周成虎，何家梅，黄全振，李柏松，吴洪波

(河南工程学院 电气信息工程学院，河南 郑州 451191）

用于非开挖水平顶钻机的无线控制器设计*

周成虎，何家梅，黄全振，李柏松，吴洪波

(河南工程学院 电气信息工程学院，河南 郑州 451191）

在非开挖水平顶钻机工作过程中，地面操作员需要步行跟随钻头前行与后退，顶钻机车上另需一名驾驶员操控车辆内部的设备。为了减少人力成本，在操作员身上携带无线操控器，在顶钻机车上安装无线接收控制器电路，使用物联网技术实现遥控非开挖水平顶钻机可以节省一名驾驶员。无线操控器通过按钮开关输入开关量控制信号，通过球形旋钮模拟输入控制信号，由无线模块将模拟信号转换成对应的数字量信号。无线接收控制器收到开关量信号和数字量信号后，将数字信号还原成模拟信号，用开关量信号和模拟信号控制车载设备实现自动控制功能。该电路随车运行，证明了以上结论的可行性。

非开挖水平顶钻机；无线控制；开关量控制；模拟量控制

0　引言

非开挖施工技术［1-3］是应用定向钻进技术的原理，以非开挖的方法对地下管线、管道进行铺设、维修、更换或者探测的一门施工技术。施工程序主要包括钻头、钻杆钻进、回扩头回扩和管道回拖三个工作内容［4-6］。图1为定向钻管线穿越技术原理图。

图1　定向钻管线穿越技术

在非开挖水平顶钻机工作过程中，地面操作员需要步行跟随钻头前行与后退，顶钻机车上另需一名驾驶员操控车辆内部的设备。为了减少人力成本，在操作员身上携带无线操控器，在顶钻机车上安装无线接收控制器电路，使用物联网技术实现遥控非开挖水平顶钻机功能，可以节省一名驾驶员。

1　硬件设计

1.1无线操控器原理分析

无线操控器（无线控制器发射端）原理图见图2，无线操控器由操作员随身携带，用于提供远程控制信号。无线操控器通过按钮开关输入开关量控制信号，通过球形旋钮输入模拟控制信号。无线操控器电路由数字信号输入电路、模拟信号输入电路和CC2530无线模块组成。其中，数字信号输入电路共8路，模拟信号输入电路共4路。数字信号由输入端DIN1～DIN8引入，输入电位0 V表示信号“0”，输入电位 24 V表示信号“1”。每路经 1 kΩ电阻分压、电容滤波送到电压比较器(LM324集成运算放大器制作的比较电路)进行比较。

图2　无线控制器发射端

当信号电压值高于参考电压RV时，表示输入为“1”，相应运放输出端输出高电平(5 V，相当于运放供电电压)到CC2530模块相应引脚，然后经由程序判断并发送相应的“1”信号到无线接收控制器(接收端)的CC2530模块；否则LM324给到模块的电压为低电平(表示逻辑“0”，约等于0 V)。

模拟信号由输入端AIN1～AIN4引入，输入电压范围为 0～5 V，每路经由 1 kΩ电阻分压、电容滤波后，接到模块的ADC采样处理引脚，在模块内置的A/D转换器转换成数字量，然后发给无线接收控制器的CC2530模块。

1.2无线控制器接收端原理分析

无线控制器的接收端如图3所示。

图3　无线控制器接收端

在图3所示的电路中，接收端将接收到的信号转变为控制量输出控制水平顶钻机。接收端由数字信号输出电路、模拟信号输出电路和CC2530无线模块组成。其中，数字信号输出电路共8路，模拟信号输出电路共4路。数字输出由DO1～DO8端输出，输出端的驱动芯片为BTS621，它是一个双通道的电源开关芯片，自带驱动电路，具有较大的带负载能力（最大输出电流达到 8 A）。当接收模块接收到数字信号“0”时，模块输出相关电平信号到电源开关 BTS621，此时BTS621输出为低电平；当接收模块接收的数字信号为“1”时，模块输出相关电平信号到电源开关BTS621，使其输出高电平。模拟输出由OUT1～OUT4端输出。当接收模块接收到采样的模拟信号时，模拟信号再由接收模块发送给TLC5615数模转换器，由转换器处理后通过输出端输出，输出端根据转换结果输出的电压范围为0～5 V。非开挖水平顶钻机的控制电路收到该模拟信号（相当于手动操作得到的模拟信号），用该信号自动控制相关对象。

2　控制对象分析

非开挖水平顶钻机无线控制器控制对象如下：动力头安装在水平定向钻机上，前边为固定架、钻杆和探头。钻头还具有自动喷水功能，钻管为无缝钢管或塑料管，钻管钻入地下后永久留存不再取出。无线控制器和整机控制器配合用于行走模式、工作模式、转运模式。行走模式时，无线遥控器控制左右履带行走，并控制履带的同步、转向；工作模式主要是控制动力头的推拉、旋转，钻具前夹后夹，夹具前后移动，钻杆举升下降等动作；转运模式主要控制履带同步，确保安全爬上平板车等运输车辆上，并在最近的地点下来。无线接收控制器控制对象见表1。表1中的输入信号为无线操控器输入信号，输出信号为无线接收控制器输出信号。

