0 引言

    非開挖施工技術(shù)^[1-3]是應(yīng)用定向鉆進技術(shù)的原理,，以非開挖的方法對地下管線,、管道進行鋪設(shè)、維修,、更換或者探測的一門施工技術(shù),。施工程序主要包括鉆頭、鉆桿鉆進,、回擴頭回擴和管道回拖三個工作內(nèi)容^[4-6],。圖1為定向鉆管線穿越技術(shù)原理圖。

    在非開挖水平頂鉆機工作過程中,，地面操作員需要步行跟隨鉆頭前行與后退,，頂鉆機車上另需一名駕駛員操控車輛內(nèi)部的設(shè)備。為了減少人力成本,，在操作員身上攜帶無線操控器,，在頂鉆機車上安裝無線接收控制器電路，使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)遙控非開挖水平頂鉆機功能,，可以節(jié)省一名駕駛員,。

1 硬件設(shè)計

1.1 無線操控器原理分析

    無線操控器（無線控制器發(fā)射端）原理圖見圖2，無線操控器由操作員隨身攜帶,，用于提供遠程控制信號,。無線操控器通過按鈕開關(guān)輸入開關(guān)量控制信號，通過球形旋鈕輸入模擬控制信號,。無線操控器電路由數(shù)字信號輸入電路,、模擬信號輸入電路和CC2530無線模塊組成。其中,，數(shù)字信號輸入電路共8路，模擬信號輸入電路共4路,。數(shù)字信號由輸入端DIN1~DIN8引入,，輸入電位0 V表示信號“0”，輸入電位24 V表示信號“1”,。每路經(jīng)1 kΩ電阻分壓,、電容濾波送到電壓比較器(LM324集成運算放大器制作的比較電路)進行比較,。

    當信號電壓值高于參考電壓RV時，表示輸入為“1”,，相應(yīng)運放輸出端輸出高電平(5 V,，相當于運放供電電壓)到CC2530模塊相應(yīng)引腳，然后經(jīng)由程序判斷并發(fā)送相應(yīng)的“1”信號到無線接收控制器(接收端)的CC2530模塊,；否則LM324給到模塊的電壓為低電平(表示邏輯“0”,，約等于0 V)。

    模擬信號由輸入端AIN1~AIN4引入,，輸入電壓范圍為0~5 V,，每路經(jīng)由1 k?贅電阻分壓、電容濾波后,，接到模塊的ADC采樣處理引腳,，在模塊內(nèi)置的A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，然后發(fā)給無線接收控制器的CC2530模塊,。

1.2 無線控制器接收端原理分析

    無線控制器的接收端如圖3所示,。

    在圖3所示的電路中，接收端將接收到的信號轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂屏枯敵隹刂扑巾斻@機,。接收端由數(shù)字信號輸出電路,、模擬信號輸出電路和CC2530無線模塊組成。其中,，數(shù)字信號輸出電路共8路,，模擬信號輸出電路共4路。數(shù)字輸出由DO1~DO8端輸出,，輸出端的驅(qū)動芯片為BTS621,，它是一個雙通道的電源開關(guān)芯片，自帶驅(qū)動電路,，具有較大的帶負載能力（最大輸出電流達到8 A）,。當接收模塊接收到數(shù)字信號“0”時，模塊輸出相關(guān)電平信號到電源開關(guān)BTS621,，此時BTS621輸出為低電平,；當接收模塊接收的數(shù)字信號為“1”時，模塊輸出相關(guān)電平信號到電源開關(guān)BTS621,，使其輸出高電平,。模擬輸出由OUT1~OUT4端輸出。當接收模塊接收到采樣的模擬信號時,，模擬信號再由接收模塊發(fā)送給TLC5615數(shù)模轉(zhuǎn)換器,，由轉(zhuǎn)換器處理后通過輸出端輸出，輸出端根據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出的電壓范圍為0~5 V。非開挖水平頂鉆機的控制電路收到該模擬信號（相當于手動操作得到的模擬信號）,，用該信號自動控制相關(guān)對象,。

