張萃珍,王 娟

(江西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院,南昌 330013)

0 引言

拖拉機(jī)是農(nóng)業(yè)種植生產(chǎn)機(jī)械的主要動力源,可掛載不同的農(nóng)機(jī)具實(shí)現(xiàn)耕種和收獲等多種生產(chǎn)過程,在精準(zhǔn)化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中具有重要作用[1]。拖拉機(jī)要面對多種復(fù)雜的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境,且農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備操作人員技能水平差異性較大,這些因素均會對拖拉機(jī)的使用工況造成影響[2]。拖拉機(jī)自動駕駛技術(shù)能夠有效提升作業(yè)過程中的精準(zhǔn)度,降低生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的漏作業(yè)和重復(fù)作業(yè)現(xiàn)象,改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的機(jī)械化耕作效率,且能夠?qū)⒉僮髡哌M(jìn)行解放出來,從而提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的自動化程度[3-5]。拖拉機(jī)導(dǎo)航控制模塊較多,導(dǎo)航控制終端作為拖拉機(jī)導(dǎo)航控制的中樞系統(tǒng),是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)拖拉機(jī)自動駕駛的關(guān)鍵技術(shù)[6]。為此,基于導(dǎo)航控制終端,將拖拉機(jī)導(dǎo)航模塊數(shù)據(jù)進(jìn)行集中處理與分析,以改善農(nóng)業(yè)拖拉機(jī)的使用效率。

1 拖拉機(jī)導(dǎo)航控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

拖拉機(jī)導(dǎo)航控制系統(tǒng)模塊包含轉(zhuǎn)向控制、提升以及導(dǎo)航終端3個不同的功能模塊。其中,轉(zhuǎn)向控制模塊主要用于對導(dǎo)航過程中的GPS定位和前輪轉(zhuǎn)向角度等數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集分析,導(dǎo)航算法能夠根據(jù)轉(zhuǎn)向控制模塊數(shù)據(jù)進(jìn)行路徑信息的分析計(jì)算,同時生成下一時刻的目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)信息,采用脈沖控制的方式驅(qū)動步進(jìn)電機(jī),從而帶動導(dǎo)航控制模塊中的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)進(jìn)行動作。轉(zhuǎn)向控制模塊主要包含轉(zhuǎn)向器和換向閥等執(zhí)行機(jī)構(gòu)[7]。導(dǎo)航控制終端是導(dǎo)航控制系統(tǒng)的中樞系統(tǒng),可用于對拖拉機(jī)作業(yè)過程中的人機(jī)交互和作業(yè)傳感數(shù)據(jù)采集分析、通信及存儲,更重要的是可用于進(jìn)行農(nóng)用拖拉機(jī)的作業(yè)路徑規(guī)劃[8]。圖1為農(nóng)用拖拉機(jī)導(dǎo)航控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

圖1 農(nóng)用拖拉機(jī)導(dǎo)航控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure block diagram of agricultural tractor navigation control system

導(dǎo)航控制終端采用CAN總線通信的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交互,獲取導(dǎo)航控制模塊當(dāng)中的位置信息數(shù)據(jù)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作數(shù)據(jù),同時能夠?qū)\(yùn)行過程中各種信息數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和保存,將各種狀態(tài)信息數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時顯示,根據(jù)位置信息數(shù)據(jù)進(jìn)行作業(yè)路徑規(guī)劃[9]。CAN總線要求具有實(shí)時數(shù)據(jù)交互功能,能夠在拖拉機(jī)運(yùn)行過程中進(jìn)行通信數(shù)據(jù)的有效傳輸,并將數(shù)據(jù)信息與圖形進(jìn)行有效處理,保證數(shù)據(jù)交互過程中的實(shí)時性;導(dǎo)航控制終端在作業(yè)過程中要求能夠有效抵抗外界環(huán)境的干擾,保證導(dǎo)航控制終端能夠在不同的環(huán)境條件下正常工作[10]。

2 拖拉機(jī)導(dǎo)航控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

拖拉機(jī)導(dǎo)航控制終端硬件電路主要包含最小工作系統(tǒng)、擴(kuò)展電路以及通信電路,如圖2所示。

圖2 導(dǎo)航控制系統(tǒng)終端硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Hardware structure diagram of navigation control system terminal

其中,最小工作系統(tǒng)包含電源、時鐘、復(fù)位以及微處理器等功能模塊,擴(kuò)展電路主要包含顯示、存儲以及人機(jī)交互等電路,通信接口電路包含CAN總線接口以及串口通信接口電路[11-12]。在此,主要進(jìn)行CAN通信接口電路、數(shù)據(jù)存儲電路以及人機(jī)交互電路設(shè)計(jì)。

拖拉機(jī)導(dǎo)航控制系統(tǒng)要求能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)點(diǎn)控制平衡,無主從關(guān)系,擺正導(dǎo)航控制終端和轉(zhuǎn)向控制器能夠進(jìn)行分布式控制[13]。因此,采用CAN總線通信的方式,保證各控制節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)有效傳輸。CAN總線主要包含控制器、收發(fā)器、MCU以及外圍控制功能電路,如圖3所示。

