一种远程驾驶地下铲运机底层驱动控制器

技术领域

本发明属于采矿自动化技术领域，具体涉及一种远程驾驶地下铲运机底层驱动控制器。

背景技术

我国是矿业资源大国，已探明的矿产资源约占世界总量的12％，位居世界第三位，我国地下矿山约占80％左右。随着生活质量的提升，人们对于矿产资源的需求不降反增加，但是矿山招工难、安全生产的问题又迫在眉睫，矿山“少人化、无人化”已成为必然趋势。

将矿山井下作业的铲运机司机置换至地表工作，是一个很好的井下“少人化、无人化”方式，由于矿山井下巷道复杂，信号遮挡严重，传统的远程视距遥控驾驶存在遥控距离短、作业区域安全风险大等问题，为解决以上问题，有必要设计一种远程驾驶地下铲运机底层驱动控制器，实现地下铲运机的远程安全驾驶功能。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术的不足，提供一种远程驾驶地下铲运机底层驱动控制器。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种远程驾驶地下铲运机底层驱动控制器，包括电源转换单元、主控逻辑处理单元、继电器输出单元、模拟量输出单元、PWM信号输出单元、开关量输入单元、模拟量输入单元、EEPROM存储单元、脉冲信号输入单元和以太网通讯单元；

电源转换单元，分别与主控逻辑处理单元、继电器输出单元、模拟量输出单元、PWM信号输出单元、EEPROM存储单元、开关量输入单元、脉冲信号输入单元、以太网通讯单元相连，用于将电源电压进行转换后，输出至主控逻辑处理单元、继电器输出单元、模拟量输出单元、PWM信号输出单元、EEPROM存储单元、开关量输入单元、脉冲信号输入单元、以太网通讯单元进行供电；

主控逻辑处理单元分别与继电器输出单元、模拟量输出单元、PWM信号输出单元、开关量输入单元、模拟量输入单元、EEPROM存储单元、脉冲信号输入单元、以太网通讯单元相连，用于通过以太网通讯单元获取激光雷达数据和远程控制数据，利用激光雷达数据实时判断铲运机周边障碍物情况，当遇到障碍物时，紧急制动停车，同时通过解析远程控制数据，控制铲运机的发动机启停、前进、后退、转向、大臂升降、铲斗升降、刹车、油门、前灯、后灯、鸣笛动作；

继电器输出单元，用于接收主控逻辑处理单元的控制信号后输出以实现对铲运机前进、后退、发动机启停、前灯、后灯、鸣笛开关量信号的控制；

模拟量输出单元，用于接收主控逻辑处理单元的控制信号后输出以实现铲运机转向、大臂升降、铲斗升降、油门信号的控制；

PWM信号输出单元，用于接收主控逻辑处理单元的控制信号后输出以实现刹车信号的控制；

开关量输入单元，用于接收铲运机的前进、后退、发动机启停的开关量信号，以实现铲运机前进、后退、发动机启停信号控制的反馈；

模拟量输入单元，用于接收铲运机转向、大臂升降、铲斗升降、油门的模拟量信号，以实现铲运机转向、大臂升降、铲斗升降、油门信号控制的控制信号的反馈，最终实现控制信号的闭环控制；

