无拖杆飞机牵引车运动控制方法及装置与流程

本发明属于特种车辆运动控制领域，尤其是涉及一种用于机场移动飞机的特种车辆的无拖杆飞机牵引车运动控制方法及装置。

背景技术：

飞机牵引车是一种供在地面以牵引或顶推的方式移动飞机的特种车辆，它不仅要产生足够大的牵引力，而且起步、加速、减速、制动又必须平稳柔和，不允许有过大冲击力的作用到被牵引的价值昂贵、结构却相当脆弱的飞机上，飞机牵引车还应具有尽可能低的车身，尽可能好的低速稳定性和尽可能小的转弯半径，以便安全的与飞机对接和控制飞机精确定位。

国外自七十年代即已经出现无杆式飞机牵引器，供短距离低速调度飞机，特别适用于机库、车间、航母等空间有限的场合。八十年代后出现了大型全功能无杆式牵引车。已可用30km/h的高速安全牵引400吨重的巨型客机，在作业效率、安全性方面取得良好的成绩，经济效益显著，引起国际民航局的广泛注意，在欧美国家的使用日趋普遍。已知生产和研制无杆式牵引车的有德、法、美、英、意、瑞典、芬兰、以色列等国。已投入民航运营的主要是德国AES公司、MAN-GHH公司、英/瑞典Dauglas-Kalmer公司和芬兰Powerpush公司的产品。

国内牵引车方面起步较晚，目前正式投入生产的QFY30是青岛专用汽车厂生产的产品，牵引力为3吨，牵引对象为军用战斗机。牵引力为16吨的QFY160也已经研制生产，但它采用静液传动动力系统，在可靠性方面将存在一些缺陷，且没有进一步提高牵引力的潜力。北方工业公司正在开发的10T牵引车正在进行工业试验。比较理想的中型牵引车目前在国内仍是空白。

目前国内外牵引车的驱动方式一般都是四轮驱动：两轮行走和两轮转向。其运动控制一般都是由驾驶员操作驾驶完成，所以牵引车的运动效果很大程度上依赖于驾驶员的技术。而且如果驾驶员背对牵引车驾驶，就只能看到前面的道路情况，无法观察飞机牵引的状况，有可能无法实施监控飞机牵引工作状况；如果驾驶员面对牵引车驾驶，就只能观察飞机牵引的状况，无法看到前面的道路情况，有可能无法有效的避让运动前方障碍物。这两种情况都会产生安全隐患，由于飞机价值昂贵而结构却相当脆弱，所以一旦出现意外，就可能产生巨大的损失。另外驾驶员操作牵引车很难保证运动精度，很小的操作不当就会导致牵引车的较大偏离，无法保证安全的与飞机对接和控制飞机精确定位。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明旨在提出一种利用无线控制技术的无拖杆飞机牵引车运动控制方法及运动控制装置，以解决现有牵引车的避让性差、可靠性差、操作性差以及运动准确性差的问题，填补了无拖杆牵引车的控制方法技术的空白。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种无拖杆飞机牵引车运动控制方法，具体控制步骤为：

S1、定义无线手柄与单片机之间的通讯协议，使用无线手柄通过天线发送控制命令给单片机；

S2、单片机通过自身天线接收无线手柄的信息，解析手柄命令，判断帧头、帧尾、校验和等，如果正确，则将命令字符串中的有用信息提取出来，存储在数据寄存器中；

S3、单片机通过实际的阿克曼运动算法计算牵引车轮的运动参数，即牵引车行走轮的行走速度和距离，牵引车转向轮的转向速度和角度；单片机将牵引车轮的运动参数以PWM信号和方向信号发送对应的驱动器，驱动器再控制各自的电机进行运动，电机带动车轮运动，完成运动控制。

进一步的，车轮中包括两个行走轮和两个转向轮，各自对应设有驱动器和电机；两个行走电机自带的编码器接入各自的驱动器，构成半闭环控制；转向机构上安装有旋转编码器和极限限位开关，用于检测旋转角度和限位保护，将旋转编码器接入单片机，构成全闭环控制；

进一步的，所述单片机上还连接有报警模块，单片机与报警模块通过控制局域网(CAN)接口连接，可实时传输报警信息给报警模块，进行报警提醒；采用无线手柄控制代替驾驶员驾驶控制，扩大的观察视角，极大地提升了操作的安全性，降低了安全隐患；行走系统的半闭环控制和转向系统的全闭环控制保证了牵引车的运动精度，以便安全的与飞机对接和控制飞机精确定位；

