專利名稱：基于現(xiàn)場總線的動力平板運輸車的多模式轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種適用于多橋驅(qū)動的動力平板運輸車的液壓轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)，通過采用現(xiàn)場總線技術(shù)進行信息綜合和協(xié)調(diào)控制若干個分布式布置的電液比例轉(zhuǎn)向機構(gòu)。
背景技術(shù)：
多模式轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)是多橋驅(qū)動的大型工程車輛和工程機械行走與操縱系統(tǒng)的重要組成部分。這類車輛，由于車身體積龐大，從行走驅(qū)動、操縱和控制、接地比壓、結(jié)構(gòu)布置等角度考慮，需要多個驅(qū)動與操縱機構(gòu)分布式布置，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)需要根據(jù)復(fù)雜作業(yè)任務(wù)的需求在施工現(xiàn)場實現(xiàn)包括斜行、橫行、縱行八字轉(zhuǎn)向(即包括有前八、后八和對稱八字的三個轉(zhuǎn)向)、中心轉(zhuǎn)向等多種轉(zhuǎn)向模式。
目前，大型車輛的轉(zhuǎn)向機構(gòu)中，各轉(zhuǎn)向輪之間的運動綜合和運動傳遞多采用傳統(tǒng)的基于桿系或輪系的機械綜合方式。液壓助力、全液壓和電動助力轉(zhuǎn)向主要是在機械綜合的基礎(chǔ)上減小操縱力和改善操縱品質(zhì)，這種綜合方式僅能滿足各車輪在行駛過程中的八字轉(zhuǎn)向(基于桿系的轉(zhuǎn)向梯形綜合)或速差轉(zhuǎn)向(輪系綜合)，難以實現(xiàn)其它轉(zhuǎn)向模式。另外，各車輪之間無法實現(xiàn)繞轉(zhuǎn)向中心線作純滾動的綜合運動，對轉(zhuǎn)向輪機構(gòu)設(shè)計和布置，以及實現(xiàn)多種復(fù)雜的綜合的轉(zhuǎn)向模式比較困難，同時其傳動誤差所帶來的磨損和沖擊也降低了車輛的安全性和使用壽命。
另一種多軸運動綜合方式是采用傳統(tǒng)的信號電傳操縱綜合集中式控制方案，中央控制器采集各軸的轉(zhuǎn)向信號然后解算各軸轉(zhuǎn)向指令送往轉(zhuǎn)向機構(gòu)實現(xiàn)轉(zhuǎn)向。大型動力平板運輸車目前多采用這種方案。這種方案由于車輛體積龐大和多個轉(zhuǎn)向機構(gòu)分布式布置使得系統(tǒng)存在著信號多、布線困難和抗干擾能力差等問題，可靠性與可維護性都比較差。
隨著計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，采用現(xiàn)場總線和電液比例控制相結(jié)合的方式實現(xiàn)機械傳動與操縱系統(tǒng)的運動綜合與控制已成為可能。這種解決方案可以徹底解決上述兩種方案存在的問題，提升平板運輸車和大型工程機械的操縱性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于現(xiàn)場總線的動力平板運輸車的多模式轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)，該液壓轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)通過采用現(xiàn)場總線技術(shù)將主控節(jié)點模塊與現(xiàn)場節(jié)點模塊傳遞的數(shù)據(jù)信息進行信息綜合和協(xié)調(diào)控制，然后輸出控制信息對多個分布式布置的電液比例轉(zhuǎn)向機構(gòu)實現(xiàn)縱行八字轉(zhuǎn)向、橫行、斜行和中心轉(zhuǎn)向在內(nèi)的多種轉(zhuǎn)向模式控制，從而實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下多軸驅(qū)動及轉(zhuǎn)向車輛的協(xié)調(diào)控制。