EEPROM存储单元，用于对网络配置数据和铲运机各个方向的安全距离数据进行存储，以实现底层控制器与激光雷达通讯的网络参数配置和防撞参数配置；

脉冲信号输入单元，用于接收铲运机转向角度、速度传感器的脉冲信号，以实现铲运机转向角度、速度传感器信号的获取，并实现铲运机远程驾驶时铲运机运行状态的展示；

以太网通讯单元，用于铲运机远程控制数据、激光雷达数据的获取。

进一步，优选的是，主控逻辑处理单元通过IO口与开关量输出单元电性相连；

主控逻辑处理单元通过SPI接口与模拟量输出单元电性相连；

主控逻辑处理单元通过PWM接口与PWM信号输出单元电性相连；

主控逻辑处理单元通过IIC接口与EEPROM存储单元电性相连；

主控逻辑处理单元通过IO接口与继电器输入单元相连；

主控逻辑处理单元通过ADC接口与模拟量输入单元电性相连；

主控逻辑处理单元通过IO接口与脉冲信号输入单元电性相连；

主控逻辑处理单元通过SPI接口与以太网通讯单元相连；

主控逻辑处理单元通过USART接口与LORA无线通讯单元电性相连。

进一步，优选的是，所述电源转换单元包括24V转5V的开关电源芯片与5V转3.3V的开关电源芯片。

进一步，优选的是，网络配置数据包括本地IP、本地端口、网关、子网掩码、远程IP和远程端口。

进一步，优选的是，还包括LORA无线通讯单元；

LORA无线通讯单元分别与电源转换单元、主控逻辑处理单元相连，电源转换单元为LORA无线通讯单元提供所需电能；

LORA无线通讯单元用于接收远程LORA无线信号数据，调制解调后，将备用数据通过USART发送至主控逻辑处理单元，实现以太网通讯故障时铲运机的远程紧急控制。

进一步，优选的是，所述的备用数据包括铲运机紧急制动信号和停车信号。

本发明中，优选通过电源转换单元将电源模块24V直流输入转换为5V、3.3V电源；具体地，所述电源转换单元由24V转5V的开关电源芯片及外围电路与5V转3.3V的开关电源芯片及外围电路组成，为控制器内各单元供电；

所述主控逻辑处理单元为具有多路IO及USART、SPI、IIC、ADC、DAC、TIME等片内外设接口的高性能单片机及外围电路组成，单片机通过IO及UAR T、SPI、IIC、ADC、DAC、TIME等片内外设接口与控制器内各单元相连，主控逻辑处理单元实现远程控制数据的解析、控制器内各单元的驱动使能；

所述外部电路包含上电复位电路及外部硬件看门狗电路；

所述继电器输出单元为主控逻辑处理单元通过达林顿管驱动5V直流继电器的控制电路，主控逻辑处理单元通过普通IO口线与达林顿管相连，达林顿管与5V直流继电器相连，实现对铲运机前进、后退、发动机启停、前灯、后灯、鸣笛开关量信号的控制；

所述模拟量输出单元为一组多通道数模转换芯片和单电源运算放大器组成的驱动电路，主控逻辑处理单元通过SPI接口与数模转换芯片相连，数模转换芯片与单电源运算放大器相连，实现铲运机转向、大臂升降、铲斗升降、油门信号的控制；

所述PWM信号输出单元为一组场效应晶体管组成的信号放大驱动电路，主控逻辑处理单元通过其TIME片内外设映射的IO接口与场效应晶体管相连，实现刹车信号的控制；注：主控逻辑处理单元包括TIME、ADC、DAC、USART这些片内外设的芯片及其外围电路组成的，片内外设指的是芯片内部的外部接口和总线，属于主控逻辑处理单元中的主控芯片。

所述EEPROM存储单元为串行闪存电路，主控逻辑处理单元通过IIC接口与串行闪存相连，实现网络数据、信号阈值的存储；

所述开关量输入单元为一组隔离光耦芯片电路，主控逻辑处理单元通过IO口与隔离芯片相连，实现铲运机前进、后退、发动机启停信号控制的反馈；

所述模拟量输入单元为一组多通道模数转换芯片电路，主控逻辑处理单元通过其ADC片内外设映射的IO口与模数转换芯片相连，实现铲运机转向、大臂升降、铲斗升降、油门信号控制的反馈；

所述脉冲信号输入单元为高速隔离光耦电路，主控逻辑处理单元通过其TI ME片内外设映射的IO口与高速隔离芯片相连，实现铲运机转向角度、速度传感器信号的获取；

所述以太网通讯单元为带有串行接口的独立以太网控制器电路，主控逻辑处理单元通过其SPI片内外设映射的IO口与以太网控制器相连，实现铲运机远程控制数据、激光雷达数据的获取；

所述LORA无线通讯单元为LoRa长距离调制解调器模块电路，主控逻辑处理单元通过其USART片内外设映射的IO口与以调制解调器模块相连，实现铲运机备用数据通讯收发。

本发明通过微电子技术、嵌入式低功耗无线通信技术解决地下铲运机的远程驾驶底层控制问题。

本发明与现有技术相比，其有益效果为：

1、本发明通过将铲运机控制信号集成统一到一个控制器上，有效减少各控制单元之间的数据交互，实现远程驾驶的稳定、安全可靠控制；

2、本发明引入激光雷达数据作为远程驾驶的安全保障，控制器通过利用激光雷达数据，有效解决远程驾驶时，视频延时及视频视差导致的擦碰事故，根据事故统计数据，激光雷达的应用降低了事故发生率，事故减少了20％；

3、本发明利用两种通讯方式，多技术冗余，当以太网通讯故障时，可利用LORA无线通讯实现铲运机的远程控制，根据测试数据，系统的稳定性提高了12％，通讯故障率降低了30％。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明远程驾驶地下铲运机底层驱动控制器的结构示意图；

图2为障碍物判断计算示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述。

本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用材料或设备未注明生产厂商者，均为可以通过购买获得的常规产品。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”到另一元件时，它可以直接连接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”可以包括无线连接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

