基于CAN总线的多功能抢险救援车控制系统

汉京勇　李迎武　李军

摘 要：本文设计了一种基于CAN总线的多功能抢险救援车控制系统，该控制系统可进行近地和无线遥控两种控制方式，操作手可通过驾驶室内的操作手柄、触摸式显示器以及无线遥控器等操控元件的相互配合实现对多功能抢险救援车的行走、转向、制动、折叠起重臂、可伸缩式挖掘臂以及工作装置的动作进行准确可靠的控制。

关键词：CAN总线 多功能抢险救援车 控制系统

Multifunctional Rescue Vehicle Control System Based on CAN bus

Han Jingyong Li Yingwu Li Jun

Abstract：This article designs a multifunctional rescue vehicle control system based on CAN bus. The control system can be controlled by both near-ground and wireless remote control. The operator can use the control elements such as the operating handle， touch display and wireless remote control in the cab. The cooperation of the control elements helps the multifunctional rescue vehicle realize the accurate and reliable control of the movement of the multifunctional rescue vehicle's walking， steering， braking， folding boom， retractable excavating boom and working devices.

Key words：CAN bus， multifunctional rescue vehicle， control system

1 引言

多功能抢险救援车是一种重型应急抢险救援车辆，主要用在当地震、塌方、洪水、泥石流等自然灾害发生时，道路清障、堰塞湖疏通、废墟清理、掩埋救援等方面，该车辆主要具有挖掘、起重、拖拽、推土清障等多种功能，同时该车辆还配备多种作业属具，通过快换装置连接到挖掘臂上可实现破碎、抓取、剪切、切割等多种功能[1]。控制系统的性能对整机的操控性、复合动作的流畅性以及设备的可靠性有很大的影响，不容忽视。

2 多功能抢险救援车的结构组成

本文提到的多功能抢险救援车辆具有挖掘、起重、破碎、切割、推土、抓取、牵引等功能。本车结构主要由专用底盘、折叠起重臂、可伸缩式挖掘臂、挖掘臂回转平台、起重臂回转机构、上车驾驶室、属具、电控系统和液压系统等组成。

3 多功能抢险救援车的控制系统构成

多功能抢险救援车电控系统的组成如图1所示，主要由一个IMC T3654控制器，一个ICP6600触摸式显示屏，底盘控制器，电液比例阀控制器，操作手柄，油门踏板，制动踏板，传感器及急停按钮等组成。其中，IMC T3654控制器用来完成整机各部件的运行控制、故障诊断以及运行参数记录等任务;触摸式显示器显示整机各部件的运行状态，例如：液压油温、液压油位、臂的角度、臂的长度、底盘发动机的转速等多项工作参数，以及发出声、光报警提示故障，该系统还可以存储故障的历史数据，对司机的不合理操作给与提示。

多功能抢险救援车的核心控制部件为威卡IMC T3654控制器[2]，該控制器是一款通用可编程控制器，凭借32位的Tricore高速处理器，及最快180MHz的时钟频率，可快速的处理各种任务。该控制器有87个I/O端口，其中54个输入口，33个输出口，2个CAN2.0A/B端口，可为外部传感器提供5V-100mA电源。该控制器设计可靠，具有多种标准电气接口，可根据应用需求进行灵活配置。支持CodeSys编程方式降低了用户的编程难度，大大提高了工作效率。

多功能抢险救援车的显示器方案，显示器为威卡ICP6600系列7英寸触摸式显示器，分辨率为800×480电容式触摸显示器，并含有5个操作按键，1个旋转按钮，有蜂鸣器，使用flash开发工具设计界面元件，通过CAN通讯接口对外通讯。

多功能抢险救援车无线遥控器采用欧姆TCS-C80-H，由发射器和接收器组成，对上车的挖掘臂和折叠起重臂实现无线遥控操作，接收器配有塑料外壳，与便携式发射器连接端口，电源线接口。接收器可在极端恶劣的环境下使用，塑料外壳可防潮，防热/冷，防尘，防震以及防腐蚀。接收器的输入和输出带有短路保护，防电极反向保护，过电压保护，瞬间高压输入保护，EMC/RF，以避免接收器连接后受损害，接收器采用+24V （+/-20%）带负极地。

多功能抢险救援车的操作手柄选用捷斯曼的总线式手柄，安装在上车驾驶室左右扶手箱各一个，该操作手柄实现对上车的回转平台和挖掘臂、底盘的行走和转向及作业属具的旋转和开合进行操作。该手柄为十字万向操作，自动回零，机械寿命可达1000万次，工作温度为-40℃-+60℃，存储温度为-50℃-+80℃，防护等级为IP65，机械行程为前后各30℃。

多功能抢险救援车采用基于CAN总线通讯的电液比例阀，该阀采用压力传感器、位置传感器、集成控制器，通过高级控制控制算法实现双阀芯的独立或协同控制，控制模式多样，具有多种压力控制模式和流量控制模式，对硬件要求不敏感，用户的所有控制指令均可通过CAN bus发送给电液比例阀。

