本發(fā)明涉及一種履帶車輛的遠程控制及自動駕駛系統(tǒng)，具體為一種基于互聯(lián)網(wǎng)的履帶車輛遠程控制及自動駕駛系統(tǒng)。

背景技術：

履帶行走系統(tǒng)有著牽引力大、越野性能好、接地比壓小、爬坡能力強等優(yōu)點，所以廣泛應用于復雜地面作業(yè)車輛，如挖掘機、履帶式裝載機等。履帶車輛多工作于惡劣的環(huán)境中，常伴有噪聲大、灰塵多等問題，施工中可能存在的傾翻等問題也對司機的人身安全產(chǎn)生一定的威脅。

網(wǎng)絡技術及遠程控制技術的快速發(fā)展促進了工業(yè)自動化領域以及車輛無人駕駛領域的遠程監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展。目前對工程車輛的車載監(jiān)控系統(tǒng)研究較多，但還不能難以滿足工程實際的應用需求，而對履帶車輛的遠程控制及自動駕駛系統(tǒng)的研究還存在很大不足。

這種基于互聯(lián)網(wǎng)的遠程控制及自動駕駛系統(tǒng)為提高履帶車輛的智能化提供了一種方法。該方法可以將駕駛?cè)藛T從工作現(xiàn)場解放出來，減少了駕駛?cè)藛T的勞動量，并保護了人員健康和安全。遠程系統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)控制，擴大了系統(tǒng)的使用范圍，也使得監(jiān)控操作更加方便。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種基于互聯(lián)網(wǎng)的履帶車輛遠程控制及自動駕駛系統(tǒng)，以解決履帶車輛在遠程及自動駕駛方面的不足。

本發(fā)明包括監(jiān)測模塊、執(zhí)行模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和遠程操作模塊，所述的監(jiān)測模塊、執(zhí)行模塊和數(shù)據(jù)處理模塊安裝在履帶車輛的相應位置上，遠程操作模塊通過互聯(lián)網(wǎng)與數(shù)據(jù)處理模塊進行通信。

所述的監(jiān)測模塊由超聲波傳感器組、光電編碼器組、慣性測量單元、傾角傳感器和第一攝像頭組成，監(jiān)測模塊用來獲取履帶車輛的運動參數(shù)、位姿參數(shù)與外部環(huán)境信息。

所述的監(jiān)測模塊的超聲波傳感器組由九個超聲波傳感器w40-10dt組成，安裝在車輛的前部，用來測量車輛兩側(cè)和前方的障礙物位置信息。光電編碼器組由二個光電編碼器zkt-66組成，分別安裝在車輛的左右履帶上，軸心與驅(qū)動輪的軸心相連，用來測量主動輪的轉(zhuǎn)角，以獲取履帶的實際速度。慣性測量單元型號為bw-imu200，安放在履帶底盤的平板上，用來測量車輛的方向角和加速度。傾角傳感器型號為mim20，安裝在履帶底盤的平板上，用來測量車輛x和y軸向上的傾斜角度。第一攝像頭安裝在車輛頂端支架上，能旋轉(zhuǎn)270°對車輛周圍環(huán)境進行攝像。

所述的執(zhí)行模塊由變頻器組、步進電機組、制動輔助裝置和第二攝像頭組成，執(zhí)行行駛控制指令，實現(xiàn)履帶車輛的前后行走、轉(zhuǎn)向和制動。

所述的執(zhí)行模塊的變頻器組分左右兩個，固定在車輛的底盤上，輸入線連接到9264(ao)模塊的輸出口，輸出線分別與左右步進電機相連，控制步進電機組的轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)履帶車輛的前后行走與轉(zhuǎn)向控制9264(ao)模塊5接口與制動輔助裝置的電磁換向閥相連，輸出控制信號控制閥門的開關，實現(xiàn)液壓閥出口壓力的控制，從而實現(xiàn)履帶車輛的制動裝置的控制。第二攝像頭安裝在車輛前端的固定支架上，位于車身的中心線上，通過數(shù)據(jù)線與機載計算機連接，用于拍攝車輛前方路面，所得圖片傳入機載計算機。

所述的數(shù)據(jù)處理模塊由機載計算機、下位機nicrio9030、9220(ai)模塊和9264(ao)模塊組成，數(shù)據(jù)處理模塊與各模塊相互通信，并在自動駕駛時做出行駛決策。