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。术语“内”、“上”、“下”等指示的方位或状态关系为基于附图所示的方位或状态关系，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。

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”、“连接”、“设有”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。对于本领域的普通技术人员而言，根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

如图1所示，一种远程驾驶地下铲运机底层驱动控制器，包括电源转换单元、主控逻辑处理单元、继电器输出单元、模拟量输出单元、PWM信号输出单元、开关量输入单元、模拟量输入单元、EEPROM存储单元、脉冲信号输入单元、以太网通讯单元和LORA无线通讯单元；

电源转换单元，分别与主控逻辑处理单元、继电器输出单元、模拟量输出单元、PWM信号输出单元、EEPROM存储单元、开关量输入单元、脉冲信号输入单元、以太网通讯单元、LORA无线通讯单元相连，用于将电源电压进行转换后，输出至主控逻辑处理单元、继电器输出单元、模拟量输出单元、PWM信号输出单元、EEPROM存储单元、开关量输入单元、脉冲信号输入单元、以太网通讯单元、LORA无线通讯单元进行供电；

主控逻辑处理单元分别与继电器输出单元、模拟量输出单元、PWM信号输出单元、开关量输入单元、模拟量输入单元、EEPROM存储单元、脉冲信号输入单元、以太网通讯单元和LORA无线通讯单元相连，用于通过以太网通讯单元获取激光雷达数据和远程控制数据，利用激光雷达数据实时判断铲运机周边障碍物情况，当遇到障碍物时，紧急制动停车，同时通过解析远程控制数据，控制铲运机的发动机启停、前进、后退、转向、大臂升降、铲斗升降、刹车、油门、前灯、后灯、鸣笛动作；

