0 引言

    非開挖施工技術(shù)^[1-3]是應(yīng)用定向鉆進(jìn)技術(shù)的原理，以非開挖的方法對(duì)地下管線、管道進(jìn)行鋪設(shè)、維修、更換或者探測(cè)的一門施工技術(shù)。施工程序主要包括鉆頭、鉆桿鉆進(jìn)、回?cái)U(kuò)頭回?cái)U(kuò)和管道回拖三個(gè)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(jī)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(jī)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(jī)車上安裝無線接收控制器電路，使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)遙控非開挖水平頂鉆機(jī)功能，可以節(jié)省一名駕駛員。

1 硬件設(shè)計(jì)

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(yuǎn)程控制信號(hào)。無線操控器通過按鈕開關(guān)輸入開關(guān)量控制信號(hào)，通過球形旋鈕輸入模擬控制信號(hào)。無線操控器電路由數(shù)字信號(hào)輸入電路、模擬信號(hào)輸入電路和CC2530無線模塊組成。其中，數(shù)字信號(hào)輸入電路共8路，模擬信號(hào)輸入電路共4路。數(shù)字信號(hào)由輸入端DIN1~DIN8引入，輸入電位0 V表示信號(hào)“0”，輸入電位24 V表示信號(hào)“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(yùn)算放大器制作的比較電路)進(jìn)行比較。

    當(dāng)信號(hào)電壓值高于參考電壓RV時(shí)，表示輸入為“1”，相應(yīng)運(yùn)放輸出端輸出高電平(5 V，相當(dāng)于運(yùn)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(hào)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(hào)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(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂屏枯敵隹刂扑巾斻@機(jī)。接收端由數(shù)字信號(hào)輸出電路、模擬信號(hào)輸出電路和CC2530無線模塊組成。其中，數(shù)字信號(hào)輸出電路共8路，模擬信號(hào)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(dòng)芯片為BTS621，它是一個(gè)雙通道的電源開關(guān)芯片，自帶驅(qū)動(dòng)電路，具有較大的帶負(fù)載能力（最大輸出電流達(dá)到8 A）。當(dāng)接收模塊接收到數(shù)字信號(hào)“0”時(shí)，模塊輸出相關(guān)電平信號(hào)到電源開關(guān)BTS621，此時(shí)BTS621輸出為低電平；當(dāng)接收模塊接收的數(shù)字信號(hào)為“1”時(shí)，模塊輸出相關(guān)電平信號(hào)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(dāng)接收模塊接收到采樣的模擬信號(hào)時(shí)，模擬信號(hào)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(jī)的控制電路收到該模擬信號(hào)（相當(dāng)于手動(dòng)操作得到的模擬信號(hào)），用該信號(hào)自動(dòng)控制相關(guān)對(duì)象。

2 控制對(duì)象分析

    非開挖水平頂鉆機(jī)無線控制器控制對(duì)象如下：動(dòng)力頭安裝在水平定向鉆機(jī)上，前邊為固定架、鉆桿和探頭。鉆頭還具有自動(dòng)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(jī)控制器配合用于行走模式、工作模式、轉(zhuǎn)運(yùn)模式。行走模式時(shí)，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(dòng)力頭的推拉、旋轉(zhuǎn)，鉆具前夾后夾，夾具前后移動(dòng)，鉆桿舉升下降等動(dòng)作；轉(zhuǎn)運(yùn)模式主要控制履帶同步，確保安全爬上平板車等運(yùn)輸車輛上，并在最近的地點(diǎn)下來。無線接收控制器控制對(duì)象見表1。表1中的輸入信號(hào)為無線操控器輸入信號(hào)，輸出信號(hào)為無線接收控制器輸出信號(hào)。

    履帶行走共1個(gè)手柄控制，內(nèi)部產(chǎn)生2個(gè)模擬信號(hào)，為交叉十字型電阻，向前表示向前運(yùn)動(dòng)，向后表示向后運(yùn)動(dòng)，向左上表示向左前旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，向左下表示向左后運(yùn)動(dòng)，向右上表示向右前旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，向右下表示向右后運(yùn)動(dòng)。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(dòng)力頭的前進(jìn)和后退功能。該鉆機(jī)運(yùn)用四泵液壓系統(tǒng)使機(jī)器具有較高的工作效率，其功率分配合理，配備強(qiáng)力風(fēng)冷系統(tǒng)，即使在炎熱地區(qū)也可長時(shí)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(chǎng)及運(yùn)輸更加方便，高速的運(yùn)行系統(tǒng)采用多檔位無級(jí)調(diào)速功能，作業(yè)效率高。

3 測(cè)試結(jié)果及討論

    開關(guān)量信號(hào)和模擬信號(hào)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(hào)的測(cè)試結(jié)果如圖4、圖5所示。圖4表示開關(guān)量輸入為“0”時(shí)輸出端的響應(yīng)，圖5表示開關(guān)量輸入為“1”時(shí)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(hào)輸入輸出波形如圖6所示，輸入端的實(shí)測(cè)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(shí)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(shí)間為μs級(jí)，輸出端模擬信號(hào)隨輸入端的模擬信號(hào)的變化具有一定的滯后性，滯后時(shí)間小于1 ms，能滿足工程實(shí)際使用的需要。輸入與輸出的跟隨精度為0.1級(jí)。

    本設(shè)計(jì)選用帶有增強(qiáng)型天線的CC2530無線模塊實(shí)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(gè)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(gè)中級(jí)模塊，無線操控的最大距離能滿足工程需要。

    本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了遙控非開挖水平頂鉆機(jī)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(yuǎn)程控制信號(hào)；無線接收控制器將接收到的信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂屏枯敵隹刂扑巾斻@機(jī)。電路經(jīng)高低溫試驗(yàn)并隨車運(yùn)行1年，運(yùn)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(jì)功耗低，成本低，與被控車輛接口簡單。本設(shè)計(jì)也適合于其他工程車輛、工地升降機(jī)、礦井挖掘機(jī)、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(dòng)控制。

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