所述的數(shù)據(jù)處理模塊的下位機nicrio9030通過數(shù)據(jù)線與機載計算機連接，下位機nicrio9030處理9220(ai)模塊的傳感器模擬量，最后獲得數(shù)字量傳輸?shù)綑C載計算機；當接收到機載計算機發(fā)送的運動指令，下位機nicrio9030將其轉(zhuǎn)化為控制模擬量輸送到9264(ao)模塊，否則labview程序會基于神經(jīng)網(wǎng)絡控制算法自動決策出履帶車輛的行駛參數(shù)。

所述的遠程操作模塊由監(jiān)測操作站組成，監(jiān)測操作站需要在網(wǎng)絡覆蓋下，通過計算機遠程打開控制系統(tǒng)的前面板，查看履帶車輛的實時信息，并進行遠程控制。

所述的監(jiān)測操作站在ie瀏覽器上打開控制系統(tǒng)前面板時，需進行身份驗證，驗證信息正確才能登錄頁面。

所述的基于互聯(lián)網(wǎng)的履帶車輛遠程控制及自動駕駛系統(tǒng)，功能包括：遠程監(jiān)測功能、主動控制功能和自動駕駛功能，其中主動控制功能和自動駕駛功能由監(jiān)測操作站選擇。

所述的遠程監(jiān)控功能的實現(xiàn)過程為：下位機獲取傳感器組的模擬量數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行處理，轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號傳輸?shù)綑C載計算機，在機載計算機的控制前面板上實時顯示；機載計算機將前面板通過web服務器上傳至互聯(lián)網(wǎng)；操作人員可以通過聯(lián)網(wǎng)計算機的瀏覽器查看控制前面板，獲得車輛的實時信息。

所述的主動控制功能的實現(xiàn)過程為：監(jiān)測操作站以車輛的實時信息為基礎，選擇主動控制子系統(tǒng)，輸入車輛控制命令，包括速度和轉(zhuǎn)向信息；指令通過互聯(lián)網(wǎng)下發(fā)至機載計算機，再由機載計算機發(fā)送至下位機；下位機對控制指令進行處理，轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘柗謩e輸入左右變頻器；左右變頻器變化頻率控制左右步進電動機的轉(zhuǎn)速隨之改變，實現(xiàn)履帶車輛的行進和轉(zhuǎn)向。

所述的自動駕駛功能的實現(xiàn)過程為：監(jiān)測操作站選擇自動行駛子系統(tǒng)，下位機對路面圖片進行處理，獲得線路擬合曲線；神經(jīng)網(wǎng)絡控制算法獲得左右履帶的運行速度，信息處理后分別傳輸?shù)阶笥易冾l器；左右變頻器變化頻率控制左右步進電動機的轉(zhuǎn)速隨之改變，實現(xiàn)履帶車輛的行進和轉(zhuǎn)向。

在所述的自動駕駛功能中，當超聲波傳感器組檢測到履帶車輛前行道路上有障礙物時，下位機向機載計算機發(fā)出障礙物警報信息，控制系統(tǒng)前面板障礙物警報等閃爍，并在前面板上顯示障礙物的距離，同時履帶車輛停車制動。當傾角傳感器測得傾角達一定值時，履帶車輛有傾翻危險，下位機向機載計算機發(fā)出傾翻危險警報，控制系統(tǒng)前面板傾翻警報燈閃爍，并顯示傾斜角度值，同時履帶車輛停車制動。當子系統(tǒng)無法自動獲取行駛路線時，下位機向機載計算機發(fā)出導航失敗警報信息，控制系統(tǒng)前面板導航失敗警報燈閃爍，同時履帶車輛停車制動。

本發(fā)明的有益效果：

1、實現(xiàn)履帶車輛的主動控制和自動駕駛功能。

2、對履帶車輛在自動駕駛中多種可能會遇到的危險進行了監(jiān)測和處理，提高了駕駛的安全性。

3、操作人員可以在遠程監(jiān)控操作站操作控制前面板進行履帶車輛的控制，降低了勞動量，將人從惡劣的作業(yè)環(huán)境中解放出來，保護了車輛控制人員的健康與生命安全。

4、使用互聯(lián)網(wǎng)控制，降低了通信設備對履帶車輛實時遠程控制的約束。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構示意圖。

