高空作业车人机交互装置及高空作业车人机交互方法

1.一种高空作业车人机交互装置，该高空作业车人机交互装置中设有ARM控制模块，其特征在于，该ARM控制模块中内置有：CAN总线通信模块、液晶显示模块，以及按键输入模块；该ARM控制模块上连接有：电源变换模块和手柄输入模块；
所述的ARM控制模块由ARM处理器、SDRAM存储器、Flash存储器、复位电路、时钟电路、编程接口组成，构成该高空作业车人机交互装置的核心模块；
所述CAN总线通信模块由ARM控制模块中内置的CAN总线控制器、光电隔离电路、CAN总线收发器、CAN总线通信接口构成；
所述液晶显示模块由ARM控制模块内置的液晶控制器、液晶显示接口、液晶显示器、背光控制电路构成；
所述电源变换模块由隔离电源单元、电压等级变换单元构成，分别给装置中的其他模块供电；
所述按键输入模块由ARM控制模块内置的IO控制端口、按键输入电路、压膜面板构成；
所述手柄输入模块由光电隔离电路、AD转换单元、信号调理电路、比例手柄构成；
所述的高空作业车人机交互装置的供电电源为9~30V直流电压，供电功率低于10W。
2.根据权利要求1所述的高空作业车人机交互装置，其特征在于，所述的高空作业车人机交互装置，是通过CAN总线通信接口与高空作业车的主控制器相连；而高空作业车的主控制器通过其自身的接口分别与长度传感器、角度传感器、油压传感器及称重传感器相连，构成高空作业车智能控制系统。
3.根据权利要求1或2所述的高空作业车人机交互装置，其特征在于，所述ARM控制模块的Flash存储器不少于16MB，SDRAM不少于16MB，该模块具有编程接口，可与计算机连接后通过专用软件更改该装置的显示控制程序。
4.根据权利要求3所述的高空作业车人机交互装置，其特征在于，所述的高空作业车人机交互装置，其按键输入模块的按键分布在压膜面板上，个数不少于10个；手柄输入模块的比例手柄为模拟量输出的手柄，个数不少于4个。
5.根据权利要求4所述的高空作业车人机交互装置，其特征在于，所述的高空作业车人机交互装置，具有铝合金防水外壳，通过15芯的防水接插件与外部设备进行电气连接。
6.根据权利要求5所述的高空作业车人机交互装置，其特征在于，所述的高空作业车人机交互装置，其液晶显示器为16位真彩色显示器，分辨率为640×480。
7.一种采用权利要求1所述高空作业车人机交互装置的高空作业车人机交互方法，其特征在于，步骤如下：
步骤A：上电后，人机交互装置通过ARM控制模块从其Flash存储器中读取所存储的配置参数，对其他各个模块进行初始化，并在液晶显示模块中显示存储在Flash存储器中的开机画面；
步骤B：检查CAN总线通信模块是否接收到外部发送来的数据，如果有则转步骤C，如果没有则转步骤D；
步骤C：根据接收到的数据，提取液晶显示模块的显示界面中所需要的有效的实时数据，读取存储在Flash存储器中的显示程序，在液晶显示器上的按照显示程序以数值、曲线或动画的方式对实时数据进行显示；
步骤D：检查按键输入模块的状态，如果有按键输入，则转步骤E，如果没有则转步骤F；
步骤E：根据当前显示页面的编号和按键的键值，判断键值的功能属于更换显示页面、更改显示内容、特殊控制功能中的哪一项，如果是前两项则转步骤F；如果是第三项，则转步骤G；
步骤F：根据存储在Flash存储器中的显示程序和键值的功能来更新液晶显示器中的显示内容，并转步骤H；
步骤G：将键值进行组成将要发送的数据，通过CAN总线通信模块将数据发送给高空作业车主控制器，并转步骤B；
步骤H：扫描手柄输入模块的数值，如果手柄输入模块的在有效控制范围内，则通过CAN总线通信模块将手柄的数据发送给高空作业车控制器，转步骤B。

