余良俊，席東河，汪小志

(1.武漢工程科技學(xué)院，武漢　430200；2.中國地質(zhì)大學(xué) 機(jī)械與電子信息學(xué)院，武漢　430074；3.河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 南陽　473000；4.武漢理工大學(xué) 物流工程學(xué)院，武漢　430063)

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基于多跳無線局域網(wǎng)絡(luò)的多聯(lián)合收獲機(jī)速度協(xié)同控制

余良俊1,2，席東河3，汪小志4

(1.武漢工程科技學(xué)院，武漢430200；2.中國地質(zhì)大學(xué) 機(jī)械與電子信息學(xué)院，武漢430074；3.河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 南陽473000；4.武漢理工大學(xué) 物流工程學(xué)院，武漢430063)

摘要：隨著現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，大面積協(xié)同作業(yè)逐漸開始應(yīng)用在機(jī)械自動化生產(chǎn)過程中，為了提高聯(lián)合收獲機(jī)械裝置作業(yè)的生產(chǎn)效率，提出了一種多機(jī)協(xié)同控制的多跳無線局域網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了多機(jī)大面積協(xié)同化作業(yè)控制。利用無線多跳網(wǎng)絡(luò)，基于地形和地質(zhì)條件，統(tǒng)一多機(jī)作業(yè)的速度，根據(jù)脫粒滾筒的轉(zhuǎn)速和籽粒的損失率，對協(xié)同速度進(jìn)行優(yōu)化。為了驗證設(shè)計的多跳無線局域網(wǎng)多速度協(xié)同控制的有效性，對多聯(lián)合收割機(jī)的速度優(yōu)化效果和籽粒的損失率進(jìn)行了實驗測試。由測試結(jié)果可以看出：采用多聯(lián)合收割機(jī)前進(jìn)速度協(xié)同控制后，其機(jī)械效率和籽粒的損失率都得到了明顯的改善，從而驗證了速度協(xié)同控制方法的可靠性，為大面積農(nóng)作物收獲機(jī)械自動化作業(yè)通信技術(shù)的研究提供了一種新的無線多跳網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方法。

關(guān)鍵詞：協(xié)同控制；多跳網(wǎng)絡(luò)；脫粒滾筒；籽粒損失；機(jī)械效率

0引言

性能良好的聯(lián)合收獲機(jī)應(yīng)該在不超過額定喂入量和允許籽粒損失量的前提下，在一定的地形和地質(zhì)條件下具有最大的前進(jìn)速度。聯(lián)合收獲機(jī)前進(jìn)速度自動控制的目的是保持均勻合理的喂入量，使脫粒滾筒和螺旋輸送器等主要工作部件的負(fù)荷穩(wěn)定。隨著大面積作物種植技術(shù)的推廣，單一的聯(lián)合收割已經(jīng)不能滿足大型機(jī)械化生產(chǎn)的需要，需要使用多臺機(jī)械聯(lián)合控制的方法，通過并行作業(yè)的方式，才能完成作物的聯(lián)合收割任務(wù)。

為了滿足多臺聯(lián)合收割機(jī)的聯(lián)合控制，首先要控制單臺收獲機(jī)獨立完成任務(wù)時的最優(yōu)速度和最佳路徑，然后將速度和路徑控制指令傳輸給其它聯(lián)合收獲機(jī)。但是，信息的傳遞需要通過網(wǎng)絡(luò)通信，在沒有基礎(chǔ)通信設(shè)施的情況下，在距離較遠(yuǎn)的兩臺聯(lián)合收割機(jī)直接可以使用多跳網(wǎng)絡(luò)通信。多跳無線網(wǎng)絡(luò)不需要基礎(chǔ)設(shè)施、高度自治，因此其無法或不方便建立基礎(chǔ)設(shè)施及只需臨時性組網(wǎng)通信的應(yīng)用場景，并且多跳無線網(wǎng)絡(luò)仍將以4G網(wǎng)絡(luò)不可或缺的組成部分而占據(jù)重要地位。多跳網(wǎng)絡(luò)通信改變了傳統(tǒng)依靠基站的通信方式，使多臺聯(lián)合收割機(jī)直接可以實現(xiàn)信息共享，便于協(xié)同控制，提高了機(jī)械控制的效率及大面積作業(yè)的機(jī)械化程度。

1多聯(lián)合收獲機(jī)速度協(xié)同控制原理

聯(lián)合收獲機(jī)速度的協(xié)同控制主要是基于多跳局域網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)合通信功能。喂入量是聯(lián)合收獲機(jī)械的重要設(shè)計參數(shù)和性能參數(shù)，在收割機(jī)速度自動控制系統(tǒng)中，可以使用傳感器監(jiān)測滾筒的轉(zhuǎn)速來測量喂入量；而地形和地質(zhì)條件可以通過聯(lián)合收獲機(jī)的阻力負(fù)荷反饋調(diào)節(jié)來實現(xiàn)。聯(lián)合收獲機(jī)速度協(xié)同控制的基本框架設(shè)計如圖1所示。