本發(fā)明是一種基于現(xiàn)場總線的動力平板運輸車的多模式轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)，其特征在于包括主控節(jié)點模塊、CAN總線和多個現(xiàn)場節(jié)點模塊，所述主控節(jié)點模塊實現(xiàn)轉(zhuǎn)向模式選擇、轉(zhuǎn)向梯形解析、狀態(tài)監(jiān)控，并通過CAN總線與現(xiàn)場節(jié)點模塊進行信息通訊協(xié)調(diào)工作實現(xiàn)各輪系的運動綜合；所述現(xiàn)場節(jié)點模塊實現(xiàn)節(jié)點伺服控制；所述主控節(jié)點模塊內(nèi)嵌有轉(zhuǎn)向模式單元、轉(zhuǎn)向梯形解析單元和閉環(huán)轉(zhuǎn)向控制單元；所述轉(zhuǎn)向模式單元，根據(jù)運動學(xué)轉(zhuǎn)向模型設(shè)定有動力平板運輸車車輪的多模式轉(zhuǎn)向模型，并根據(jù)駕駛室輸出的轉(zhuǎn)向指令進行所述轉(zhuǎn)向模型的匹配處理輸出當(dāng)前轉(zhuǎn)向模式信息；所述轉(zhuǎn)向模型有橫行、斜行、中心轉(zhuǎn)向、縱行八字對稱轉(zhuǎn)向、縱行前軸八字轉(zhuǎn)向和縱行后軸八字轉(zhuǎn)向；所述轉(zhuǎn)向梯形解析單元，根據(jù)駕駛室輸出的方向盤角度θw與所述當(dāng)前轉(zhuǎn)向模式信息采用梯形解析法處理獲得當(dāng)前轉(zhuǎn)向模式各輪系的期望轉(zhuǎn)角θp；所述閉環(huán)轉(zhuǎn)向控制單元，根據(jù)解析出的期望轉(zhuǎn)角θp與各輪系輸出的實際轉(zhuǎn)角θ進行閉環(huán)PID控制；所述主控節(jié)點模塊首先采集駕駛室內(nèi)的操控信號，并將轉(zhuǎn)向指令操控信號進行轉(zhuǎn)向模式單元的判斷處理出當(dāng)前轉(zhuǎn)向模式；轉(zhuǎn)向梯形解析單元對接收的方向盤信號和當(dāng)前轉(zhuǎn)向模式進行解析獲得各輪系的期望轉(zhuǎn)角θp；所述現(xiàn)場節(jié)點模塊通過角位移傳感器采集車輪的實際轉(zhuǎn)角θ并通過CAN總線傳輸給所述主控節(jié)點模塊的閉環(huán)轉(zhuǎn)向控制單元；閉環(huán)轉(zhuǎn)向控制單元對接收的期望轉(zhuǎn)角θp和實際轉(zhuǎn)角θ進行比較獲得偏差信號；所述偏差信號經(jīng)PID運算得到各輪系的控制量，然后再通過CAN總線向各個電液比例轉(zhuǎn)向機構(gòu)下發(fā)操控指令，從而帶動回轉(zhuǎn)盤控制輪系轉(zhuǎn)動。
所述的基于現(xiàn)場總線的動力平板運輸車的多模式轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)，其主控節(jié)點模塊包括PC/104工業(yè)控制計算機、ADP800型采集卡和PC-CAN卡。
所述的基于現(xiàn)場總線的動力平板運輸車的多模式轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)，其現(xiàn)場節(jié)點模塊包括芯片型號為89C51的單片機、芯片型號為PCA89C250的CAN接口電路、光電隔離電路和信號采集、調(diào)理和放大電路。
本發(fā)明液壓轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)的優(yōu)點在于(1)以基于現(xiàn)場總線的運動綜合方式實現(xiàn)多橋驅(qū)動車輛和工程機械的多種轉(zhuǎn)向模式，滿足在狹窄場地的施工需要，有效地提高作業(yè)效率；(2)轉(zhuǎn)向過程中滿足純滾動原理，避免了輪胎滑移造成的摩擦損失；(3)機構(gòu)布置大為方便，為車輛的模塊化制造帶來了方便；(4)通過現(xiàn)場總線可以方便地獲取大量狀態(tài)信息，進行信息綜合處理，有利于車輛轉(zhuǎn)向、行走和作業(yè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作、智能化控制和狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷；(5)現(xiàn)場節(jié)點模塊作為控制系統(tǒng)中的一個節(jié)點直接掛入CAN總線上，可以就近布置在被控對象附近，大大降低了連線數(shù)量且布線簡單易于維護，縮短了生產(chǎn)周期，降低了制造與運行費用，提高了系統(tǒng)的可靠性；(6)基于現(xiàn)場總線的控制平臺易于擴展，為車輛之間的組合和機群作業(yè)提供了方便。