高空作业车人机交互装置及高空作业车人机交互方法\n技术领域\n[0001] 本发明涉及信息技术与自动化领域信息处理技术领域，涉及一种高空作业车操作使用过程中的人机交装置及高空作业车人机交互方法，该装置与方法是利用嵌入式技术设计实现的高空作业车控制过程中显示实时控制信息，提供友好的交互界面的控制操作装置，适用于具有较为复杂臂架结构或作业功能要求较高的高空作业车的智能化、人性化控制。\n背景技术\n[0002] 高空作业车是一种将作业人员、工具、材料等通过作业平台举升到空中指定位置进行各种安装、维修等作业的专用高空作业机械，既属于专用汽车，又属于工程机械，是一种重要的施工设备。自世界上第一台高空作业车于上世纪20年代问世以来，该行业以其独有的安全性和工作效率上的优势，获得了广阔的发展空间，市场需求与日俱增，已广泛应用于国民生产生活的各个行业。用高空作业车进行高空作业是一种先进的登高作业方式，高空作业车的需求量也从一方面体现了国民经济的发展水平，经济越发达，需求量越大。高空作业车在国外已广泛应用到几乎所有高空作业场所，在产品的结构型式、控制方式、移动方式等方面已非常成熟。我国尚处于初级阶段，结构型式单一，控制方式简单，智能化水平落后，这在很大程度上阻碍了高空作业车产业在我国的发展进程。高空作业车控制系统是其整体技术的核心，常规的高空作业车控制是由主控制器通过比例手柄实现控制功能，控制效果只能通过操作人员的肉眼观测进行信息反馈，控制效果很难达到良好的水平，使高空作业车的安全性、智能化、人性化水平受到很大的限制。因此，有必要开发一种能够将高空作业车实时工作状态、实时位姿信息以人性化方式进行显示的装置，以提高高空作业车的控制水平。\n发明内容\n[0003] 本发明的目的是提供一种高空作业车人机交互方法，以及这种高空作业车人机交互方法所使用的高空作业车人机交互装置。该方法与装置在高空作业车的作业过程能够读取高空作业车主控制器发送来的实时数据信息，以数据、图形或动画的方式更直观具体地为操作人员显示高空作业车的实时工作状态，同时通过具有特殊功能定义的按键输入，可以实现传统手柄或开关无法实现的复杂控制功能，提高高空作业车控制过程的人性化程度，提高控制效果，降低高空作业车的操作难度，提升高空作业车的智能化水平。\n[0004] 为达到上述目的，本发明的技术解决方案是：一种高空作业车人机交互装置，该高空作业车人机交互装置中设有ARM控制模块，其特征在于，该ARM控制模块中内置有：CAN总线通信模块、液晶显示模块，以及按键输入模块；该ARM控制模块上连接有：电源变换模块和手柄输入模块。\n[0005] 其中ARM控制模块由ARM处理器、SDRAM存储器、Flash存储器、复位电路、时钟电路、编程接口等组成，是该高空作业车人机交互装置的核心模块。\n[0006] 更具体地说，所述CAN总线通信模块由ARM控制模块中内置的CAN总线控制器、光电隔离电路、CAN总线收发器、CAN总线通信接口构成；\n[0007] 所述液晶显示模块由ARM控制模块内置的液晶控制器、液晶显示接口、液晶显示器、背光控制电路构成；\n[0008] 所述电源变换模块由隔离电源单元、电压等级变换单元构成，分别给装置中的其他模块供电；\n[0009] 所述按键输入模块由ARM控制模块内置的IO控制端口、按键输入电路、压膜面板构成；\n[0010] 所述手柄输入模块由光电隔离电路、AD转换单元、信号调理电路、比例手柄构成。\n[0011] 所述的高空作业车人机交互装置，可通过CAN总线通信接口与高空作业车主控制器相连，而高空作业车主控制器通过其自身的接口分别与长度传感器、角度传感器、油压传感器及称重传感器相连，构成高空作业车智能控制系统。\n[0012] 所述的高空作业车人机交互装置，其运行过程采用如下流程：\n[0013] 一种高空作业车人机交互方法，其特征在于，步骤如下：\n[0014] 步骤A：上电后，人机交互装置通过ARM控制模块从其Flash存储器中读取所存储的配置参数，对其他各个模块进行初始化，并在液晶显示模块中显示存储在Flash存储器中的开机画面；\n[0015] 步骤B：检查CAN总线通信模块是否接收到外部发送来的数据，如果有则转步骤C，如果没有则转步骤D；\n[0016] 步骤C：根据接收到的数据，提取液晶显示模块的显示界面中所需要的有效的实时数据，读取存储在Flash存储器中的显示程序，在液晶显示器上的按照显示程序以数值、曲线或动画的方式对实时数据进行显示；\n[0017] 步骤D：检查按键输入模块的状态，如果有按键输入，则转步骤E，如果没有则转步骤F；\n[0018] 步骤E：根据当前显示页面的编号和按键的键值，判断键值的功能属于更换显示页面、更改显示内容、特殊控制功能中的哪一项，如果是前两项则转步骤F；如果是第三项，则转步骤G；\n[0019] 步骤F：根据存储在Flash存储器中的显示程序和键值的功能来更新液晶显示器中的显示内容，并转步骤H； \n[0020] 步骤G：将键值进行组成将要发送的数据，通过CAN总线通信模块将数据发送给高空作业车主控制器，并转步骤B；\n[0021] 步骤H：扫描手柄输入模块的数值，如果手柄输入模块的在有效控制范围内，则通过CAN总线通信模块将手柄的数据发送给高空作业车控制器。