工作時，首先通過傳感器采集地形地質(zhì)條件、收獲機(jī)滾筒轉(zhuǎn)速、前進(jìn)阻力的相關(guān)信息，然后將信號進(jìn)行處理，發(fā)出調(diào)速指令，利用無線多跳網(wǎng)絡(luò)對多聯(lián)合收獲機(jī)協(xié)同控制。無基礎(chǔ)設(shè)施的無線網(wǎng)絡(luò)沒有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施和中心控制的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，終端節(jié)點除了作為通信的終端，還具備路由轉(zhuǎn)發(fā)的功能。其基本結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

多跳網(wǎng)絡(luò)相比單跳無線網(wǎng)絡(luò)具有明顯的優(yōu)勢，并可以使用 IEEE 802.11 DCF 無線鏈路對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化模型如圖3所示。等待狀態(tài)同一時刻共享信道且鄰近的無線鏈路中，只有一條鏈路能占用信道進(jìn)行傳輸，而其余所有競爭信道的鏈路只能進(jìn)入等待狀態(tài)，并從其競爭窗口中隨機(jī)選擇一個數(shù)值設(shè)置其二進(jìn)制退避計數(shù)器。

圖1　多聯(lián)合收獲機(jī)速度協(xié)同控制示意圖

圖2　多跳無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

圖3　IEEE 802.11 DCF 無線鏈路傳輸模型

2速度協(xié)同控制無線多跳局域網(wǎng)設(shè)計

為了實現(xiàn)聯(lián)合收獲機(jī)多機(jī)協(xié)同控制，需要首先控制一臺收獲機(jī)的速度，然后根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)多聯(lián)合收割機(jī)的互聯(lián)通信。單臺聯(lián)合收獲機(jī)速度控制的基本原理如圖4所示。

1.傳感器滑板　2.拉絲　3.調(diào)節(jié)手桿　4.分配閥

控制系統(tǒng)中應(yīng)用的即為機(jī)械式喂入量傳感器，傳感器通過采集信息，獲得轉(zhuǎn)速相關(guān)的脈沖信號，再通過如圖5所示的電路對信號進(jìn)行處理。

圖5　速度信號處理電路

圖5中，霍爾開關(guān)輸出的脈沖信號經(jīng)過放大后，被5V穩(wěn)壓管穩(wěn)壓，再經(jīng)74LS32整形后輸出；單片機(jī)從 T0 引腳接受脈沖信號后進(jìn)行計算，得出轉(zhuǎn)速，單片機(jī)通過如下流程發(fā)出速度控制指令，如圖6所示。

圖6　速度控制指令

為了滿足多臺聯(lián)合收割機(jī)的聯(lián)合控制，需要將速度控制指令傳輸給其它聯(lián)合收獲機(jī)，這就需要引入多跳無線局域網(wǎng)絡(luò)。多跳無線網(wǎng)絡(luò)沒有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施和中心控制的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，終端節(jié)點除了作為通信的終端，同時還具備路由轉(zhuǎn)發(fā)的功能，其時延特性的模型為

(1)

其中，St為最大退避階段，N為鏈路的期望傳輸次數(shù)，φ是退避時隙，通常為幾十微秒。函數(shù)E從無線鏈路的競爭窗口CWj中隨機(jī)地選擇第j次傳輸嘗試的退避計數(shù)值，CW0是鏈路的初始競爭窗口。在多速度協(xié)同控制時，需要盡量地規(guī)避時延區(qū)，基于此，本次研究引入了RTS/CTS訪問模式，其結(jié)構(gòu)原理如圖7所示。

DIFS: Distributed InterFrame Space　CW: Contention Window

各聯(lián)合收獲機(jī)的通信方式使用RTS/CTS訪問模式，該模式在發(fā)送節(jié)點與接收節(jié)點的DATA/ACK握手之前增加了一個RTS/CTS 握手過程；發(fā)送節(jié)點和接收節(jié)點通過RTS/CTS握手過程預(yù)約信道，同時通知其它共享信道的節(jié)點回避，實現(xiàn)了聯(lián)合協(xié)同控制。

3速度協(xié)同控制無線多跳網(wǎng)絡(luò)測試

為了驗證本文設(shè)計的聯(lián)合收獲機(jī)速度協(xié)同控制無線多跳網(wǎng)絡(luò)的有效性，本研究對多速度協(xié)同控制速度進(jìn)行了測試，并對其優(yōu)化路徑進(jìn)行了模擬，最后對其生產(chǎn)效率進(jìn)行測試。

