本发明涉及地下铲运机的无线控制领域，具体涉及到了地下铲运机、工业控制器、无线通信、液压控制、视频监测、自动控制等。

背景技术：

地下铲运机是矿山无轨设备的一种，具有挖、运、卸、填筑、整平等功能，广泛应用于地下矿山的矿石采掘和运输。国内现有的铲运机大都采用人工操作方式，操作人员需要坐在铲运机上，两手操纵两个手柄，两脚踩油门踏板和制动踏板，才能完成铲运机的行走、铲物、举升、翻转等动作。铲运机工作场地一般路面不平，比较颠簸，行驶过程中振动剧烈，再加上柴油机工作时的振动，排出的废气、烟雾、噪声、热，铲装和卸载时产生的尘土等，致使铲运机的工作环境十分恶劣，操作人员长时间坐在铲运机上工作，对人的身体健康是一种威胁。特别是在一些可能会面临塌方、爆炸性气体、重金属辐射以及化学物质危害的工作地段，操作人员坐在铲运机上抵近操作，会严重危胁操作人员的身心健康乃至生命安全。因此，设计一款遥控操作方法，使操作人员远离铲运机，在危险范围外的场地就能操作铲运机完成铲运作业，对于保障操作人员的人身安全具有非常重要的意义。

技术实现要素：

本发明的目的在于：应用无线通信和控制技术，使操作人员在远距离就能控制铲运机的动作，完成铲装和运输任务。

本发明所采用的技术方案如下：

1.将整个控制系统分为遥控操作台、机载操作台、遥控接收系统、主控系统和动作执行系统共五部分，各部分的组成、功能划分及相互之间的联系如下：

1)遥控操作台包括遥控器(含各种操作手柄和开关按钮)、视频接收显示器，负责发送遥控信号，接收铲运机的状态信号，并将接收到的铲运机视频信号进行显示。遥控操作台由操作人员随身携带，远离铲运机进行操作；

2)机载操作台固定于铲运机驾驶室，安装各种操作手柄、开关、按钮、踏板、仪表、指示灯等，负责机控信号的产生，并用仪表和指示灯显示铲运机的运行状态；

3)遥控接收系统包括遥控信号接收机、摄像头、切换器、视频发射机等，负责遥控信号的接收、状态信号的发送、视频信号的切换、发送；

4)主控系统主要由控制器、电源模块、继电器等组成，负责各种控制信号和状态信号的调理、传送，以及控制算法的实现；

5)动作执行系统包括电子油门控制器、电液控液压系统、变速变矩器等，负责实现铲运机的各种动作，如前进、后退、制动、加速、减速、转向，铲斗的举升、翻转，发动机的启动、停止，动力输出轴的变速、变矩等。铲运机的所有动作执行机构的输入控制信号都是电信号；

6)铲运机的操作分为遥控和机控两种控制模式，由机载操作台上的一个开关进行切换，同一时间只有一套操作装置的控制信号起作用；

7)遥控操作台和铲运机之间没有电缆连接，所有控制信号、状态信号、视频信号都通过无线通信方式传送；

8)监控信号和视频信号的无线通信通道相互独立，互不干扰。

2.遥控操作台的特征在于：

1)遥控操作台由遥控器和视频接收显示器两部分组成，可以由操作人员随身携带，远离铲运机操作；

2)遥控器的操作面板安装有手柄、开关、按钮等器件，产生的控制信号通过无线通信方式传送到铲运机上的遥控信号接收机；

3)遥控器面板安装有指示灯，反映铲运机的运行和通信状态，状态信号通过无线通信方式从铲运机传送到遥控器；

4)视频接收显示器的视频信号通过无线通信方式从铲运机传送到主控系统；

5)视频显示器显示铲运机行进方向的视频，当铲运机改变为前进或后退状态时，自动切换为相应方向的视频。

3.机载操作台的特征在于：

1)机载操作台固定于铲运机驾驶室；

2)机载操作台安装手柄、开关、按钮等器件，油门踏板和行车制动踏板安装于操作面板下方，方便双脚踩踏。机控操作时，控制信号由机载操作台上的手柄、开关、按钮、踏板产生；