转步骤B。\n[0022] 所述的高空作业车人机交互装置，其供电电源为9~30V直流电压，供电功率低于\n10W。 \n[0023] 所述的高空作业车人机交互装置，其ARM控制模块的Flash存储器不少于16MB，SDRAM不少于16MB，该模块具有编程接口，可与计算机连接后通过专用软件更改该装置的显示控制程序。\n[0024] 所述的高空作业车人机交互装置，其按键输入模块的按键分布在压膜面板上，个数不少于10个；手柄输入模块的比例手柄为模拟量输出的手柄，个数不少于4个。\n[0025] 所述的高空作业车人机交互装置，具有铝合金防水外壳，通过15芯的防水接插件与外部设备进行电气连接。\n[0026] 所述的高空作业车人机交互装置，其液晶显示器为16位真彩色显示器，分辨率为\n640×480。\n[0027] 本发明的显著特点在于使用嵌入式ARM处理器平台构成高空作业车人机交互装置的核心，基于开放式的实时多任务操作系统和快速高效的通讯接口传输驱动程序，结合人性化的图形显示技术，形成了总线通信、图形显示、按键扫描、手柄输入等多个工作任务并行处理的人机交互系统，能以数值、曲线、动画的方式将高空作业车的实时工作状态和外部环境信息更加直观的显示出来，有助于操作人员能更好更及时地掌握高空作业车的工作信息，满足高空作业车的应用操作中对于安全性和人性化的特殊要求。\n[0028] 本发明的技术核心在于利用嵌入式ARM处理器高效的数据处理能力和灵活的图形化显示技术，结合实时多任务操作系统，构成实时通信、矢量化显示、多样化交互等多任务并行运行的嵌入式人机交互装置。\n[0029] 本发明采用嵌入式软硬件设计技术实现了嵌入式ARM人机交互装置，具有总线式通信接口，可与高空作业车主控制器及各种传感器相连接共同组成完整的高空作业车控制系统，实现高空作业车实际操作过程中高空作业车的实时位姿和工作状态的图形化显示，并能计算出安全系数，并以醒目的颜色在显示屏中显示出来，提醒操作人员在不同控制姿态下的注意操作的安全性，同时通过采集比例手柄和按键的输入，对显示页面进行切换、参数进行更改或者将命令发送给主控制器以实现复杂的控制功能，降低高空作业车操作过程的复杂度，提高高空作业车的智能化水平。\n[0030] 本发明提出的嵌入式高空作业车人机交互装置的主要优点如下：利用基于ARM处理器的嵌入式系统技术研制的高空作业车人机交互装置采用总线式通信接口，能够更加灵活的使用到高空作业车控制系统的集成中；采用真彩色液晶显示器，能够清晰显示的数据、曲线、动画，能突出显示报警或故障等重要信息；利用电气隔离设计技术使核心控制模块与其他模块在电气上进行隔离，避免了外部输入信号的电磁干扰对控制模块执行软件的影响，提高了系统的可靠性；采用宽压范围的输入电压供电，降低了高空作业车电源电压波动对人机交互装置的影响，提高了其工作稳定性；人机交互装置采用铝合金防水外壳和防水接插件，使控制器具有良好的防护性能。\n附图说明\n[0031] 图1为高空作业车人机交互装置的结构框图。\n[0032] 图2为人机交互装置在高空作业车控制系统中的连接框图。\n[0033] 图3为液晶显示模块所显示内容的一种实施例的界面示意图。\n具体实施方式\n[0034] 基于嵌入式技术设计的人机交互装置作为高空作业车控制系统的核心控制单元，采用ARM处理器作为该装置的中央控制核心，结合实时多任务操作系统和图形化显示技术，实现高空作业车使用中与操作人员的良好人机交互过程。以下结合附图对该发明的具体实施方式进行说明。\n[0035] 图1为该人机交互装置的总体结构图，控制器由ARM控制模块、电源变换模块、CAN总线通信模块、液晶显示模块、按键输入模块、手柄输入模块等6个模块构成。