2 控制對象分析

    非開挖水平頂鉆機無線控制器控制對象如下：動力頭安裝在水平定向鉆機上，前邊為固定架,、鉆桿和探頭,。鉆頭還具有自動噴水功能，鉆管為無縫鋼管或塑料管,，鉆管鉆入地下后永久留存不再取出,。無線控制器和整機控制器配合用于行走模式、工作模式,、轉(zhuǎn)運模式,。行走模式時，無線遙控器控制左右履帶行走,，并控制履帶的同步,、轉(zhuǎn)向；工作模式主要是控制動力頭的推拉,、旋轉(zhuǎn),，鉆具前夾后夾，夾具前后移動,，鉆桿舉升下降等動作,；轉(zhuǎn)運模式主要控制履帶同步，確保安全爬上平板車等運輸車輛上,，并在最近的地點下來,。無線接收控制器控制對象見表1。表1中的輸入信號為無線操控器輸入信號,，輸出信號為無線接收控制器輸出信號,。

    履帶行走共1個手柄控制，內(nèi)部產(chǎn)生2個模擬信號,，為交叉十字型電阻,，向前表示向前運動，向后表示向后運動,，向左上表示向左前旋轉(zhuǎn)運動,，向左下表示向左后運動，向右上表示向右前旋轉(zhuǎn)運動,，向右下表示向右后運動,。履帶行走采用柴油液壓泵控制液壓油，泵控制需要兩路PWM控制正反轉(zhuǎn),。推拉控制為動力頭的前進和后退功能,。該鉆機運用四泵液壓系統(tǒng)使機器具有較高的工作效率,，其功率分配合理,，配備強力風(fēng)冷系統(tǒng),，即使在炎熱地區(qū)也可長時間可靠工作。緊湊的外形結(jié)構(gòu)及出色的爬坡能力使設(shè)備的轉(zhuǎn)場及運輸更加方便,，高速的運行系統(tǒng)采用多檔位無級調(diào)速功能,，作業(yè)效率高。

3 測試結(jié)果及討論

    開關(guān)量信號和模擬信號在無線操控器輸入,，經(jīng)無線接收控制器輸出,。

    開關(guān)量信號的測試結(jié)果如圖4、圖5所示,。圖4表示開關(guān)量輸入為“0”時輸出端的響應(yīng),，圖5表示開關(guān)量輸入為“1”時輸出端的響應(yīng)（圖4、圖5中通道1代表輸入,，通道2代表輸出）,。

    模擬信號輸入輸出波形如圖6所示，輸入端的實測有效輸入電壓變化幅值為0～5 V,，模擬輸出端的變化跟隨輸入端的變化,，穩(wěn)定時數(shù)值完全相等。在無線通信與控制過程中,，模-數(shù)轉(zhuǎn)換,、數(shù)據(jù)發(fā)送與接收、數(shù)-模轉(zhuǎn)換所需要的時間為μs級,，輸出端模擬信號隨輸入端的模擬信號的變化具有一定的滯后性,，滯后時間小于1 ms，能滿足工程實際使用的需要,。輸入與輸出的跟隨精度為0.1級,。

    本設(shè)計選用帶有增強型天線的CC2530無線模塊實現(xiàn)無線通信功能，1組CC2530無線模塊的發(fā)射與接收距離為1 200 m,，超過1 200 m需增加中繼模塊,。每增加一個中繼模塊可使無線通信距離增加1 200 m，最大可增加65 535個中級模塊,，無線操控的最大距離能滿足工程需要,。

    本設(shè)計實現(xiàn)了遙控非開挖水平頂鉆機的功能。電路分為無線操控器和無線接收控制器兩部分,。無線操控器用于提供遠程控制信號,；無線接收控制器將接收到的信號轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂屏枯敵隹刂扑巾斻@機。電路經(jīng)高低溫試驗并隨車運行1年,，運行結(jié)果證明了以上結(jié)論的可行性,。

    無線接收控制器電路操作方便,，設(shè)計功耗低，成本低,，與被控車輛接口簡單,。本設(shè)計也適合于其他工程車輛、工地升降機,、礦井挖掘機,、戶外或戶內(nèi)的工業(yè)無線控制等安全系數(shù)低的車輛或其他設(shè)備的自動控制。

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