圖2為本發(fā)明的控制系統(tǒng)硬件安裝位置示意圖。

圖3為本發(fā)遠程控制及自動行駛系統(tǒng)執(zhí)行流程圖。

圖4為本發(fā)明的神經(jīng)網(wǎng)絡控制框圖。

圖中：1-監(jiān)控操作站、2-機載計算機、3-下位機nicrio9030、4-9220(ai)模塊、5-9264(ao)模塊、6-超聲波傳感器組、7-光電編碼器組、8-慣性測量單元、9-傾角傳感器、10-第一攝像頭、11-變頻器組、12-步進電機組、13-制動輔助裝置、14-第二攝像頭、15-網(wǎng)絡、16-計算機、c-履帶底盤。

具體實施方式

如圖1、和圖2所示，本發(fā)明包括監(jiān)測模塊ⅰ、執(zhí)行模塊ⅱ、數(shù)據(jù)處理模塊ⅲ和遠程操作模塊ⅳ，所述的監(jiān)測模塊ⅰ、執(zhí)行模塊ⅱ和數(shù)據(jù)處理模塊ⅲ安裝在履帶車輛上，遠程操作模塊ⅳ通過互聯(lián)網(wǎng)與數(shù)據(jù)處理模塊ⅲ進行通信。

所述的監(jiān)測模塊ⅰ由超聲波傳感器組6、光電編碼器組7、慣性測量單元8、傾角傳感器9和第一攝像頭10組成；監(jiān)測模塊ⅰ用來測量履帶車輛的位姿信息和外部環(huán)境信息；超聲波傳感器組6由九個超聲波傳感器w40-10dtr組成，超聲波傳感器組6分兩組安裝在車輛的前部，用來測量車輛前方的障礙物位置信息，光電編碼器組7由二個光電編碼器zkt-66組成，二個光電編碼器分別安裝在車輛的左右履帶上，軸心與驅(qū)動輪的軸心相連，用來測量主動輪的轉(zhuǎn)角，以獲取履帶的實際速度；慣性測量單元8型號為bw-imu200，安放在履帶底盤c的平板上，用來測量車輛的方向角和加速度；傾角傳感器9型號為mim20，安裝在履帶底盤c的平板上，用來測量車輛x和y軸向上的傾斜角度。第一攝像頭16安裝在車輛頂端支架上，可旋轉(zhuǎn)270°對車輛周圍環(huán)境進行攝像。

所述的執(zhí)行模塊ⅱ由變頻器組11、步進電機組12、制動輔助裝置13和第二攝像頭14組成，變頻器組11分左右兩個，固定在車輛的底盤上，輸入線連接到9264(ao)模塊5，輸出線分別與左右步進電機相連，控制步進電機組12的轉(zhuǎn)速，9264(ao)模塊5接口與制動輔助裝置13的電磁換向閥相連，輸出模擬量信號控制閥門的開關，第二攝像頭14安裝在履帶車輛前面的固定支架上，位于車身的中心線上，通過數(shù)據(jù)線與機載計算機2連接，用于拍攝車輛前方路面。

所述的數(shù)據(jù)處理模塊ⅲ由機載計算機2、下位機nicrio90303、9220(ai)模塊4和9264(ao)模塊5組成；機載計算機2通過互聯(lián)網(wǎng)與監(jiān)測操作站1通信，通過數(shù)據(jù)線與下位機nicrio90303連接，9220(ai)模塊4采集監(jiān)測模塊ⅰ的傳感器模擬量，下位機nicrio90303對數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換與處理，并將控制信號通過9264(ao)模塊5傳輸?shù)綀?zhí)行模塊ⅱ。

所述的遠程操作模塊ⅳ由監(jiān)測操作站1組成，監(jiān)測操作站1需要在網(wǎng)絡15覆蓋下，通過計算機16，遠程控制及自動駕駛系統(tǒng)進行控制。

圖3為本發(fā)明的基于互聯(lián)網(wǎng)的履帶車輛的遠程控制及自動駕駛系統(tǒng)的程序流程圖：

本發(fā)明的基于互聯(lián)網(wǎng)的履帶車輛的遠程控制及自動駕駛系統(tǒng)采用labview軟件對履帶車輛進行數(shù)據(jù)處理和控制運算。系統(tǒng)的主程序在機載計算機2中存儲并運行，共有三個子程序包括遠程監(jiān)測子程序、主動控制子程序和自動駕駛子程序在下位機nicrio90303存儲并運行，通過主程序?qū)ψ映绦虻恼{(diào)用和運行，實現(xiàn)該系統(tǒng)的遠程監(jiān)測、主動控制和自動駕駛?cè)齻€功能。其中遠程監(jiān)測子程序與主動控制子程序或自動駕駛子程序可以并行運行，主動控制子程序和自動駕駛子程序可以實時切換運行。