圖1是本發(fā)明主控節(jié)點模塊的硬件結(jié)構(gòu)框圖。
圖2是本發(fā)明現(xiàn)場節(jié)點模塊的硬件結(jié)構(gòu)框圖。
圖3是本發(fā)明轉(zhuǎn)向控制信息結(jié)構(gòu)框圖。
圖4是電液比例轉(zhuǎn)向機構(gòu)示意圖。
圖5A是各輪系的縱行對稱八字轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5B是各輪系的縱行前軸八字轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5C是各輪系的縱行后軸八字轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5D是各輪系的橫行轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5E是各輪系的斜行轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5F是各輪系的中心轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的詳細(xì)說明。
本發(fā)明是一種基于現(xiàn)場總線的動力平板運輸車的多模式轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)，包括主控節(jié)點模塊、CAN總線和多個現(xiàn)場節(jié)點模塊(參見圖1、圖2所示)，所述主控節(jié)點模塊實現(xiàn)轉(zhuǎn)向模式選擇、轉(zhuǎn)向梯形解析、狀態(tài)監(jiān)控，并通過CAN總線與現(xiàn)場節(jié)點模塊進行信息通訊協(xié)調(diào)工作實現(xiàn)各輪系的運動綜合；所述現(xiàn)場節(jié)點模塊實現(xiàn)節(jié)點伺服控制；所述主控節(jié)點模塊內(nèi)嵌有轉(zhuǎn)向模式單元、轉(zhuǎn)向梯形解析單元和閉環(huán)轉(zhuǎn)向控制單元；參見圖3所示，所述轉(zhuǎn)向模式單元，根據(jù)運動學(xué)轉(zhuǎn)向模型設(shè)定有動力平板運輸車車輪的多模式轉(zhuǎn)向模型，并根據(jù)駕駛室輸出的轉(zhuǎn)向指令進行所述轉(zhuǎn)向模型的匹配處理輸出當(dāng)前轉(zhuǎn)向模式信息；所述轉(zhuǎn)向模型有橫行、斜行、中心轉(zhuǎn)向、縱行八字對稱轉(zhuǎn)向、縱行前軸八字轉(zhuǎn)向和縱行后軸八字轉(zhuǎn)向；所述轉(zhuǎn)向梯形解析單元，根據(jù)駕駛室輸出的方向盤角度θw與所述當(dāng)前轉(zhuǎn)向模式信息采用梯形解析法處理獲得當(dāng)前轉(zhuǎn)向模式各輪系的期望轉(zhuǎn)角θp；所述閉環(huán)轉(zhuǎn)向控制單元，根據(jù)解析出的期望轉(zhuǎn)角θp與各輪系輸出的實際轉(zhuǎn)角θ進行閉環(huán)PID控制；
所述主控節(jié)點模塊首先采集駕駛室內(nèi)的操控信號，并將轉(zhuǎn)向指令操控信號進行轉(zhuǎn)向模式單元的判斷處理出當(dāng)前轉(zhuǎn)向模式；轉(zhuǎn)向梯形解析單元對接收的方向盤信號和當(dāng)前轉(zhuǎn)向模式進行解析獲得各輪系的期望轉(zhuǎn)角θp；所述現(xiàn)場節(jié)點模塊通過角位移傳感器采集車輪的實際轉(zhuǎn)角θ并通過CAN總線傳輸給所述主控節(jié)點模塊的閉環(huán)轉(zhuǎn)向控制單元；閉環(huán)轉(zhuǎn)向控制單元對接收的期望轉(zhuǎn)角θp和實際轉(zhuǎn)角θ進行比較獲得偏差信號；所述偏差信號經(jīng)PID運算得到各輪系的控制量，然后再通過CAN總線向各個電液比例轉(zhuǎn)向機構(gòu)(參見圖4所示)下發(fā)操控指令，從而帶動回轉(zhuǎn)盤5控制輪系轉(zhuǎn)動。