3)机载操作台安装仪表和指示灯，反映铲运机的运行状态和监测参数，如机油压力、转速、是否制动、预热是否完成、是否报警、是否处于遥控、是否存在故障等信息；

4)机载操作台产生的控制信号只和主控系统相连，二者之间通过有线方式传送信号。

4.遥控接收系统的特征在于：

1)遥控接收系统包括遥控信号接收机、摄像头、切换器、视频发射机等，固定于铲运机上；

2)遥控信号接收机负责接收遥控操作台通过无线通信方式传送过来的遥控信号，并将各种控制信息通过CAN总线接口传送到主控系统；

3)遥控信号接收机同时负责将铲运机的状态信号通过无线通信方式传送到遥控操作台；

4)摄像头共2个，分别负责拍摄铲运机前进、后退方向的场景；

5)视频切换器负责视频发射信号的信号源切换，根据铲运机的行进方向，自动切换为前进或后退方向的视频；

6)视频发射器负责向遥控操作台发送视频信号；

7)遥控接收系统和主控系统之间是有线通信连接，其中遥控信号接收机和主控系统的控制器之间通过CAN总线传送控制和状态信号的数据。

5.主控系统的特征在于：

1)主控系统包括控制器、电源模块、继电器等，安装于控制箱内；

2)电源模块的输出有24V和12V两种规格，分别给机载各元器件供电；

3)控制器具有CAN总线接口，控制器和遥控接收机之间、控制器和变速变矩控制器之间，都通过CAN总线连接进行数据通信；

4)铲运机的各种检测、控制算法在控制器中编程实现；

5)控制器输出功率大，驱动能力强，除行车制动的电液制动阀外，其它电磁液压阀直接由控制器驱动，减少动作执行机构中驱动器的安装数量。

6.铲运机动作执行系统的特征在于：

1)铲运机的执行动作包括发动机油门控制、铲运机转向、停车制动、行车制动、铲斗升降、铲斗翻转、动力输出轴变速变矩等，所有执行机构及元器件都固定于铲运机；

2)电子油门控制器的输入控制信号为电信号，输出为位移，直接与柴油机油门拉杆相连，控制油门拉杆的位移角度；

3)发动机变速变矩器用于控制动力输出轴转动的快慢和力矩大小，采用专用的控制器，该控制器和主控系统的控制器之间通过CAN总线传送数据；

4)铲运机转向、行车制动、停车制动、铲斗升降、铲斗翻转都是通过液压系统控制，所有液压阀的输入控制信号都为电信号。

与现有技术相比，本发明的优点是：

1)地下铲运机既能在铲运机上操作控制，也能远距离无线遥控；

2)遥控和机控的控制信号、状态信号都经由主控系统进行调度和管理，各种控制策略和控制算法由主控系统的控制器编程实现；

3)在遥控端提供铲运机行进方向的视频信号，视频信号根据前进或后退的方向自动切换；

4)主控系统的控制器抗干扰、驱动能力强，直接驱动液压阀动作，减少液压阀驱动器的安装数量；

5)遥控接收机、主控系统的控制器、变速变矩控制器之间采用CAN总线通信，减少铲运机上的布线复杂度。

附图说明

图1为系统实例的组成及相互间信号流向示意图。

图2为遥控操作台的组成示意图。

图3为机载操作台的组成示意图。

图4为遥控接收系统的组成示意图。

图5为主控系统的组成示意图。

图6为动作执行系统的组成示意图。

具体实施方式

下面结合一个具体实例对本发明进行更详细的描述。

1.图1给出了一个2立方遥控地下铲运机控制系统的组成及相互间信号流向示意图。控制系统由遥控操作台、机载操作台、遥控接收系统、主控系统和动作执行系统四部分组成。图中的实线箭头和虚线箭头表示各部分之间的信息流，即信号的走向及连接关系。

1)遥控操作台包括遥控器、视频接收显示器，遥控器上安装有各种手柄、开关、按钮和指示灯；负责产生并发送遥控信号，接收铲运机的状态信号，通过指示灯反映铲运机的状态，接收并显示铲运机前进或后退方向的视频信号；整个遥控操作台可由操作人员随身携带，在远离铲运机的地方进行遥控操作；

2)机载操作台固定于铲运机驾驶室，操作面板安装各种操作手柄、开关、按钮、仪表、指示灯等，油门脚踏板、行车制动脚踏板则位于操作面板下方；负责机控信号的产生，并通过仪表和指示灯反映铲运机的运行状态；

3)遥控接收系统包括遥控信号接收机、摄像头、切换器、视频发射机等，负责遥控信号和视频信号的传送；

4)主控系统由控制器、电源模块、继电器等组成，负责各种控制信号、状态信号的调理、传送，以及控制算法的实现；

5)动作执行系统包括电子油门控制器、电液控液压系统、变速变矩器等，负责实现铲运机的各种动作，如发动机的启动、停止、油门大小，铲运机的前进、后退、制动、加速、减速、转向，铲斗的举升、翻转等，这些动作执行机构的输入控制信号都是电信号；

6)铲运机的操作分为遥控操作和机控操作，由机载操作台上的一个开关进行切换，工作时只有一套操作装置的控制信号起作用；

7)遥控操作台和铲运机之间没有电缆连接，控制信号、状态信号和视频信号都通过无线通信方式传送；遥控信号和视频信号的无线传输通道相互独立，互不干扰，且无线通信频率都在免费的工业用频段范围内；

