng)由主控系統(tǒng)進行調度和管理，各種控制策略和控制算法由主控系統(tǒng)的控制器編程實現(xiàn)；

3)在遙控端提供鏟運機行進方向的視頻信號，視頻信號根據(jù)前進或后退的方向自動切換；

4)主控系統(tǒng)的控制器抗干擾、驅動能力強，直接驅動液壓閥動作，減少液壓閥驅動器的安裝數(shù)量；

5)遙控接收機、主控系統(tǒng)的控制器、變速變矩控制器之間采用CAN總線通信，減少鏟運機上的布線復雜度。

附圖說明

圖1為系統(tǒng)實例的組成及相互間信號流向示意圖。

圖2為遙控操作臺的組成示意圖。

圖3為機載操作臺的組成示意圖。

圖4為遙控接收系統(tǒng)的組成示意圖。

圖5為主控系統(tǒng)的組成示意圖。

圖6為動作執(zhí)行系統(tǒng)的組成示意圖。

具體實施方式

下面結合一個具體實例對本發(fā)明進行更詳細的描述。

1.圖1給出了一個2立方遙控地下鏟運機控制系統(tǒng)的組成及相互間信號流向示意圖?？刂葡到y(tǒng)由遙控操作臺、機載操作臺、遙控接收系統(tǒng)、主控系統(tǒng)和動作執(zhí)行系統(tǒng)四部分組成。圖中的實線箭頭和虛線箭頭表示各部分之間的信息流，即信號的走向及連接關系。

1)遙控操作臺包括遙控器、視頻接收顯示器，遙控器上安裝有各種手柄、開關、按鈕和指示燈；負責產生并發(fā)送遙控信號，接收鏟運機的狀態(tài)信號，通過指示燈反映鏟運機的狀態(tài)，接收并顯示鏟運機前進或后退方向的視頻信號；整個遙控操作臺可由操作人員隨身攜帶，在遠離鏟運機的地方進行遙控操作；

2)機載操作臺固定于鏟運機駕駛室，操作面板安裝各種操作手柄、開關、按鈕、儀表、指示燈等，油門腳踏板、行車制動腳踏板則位于操作面板下方；負責機控信號的產生，并通過儀表和指示燈反映鏟運機的運行狀態(tài)；

3)遙控接收系統(tǒng)包括遙控信號接收機、攝像頭、切換器、視頻發(fā)射機等，負責遙控信號和視頻信號的傳送；

4)主控系統(tǒng)由控制器、電源模塊、繼電器等組成，負責各種控制信號、狀態(tài)信號的調理、傳送，以及控制算法的實現(xiàn)；

5)動作執(zhí)行系統(tǒng)包括電子油門控制器、電液控液壓系統(tǒng)、變速變矩器等，負責實現(xiàn)鏟運機的各種動作，如發(fā)動機的啟動、停止、油門大小，鏟運機的前進、后退、制動、加速、減速、轉向，鏟斗的舉升、翻轉等，這些動作執(zhí)行機構的輸入控制信號都是電信號；

6)鏟運機的操作分為遙控操作和機控操作，由機載操作臺上的一個開關進行切換，工作時只有一套操作裝置的控制信號起作用；

7)遙控操作臺和鏟運機之間沒有電纜連接，控制信號、狀態(tài)信號和視頻信號都通過無線通信方式傳送；遙控信號和視頻信號的無線傳輸通道相互獨立，互不干擾，且無線通信頻率都在免費的工業(yè)用頻段范圍內；

8)遙控器的有效控制距離為無遮擋時200m范圍內。

2.遙控操作臺的組成如圖2所示，其特征在于：

1)遙控操作臺由遙控器和視頻接收顯示器兩部分組成，可由操作人員隨身攜帶，遠離鏟運機操作；

2)遙控器操作面板安裝加速/制動/左轉/右轉手柄、鏟斗升降/翻轉手柄、停車制動開關、前進/后退開關、全油門開關、預熱開關、發(fā)動機啟動/熄火開關、緊急停機開關、喇叭按鈕，這些器件產生的控制信號通過無線方式傳到到鏟運機上的遙控信號接收機；