在本發(fā)明中，主控節(jié)點模塊負(fù)責(zé)駕駛室的操控信號采集和實現(xiàn)各輪系運動模型解算以及閉環(huán)轉(zhuǎn)向控制；所述現(xiàn)場節(jié)點模塊負(fù)責(zé)完成信號采集、傳送信息到所述主控節(jié)點模塊的上位機并接受上位機的命令，發(fā)送控制指令到現(xiàn)場級設(shè)備。液壓轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)的工作原理是主控節(jié)點模塊首先采集駕駛室內(nèi)的操控信號(設(shè)置在駕駛室內(nèi)的控制面板上)，并將轉(zhuǎn)向指令操控信號進行處理，判斷出當(dāng)前轉(zhuǎn)向模式；轉(zhuǎn)向梯形解析單元根據(jù)方向盤信號和當(dāng)前轉(zhuǎn)向模式進行解析獲得各輪系的期望轉(zhuǎn)角；現(xiàn)場節(jié)點模塊的角位移傳感器采集車輪的實際轉(zhuǎn)角并通過CAN總線傳輸給主控節(jié)點的閉環(huán)轉(zhuǎn)向控制模塊；閉環(huán)轉(zhuǎn)向控制模塊對接收的期望轉(zhuǎn)角和實際轉(zhuǎn)角進行比較獲得偏差信號，進行閉環(huán)的PID運算輸出各輪系的控制量，然后再通過CAN總線向各個現(xiàn)場節(jié)點下發(fā)相應(yīng)的指令，從而控制電液比例控制轉(zhuǎn)向機構(gòu)帶動輪系轉(zhuǎn)動；這一控制過程不斷循環(huán)，直至各輪系跟蹤到期望轉(zhuǎn)角或工作狀態(tài)發(fā)生變化；基于現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)，除了完成控制任務(wù)，還具有綜合處理各種信息的能力，可以實時顯示車身轉(zhuǎn)向姿態(tài)，另外自檢功能可以診斷總線、控制模塊以及輸入輸出端口的故障，給出報警信號。
在本發(fā)明中，參見圖5A～圖5F所示，根據(jù)運動學(xué)轉(zhuǎn)向模型設(shè)定的轉(zhuǎn)向模式包括橫行、斜行、中心轉(zhuǎn)向、縱行八字對稱轉(zhuǎn)向、縱行前軸八字轉(zhuǎn)向和縱行后軸八字轉(zhuǎn)向，以車前進方向為正向，方向盤向逆時針方向轉(zhuǎn)為正方向，方向盤向順時針方向轉(zhuǎn)為負(fù)方向。轉(zhuǎn)向模式中的方向和車輪的標(biāo)記是按照行駛方向來定義的，可分為左側(cè)車輪組和右側(cè)車輪組。以八輪車輛為例，說明各種轉(zhuǎn)向模式的運動學(xué)解析。
(一)橫行是指全部車輪向同一方向轉(zhuǎn)動90度(圖5D所示)，滿足αi=βi=90,i=1,2,3,4,]]>式中，αi表示左側(cè)車輪組的轉(zhuǎn)角，βi表示右側(cè)車輪組的轉(zhuǎn)角，i表示車輪的標(biāo)號。
(二)斜行是指全部車輪向正方向或負(fù)方向轉(zhuǎn)動(0，90)度(圖5E所示)，滿足αi=βi=iwθw,i=1,2,3,4,]]>式中，αi表示左側(cè)車輪組的轉(zhuǎn)角，βi表示右側(cè)車輪組的轉(zhuǎn)角，θw表示方向盤轉(zhuǎn)角，iw表示αi和θw之間的傳動比，i表示車輪的標(biāo)號。