8)遥控器的有效控制距离为无遮挡时200m范围内。

2.遥控操作台的组成如图2所示，其特征在于：

1)遥控操作台由遥控器和视频接收显示器两部分组成，可由操作人员随身携带，远离铲运机操作；

2)遥控器操作面板安装加速/制动/左转/右转手柄、铲斗升降/翻转手柄、停车制动开关、前进/后退开关、全油门开关、预热开关、发动机启动/熄火开关、紧急停机开关、喇叭按钮，这些器件产生的控制信号通过无线方式传到到铲运机上的遥控信号接收机；

3)遥控器操作面板安装预热完成指示灯、故障指示灯，反映铲运机的运行及通信状态，接收的状态信号通过无线方式从铲运机传到到遥控器；

4)视频信号通过无线方式从铲运机传送到视频接收机，在显示器上实时显示；

5)视频显示器始终显示铲运机行进方向的视频，当铲运机处于前进或后退状态时，自动切换为对应方向的视频。

6)视频信号和遥控信号无论供电还是通信，都是两套独立的系统，两者互不影响。

3.机载操作台的组成如图3所示，其特征在于：

1)机载操作台固定安装于铲运机驾驶室；

2)机载操作台安装左转/右转手柄、铲斗升降/翻转手柄、前进/后退开关、钥匙开关(发动机启动/熄火/预热)、停车制动开关、前灯开关、后灯开关、遥控切换开关、紧急停机开关、喇叭按钮、遥控指示灯停车制动指示灯、行车制动指示灯、操作故障指示灯等器件，油门踏板和行车制动踏板安装于操作台下方，机控操作时，这些器件产生控制信号；

3)机载操作台安装转速表、机油压力表、缸盖温度表、遥控指示灯、停车制动指示灯、行车制动指示灯、操作故障指示灯等器件，显示铲运机的运行状态，如转速、机油压力、发动机缸盖温度、是否停车制动、是否行车制动、是否报警、是否处于遥控、是否存在操作故障、预热是否完成等信息；

4)机载操作台只和主控系统相连，和动作执行系统之间没有直接的信号联系；机载操作台和主控系统之间通过有线方式传送信号。

4.遥控接收系统的组成如图4所示，其特征在于：

1)遥控接收系统包括遥控信号接收机、摄像头、视频切换器、视频发射机等，固定安装于铲运机上；

2)遥控信号接收机负责接收遥控操作台通过无线通信方式传送过来的控制信号，并将信号转换为CAN总线接口输出到主控系统的PLC；

3)遥控信号接收机同时负责将铲运机的部分状态信号通过无线通信方式传送到遥控操作台；

4)摄像头共2个，分别负责拍摄铲运机前进、后退方向的场景；

5)视频切换器负责视频发射机的信号源切换，根据铲运机的行进方向，自动切换为前进方向或后退方向的视频；

6)视频发射机负责向遥控操作台传送视频信号；

7)遥控接收系统和主控系统之间是有线连接通信，其中遥控信号接收机和PLC之间通过CAN总线通信。

5.主控系统的组成如图5所示，其特征在于：

1)主控系统包括两个电源模块、两台PLC、多个继电器等，分别安装于两个控制箱内。控制箱防水、防尘、防振；

2)电源模块包括24V和12V两种规格，分别给机载各元器件供电；

3)两台PLC之间、PLC和遥控接收机之间、PLC和变速变矩控制器APC122之间，都通过CAN总线连接；

4)所有的检测、控制算法均采用PLC编程实现，包括各动作之间的逻辑关系、检测变量的调理和转换、控制策略等，都由主控系统的PLC负责完成；

5)两台PLC输出功率大，驱动能力强，除行车制动所用的电液制动阀外，其它电液控液压系统的电磁阀都由PLC直接驱动，减少液压阀驱动器的安装数量。

6.动作执行系统的组成如图6所示，其特征在于：

1)铲运机的动作包括发动机油门控制、铲运机转向、停车制动、行车制动、铲斗升降、铲斗翻转、动力输出轴的变速变矩等，其执行机构都固定安装于铲运机；

2)电子油门控制器的输入控制信号为电信号，输出为位移，直接连接柴油机油门拉杆，控制拉杆的偏转角度及位移；

3)变速变矩器用于控制动力输出轴转动的快慢和力矩大小，配备专用的变速变矩控制器APC122，该控制器所需的油门信息数据由PLC通过CAN总线传送；

4)铲运机的转向、行车制动、停车制动、铲斗升降、铲斗翻转都是通过液压系统控制，其中铲运机转向、铲斗升降、铲斗翻转采用一个四联电液比例流量阀控制，行车制动采用一个二联电液比例压力阀(电液制动阀)控制，停车制动采用一个电磁换向阀控制，所有液压阀的输入控制信号都为电信号。

上述说明仅仅是示例性的一种具体实施方式，不能因此而限制本发明的范围及其应用。在本发明公开的技术范围内，任何可轻易想到的变化或替换，都应在本发明的保护范围之内。