4 多功能抢险救援车控制系统实现的功能

底盘控制为上車驾驶室内可实现对底盘的行走、转向、制动以及液压支腿的控制，当上车显示器的工作模式操作界面切换到行走模式后，驾驶人员可通过上车的操作手柄的左右的摆动，控制底盘的左右转向，通过变速箱控制面板设置前进后退以及档位，通过油门踏板和制动踏板控制底盘的车速和制动，通过上车扶手箱的按钮控制底盘支腿的伸缩。

可伸缩式挖掘臂的控制包含了回转平台的左右旋转、动臂的升降、斗杆的内收与外摆、伸缩臂的伸缩以及铲斗的内收与外摆、快换油缸的伸缩、属具的开合以及属具的正反转动作。启动底盘发动机并挂取力器，当上车显示器的工作模式操作界面切换到工作模式后，可通过左右操作手柄实现以上动作的控制。

折叠起重臂的控制包含了起重臂的左右旋转、内臂的变幅、外臂的变幅、吊臂的伸缩。启动底盘发动机并挂取力器，切换到遥控模式，且上车显示器的工作模式操作界面切换到工作模式后，右旋松开遥控器急停按钮，可利用遥控器的比例手柄进行相应动作的操作。

无线遥控控制包含了挖掘臂回转平台的左右旋转、动臂的升降、斗杆的内收与外摆、伸缩臂的伸缩以及铲斗的内收与外摆、快换油缸的伸缩、属具的开合以及属具的正反转;起重臂的左右旋转、内臂的变幅、外臂的变幅、吊臂的伸缩。此外，无线遥控还可实现双臂的协同作业，提高了作业效率。

可伸缩式挖掘臂和折叠臂安全墙的设定主要是在这两个工作臂上安装角度传感器和长度传感器，通过控制器采集这些传感器的检测信号，从而可以判断处这两个臂的具体位置，避免了工作的时候发生相互碰撞以及和底盘的碰撞，保护了设备的操作安全。

采用威卡的显示器作为系统的人机交互界面，作为主要的人机交互通道，彩色液晶显示器还可以进行整机作业工作模式的选择与切换，例如：A：行走模式、B：破碎模式、C：抓斗模式、D：液压剪模式、E：切割锯模式、F：挖斗模式。此外操作手还可直观的观察到折叠起重臂、伸缩式挖掘臂和底盘的工作状态参数，比如伸缩式挖掘臂的工作姿态，以及车辆的故障信息等，方便操作者实时了解操作设备的状态。操作者还可通过人机界面对车辆的某些参数进行设置，以便设备工作装置的调试和维护。

5 多功能抢险救援车控制系统CAN总线的应用

CAN全称为“Controller Area Network”，即控制器局域网。CAN最初出现在80年代末的汽车工业中，由德国Bosch公司最先提出，并最终成为国际标准，是国际上应用最广泛的现场总线之一，CAN通信具有很高的实时性能、传输距离远、高抗电磁干扰性、成本低等优点，目前CANopen协议已经在运动控制、车辆工业、电机驱动、工程机械等行业得到了广泛的应用[3]。

CAN具有十分优越的特点，这些特性包括：（1）CAN总线的数据传输距离很远，理论极限值为10千米，而排名第二的RS485总线仅达到1200米，几乎是十倍的差距;（2）CAN总线可连接多个节点设备，一条CAN总线理论上可同时连接110个节点设备。（3）CAN总线的数据传输速度快，最大波特率数值高达1Mbit/s;（4）可根据报文的ID决定接收或屏蔽该报文。（5）具有可靠的错误处理和检错机制。（6）发送的信息遭到破坏后，可自动重发（7）节点在错误严重的情况下，具有自动退出总线的功能。（8）报文不包含源地址或目标地址，仅用标志符来指示功能信息、优先级信息。

功能抢险救援车控制系统的CAN总线网络如图2所示，该网络上主要由底盘控制器、IMC T3654控制器、电液比例阀控制器、触摸式显示器、左操作手柄、右操作手柄、无线遥控接收器及两个120欧终端电阻构成。

6 结束语

在目前的国内应急抢险救援设备应用领域，基于CAN总线的控制设备开发还是比较晚的，相对比较落后。研究和开发基于CAN总线的多功能抢险救援车的控制系统，用于多功能抢险救援车的动作控制以及车辆的状态信息监控，对加强应急抢险救援设备的协同工作能力，提高工作效率和维护保养效率具有重要的现实意义。

基金项目：国家重点研发计划资助项目（2016YFC0802905）

参考文献：

[1]李军，张勇，刘玉川.应急救援车概念创新设计中的QFD_TRIZ_AD集成方法[J].中国工程机械学报，2018，（2）：35-41.

[2]徐州威卡电子控制技术有限公司.IMC T3654控制器使用说明书.

[3]王恒升，何清华，薛云.基于CAN总线的凿岩机器人分布式控制系统设计[J].传感技术学报，2007，20（3）.