(三)八字轉(zhuǎn)向是指轉(zhuǎn)向中心點oe轉(zhuǎn)動，其縱行對稱八字轉(zhuǎn)向(圖5A所示)滿足α1=iwθw,R=1.5Lcotα1+0.5B,tanα2=0.5LR-0.5B,tanβ1=1.5LR+0.5B,tanβ2=0.5LR+0.5B,α3=-α2,α4=-α1,β3=-β2,β4=-β1,]]>式中，B表示橫向軸間距，L表示縱向軸間距，R表示轉(zhuǎn)向中心oe到車體縱向中心軸線的距離，α1表示第一個左側(cè)車輪的轉(zhuǎn)角，α2表示第二個左側(cè)車輪的轉(zhuǎn)角，α3表示第三個左側(cè)車輪的轉(zhuǎn)角，α4表示第四個左側(cè)車輪的轉(zhuǎn)角，β1表示第一個右側(cè)車輪的轉(zhuǎn)角，β2表示第二個右側(cè)車輪的轉(zhuǎn)角，β3表示第三個右側(cè)車輪的轉(zhuǎn)角，β4表示第四個右側(cè)車輪的轉(zhuǎn)角，θw表示方向盤轉(zhuǎn)角，iw表示αi和θw之間的傳動比；其縱行前軸八字轉(zhuǎn)向(圖5B所示)滿足α1=iwθw,R=3Lcotα1+0.5B,tanα2=2LR-0.5B,tanα3=LR-0.5B,α4=0,tanβ1=3LR+0.5B,tanβ2=2LR+0.5B,tanβ3=LR+0.5B,β4=0,;]]>其縱行后軸八字轉(zhuǎn)向(圖5C所示)滿足α4=-iwθw,R=3Lcos|α4|+0.5B,α1=0,tanα2=-LR-0.5B,tanα3=-2LR-0.5B,β1=0,tanβ2=-LR+0.5B,tanβ3=-2LR+0.5B,tanβ4=-3LR+0.5B,.]]>(四)中心轉(zhuǎn)向是指繞車體中心點oc轉(zhuǎn)動，滿足tanα1=-3LB,tanα2=-LB,tanβ1=3LB,tanβ2=LB,α3=-α2,α4=-α1,β3=-β2,β4=-β1,]]>式中，B表示橫向軸間距，L表示縱向軸間距，α1表示第一個左側(cè)車輪的轉(zhuǎn)角，α2表示第二個左側(cè)車輪的轉(zhuǎn)角，α3表示第三個左側(cè)車輪的轉(zhuǎn)角，α4表示第四個左側(cè)車輪的轉(zhuǎn)角，β1表示第一個右側(cè)車輪的轉(zhuǎn)角，β2表示第二個右側(cè)車輪的轉(zhuǎn)角，β3表示第三個右側(cè)車輪的轉(zhuǎn)角，β4表示第四個右側(cè)車輪的轉(zhuǎn)角，θw表示方向盤轉(zhuǎn)角，iw表示αi和θw之間的傳動比。
在本發(fā)明中，所謂的梯形解析是由于設(shè)定在轉(zhuǎn)向模式單元的運動學(xué)模型的先后順序來定義的，如將橫行定義為第一運動學(xué)模型，斜行定義為第二運動學(xué)模型等等。轉(zhuǎn)向梯形解析單元的梯形解析法是根據(jù)駕駛室輸出的轉(zhuǎn)向指令進行的，當(dāng)駕駛室輸出的轉(zhuǎn)向指令為橫行時，首先從轉(zhuǎn)向模式單元中找到相匹配的第一運動學(xué)模型(橫行)，并以此輸出當(dāng)前的轉(zhuǎn)向模式，即橫行指令信息；當(dāng)駕駛室輸出的轉(zhuǎn)向指令為縱行對稱八字轉(zhuǎn)向時則從轉(zhuǎn)向模式單元中找到第四運動學(xué)模型(縱行對稱八字轉(zhuǎn)向)，再輸出縱行對稱八字轉(zhuǎn)向指令信息。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是轉(zhuǎn)向機構(gòu)分布式布置，功率液傳，各子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(在車輛上有驅(qū)動臺車和從動臺車兩種型式)通過現(xiàn)場總線和控制節(jié)點進行協(xié)調(diào)控制。這是一種基于網(wǎng)絡(luò)化數(shù)字伺服控制技術(shù)解決轉(zhuǎn)向問題的方案。
各轉(zhuǎn)向臺車具有獨立的車橋(有從動和驅(qū)動兩種型式)、液壓懸掛系統(tǒng)、回轉(zhuǎn)支承和電液比例轉(zhuǎn)向機構(gòu)，每個車橋均通過液壓懸架與車架相連，輪軸安裝在平衡臂的軸頸上，驅(qū)動車橋的驅(qū)動軸由液壓馬達(dá)直接驅(qū)動或通過輪邊減速器間接驅(qū)動，從動車橋由主動車橋帶動。