圖8為聯(lián)合收獲機(jī)協(xié)同作業(yè)的示意圖。使用速度協(xié)同控制后，根據(jù)地形和地質(zhì)條件，結(jié)合收獲機(jī)喂入量和籽粒的損失率，可以對速度和路徑進(jìn)行優(yōu)化，選取其中3臺做速度隨時間變化曲線，得到了如圖9所示的結(jié)果。

圖8　多收獲機(jī)聯(lián)合作業(yè)示意圖

圖9　收獲機(jī)速度協(xié)同控制

由圖9可以看出：隨機(jī)選取的3臺收獲機(jī)速度隨時間的變化曲線基本一致，實現(xiàn)了多機(jī)的聯(lián)合控制，其協(xié)同路徑如圖10所示。

圖10　路徑優(yōu)化示意圖

由圖10可以看出：在多跳局域網(wǎng)絡(luò)的控制下，收獲機(jī)的路徑由單任務(wù)轉(zhuǎn)換為并行任務(wù)模式，實現(xiàn)了聯(lián)合協(xié)同控制。

表1和表2分別表示在速度協(xié)同控制和非協(xié)同控制下機(jī)械效率和生產(chǎn)效果對比。由表1、表2可以看出：使用多聯(lián)合收獲機(jī)速度協(xié)同控制后，大大提高了機(jī)械作業(yè)的生產(chǎn)效率，縮短了作業(yè)時間。

表1　聯(lián)合收獲機(jī)協(xié)同控制機(jī)械效率

表2　聯(lián)合收獲機(jī)協(xié)同控制籽粒損失對比

為了驗證聯(lián)合收獲機(jī)速度協(xié)同控制對籽粒損失的程度，對比了使用和不使用速度協(xié)同控制下的籽粒損失率。由對比結(jié)果可以看出：使用速度協(xié)同控制可以有效地降低籽粒的損失率，提高作業(yè)精度。

4結(jié)論

1)為了提高大面積農(nóng)作物收割的機(jī)械效率、降低作物聯(lián)合收獲過程中籽粒的損失，提出了一種新的多聯(lián)合收割機(jī)協(xié)同控制方法。該方法采用無線多跳網(wǎng)絡(luò)對速度指令進(jìn)行傳輸，完成多收獲機(jī)的同步操控。

2)為了驗證多聯(lián)合收獲機(jī)協(xié)同控制的有效性和可靠性，對多跳網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同控制進(jìn)行了測試，得到了使用和不使用協(xié)同控制工況下聯(lián)合收割機(jī)速度控制、機(jī)械效率和籽粒損失的對比結(jié)果。由測試結(jié)果可以看出：使用多聯(lián)合收獲機(jī)協(xié)同控制方法可以大大提高機(jī)械作業(yè)效率，降低籽粒的損失。

3)該方法在現(xiàn)代化大面積農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中投放使用，可以有效地提高作物的收獲速度和精度，且該技術(shù)在耕地、施肥、播種和灌溉技術(shù)中也可以推廣使用，具有很好的適應(yīng)性。

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Speed Coordination Control of Multi Joint Harvest Machine Based on Multi Hop Wireless LAN

Yu Liangjun1,2,Xi Donghe3,Wang Xiaozhi4

(1.Wuhan University of Engineering Science,Wuhan 430200, China; 2.Faculty of Mechanical & Electronic Information, China University of Geosciences,Wuhan 430074, China; 3.Henan Polytechnic Institute, Nanyang 473000, China; 4.School of Logistics Engineering, Wuhan University of Technology,Wuhan 430063, China)

Abstract：Along with the development of modern agricultural science and technology progress,the application in mechanical automation production process appears in large collaboration areas. In order to improve the production efficiency in the operation of combine harvester device, it presents a multi aircraft cooperative control of multi hop wireless local area network,realizes the multi machine cooperative control of work in large areas.It uses wireless multi hop networks based on jointed multi machine operation speed to control topographic and geological conditions. According to the threshing roller speed and the grain loss rate, it optimizes the speed of coordination. In order to verify the validity of multi speed coordination control based on the multi hop wireless LAN design.it tests the loss optimization effect and the grain velocity on combine harvester rate by using multi combined harvester forward speed coordination control.The mechanical efficiency and the grain loss rate have been significantly improved, which verified the reliability of the speed control method of collaborative. The result provides a new kind of multi hop wireless network optimization method for the study of automation communication technology in the large area crop harvesting machinery.

Key words：collaborative control; multi hop network; threshing cylinder; grain loss; mechanical efficiency

文章編號：1003-188X(2016)03-0222-05

中圖分類號：S225;TN925.93

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

作者簡介：余良俊(1984-)，女，武漢人，講師，博士研究生。通訊作者：汪小志(1981-)，女，武漢人，講師，博士研究生，(E-mail)wangxiaozhi@ncu.edu.cn。

基金項目：湖北省自然科學(xué)基金項目(2014CFC1079);湖北省自然科學(xué)基金計劃面上項目(2013CFB418)

收稿日期：2015-02-14