应用本发明所述方法的无拖杆飞机牵引车的控制装置，包括：无线手柄、单片机、旋转编码器、无线模块、数据存储模块、行走电机、行走轮、转向电机、转向轮、行走驱动器、转向驱动器和报警模块，其中单片机上设有的无线模块与无线手柄上的无线模块相对应，实现对无线手柄命令的实时采集；所述单片机通过RS485接口与两个旋转编码器连接，实现对设置在转向电机上的转向轮转向角度的实时读取；共同存储在数据存储模块中，判断牵引车运动状态，通过实际的阿克曼运动算法计算四个轮的运动参数；通过I/O与两个行走驱动器和两个转向驱动器的控制接口连接，单片机由设置在其内部定时器发送PWM给行走驱动器和转向驱动器来控制各自行走电机和转向电机的转速，并且输出数字量点给行走驱动器和转向驱动器来控制各自行走电机和转向电机的转向；所述单片机与报警模块通过控制局域网(CAN)接口连接；

进一步的，所述单片机的输入和输出的供电电路采用了光电隔离，避免了外部干扰，防止误动作的出现，对输入和输出信号有良好的隔离作用；

进一步的，无线手柄中的无线模块与单片机上的无线模块之间的通信协议采用SimpleLink无线协议，采用点对点的通信模式；无线手柄与牵引车的单片机上都带有RF无线模块，SimpleLink协议可大幅简化因特网连接的实施过程；SimpleLink能够最大限度地降低对主机微控制器(MCU)软件的要求，适用于集成了任何低成本/低功耗MCU的嵌入式应用；

进一步的，所述旋转编码器为转向轮的转角检测元器件，旋转编码器与牵引车上的单片机通过RS485接口连接，单片机通过标准的RS485协议采集两个旋转编码器的数据，得到两个转向轮的转角值；

进一步的，数据存储模块的控制采用模拟I2C总线的方式，其通过两个信号线SDA、SCL实现与器件间数据传送；所述SDA、SCL与单片机的引脚连接，实现数据存储模块对数据的存储；

进一步的，行走驱动器和转向驱动器的控制接口分别与单片机的四个数字量输出引脚PF1、PF3、PG1、PK5连接，实现电机的正转和反转控制；同时分别与PWM的四个调速信号引脚PF0、PF2、PG0、PK4连接，实现电机速度的调节；单片机发送命令给驱动器，实现对电机转向和转速的控制。

进一步的，还包括报警灯、蜂鸣器和电磁阀，所述报警模块也是一个小型单片机，自带控制局域网接口和报警驱动电路；所述报警模块通过CAN与单片机连接，单片机自带两个CAN接口，引脚为PA0(CAN0Rx)、PA1(CAN0Tx)和PB0(CAN1Rx)、PB1(CAN1Tx)，报警模块通过CAN与单片机的CAN0口连接，可实时传输报警信息给报警模块，如果牵引车出现意外和危险状态，报警模块会启动，单片机可以实时将报警信息传递给报警模块，报警模块通过驱动电路驱动报警灯、蜂鸣器、电磁阀等动作，实现报警功能。

相对于现有技术，本发明所述的无拖杆飞机牵引车运动控制方法及装置具有以下优势：

本发明所述的运动控制方法及装置的积极效果在于：通过实际的阿克曼运动算法计算四个轮的运动参数，即两个行走轮的行走速度和距离，两个转向轮的转向速度和角度，实现了四轮主动的运动模式。两个行走电机自带的编码器接入各自的驱动器，构成半闭环控制；转向机构上安装有旋转编码器和极限限位开关，用于检测旋转角度和限位保护，将旋转编码器接入单片机，构成全闭环控制。单片机与报警模块通过控制局域网(CAN)接口连接，可实时传输报警信息给报警模块，进行报警提醒。采用无线手柄控制代替驾驶员驾驶控制，扩大的观察视角，极大地提升了操作的安全性，降低了安全隐患；行走系统的半闭环控制和转向系统的全闭环控制保证了牵引车的运动精度，以便安全的与飞机对接和控制飞机精确定位。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所述的结构框图；

图2为本发明实施例所述的单片机输入和输出电路光电隔离；

图3为本发明实施例所述的单片机RS485接口电路；

图4为本发明实施例所述的单片机控制局域网(CAN)的接口电路；

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

一种无拖杆飞机牵引车运动控制方法，具体控制步骤为：

S1、定义无线手柄与单片机之间的通讯协议，使用无线手柄通过天线发送控制命令给单片机；

S2、单片机通过自身天线接收无线手柄的信息，解析手柄命令，判断帧头、帧尾、校验和等，如果正确，则将命令字符串中的有用信息提取出来，存储在数据寄存器中；

S3、单片机通过实际的阿克曼运动算法计算四个轮的运动参数，即两个行走轮的行走速度和距离，两个转向轮的转向速度和角度；单片机将四个轮的运动参数以PWM信号和方向信号发送给四个对应的驱动器，驱动器再控制各自的电机进行运动，电机带动车轮运动，完成运动控制。

