飞机牵引车无线控制器设计

李建军，高原，阴培

（长安大学汽车学院车辆工程系，陕西 西安 712200）

前言

飞机牵引车是一种专用车辆，作为机场内部的保障设备，其功能是牵引飞机在地面进行短距离移动。一般根据飞机牵引车的牵引形式将其分为两大类，分别是有杆式和无杆式。有杆式的结构简单，只需要一根杆将飞机前轮和车体连接起来，便可以实现牵引，但是需要至少两名以上的工组人员配合，而无杆式的由于牵引机构和车身直接相连，因此可以做到全自动牵引飞机的操作。本次设计飞机牵引车无线控制器，便是搭载在纯电动无杆式飞机牵引车上。

1 系统综述

飞机牵引车属于专用设备，为了保证有使用权限的人能使用，需要在遥控器面板中增加用户身份认证功能。在本次设计中用户还需要能通过手持终端查看设备运行情况，因此遥控器还需要加入WIFI 模块以及蓝牙模块，以便能实时的将设备运行的情况上传到手持终端。用户通过操作遥控器上的按钮及摇杆使单片机采集相应的状态量，存入缓冲区内，再通过无线串口发送给车载主控制器，控制器上的单片机按照协议解析数据后，便可控制对应的驱动电路动作。下图为无线控制器的工作流程图。

图1

2 系统的硬件结构

2.1 总体结构图

图2

该控制器的硬件部分分为两大块，包括遥控器模块以及主控制器模块。遥控器主要由电源模块，信号输入模块，和无线通信模块等其他小的模块，主控制器模块主要包括无线通讯模块，信息采集模块，以及多个通道的驱动模块。在遥控器模块中，信号输入模块捕捉用户的操作指令，指令经过微处理器处理后再通过无线串口模块发送给主控制器模块。主控制器模块按照通讯协议解析遥控器模块发过来的数据后，操作相应的驱动器来控制相应的执行元件，来完成一次用户操作。系统的结构图如上图所示。

2.2 电源电路的设计

在本电控系统中，遥控器采用12V 的可充电锂电池供电，降压芯片的选择有很多，此处不再赘述。而主控制器采用飞机牵引车车载动力电池供电，该动力电池的电压为48V，因此需要选用合适的DC 降压器将电压转化为24V 以下，此时就可以选用大多数降压芯片为数字电路供电，根据各个数字芯片以及控制单元的需求，需要将24V 电压降到+12V，+5V和+3.3V，故在此设计如下的降压电路。

2.3 模拟信号放大电路设计

用户在推动遥控器的摇杆控制牵引车行走转向时，遥控器中的单片机采集到当前的摇杆位移量，通过无线串口发送给牵引车主控制器，主控制器按照协议解析数据后通过数模转换DA 口输出模拟量驱动信号放大电路，经过5 倍的信号放大后，产生0 到10V 的模拟量来控制比例阀动作。

由于STM32 只有两个DA 模块，但是我们需要四路的模拟信号分别控制车辆前后移动以及左右转向的比例阀，因此我们通过给单片机的引脚加阻容滤波电路的方法，将PWM转化为较为平滑的模拟量输出来控制其中两路的比例阀，此部分的电路设计如下：

图3

2.4 开关量电磁阀驱动电路

飞机牵引车上有众多液压缸，当油泵开始运转后，只需要控制相关油路中电磁阀，便可以控制相关的液压缸的动作，完成作业操作，但是电磁阀是一个感性原件，电磁阀在断电的瞬间会产生一个非常大的反感应电动势，反感应电动势的存在会极易损坏场效应管，所以需要在电路中反接一个二极管，以消除反感应电动势。具体的电磁阀驱动电路如下所示，其中EN_Door_O 引脚为使能信号引脚，当该引脚输入高电平时，场效应管漏极和源极之间导通，从而使通过J168 接入电路的电磁阀动作。R159 和R160 用来检测电磁阀是否正常接入电路，当电磁阀接入到电路后，J168 的3 号引脚会置为+24V，通过电阻分压将信号输入到单片机。本系统中其他的驱动电路也类似，在此不再赘述。

图4

2.5 其他电路设计

本系统中的无线串口模块，RFID 射频读卡模块，WIFI模块，蓝牙模块，422 通讯模块，LCD 串行显示屏等器件市面上已经非常多，且性能可靠，故直接采用市场上的现成模块。此处不再赘述。

该系统中有多路开关信号采集通道以及少数模拟量采集通道电路如下如图：

图5

3 软件控制逻辑设计

3.1 用户信息确认及更改

主控制器和遥控器开机后，在无线连接的模式下，主控制器给遥控器开始发送心跳包，遥控器系统开始检测连接信号强度。用户使用RFID 卡来获得遥控器的使用权限，如需要更改用户信息时，技术人员可以通过442 串口连接上位机软件，进行用户信息配置，重启遥控器之后，更改的信息便可生效。

3.2 通讯协议的定义

图6

工作人员在获取遥控器的使用权后，便可以通过操纵面板上的相关按钮来操作飞机牵引车。在程序中设定单片机每20ms 检测一次各个面板按钮的输入信号，检测完成后将状态量按照下图的通讯协议存入到一个6 个元素的数组缓冲区内，然后通过无线串口将该缓冲区内的数据发送出去。

主控制器在接受到遥控器发过来的数据后，按照上图的通讯协议解析数据后，单片机根据相关指令驱动个执行元件的驱动电路，完成一次通信操作。

3.3 多样的通讯方式

为了保证该系统工作的高可靠性，在设计之初为其增加了有线通讯的备用方案。如果该系统在复杂电磁环境下使用造成无线通讯系统失效，我们可以通过操作模式切换按键，将系统操作模式置为有线通讯，单片机采集面板上各个按钮的状态后，通过与飞机牵引车连接的CAN 线将数据发送给主控制器，以保证该系统在紧急情况下也可以使用。

4 结论

本文为纯电动飞机牵引车设计的无线控制器，功能上能够实现用户对飞机牵引车的无线操作，和以往的多人操纵一台飞机牵引车相比，该系统极大的解放了人力，使得一个人就可以完成飞机牵引作业，并且较传统的有人驾驶的飞机牵引车相比，由于本系统基于无线遥控设计，因此作业人员的视野范围更宽，在操作车辆移动时，能更加精确，容易的使车辆到达指定停机点位。并且，通信方式进行了冗余设计，能极大的提高系统的可靠性，使得飞机牵引车能在各种复杂电磁环境下使用。

本系统有非常多的接口，并且是宽电压输入，因此具有极大的通用性，对于其他的工程车辆，只需要更改相应的控制程序便可满足要求。在一定程度上为工程应用提供了方便。