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用負(fù)載敏感型變量泵作為動力源，通過多路電液比例閥控制相應(yīng)臺車的馬達(dá)或液壓缸使各臺車饒其回轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動；信息和運動綜合采用基于CAN總線的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)來實現(xiàn)，CAN總線上掛接多個控制模塊，其中主控模塊在司機室中，采集各種操控信號、輸出顯示和報警信息，進行運動綜合解析，并通過總線和現(xiàn)場控制模塊共同完成輪系的閉環(huán)轉(zhuǎn)向控制任務(wù)，現(xiàn)場控制模塊就近布置在所控輪系附近，主要根據(jù)車長、輪系數(shù)目與位置分布、功能需求和成本等因素決定其數(shù)量和位置，每個現(xiàn)場控制模塊可控制一個或多個輪系，輸出端和比例閥電磁鐵相連，輸入端與安裝在輪系懸掛轉(zhuǎn)軸上的角位移傳感器相連，并和主控模塊通信，作為帶有驅(qū)動能力的遠(yuǎn)端I/O，反饋轉(zhuǎn)角信息，同時接收主控制模塊的輸出指令，驅(qū)動比例閥工作；轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基本控制思路是，主控制模塊首先采集操控信號，判斷轉(zhuǎn)向模式(縱行八字、橫行、斜行、中心轉(zhuǎn)向等)，然后根據(jù)已建立的整車輪系轉(zhuǎn)向運動學(xué)模型和方向盤角度，解析出各輪系的期望轉(zhuǎn)角，通過CAN總線接收最新的實際輪系轉(zhuǎn)角，根據(jù)合理的閉環(huán)控制算法求解各回路的控制量輸出，并向各現(xiàn)場控制模型發(fā)送相應(yīng)的輸出指令，從而控制轉(zhuǎn)向機構(gòu)帶動輪系轉(zhuǎn)動，這一控制過程不斷循環(huán)，直至各輪系跟蹤到期望轉(zhuǎn)角或工作狀態(tài)發(fā)生變化；基于現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)，除了完成控制任務(wù)，還具有綜合處理各種信息的能力，可以實時顯示車身轉(zhuǎn)向姿態(tài)，另外自檢功能可以診斷總線、控制模塊以及輸入輸出端口的故障，給出報警信號。
在本發(fā)明中，所選取的硬件作如下說明一、主控節(jié)點模塊(監(jiān)控機)上位機選用PC/104工業(yè)控制計算機，它是專門用于現(xiàn)場的嵌入式微型工業(yè)控制計算機，具有如下特點ALL-IN-ONE的設(shè)計，尺寸為99×90×16mm，占用空間??；能適應(yīng)-40℃～+70℃的溫度范圍，功耗低，無須風(fēng)扇冷卻；具有自棧式模塊化的結(jié)構(gòu)，可層疊；CPU模塊便于更新、升級；而且其主頻有進一步提高的趨勢；具有完備的液晶顯示、鍵盤、電子盤、串并口、網(wǎng)卡等接口，可以實現(xiàn)友好的人機界面接口；和商業(yè)PC機完全兼容，很容易完成軟件的調(diào)試和移植。
PC平臺上方便的開發(fā)環(huán)境，也降低了開發(fā)費用，縮短了調(diào)試周期，適合于工程車輛的小批量短開發(fā)周期的特定要求。上位機通過PC CAN卡與CAN總線通訊，上位機上同時安裝有多功能采集卡(ADP800，模入、定時和數(shù)字I/O)，司機對車輛的操縱(方向盤操縱方向、JOYSTICK操縱車體姿態(tài)和面板上的選擇開關(guān)選擇轉(zhuǎn)向模式、檔位等操縱模式)信號通過多功能卡傳給上位機，多功能卡接收司機室內(nèi)的操作控制信號，如車體不同方位的調(diào)平，車體行走速度的設(shè)定，兩車的組合/分離，主控/副控的操作等，如圖2.11所示。上位機通過運行應(yīng)用軟件實現(xiàn)用于總線的控制和管理，監(jiān)測各節(jié)點的狀態(tài)及系統(tǒng)信息傳輸；進行故障診斷分析，實現(xiàn)人機接口輸入輸出(報警、顯示、查詢等)。ADP800用來完成控制過程中數(shù)據(jù)的采集，采用跳線器及開關(guān)來設(shè)置輸入量的量程，并能夠適應(yīng)-20℃～+70℃的溫度范圍，它具有如下特點6通道的單端模擬量輸入，12位，20微秒或10微秒的A/D變換器，每秒采樣可達(dá)40000個；過壓保護±35V；三個16位、8MHz定時器/計數(shù)器(或5MHz)；24位TTL/CMOS兼容的數(shù)字量I/O；3個可用跳線器選擇的中斷源；C語言編程接口。