继电器输出单元，用于接收主控逻辑处理单元的控制信号后输出以实现对铲运机前进、后退、发动机启停、前灯、后灯、鸣笛开关量信号的控制；

模拟量输出单元，用于接收主控逻辑处理单元的控制信号后输出以实现铲运机转向、大臂升降、铲斗升降、油门信号的控制；

PWM信号输出单元，用于接收主控逻辑处理单元的控制信号后输出以实现刹车信号的控制；

开关量输入单元，用于接收铲运机的前进、后退、发动机启停的开关量信号，以实现铲运机前进、后退、发动机启停信号控制的反馈；

模拟量输入单元，用于接收铲运机转向、大臂升降、铲斗升降、油门的模拟量信号，以实现铲运机转向、大臂升降、铲斗升降、油门信号控制的控制信号的反馈；

EEPROM存储单元，用于对网络配置数据和铲运机各个方向的安全距离数据进行存储；

脉冲信号输入单元，用于接收铲运机转向角度、速度传感器的脉冲信号，以实现铲运机转向角度、速度传感器信号的获取，并实现铲运机远程驾驶时铲运机运行状态的展示；

以太网通讯单元，用于铲运机远程控制数据、激光雷达数据的获取；

LORA无线通讯单元分别与电源转换单元、主控逻辑处理单元相连，电源转换单元为LORA无线通讯单元提供所需电能；

LORA无线通讯单元用于接收远程LORA无线信号数据，调制解调后，将备用数据通过USART发送至主控逻辑处理单元，实现以太网通讯故障时铲运机的远程紧急控制。

网络配置数据包括本地IP、本地端口、网关、子网掩码、远程IP和远程端口。

所述的备用数据包括铲运机紧急制动信号和停车信号。

主控逻辑处理单元通过IO口与开关量输出单元电性相连；

主控逻辑处理单元通过SPI接口与模拟量输出单元电性相连；

主控逻辑处理单元通过PWM接口与PWM信号输出单元电性相连；

主控逻辑处理单元通过IIC接口与EEPROM存储单元电性相连；

主控逻辑处理单元通过IO接口与继电器输入单元相连；

主控逻辑处理单元通过ADC接口与模拟量输入单元电性相连；

主控逻辑处理单元通过IO接口与脉冲信号输入单元电性相连；

主控逻辑处理单元通过SPI接口与以太网通讯单元相连；

主控逻辑处理单元通过UART接口与LORA无线通讯单元电性相连。

所述电源转换单元包括24V转5V的开关电源芯片与5V转3.3V的开关电源芯片。

以太网通讯单元获取到远程控制信号，主控逻辑处理单元处理数据后向继电器输出单元、模拟量输出单元、PWM信号输出单元输出控制信号执行铲运机发动机启停、前进、后退、转向、大臂升降、铲斗升降、刹车、油门、前灯、后灯、鸣笛动作，同时以太网通讯单元获取激光雷达数据，主控逻辑处理单元根据障碍物判断方法实时判断数据是否存在障碍物，当出现障碍物时驱动PWM信号输出单元执行紧急停车动作，保障远程驾驶时的安全运行；EEPROM存储单元用于存储网络配置参数及防撞参数，网络配置参数具体包含本地IP、本地端口、网关、子网掩码、远程IP、远程端口，用于实现与激光雷达、远程遥控设备的通讯，防撞参数为一组铲运机激光雷达的安全距离配置数据，用以计算铲运机周边障碍物的安全距离；LORA无线通讯单元用于当远程以太网通讯出现故障时，为保证设备及人员安全，可通过LORA无线通讯单元在现场可视区域内实现铲运机铲运机紧急制动、停车。

所述障碍物判断方法为：如图2所示，设前激光雷达安装的位置为O，距离铲运机右侧距离为D1、前方距离为D2、左侧距离为D3，以之对应的设定的铲运机安全距离分别为S1、S2、S3，激光雷达扫描范围为0～270°，激光雷达扫描角度为α，激光雷达的扫描距离为D，则可以求得整个二维平面前激光雷达扫描距离的安全值D的表达式：

同理可得整个二维平面后激光雷达扫描距离的安全值D′的表达式：

当铲运机远程驾驶时，实时获取当前的前、后激光雷达距离值d、d′，根据扫描角度α、α′的范围与前、后激光雷达安全距离值D、D′对比，当d

所述电源转换单元由24V转5V的开关电源芯片和5V转3.3V的开关电源芯片外围电路组成，24V电源输入后通过24V转5V开关电源芯片转换为5V电源供继电器输出单元、开关量输入单元、5V转3.3V开关电源芯片使用，5V转3.3V开关电源芯将5V电源转换为3.3V电源后供主控逻辑处理单元、模拟量输出单元、PWM信号输出单元、EEPROM存储单元、脉冲信号输入单元、以太网通讯单元、LORA无线通讯单元使用；

所述主控逻辑处理单元包含高性能单片机最小系统、上电复位电路、外部看门狗电路，单片机最小系统通过复位引脚与上电复位电路相连，通过看门狗复位引脚与外部看门狗电路相连，系统上电时，通过上电复位电路对单片机进行硬件复位，系统运行时，通过外部看门狗输出脉冲信号给单片机看门狗复位引脚，防止单片机由于程序及硬件错误死机；

所述继电器输出单元为主控逻辑处理单元通过达林顿管驱动5V直流继电器的控制电路，主控逻辑处理单元的单片机通过IO00～IO05的IO口与达林顿管相连，达林顿管与5V直流继电器相连，实现对铲运机前进、后退、发动机启停、前灯、后灯、鸣笛开关量信号的控制；

所述模拟量输出单元为一组6通道数模转换芯片和一组6通道单电源运算放大器组成的驱动电路，主控逻辑处理单元的单片机通过SPI1接口与数模转换芯片相连，数模转化芯片的6组输出分别与单电源运算放大器的6组输入相连，实现铲运机转向、大臂升降、铲斗升降、油门信号的控制；

所述PWM信号输出单元为一个场效应晶体管组成的信号放大驱动电路，主控逻辑处理单元的单片机通过TIME片内外设映射的IO00与场效应晶体管相连，实现刹车信号的控制；

所述EEPROM存储单元为串行闪存电路，主控逻辑处理单元的单片机通过IIC 1接口与串行闪存相连，实现网络数据、激光雷达数据阈值的存储；

所述开关量输入单元为3通道的隔离光耦芯片电路，主控逻辑处理单元单片机通过IO06～IO08的IO口与隔离光耦芯片相连，实现铲运机前进、后退、发动机启停信号控制的反馈；

所述模拟量输入单元为6通道模数转换芯片电路，主控逻辑处理单元单片机通过其ADC片内外设映射的IO00～IO05与模数转换芯片相连，实现铲运机转向、大臂升降、铲斗升降、油门信号控制的反馈；

所述脉冲信号输入单元为高速光耦电路，主控逻辑处理单元单片机通过TI ME片内外设映射的IO01～IO02与高速光耦电路相连，实现铲运机转向角度、速度传感器信号的获取；

所述以太网通讯单元为带有串行接口的独立以太网控制器电路，主控逻辑处理单元单片机通过SPI2片内外设映射的IO口与以太网控制器相连，实现铲运机远程控制数据、激光雷达数据的获取；

所述LORA无线通讯单元为LORA长距离调制解调器模块电路，主控逻辑处理单元单片机通过其USART片内外设映射的IO口与以调制解调器模块相连，实现铲运机备用数据通讯收发

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。