0 引言

    非開挖施工技術^[1-3]是應用定向鉆進技術的原理，以非開挖的方法對地下管線、管道進行鋪設、維修、更換或者探測的一門施工技術。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容^[4-6]。圖1為定向鉆管線穿越技術原理圖。

    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部的設備。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，使用物聯網技術實現遙控非開挖水平頂鉆機功能，可以節省一名駕駛員。

1 硬件設計

1.1 無線操控器原理分析

    無線操控器（無線控制器發射端）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輸入開關量控制信號，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，數字信號輸入電路共8路，模擬信號輸入電路共4路。數字信號由輸入端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模塊相應引腳，然后經由程序判斷并發送相應的“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，在模塊內置的A/D轉換器轉換成數字量，然后發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變為控制量輸出控制水平頂鉆機。接收端由數字信號輸出電路、模擬信號輸出電路和CC2530無線模塊組成。其中，數字信號輸出電路共8路，模擬信號輸出電路共4路。數字輸出由DO1~DO8端輸出，輸出端的驅動芯片為BTS621，它是一個雙通道的電源開關芯片，自帶驅動電路，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字信號“0”時，模塊輸出相關電平信號到電源開關BTS621，此時BTS621輸出為低電平；當接收模塊接收的數字信號為“1”時，模塊輸出相關電平信號到電源開關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送給TLC5615數模轉換器，由轉換器處理后通過輸出端輸出，輸出端根據轉換結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、轉向；工作模式主要是控制動力頭的推拉、旋轉，鉆具前夾后夾，夾具前后移動，鉆桿舉升下降等動作；轉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，內部產生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運動，向左下表示向左后運動，向右上表示向右前旋轉運動，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。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使機器具有較高的工作效率，其功率分配合理，配備強力風冷系統，即使在炎熱地區也可長時間可靠工作。緊湊的外形結構及出色的爬坡能力使設備的轉場及運輸更加方便，高速的運行系統采用多檔位無級調速功能，作業效率高。

3 測試結果及討論

    開關量信號和模擬信號在無線操控器輸入，經無線接收控制器輸出。

    開關量信號的測試結果如圖4、圖5所示。圖4表示開關量輸入為“0”時輸出端的響應，圖5表示開關量輸入為“1”時輸出端的響應（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，穩定時數值完全相等。在無線通信與控制過程中，模-數轉換、數據發送與接收、數-模轉換所需要的時間為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。

    本設計選用帶有增強型天線的CC2530無線模塊實現無線通信功能，1組CC2530無線模塊的發射與接收距離為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。

    本設計實現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變為控制量輸出控制水平頂鉆機。電路經高低溫試驗并隨車運行1年，運行結果證明了以上結論的可行性。

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

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