CAN通信卡；用來實現(xiàn)監(jiān)控機通過網(wǎng)絡(luò)和節(jié)點之間進行通信。通信卡采用PC104接口。其主要的芯片為PCA82C250收發(fā)器和SJA1000控制器。SJA1000具有基本CAN模式(BsaicCAN)和增強CAN模式(peliCAN)擴展功能，本文主要對基本CAN模式進行研究開發(fā)。圖2.14為CAN通信卡的原理圖。
二、現(xiàn)場節(jié)點模塊(CAN總線上的節(jié)點)負(fù)責(zé)完成信號采集，傳送信息到上位機并接受上位機的命令，發(fā)送控制指令到現(xiàn)場級設(shè)備。每個現(xiàn)場節(jié)點模塊由單片機、CAN接口電路、信號采集、調(diào)理和放大電路等集成到一起。在本發(fā)明中，它們分別完成AI(模擬輸入)、AO(模擬輸入)、DI(數(shù)字量輸入)和DO(數(shù)字量輸出)等工作。如圖2.12所示為其中的一個現(xiàn)場節(jié)點模塊電路結(jié)構(gòu)框圖。接口控制驅(qū)動芯片采用PHILIPS公司的PCA82C250，控制器芯片采用SJA1000，內(nèi)部處理器采用51系列單片機，底層軟件固化于片內(nèi)。PCA82C250和SJA1000通過光電隔離來提高抗干擾能力，它們完成物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的功能，應(yīng)用層由51單片機完成。把控制功能封裝起來，提高了控制系統(tǒng)各節(jié)點的可靠性和抗干擾能力，減少了故障的分散性，同時也易于維修替換。其中，根據(jù)不同的信號，外圍接口電路具有不同的形式，主要包括壓力、轉(zhuǎn)角、傾角等模擬量信號和開關(guān)量控制邏輯。例如，對于用于驅(qū)動液壓伺服機構(gòu)的，則包含有PWM輸出和電流輸出功能，對于傳感器數(shù)據(jù)采集，包含有信號調(diào)理和幅值變換電路等。
信號采集、調(diào)理和放大電路，調(diào)理電路主要用于對信號濾波，實現(xiàn)幅值變換，使輸入信號變化范圍和采集卡相匹配，以提高模擬量/數(shù)字量轉(zhuǎn)換的精度。放大電路部分把給定信號進行功率放大后用于驅(qū)動比例閥的線圈。
三、電液比例轉(zhuǎn)向機構(gòu)，將接收的控制信號進行轉(zhuǎn)換、放大處理后控制比例閥1、液壓缸2，液壓缸2活塞一端與搖臂3連接，當(dāng)液壓缸2中活塞作往返運動時帶動搖臂3運動，從而使與獨立懸掛機構(gòu)連接的回轉(zhuǎn)盤4轉(zhuǎn)動。回轉(zhuǎn)盤4轉(zhuǎn)動時安裝在其軸心的角位移傳感器5檢測其轉(zhuǎn)動的實際角度θ，并通過信號采集調(diào)理電路輸出給現(xiàn)場節(jié)點模塊。
權(quán)利要求
1.一種基于現(xiàn)場總線的動力平板運輸車的多模式轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)，其特征在于包括主控節(jié)點模塊、CAN總線和多個現(xiàn)場節(jié)點模塊，所述主控節(jié)點模塊實現(xiàn)轉(zhuǎn)向模式選擇、轉(zhuǎn)向梯形解析、狀態(tài)監(jiān)控，并通過CAN總線與現(xiàn)場節(jié)點模塊進行信息通訊協(xié)調(diào)工作實現(xiàn)各輪系的運動綜合；所述現(xiàn)場節(jié)點模塊實現(xiàn)節(jié)點伺服控制；所述主控節(jié)點模塊內(nèi)嵌有轉(zhuǎn)向模式單元、轉(zhuǎn)向梯形解析單元和閉環(huán)轉(zhuǎn)向控制單元；所述轉(zhuǎn)向模式單元，根據(jù)運動學(xué)轉(zhuǎn)向模型設(shè)定有動力平板運輸車車輪的多模式轉(zhuǎn)向模型，并根據(jù)駕駛室輸出的轉(zhuǎn)向指令進行所述轉(zhuǎn)向模型的匹配處理輸出當(dāng)前轉(zhuǎn)向模式信息；所述轉(zhuǎn)向模型有橫行、斜行、中心轉(zhuǎn)向、縱行八字對稱轉(zhuǎn)向、縱行前軸八字轉(zhuǎn)向和縱行后軸八字轉(zhuǎn)向；所述轉(zhuǎn)向梯形解析單元，根據(jù)駕駛室輸出的方向盤角度θw與所述當(dāng)前轉(zhuǎn)向模式信息采用梯形解析法處理獲得當(dāng)前轉(zhuǎn)向模式各輪系的期望轉(zhuǎn)角θp；所述閉環(huán)轉(zhuǎn)向控制單元，根據(jù)解析出的期望轉(zhuǎn)角θp與各輪系輸出的實際轉(zhuǎn)角θ進行閉環(huán)PID控制；所述主控節(jié)點模塊首先采集駕駛室內(nèi)的操控信號，并將轉(zhuǎn)向指令操控信號進行轉(zhuǎn)向模式單元的判斷處理出當(dāng)前轉(zhuǎn)向模式；轉(zhuǎn)向梯形解析單元對接收的方向盤信號和當(dāng)前轉(zhuǎn)向模式進行解析獲得各輪系的期望轉(zhuǎn)角θp；所述現(xiàn)場節(jié)點模塊通過角位移傳感器采集車輪的實際轉(zhuǎn)角θ并通過CAN總線傳輸給所述主控節(jié)點模塊的閉環(huán)轉(zhuǎn)向控制單元；閉環(huán)轉(zhuǎn)向控制單元對接收的期望轉(zhuǎn)角θp和實際轉(zhuǎn)角θ進行比較獲得偏差信號；所述偏差信號經(jīng)PID運算得到各輪系的控制量，然后再通過CAN總線向各個電液比例轉(zhuǎn)向機構(gòu)下發(fā)操控指令，從而帶動回轉(zhuǎn)盤控制輪系轉(zhuǎn)動。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于現(xiàn)場總線的動力平板運輸車的液壓轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)，其特征在于所述主控節(jié)點模塊包括PC/104工業(yè)控制計算機、ADP800型采集卡和PC-CAN卡。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于現(xiàn)場總線的動力平板運輸車的液壓轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)，其特征在于所述現(xiàn)場節(jié)點模塊包括芯片型號為89C51的單片機、芯片型號為PCA89C250的CAN接口電路、光電隔離電路和信號采集、調(diào)理和放大電路。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于現(xiàn)場總線的動力平板運輸車的多模式轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)，包括主控節(jié)點模塊、CAN總線和多個現(xiàn)場節(jié)點模塊，所述主控節(jié)點模塊實現(xiàn)轉(zhuǎn)向模式選擇、轉(zhuǎn)向梯形解析、狀態(tài)監(jiān)控，并通過CAN總線與現(xiàn)場節(jié)點模塊進行信息通訊協(xié)調(diào)工作實現(xiàn)各輪系的運動綜合；所述現(xiàn)場節(jié)點模塊實現(xiàn)節(jié)點伺服控制；所述主控節(jié)點模塊內(nèi)嵌有轉(zhuǎn)向模式單元、轉(zhuǎn)向梯形解析單元和閉環(huán)轉(zhuǎn)向控制單元。本發(fā)明轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)以基于現(xiàn)場總線的運動綜合方式實現(xiàn)多橋驅(qū)動車輛和工程機械的多種轉(zhuǎn)向模式，滿足在狹窄場地的施工需要，有效地提高作業(yè)效率。現(xiàn)場節(jié)點模塊作為控制系統(tǒng)中的一個節(jié)點直接掛入CAN總線上，可以就近布置在被控對象附近，大大降低了連線數(shù)量且布線簡單易于維護，縮短了生產(chǎn)周期，降低了制造與運行費用，提高了系統(tǒng)的可靠性。
文檔編號G05B19/418GK1851592SQ200610081560
公開日2006年10月25日 申請日期2006年5月29日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月29日
發(fā)明者李運華, 張志華, 楊麗曼 申請人:北京航空航天大學(xué), 鄭州大方橋梁機械有限公司