圖3 農(nóng)用拖拉機(jī)CAN總線硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Hardware structure diagram of agricultural tractor can bus

CAN通訊集成電路包含數(shù)據(jù)通信過程全部功能模塊,能夠?qū)ν侠瓩C(jī)作業(yè)過程中的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行濾波處理,在數(shù)據(jù)收發(fā)過程中包含收發(fā)緩沖和通訊接口邏輯判斷,能夠?qū)?shù)據(jù)信息流進(jìn)行處理,收發(fā)緩沖過程中主要用于對信息數(shù)據(jù)進(jìn)行臨時存儲。CAN通訊集成電路需要進(jìn)行功能電路擴(kuò)展,從而達(dá)到使用過程中的功能需求。拖拉機(jī)作業(yè)環(huán)境復(fù)雜,工作過程中易受到外界環(huán)境干擾,故CAN總線集成電路需包含收發(fā)隔離電路。本文選用CTM8251收發(fā)器,采用灌封工藝,適應(yīng)不同工作環(huán)境需求,保證農(nóng)用拖拉機(jī)作業(yè)過程中的通信有效性[14-15]。圖4為CAN收發(fā)器集成電路。

圖4 CAN收發(fā)器集成電路Fig.4 Can transceiver integrated circuit

3 拖拉機(jī)導(dǎo)航控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

拖拉機(jī)導(dǎo)航控制終端軟件要求能夠與控制器之間進(jìn)行有效數(shù)據(jù)傳輸,實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航控制終端與轉(zhuǎn)向控制模塊之間的數(shù)據(jù)接收與傳輸,同時能夠?qū)D(zhuǎn)向過程狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測,對過程數(shù)據(jù)進(jìn)行提取與分析和顯示;導(dǎo)航控制終端要求能夠?qū)⑾嚓P(guān)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行可靠保存,并根據(jù)作業(yè)需求進(jìn)行作業(yè)路徑規(guī)劃,將路徑規(guī)劃信息發(fā)送至控制器模塊[16]。圖5為農(nóng)用拖拉機(jī)導(dǎo)航控制系統(tǒng)功能框圖。

圖5 農(nóng)用拖拉機(jī)導(dǎo)航控制系統(tǒng)功能框圖Fig.5 Functional block diagram of agricultural tractor navigation control system

拖拉機(jī)導(dǎo)航控制系統(tǒng)CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸過程中,能夠?qū)⒉煌墓?jié)點(diǎn)信息進(jìn)行同時發(fā)送,其他節(jié)點(diǎn)可同時進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收,并保證節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)之間能夠有效進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收。為此,在設(shè)計(jì)實(shí)時數(shù)據(jù)交互軟件過程中,通過將拖拉機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)共享,保證了節(jié)點(diǎn)機(jī)構(gòu)之間的有效數(shù)據(jù)傳輸與共享。圖6為農(nóng)用拖拉機(jī)導(dǎo)航控制系統(tǒng)通訊節(jié)點(diǎn)分布圖。

圖6 導(dǎo)航控制系統(tǒng)通訊節(jié)點(diǎn)分布圖Fig.6 Distribution diagram of communication nodes of navigation control system

4 系統(tǒng)測試與試驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證拖拉機(jī)導(dǎo)航控制終端的控制響應(yīng)性能,采用試驗(yàn)驗(yàn)證的方式,利用導(dǎo)航控制終端與導(dǎo)航控制器進(jìn)行實(shí)時通信和拖拉機(jī)作業(yè)路徑規(guī)劃。拖拉機(jī)導(dǎo)航GPS和電子羅盤與轉(zhuǎn)向控制器之間通過串口連接,將轉(zhuǎn)型控制器與導(dǎo)航控制終端CAN通訊總線連接,運(yùn)行導(dǎo)航控制終端,控制農(nóng)用拖拉機(jī)從A點(diǎn)運(yùn)動至B點(diǎn),記錄農(nóng)用拖拉機(jī)運(yùn)行過程中的GPS實(shí)時數(shù)據(jù)。在路徑規(guī)劃過程中,為避免數(shù)據(jù)誤差,將100組實(shí)時記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行平均,對拖拉機(jī)的GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)化,生成A點(diǎn)至B點(diǎn)運(yùn)行過程的坐標(biāo)值。圖7為利用GPS轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)擬合出的運(yùn)行路徑。

圖7 農(nóng)用拖拉機(jī)運(yùn)行路徑對比曲線Fig.7 Comparison curve of running path of agricultural tractor

由圖7可以看出:拖拉機(jī)運(yùn)行過程中, 利用GPS獲取到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換所得坐標(biāo)值,X方向與理論路徑偏差值為1m,Y方向產(chǎn)生2m偏差,拖拉機(jī)實(shí)際運(yùn)行距離為99.02m,與理論規(guī)劃路徑總偏差值為0.98m,運(yùn)行距離誤差比例為0.98%,運(yùn)行方向偏差1.16°。

5 結(jié)論

拖拉機(jī)導(dǎo)航控制系統(tǒng)能夠有效保證農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程的精準(zhǔn)化作業(yè),不斷提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)種植效率,使粗放型農(nóng)業(yè)生產(chǎn)種植逐漸轉(zhuǎn)向精細(xì)化種植。