论文题目：机场履带式工程机械行驶控制器及数据通讯系统研发
摘要：在机场道面成型机的开发背景下,本文根据机场施工机械的实际智能化行驶需求,依据总线分布式的理念,设计了履带式智能机械的行驶控制器及数据通讯系统。本文主要进行了以下工作:对履带式工程机械进行行驶状态运动分析,得到了行驶过程中履带式工程机械运动学参数和左右电机转速间的关系,并且将通过性最好的原地差速转向作为履带式工程机械的转向工况。在考虑滑移滑转情况下得到双边电机转速和横摆角速度的关系,进行Simulink仿真,得到应用于全自动作业模块反馈信号的简化关系式。提出基于CAN总线的数据通讯系统结构,设计各模块硬件接口和通讯方式,并以此搭建传感器和人机交互层模块。针对通讯需求,设计了CAN总线协议模块,该模块在硬件设计上有多种可选择的输入接口且具备光耦隔离等特点。软件上使用μC/OS-II操作系统进行多线程编程,实现多个数据通讯端数据帧在多厂商软件协议和CAN自定义协议之间的转换。该系统减轻行驶控制器的工作负担,并且增强了系统的适配性。使用NI-Crio 9042作为行驶控制器,采用状态机的理念设计软件总体框架。软件模块设计中,使用NI-XNET函数库实现CAN总线的全双工通讯,依据CAN协议实现自检警报模块;在手动模式中采用Zigbee进行现场无线通讯,具备机械转场功能同时,设置控制参数可调,便于现场调试;依据横摆角速度简化公式解析出的更精确的反馈信号,通过FUZZY LOGIC和NI Vision工具搭建的基于图像直行纠偏的模糊PID控制,实现全自动行驶模块;通过两级阈值设定,实现基于雷达组的安全制动模块。试制出CAN总线协议模块,搭建试验平台。通过CAN分析软件,验证数据通讯系统的周期上报和交互功能。将履带式工程机械试验样机在模拟环境下测试,通过协议模块中采集到的数据,分析并验证了各个模块的功能。
关键词：履带式工程机械;CAN协议模块;行驶控制器;模糊PID;直行纠偏
学科专业：动力机械及工程
致谢
摘要
Abstract
1 绪论
1.1 引言
1.2 国内外研究现状
1.2.1 CAN总线研究现状
1.2.2 履带式工程机械运动控制研究现状
1.3 本文研究内容及意义
1.3.1 论文研究内容
1.3.2 论文研究意义
2 履带式工程机械行驶控制系统方案设计
2.1 行驶控制系统的开发背景
2.1.1 机场道面履带式工程机械结构
2.1.2 机场道面成型机动力系统
2.1.3 机场道面成型机作业工况
2.1.4 机场施工环境条件
2.2 履带式工程机械行驶控制需求分析
2.3 行驶控制器及数据通讯系统方案设计
2.3.1 履带式工程机械行驶控制系统架构设计
2.3.2 履带式工程机械行驶控制器方案设计
2.3.3 履带式工程机械数据通讯系统方案设计
2.4 本章小结
3 履带式工程机械运动仿真分析
3.1 履带式工程机械直线行驶运动学分析
3.2 履带式工程机械转向行驶分析
3.2.1 转向中心在履带内侧
3.2.2 转向中心在履带外侧
3.3 履带式工程机械大半径转向Simulink仿真分析
3.3.1 驱动电机系统模块
3.3.2 高低速分析模块
3.3.3 履带式工程机械运动学模块
3.3.4 履带式工程机械仿真对比分析
3.4 本章小结
4 基于CAN总线协议的数据通讯系统设计
4.1 数据通讯系统结构设计
4.2 数据通讯系统模块搭建
4.2.1 避障雷达模块
4.2.2 编码器模块
4.2.3 摄像头模块
4.2.4 横摆角速度模块
4.2.5 Zigbee通讯模块
4.2.6 警报模块
4.3 CAN总线协议模块硬件设计
4.3.1 CAN协议模块主控制器电路设计
4.3.2 输入接口电路设计
4.3.3 输出接口电路设计
4.3.4 电源部分电路设计
4.3.5 芯片外设电路设计
4.4 CAN总线协议模块软件设计
4.4.1 μC/OS-II操作系统
4.4.2 输入接口软件配置
4.4.3 输出接口软件配置
4.4.4 CAN总线协议模块软件流程
4.5 本章小结
5 履带式工程机械行驶控制器设计
5.1 履带式工程机械行驶控制器选型
5.2 行驶控制器基于状态机软件总体设计
5.3 自检警报模块功能实现
5.3.1 CAN总线自检
5.3.2 数据通讯端自检
5.3.3 工业摄像头自检
5.3.4 故障信息处理
5.4 手动行驶模块功能实现
5.4.1 CAN数据帧接收
5.4.2 行驶控制器状态信息数据帧发送
5.4.3 电机控制数据帧发送
5.5 全自动作业模块履带同步功能实现
5.5.1 牛顿迭代法软件实现
5.5.2 模糊PID控制器软件实现
5.6 全自动作业模块直行纠偏功能实现
5.6.1 图像采集软件实现
5.6.2 采集图像处理软件实现
5.6.3 直线拟合软件实现
5.6.4 纠偏策略软件实现
5.7 安全制动模块功能实现
5.8 本章小结
6 行驶控制器及数据通讯系统功能验证与分析
6.1 试验平台的搭建
6.1.1 履带式工程机械试验样机搭建
6.1.2 通讯测试系统
6.2 数据通讯系统功能验证
6.2.1 数据通讯端周期上报功能验证
6.2.2 数据通讯端交互功能验证
6.3 行驶控制器模块功能验证
6.3.1 安全警报模块功能验证
6.3.2 手动行驶模块功能验证
6.3.3 全自动行驶模块功能验证
6.3.4 安全制动模块功能验证
6.4 本章小结
7 总结与展望
7.1 全文总结
7.2 研究展望
参考文献