CN105679168A

CN105679168A - 一种模拟机坪车辆调度的教学实验平台

Info

Publication number: CN105679168A
Application number: CN201510895004.5A
Authority: CN
Inventors: 杨文东; 徐正家; 邱明涛
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2015-12-04
Filing date: 2015-12-04
Publication date: 2016-06-15

Abstract

本发明涉及一种实验教学设备，特别涉及一种模拟机坪车辆调度的教学实验平台，由多辆调度车、机坪和上位机三大部分组成，上位机接收调度车的反馈信息，并可以对调度车发出指令，上位机不发出指令时，调度车自行判断如何在机坪上行驶；当上位机发出指令时，调度车按照上位机的指令在机坪上行驶；所述调度车由控制系统、电机、传感器、电源系统组成，所述机坪由黑色橡胶垫、白色跑道和白色建筑物组成，所述上位机，由Atmega88主控芯片、NF24L01无线传感器、Max232电频导换芯片和电脑组成。基于此平台可实现多辆车辆调度算法实现与仿真，为验证调度算法真实有效性提供指导，帮助学生对算法进行深入理解，锻炼学生编程和逻辑思维能力。

Description

一种模拟机坪车辆调度的教学实验平台

技术领域

本发明涉及一种实验教学设备，特别涉及一种模拟机坪车辆调度的教学实验平台。

背景技术

近年来，我国经济的快速发展和人们对航空需求的日益增加，我国民航业发展取得了举世瞩目的成就。但随着对外开放不断扩大的同时，在航班延误方面也面临着严峻的挑战。据统计，由于机坪地面作业所引起的延误占大型枢纽机场所有延误的15.45％，机场保障服务的延误是造成航班延误的原因之一。因此，研究在保证飞行安全的前提下，如何通过生产资源的优化配置与合理调度，提高资源利用率和服务水平，以减少因机场资源安排不当造成的航班延误，提高运营效益，已成为迫切需要解决的问题。

目前，我国民航对航班地勤服务的管理，还大都基于人工经验或者基本的运筹学理论。针对于航班地勤服务调度的研究很有限，且由于有关航空公司的运作调度方法和软件的研究，一般不公开发表，可以了解到的研究成果较少。现阶段，国内外的研究成果一般集中于地勤服务的仿真分析和流程改进，而忽视了对服务资源的优化调度。

在国外，德国汉莎开发了PERsEus系统进行旅客服务人员的规划和实时调度；Neiman等开发了航班地勤服务的多Agent调度系统Dis-Dss，用于模拟不同公司飞机地面支持设备的协作，但其在调度算法优化上未做深入的研究；Chien等为Techsat-21自治空间科学计划中美国空军的飞机维护调度开发了自治Agent系统；日本民航局开发的TotalAirspace&AirportModeler(TAAM)系统运用了“what-if”的分析方法，对机场的运行模型和空域构型进行仿真实现。但是，这几个上述专业性软件平台存在购买成本高且购买困难、系统维护困难、所需专业起点要求高等问题，不适用于普通教学示范使用。

发明内容

针对以上研究现状，结合本科生教学需要，从直观展示性上考虑，发明了一种模拟机坪车辆调度的教学实验平台，学生可以通过该平台编程实现调度算法，或者可用于机场调度算法的简易验证以及算法实际鲁棒性检验。

本发明是通过以下技术方案实现的：平台由多辆调度车、机坪、上位机三部分构成，上位机接收调度车的反馈信息，并可以对调度车发出指令，上位机不发出指令时，调度车自行判断如何在机坪上行驶；当上位机发出指令时，调度车将转为上位机控制方式，从而按照上位机的指令在机坪上行驶。