所述的監(jiān)測操作站1在ie瀏覽器上打開控制系統(tǒng)前面板時，需進行身份驗證，驗證信息正確才能登錄頁面，進行監(jiān)控操作。

所述的遠程監(jiān)測子系統(tǒng)的運行流程包括，9220(ai)模塊4采集采集傳感器信息，在下位機nicrio90303里進行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換與處理，一方面處理后的信息傳輸?shù)阶詣玉{駛子程序，一方面該信息通過數(shù)據(jù)線，傳輸?shù)綑C載計算機2，顯示在labview的前面板上，labview的web服務器將前面板以內(nèi)嵌式發(fā)布到互聯(lián)網(wǎng)上，監(jiān)控操作站1在ie瀏覽器里打開控制系統(tǒng)前面板網(wǎng)頁，身份驗證后，查看前面板，獲得車輛的實時信息。

所述的主動控制功能的實現(xiàn)過程：監(jiān)控操作站選擇手動模式，在前面板中輸入速度與轉(zhuǎn)角信息，該信息由機載計算機通過數(shù)據(jù)線輸送到下位機nicrio90303，下位機nicrio90303對控制指令進行處理與轉(zhuǎn)換，控制9264(ao)模塊5輸出口相應大小的模擬量信息。與9264(ao)模塊5接口相連接的變頻器組接受到模擬量信息后，調(diào)節(jié)到相應的頻率，輸出到履帶的左右步進電動機，左右步進電動機轉(zhuǎn)速相應發(fā)生變化。履帶車輛的轉(zhuǎn)向是通過左右履帶的速度差實現(xiàn)的，在這里通過下位機nicrio90303按一定規(guī)則將轉(zhuǎn)角信息轉(zhuǎn)化為左右履帶的速度信息實現(xiàn)。

自動駕駛功能的實現(xiàn)過程：

監(jiān)測操作站1選擇自動行駛子系統(tǒng)，第二攝像頭14拍攝車輛前方的路面照片，存儲在機載計算機2中，并輸送到下位機nicrio90303；下位機nicrio90303中的labview軟件的視覺與運動模塊對路面圖片進行處理，獲得路標信號坐標，擬合成導航曲線；下位機nicrio90303采用神經(jīng)網(wǎng)絡控制算法做出決策，獲得左右履帶的運行速度，控制9264(ao)模塊5輸出口相應大小的模擬量信息；左右變頻器根據(jù)輸入信號改變輸出頻率，控制左右步進電動機的轉(zhuǎn)速變化，實現(xiàn)履帶車輛的行進和轉(zhuǎn)向。

所述的自動駕駛功能的控制算法是基于神經(jīng)網(wǎng)絡算法實現(xiàn)的，根據(jù)傳感器組獲得的履帶車輛的實時位姿信息和導航曲線坐標獲得距離偏差和角度偏差，將左右履帶速度和距離與角度偏差作為神經(jīng)網(wǎng)絡算法的神經(jīng)元，通過控制器計算出下一步運動指令信息。

在所述的自動駕駛功能中，當超聲波傳感器組6檢測到履帶車輛前行道路上有障礙物時，下位機nicrio90303向機載計算機2發(fā)出障礙物警報信息，控制系統(tǒng)前面板障礙物警報等閃爍，同時履帶車輛停車制動。當傾角傳感器9測得傾角達一定值時，履帶車輛有傾翻危險，下位機nicrio90303向機載計算機2發(fā)出傾翻危險警報，控制系統(tǒng)前面板傾翻警報燈閃爍，并顯示傾斜角度值，同時履帶車輛停車制動。當系統(tǒng)無法自動獲取行駛路線時，下位機nicrio90303向機載計算機2導航失敗警報信息，控制系統(tǒng)前面板導航失敗警報燈閃爍，同時履帶車輛停車制動。

所述的道路障礙物的信息確定通過以下方法獲得:超聲波傳感器組測得障礙物距離，通過測距模塊確定障礙物位置坐標，然后計算出與導航曲線的距離，當距離小于設定值時則認為障礙物阻礙通行，發(fā)送障礙物信息。