其中，四个轮中包括两个行走轮和两个转向轮，各自对应设有驱动器和电机；两个行走电机自带的编码器接入各自的驱动器，构成半闭环控制；转向机构上安装有旋转编码器和极限限位开关，用于检测旋转角度和限位保护，将旋转编码器接入单片机，构成全闭环控制；

其中，所述单片机上还连接有报警模块，单片机与报警模块通过控制局域网(CAN)接口连接，可实时传输报警信息给报警模块，进行报警提醒；采用无线手柄控制代替驾驶员驾驶控制，扩大的观察视角，极大地提升了操作的安全性，降低了安全隐患；行走系统的半闭环控制和转向系统的全闭环控制保证了牵引车的运动精度，以便安全的与飞机对接和控制飞机精确定位；

如图1所示，一种应用本发明所述方法的无拖杆飞机牵引车的控制装置，包括：无线手柄、单片机、旋转编码器、无线模块、数据存储模块、行走电机、行走轮、转向电机、转向轮、行走驱动器、转向驱动器和报警模块，其中单片机上设有的无线模块与无线手柄上的无线模块相对应，实现对无线手柄命令的实时采集；所述单片机通过RS485接口与两个旋转编码器连接，其中单片机上的RS485接口如图3所示，实现对设置在转向电机上的转向轮转向角度的实时读取；共同存储在数据存储模块中，判断牵引车运动状态，通过实际的阿克曼运动算法计算四个轮的运动参数；通过I/O与两个行走驱动器和两个转向驱动器的控制接口连接，单片机由设置在其内部定时器发送PWM给行走驱动器和转向驱动器来控制各自行走电机和转向电机的转速，并且输出数字量点给行走驱动器和转向驱动器来控制各自行走电机和转向电机的转向；所述单片机与报警模块通过控制局域网(CAN)接口连接；

具体的，单片机的输入和输出的供电电路采用了光电隔离，具体的光电隔离式供电电路如图2所示，避免了外部干扰，防止误动作的出现，对输入和输出信号有良好的隔离作用；

具体的，无线手柄中的无线模块与单片机上的无线模块之间的通信协议采用SimpleLink无线协议，采用点对点的通信模式；无线手柄与牵引车的单片机上都带有RF无线模块，SimpleLink协议可大幅简化因特网连接的实施过程；SimpleLink能够最大限度地降低对主机微控制器(MCU)软件的要求，适用于集成了任何低成本/低功耗MCU的嵌入式应用；

具体的，所述旋转编码器为转向轮的转角检测元器件，两个旋转编码器与牵引车上的单片机通过RS485接口连接，单片机通过标准的RS485协议采集两个旋转编码器的数据，得到两个转向轮的转角值；

具体的，数据存储模块的控制采用模拟I2C总线的方式，其通过两个信号线SDA、SCL实现与器件间数据传送；所述SDA、SCL与单片机的引脚连接，实现数据存储模块对数据的存储；

具体的，行走驱动器和转向驱动器的控制接口分别与单片机的四个数字量输出引脚PF1、PF3、PG1、PK5连接，实现电机的正转和反转控制；同时分别与PWM的四个调速信号引脚PF0、PF2、PG0、PK4连接，实现电机速度的调节；单片机发送命令给驱动器，实现对电机转向和转速的控制。

具体的，所述报警模块也是一个小型单片机，自带控制局域网接口和报警驱动电路；所述报警模块通过CAN与单片机连接，单片机自带两个CAN接口，引脚为PA0(CAN0Rx)、PA1(CAN0Tx)和PB0(CAN1Rx)、PB1(CAN1Tx)，报警模块通过CAN与单片机的CAN0口连接，单片机控制局域网(CAN)接口电路如图4所示，按照图4所示线路设计可实时传输报警信息给报警模块，如果牵引车出现意外和危险状态，报警模块会启动，单片机可以实时将报警信息传递给报警模块，报警模块通过驱动电路驱动报警灯、蜂鸣器、电磁阀等动作，实现报警功能。

本发明的积极效果在于：通过实际的阿克曼运动算法计算四个轮的运动参数，即两个行走轮的行走速度和距离，两个转向轮的转向速度和角度，实现了四轮主动的运动模式。两个行走电机自带的编码器接入各自的驱动器，构成半闭环控制；转向机构上安装有旋转编码器和极限限位开关，用于检测旋转角度和限位保护，将旋转编码器接入单片机，构成全闭环控制。单片机与报警模块通过控制局域网(CAN)接口连接，可实时传输报警信息给报警模块，进行报警提醒。采用无线手柄控制代替驾驶员驾驶控制，扩大的观察视角，极大地提升了操作的安全性，降低了安全隐患；行走系统的半闭环控制和转向系统的全闭环控制保证了牵引车的运动精度，以便安全的与飞机对接和控制飞机精确定位。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。