所述机坪设计以简化的禄口机场为模型，选取摩擦系数较大的黑色橡胶垫作为机坪材料；等宽白色胶带作为调度车辆运行轨迹中心线；以白色塑料模型作为停机坪代作业点。

所述调度车为4驱，由控制系统、电机、传感器、电源系统组成，采用直流电即可。其中，控制系统，芯片采用Atmega168处理器。所述调度车电机采用有刷直流电机即可。传感器包括前后左右共8个红外传感器、前后各7个灰度传感器、NF24L01无线发送模块、码盘测速模块。控制系统根据电机码盘反馈得的高低电平信号变化，在主程序中开2个定时器实时采集计算左右边电机转速，从而实现调度车左右轮速度闭环控制；在此基础上采用差分PID控制算法，在调度车前后方各安装7个灰度传感器，通过识别机坪上白色胶带的反馈信号判断调度车偏离白色中心线位置，根据偏离距离设计3种控制参数实现调度车平缓回调至中心线；此外，调度车前后左右各安装2个红外传感器，以判别是否到达作业点和是否有其他调度车需避让。在程序中开2个外部中断定时器，当前后传感器有障碍物就判别周围有其他调度车，需采取停车等待避让或继续前行等待另一辆调度车避让。当左右传感器检测有障碍物时，就判别是否已到作业点，并进行作业点等待作业程序；此外，程序中还有1个内部定时器，实时无线发送调度车状态信息，并判别是否有上位机控制指令介入，若有上位机控制指令，则切换当前运行程序为上位机控制方式，以防止算法出错导致的车辆碰撞等问题产生。电源系统由4节干电池供电，通过电机驱动模块给调度车电机和相关传感器、处理器供电。

所述上位机端设计采用Atmega88作为主控芯片，并结合NF24L01作为无线传感器接收调度车的反馈信息，同时通过Max232电频导换芯片与电脑进行串口通信。上位机也可通过电脑指令给调度车进行实时控制，避免调度算法出错产生车辆碰撞等情况产生。

附图说明

图1为本发明一种模拟机坪车辆调度的教学实验平台的机坪示意图；

图2为本发明一种模拟机坪车辆调度的教学实验平台的调度车的车架示意图；

图3为本发明一种模拟机坪车辆调度的教学实验平台的调度车的上部示意图；

图4为本发明一种模拟机坪车辆调度的教学实验平台的调度车的底部示意图；

图5为本图4中I部位的放大图；

图6为本发明一种模拟机坪车辆调度的教学实验平台的上位机示意图；

图7为本图6中II部位的放大图；

图中11黑色橡胶垫，12等宽白色胶带，13白色塑料建筑物，211车轮，212车架，221电机，222码盘测速模块，231电池板，232驱动模块，241控制板，251灰度传感器，252红外传感器，253无线收发模块，254可旋电阻，311无线收发模块，312控制芯片，313电源导换芯片，

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图，对本发明的一种实施例做具体介绍：

一种模拟机坪车辆调度的教学实验平台，主要由多辆调度车、机坪、上位机三部分构成，具体使用过程包含机坪安装、调度车组装和上位机软硬件安装三个步骤。

1、机坪安装

1.1根据场地需求平铺适当大小的黑色橡胶垫11，也需根据调度车数量适当增大场地面积。

1.2根据实际机场模型粘贴3cm等宽白色胶带12作为调度车行驶中心线。注意尤其对转弯拐角处，白色胶带12需粘贴平整，防止由于漏贴、凹凸不平等因素导致调度车相撞等情况产生。

1.3粘贴白色塑料建筑物13作为待作业点。白色塑料建筑物13之间需相差10cm以上距离，防止因距离太近导致调度车无法判别停车点的情况。白色塑料建筑物13和由白色胶带12构成的白色中心线需保持适当距离，防止过近妨碍调度车前行，过远调度车无法检测到停车点。

2、调度车组装

2.1调度车结构安装，包括车轮211、车架212等机械结构件。

2.2电机221和码盘测速模块222安装。注意电机221与车轮11的紧密耦合，防止出现齿轮啮合太紧太松导致调度车行驶异常。

2.3电池板231安装和驱动模块232安装。电池板231安装位置应是便于电池更换位置。

2.4控制板241安装。控制板241周围避免有金属物，防止因金属物触碰导致控制板241短路造成芯片损坏。

2.5各类传感器安装。调度车前后各安装7个灰度传感器251，前后左右各安装2路红外传感器252，上方安装NF24L01无线收发模块253。除无线收发模块253无需初始化矫正外，其余传感器都需通过可旋电阻254进行灵敏度矫正。灰度传感器251应校准到能识别白色中心线12位置，前后红外传感器252根据需求校准到合适位置以判别前后车辆，左右红外传感器252应校准到能识别白色建筑物位置。