履带行走共1个手柄控制，内部产生2个模拟信号，为交叉十字型电阻，向前表示向前运动，向后表示向后运动，向左上表示向左前旋转运动，向左下表示向左后运动，向右上表示向右前旋转运动，向右下表示向右后运动。履带行走采用柴油液压泵控制液压油，泵控制需要两路PWM控制正反转。推拉控制为动力头的前进和后退功能。该钻机运用四泵液压系统使机器具有较高的工作效率，其功率分配合理，配备强力风冷系统，即使在炎热地区也可长时间可靠工作。紧凑的外形结构及出色的爬坡能力使设备的转场及运输更加方便，高速的运行系统采用多档位无级调速功能，作业效率高。

3　测试结果及讨论

开关量信号和模拟信号在无线操控器输入，经无线接收控制器输出。

开关量信号的测试结果如图4、图5所示。图4表示开关量输入为“0”时输出端的响应，图5表示开关量输入为“1”时输出端的响应（图4、图5中通道1代表输入，通道2代表输出）。

表1　无线接收控制器控制对象

图4　开关量输入为“0”时输出端的响应

图5　开关量输入为“1”时输出端的响应

模拟信号输入输出波形如图6所示，输入端的实测有效输入电压变化幅值为0～5 V，模拟输出端的变化跟随输入端的变化，稳定时数值完全相等。在无线通信与控制过程中，模-数转换、数据发送与接收、数-模转换所需要的时间为μs级，输出端模拟信号随输入端的模拟信号的变化具有一定的滞后性，滞后时间小于1 ms，能满足工程实际使用的需要。输入与输出的跟随精度为0.1级。

图6　模拟信号的输入输出响应

本设计选用带有增强型天线的CC2530无线模块实现无线通信功能，1组 CC2530无线模块的发射与接收距离为1 200 m，超过1 200 m需增加中继模块。每增加一个中继模块可使无线通信距离增加1 200 m，最大可增加65 535个中级模块，无线操控的最大距离能满足工程需要。

本设计实现了遥控非开挖水平顶钻机的功能。电路分为无线操控器和无线接收控制器两部分。无线操控器用于提供远程控制信号；无线接收控制器将接收到的信号转变为控制量输出控制水平顶钻机。电路经高低温试验并随车运行1年，运行结果证明了以上结论的可行性。

无线接收控制器电路操作方便，设计功耗低，成本低，与被控车辆接口简单。本设计也适合于其他工程车辆、工地升降机、矿井挖掘机、户外或户内的工业无线控制等安全系数低的车辆或其他设备的自动控制。

［1］白彬珍，臧艳彬，周伟，等.深井小井眼定向随钻扩孔技术研究与应用［J］.石油钻探技术，2013，41(4)：73-77.

［2］高雪林，叶桦.水平定向钻的轨迹自动纠偏方法［J］.中南大学学报：自然科学版，2013，44(S1)：297-300.

［3］石智军，温榕，方俊，等.煤层井下定向钻进用随钻测量系统的研制［J］.煤炭科学技术，2013，41(3)：16-20.

［4］曾聪，马保松，刘厚平.水平定向钻穿越施工中钻井液渗透对孔壁塑性半径的影响［J］.中国石油大学学报：自然科学版，2013，37(2)：57-61.

［5］朱建明，赵沙沙.基于 SMP准则的定向钻扩孔泥浆压力计算［J］.地下空间与工程学报，2012，8(4)：756-760.

［6］高庆有，赵刚，范景涛.定向钻穿越在海底管线项目中的技术研究［J］.中国造船，2012，53(S2)：48-53.

Design of the wireless controller for trenchless horizontal drilling machine

Zhou Chenghu，He Jiamei，Huang Quangzhen，Li Baisong，Wu Hongbo
(School of Electrical Information and Engineering，Henan Institute of Engineering，Zhengzhou 451191，China)

In the process of trenchless horizontal roof drilling work,ground operators need to follow a bit forward and backward on foot,other top drill the car need to be a pilot devices inside the vehicle.To reduce labor costs,the operator carries the wireless control device,the top rig car fixes wireless receiving controller circuit,and with the use of the Internet of Things technology，trenchless rig is on the control remotely，which can save a driver.Wireless control device through the button switch input switch quantity control signal,through the input analog control signal,spherical knob by wireless module converts analog signals into corresponding digital signals.Wireless receiving controller after receiving the switch signals and digital signals,the digital signal back to analog signals,with digital and analog signals to control in-vehicle device control function,circuit with high and low temperature testing and running 1 truck during one year,the result proved the feasibility of the above conclusion.

trenchless horizontal drilling；wireless control；switch control；analog control

TN923

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.04.024

国家自然科学基金资助项目(61403123)；郑州市科技局民生科技进步工程资助项目(131PZDGC136)

2015-12-17)

周成虎（1973-），男，讲师，主要研究方向：非接触电能传输技术、物联网通信技术。

何家梅（1963-），女，副教授，主要研究方向：嵌入式微处理器应用。

黄全振（1979-），男，博士，副教授，主要研究方向：控制理论及应用。

中文引用格式：周成虎，何家梅，黄全振，等.用于非开挖水平顶钻机的无线控制器设计［J］.电子技术应用，2016，42 (4)：85-87，91.

英文引用格式：Zhou Chenghu，He Jiamei，Huang Quangzhen，et al.Design of the wireless controller for trenchless horizontal drilling machine［J］.Application of Electronic Technique，2016，42(4)：85-87，91.