3)遙控器操作面板安裝預熱完成指示燈、故障指示燈，反映鏟運機的運行及通信狀態(tài)，接收的狀態(tài)信號通過無線方式從鏟運機傳到到遙控器；

4)視頻信號通過無線方式從鏟運機傳送到視頻接收機，在顯示器上實時顯示；

5)視頻顯示器始終顯示鏟運機行進方向的視頻，當鏟運機處于前進或后退狀態(tài)時，自動切換為對應方向的視頻。

6)視頻信號和遙控信號無論供電還是通信，都是兩套獨立的系統(tǒng)，兩者互不影響。

3.機載操作臺的組成如圖3所示，其特征在于：

1)機載操作臺固定安裝于鏟運機駕駛室；

2)機載操作臺安裝左轉/右轉手柄、鏟斗升降/翻轉手柄、前進/后退開關、鑰匙開關(發(fā)動機啟動/熄火/預熱)、停車制動開關、前燈開關、后燈開關、遙控切換開關、緊急停機開關、喇叭按鈕、遙控指示燈停車制動指示燈、行車制動指示燈、操作故障指示燈等器件，油門踏板和行車制動踏板安裝于操作臺下方，機控操作時，這些器件產生控制信號；

3)機載操作臺安裝轉速表、機油壓力表、缸蓋溫度表、遙控指示燈、停車制動指示燈、行車制動指示燈、操作故障指示燈等器件，顯示鏟運機的運行狀態(tài)，如轉速、機油壓力、發(fā)動機缸蓋溫度、是否停車制動、是否行車制動、是否報警、是否處于遙控、是否存在操作故障、預熱是否完成等信息；

4)機載操作臺只和主控系統(tǒng)相連，和動作執(zhí)行系統(tǒng)之間沒有直接的信號聯(lián)系；機載操作臺和主控系統(tǒng)之間通過有線方式傳送信號。

4.遙控接收系統(tǒng)的組成如圖4所示，其特征在于：

1)遙控接收系統(tǒng)包括遙控信號接收機、攝像頭、視頻切換器、視頻發(fā)射機等，固定安裝于鏟運機上；

2)遙控信號接收機負責接收遙控操作臺通過無線通信方式傳送過來的控制信號，并將信號轉換為CAN總線接口輸出到主控系統(tǒng)的PLC；

3)遙控信號接收機同時負責將鏟運機的部分狀態(tài)信號通過無線通信方式傳送到遙控操作臺；

4)攝像頭共2個，分別負責拍攝鏟運機前進、后退方向的場景；

5)視頻切換器負責視頻發(fā)射機的信號源切換，根據(jù)鏟運機的行進方向，自動切換為前進方向或后退方向的視頻；

6)視頻發(fā)射機負責向遙控操作臺傳送視頻信號；

7)遙控接收系統(tǒng)和主控系統(tǒng)之間是有線連接通信，其中遙控信號接收機和PLC之間通過CAN總線通信。

5.主控系統(tǒng)的組成如圖5所示，其特征在于：

1)主控系統(tǒng)包括兩個電源模塊、兩臺PLC、多個繼電器等，分別安裝于兩個控制箱內?？刂葡浞浪⒎缐m、防振；

2)電源模塊包括24V和12V兩種規(guī)格，分別給機載各元器件供電；

3)兩臺PLC之間、PLC和遙控接收機之間、PLC和變速變矩控制器APC122之間，都通過CAN總線連接；

4)所有的檢測、控制算法均采用PLC編程實現(xiàn)，包括各動作之間的邏輯關系、檢測變量的調理和轉換、控制策略等，都由主控系統(tǒng)的PLC負責完成；

5)兩臺PLC輸出功率大，驅動能力強，除行車制動所用的電液制動閥外，其它電液控液壓系統(tǒng)的電磁閥都由PLC直接驅動，減少液壓閥驅動器的安裝數(shù)量。

6.動作執(zhí)行系統(tǒng)的組成如圖6所示，其特征在于：

1)鏟運機的動作包括發(fā)動機油門控制、鏟運機轉向、停車制動、行車制動、鏟斗升降、鏟斗翻轉、動力輸出軸的變速變矩等，其執(zhí)行機構都固定安裝于鏟運機；

2)電子油門控制器的輸入控制信號為電信號，輸出為位移，直接連接柴油機油門拉桿，控制拉桿的偏轉角度及位移；

3)變速變矩器用于控制動力輸出軸轉動的快慢和力矩大小，配備專用的變速變矩控制器APC122，該控制器所需的油門信息數(shù)據(jù)由PLC通過CAN總線傳送；

4)鏟運機的轉向、行車制動、停車制動、鏟斗升降、鏟斗翻轉都是通過液壓系統(tǒng)控制，其中鏟運機轉向、鏟斗升降、鏟斗翻轉采用一個四聯(lián)電液比例流量閥控制，行車制動采用一個二聯(lián)電液比例壓力閥(電液制動閥)控制，停車制動采用一個電磁換向閥控制，所有液壓閥的輸入控制信號都為電信號。

上述說明僅僅是示例性的一種具體實施方式，不能因此而限制本發(fā)明的范圍及其應用。在本發(fā)明公開的技術范圍內，任何可輕易想到的變化或替換，都應在本發(fā)明的保護范圍之內。