3、上位机软硬件安装

3.1无线收发模块311与控制芯片312相连。并通过电源转换芯片313给无线收发模块311供电。

3.2控制芯片312通过电源导换芯片313以波特率9600，无校验码方式和电脑32进行串口通信。控制芯片供电由电脑32的usb串口提供电压。

3.3电脑软件基于串口调试助手进行开发，可实现对接收数据进行显示、管理、保存功能，也可实现发送数据对相应调度车进行控制。

由上可知，本发明实现了面向教学使用的机场车辆调度实验平台。一种模拟机坪车辆调度的教学实验平台包括机坪、多辆调度车辆软硬件和上位机三大部分组成，上位机接收调度车的反馈信息，并可以对调度车发出指令，上位机不发出指令时，调度车自行判断如何在机坪上行驶；当上位机发出指令时，调度车将转为上位机控制方式，从而按照上位机的指令在机坪上行驶。结合此平台可实现多辆车辆调度算法实现与仿真，为验证调度算法真实有效性提供硬件辅助指导；结合本科教学需求，直观硬件展现可帮助学生对算法进行深入理解，可锻炼学生编程和逻辑思维能力；本发明还可用于展示会、业内人员探究讨论等场合。

以上所述仅为本发明的较佳实例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种模拟机坪车辆调度的教学实验平台，其特征在于所述平台由多辆调度车、机坪、上位机三部分构成，上位机接收调度车的反馈信息，并可以对调度车发出指令，上位机不发出指令时，调度车自行判断如何在机坪上行驶；当上位机发出指令时，调度车将转为上位机控制方式，从而按照上位机的指令在机坪上行驶。

2.如权利要求1所述的一种模拟机坪车辆调度的教学实验平台，其特征在于，所述机坪由黑色橡胶垫、等宽白色胶带和白色塑料模型三部分组成，机坪的设计以简化的禄口机场为模型，选取摩擦系数较大的黑色橡胶垫作为机坪材料，等宽白色胶带作为调度车辆运行轨迹中心线，以白色塑料模型作为停机坪代作业点。

3.如权利要求1所述的一种模拟机坪车辆调度的教学实验平台，其特征在于，所述调度车为4驱车，采用直流电，由控制系统、电机、传感器、电源系统组成。

4.如权利要求3所述的一种模拟机坪车辆调度的教学实验平台，其特征在于，所述控制系统芯片采用Atmega168处理器，处理器根据电机码盘反馈得的高低电平信号变化，在主程序中开2个定时器实时采集计算左右边电机转速，从而实现调度车左右轮速度闭环控制，在此基础上采用差分PID控制算法。

5.如权利要求3所述的一种模拟机坪车辆调度的教学实验平台，其特征在于，所述传感器包含：前后各7个灰度传感器、前后左右共8个红外传感器、NF24L01无线发送模块、码盘测速模块。

6.如权利要求5所述的一种模拟机坪车辆调度的教学实验平台，其特征在于，所述灰度传感器，通过识别机坪上白色胶带的反馈信号判断调度车偏离白色中心线位置，根据偏离距离设计3种控制参数实现调度车平缓回调至中心线。

7.如权利要求5所述的一种模拟机坪车辆调度的教学实验平台，其特征在于，所述2个红外传感器，用以判别是否到达作业点和是否有其他调度车需避让。

8.如权利要求3所述的一种模拟机坪车辆调度的教学实验平台，其特征在于，所述控制系统中包含控制程序，控制程序中有2个外部定时器和1个内部定时器。

9.如权利要求8所述的一种模拟机坪车辆调度的教学实验平台，其特征在于，所述2个外部定时器分别判断前后和左右是否有障碍物，当前后传感器有障碍物，就判别周围有其他调度车，需采取停车等待避让或继续前行等待另一辆调度车避让；当左右传感器检测有障碍物时，就判别是否已到作业点，并进行作业点等待作业程序。

10.如权利要求8所述的一种模拟机坪车辆调度的教学实验平台，其特征在于，所述内部定时器实时无线发送调度车状态信息，并判别是否有上位机控制指令介入，若有上位机控制指令，则切换当前运行程序为上位机控制方式，以防止算法出错导致的车辆碰撞等问题产生。

11.如权利要求3所述的一种模拟机坪车辆调度的教学实验平台，其特征在于，所述电源系统由4节干电池供电，通过电机驱动模块给调度车电机和相关传感器、处理器供电。

12.如权利要求1所述的一种模拟机坪车辆调度的教学实验平台，其特征在于，所述上位机端设计采用Atmega88作为主控芯片，并结合NF24L01作为无线传感器接收调度车的反馈信息，同时通过Max232电频导换芯片与电脑进行串口通信；上位机也可通过电脑指令给调度车进行实时控制，避免调度算法出错产生车辆碰撞等情况产生。