其中ARM控制模块由ARM处理器、SDRAM存储器、Flash存储器、复位电路、时钟电路、编程接口等组成，是该智能控制器的核心模块，该模块向外扩展系统总线，其他各个模块分别通过其系统总线与ARM控制模块相连。在实施例中，ARM处理器采用NXP公司的LPC2478处理器芯片，SDRAM存储器为16MB的MT48LC16M16A2存储器，Flash存储器采用16MB的E28F128存储器。CAN总线通信模块由光电隔离电路、电平转换电路、CAN总线通信接口电路组成，连接到ARM控制模块的系统总线中的CAN通信功能引脚上。液晶显示模块液晶显示接口、液晶显示器、背光控制电路构成，连接到ARM控制模块内置的液晶控制器（图中未示出）上。在实时例中液晶显示器采用16位真彩色、分辨率640×480，背光控制电路由5V转30V的升压电路构成。\n按键输入模块由按键输入电路、压膜面板连接到ARM控制模块内置的IO控制端口（图中未示出）。在实施例中压膜面板设计了10个功能按键。 手柄输入模块由比例手柄、信号调理电路、AD转换电路、光电隔离电路组成，连接到ARM控制模块的SPI引脚上。电源变换模块由隔离型电源转换模块和非隔离型电源转换模块构成，其中隔离型电源转换模块将输入电源转换为与之不共地的直流电源，给ARM控制模块供电；非隔离型电源转换模块将输入电源转换成与之共地的12V、5V等不同的电压等级，给其他功能模块供电。\n[0036] 图2是人机交互装置在高空作业车控制系统中的连接框图。图中，人机交互装置通过CAN总线与高空作业车主控制器相连，主控制器通过自身的模拟量或数字量接口，与安装在高空作业车上的长度、角度、油压、称重等传感器以及比例阀、开关阀、发动机等执行器相连，操作人员根据要实现的作业任务，通过对人机交互装置的比例手柄或功能按键采取相应的操作，人机交互装置将控制命令发送给主控制器，主控制器驱动各个执行器进行动作；主控制器通过采集各种传感器的信号得到高空作业车的工作状态和位姿信息，通过CAN总线传递给人机交互装置，采用数值、曲线、动画等方式在液晶显示屏上显示出来，为操作人员提供友好、准确、直观的反馈信息。图中，工作台1通过上折叠臂3、下折叠臂4组成的伸缩臂2，安装在回转台5上。操作人员7操持操作手柄6，与人机互动装置联系。\n[0037] 图3是高空作业车人机交互装置的液晶显示器所显示内容的一种实施例的界面示意图。图中左上方是用来描述高空作业车当前工作状态危险系数的警示条，危险系数小时警示条为绿色，当危险系数超过一定值后警示条为黄色，当危险系数继续增加至一定值后警示条为红色。警示条的下方是高空作业车运行过程的实时动画区，是根据高空作业车上各个传感器的实时数据进行动态绘制的高空作业车的作业姿态和平台位置，用来辅助操作人员实时掌握高空作业车的臂架形态。右上方是高空作业车的型号，型号下方是控制系统中各个传感器的实时数据和部分重要的工作状态数据，包括作业平台的高度和工作幅度等。数据下方是控制系统中自身的报警信息，用来描述控制系统中关键部件故障或异常，以及故障维护的方法。该报警信息根据故障的重要程度分为报警和限制两个级别，当故障的控制部件对于整体功能和安全程度没有影响时，采用报警级别，用于提示操作人员及时进行维护，同时在报警信息下方用圆形黄色块进行指示；当故障部件对于作业安全有重要影响时，采用限制级别，不仅在下方用红色块进行指示，同时也自动限制控制系统中执行器的动作，防止危险的发生。右下方是系统的日历时间，指示当前系统时间。最右侧是用来指示具有特殊功能的按键在该页面条件下的具体功能，可以通过显示页面和键值之间的逻辑关系，对同一个键值所实现的功能进行不同的定义，增强人机交互的功能。 [0038] 本发明采用ARM嵌入式软硬件技术和图形显示技术形成了具有良好人机交互接口的高空作业车人机交互装置，配合高空作业车主控制器、相关传感器、执行器等共同构成完整的高空作业车控制系统，人机交互装置不仅能以更直观的方式为操作人员提供良好的交互接口，还可以通过按键的功能设定实现传统高空作业车控制系统无法实现的复杂的运动控制，为提高高空作业车的控制水平和人性化程度提供支持。本发明所提供的实施例只是发明内容中的一种实施方式，其发明内容包含但不仅限于该实施例。