基于雙激光源的水田作業機械導航定位系統電路設計

熊中剛等

摘要：為實現對水田作業機械導航定位系統提供準確的位置坐標、航向角、前輪轉角、行駛速度等重要信息參數，并完成相應的控制動作，設計了一套基于雙激光源的水田作業機械導航定位系統電路。該系統電路主要由激光發射電路、激光接收電路和中央處理單元組成。試驗結果表明，該導航定位系統效果較好，能滿足作業速度低于1.5 m/s的水田作業機械導航定位系統的要求。

關鍵詞：雙激光源；定位；導航；硬件電路；作業機械

中圖分類號：S233.71；TP212 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）03-0697-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.03.050

Circuit Design of Navigation and Localization System of Paddy Field Working

Machine based on Double Laser Source

XIONG Zhong-gang， LINGHU Jin-qing， WU Ting-qiang， ZOU Jiang

（College of Engineering and Technology， Zunyi Normal College， Zunyi 563002， Guizhou， China）

Abstract：In order to provide some important information including accurate position， heading angle， front wheel steering angle and speed and to complete the corresponding control action for the navigation and localization system of the paddy field working machine， the circuit of navigation and localization system of paddy field working machine based on double laser source was designed. The circuit of the system was composed of the laser transmitter， receiver， and the central processing unit. The field experiment showed that the navigation and localization system was better able to complete the requirements of field operations， when the speed of paddy field working machine was lower than 1.5 m/s.

Key words： double laser source； location； navigation； hardware circuit； working machine

農業是國民經濟的基礎，農業問題是全球可持續發展的基本問題，是國際社會始終關注的焦點，是全球性的永恒主題[1]。隨著信息技術、傳感器技術、控制技術、網絡技術等的發展，將農業生產帶入了自動化發展時代。水田作業機械的自動導航技術是實現水田作業機械自動化、智能化的基本要求，越來越受到人們的重視。國外農業工程應用領域的主流導航方式是GPS、機器視覺定位、慣性傳感器定位、多傳感器融合定位等[2-5]。水田作業機械自動導航技術的應用可以使農用機械保持精確的作業行距、作業方向及間距，降低人工勞動強度，提高經濟效益。

1 系統電路總體結構設計

水田作業機械導航定位系統電路主要由激光發射電路、激光接收電路和中央處理單元三大部分組成。系統設計運用三角定位法，采用兩個低價位的激光發射器作為激光發射源，同時利用步進電機控制激光發射器的旋轉，激光接收靶在主機的控制下接收兩束激光，并解算當前的坐標，接著經由基于PID快速修正的卡爾曼濾波算法，計算移動目標的速度和加速度，并實時記錄當前的角度值，最后通過2.4 G的無線數據傳輸模塊將當前的角度值、速度值及加速度值反饋給激光發射器，從而控制激光發射器以確定跟蹤激光接收靶標的跟蹤角速度，經過中央處理單元分析處理后，產生控制信號，通過機體控制執行單元實現對激光接收靶的跟蹤以及作業機械的動作控制，并能將相關變量信息反饋到中央處理單元，最終完成系統跟蹤導航定位的閉環設計。系統總體結構框圖如圖1所示。

2 激光發射器控制電路設計

系統雙激光源導航定位系統的激光發射源控制單元電路的整體結構圖如圖2所示。主要由兩個裝有635 nm激光發射器的基站和一個裝有激光接收器的移動站組成。兩個基站固定在工作地面上，發射激光到移動站，移動站是安裝在作業機械上的，隨作業機械移動。基站的CPU單元根據移動站傳來的運行信息預估作業機械的運行趨勢，以無線通訊形式發送激光偏轉角數據到移動站，實現基站水平回轉電機的轉動方向與速度的控制，使安裝在水平回轉平臺上的激光發射器實時追蹤作業機械上的激光接收器，從而實現了移動站上的激光接收器能可靠地接收到基站發送的激光信號。移動站由激光接收裝置構成。激光接收靶接收到激光信號后，基于CCD原理對信號進行卡爾曼濾波處理后傳遞給移動站控制器的CPU單元。

系統中央控制中心將當前步進角度、位置坐標、航向角、前輪轉角、行駛速度等參數，通過2.4 G無線數傳模塊完成數據的環形交換。同時根據運動目標狀態，通過相應的跟蹤控制算法實現對步進電機的旋轉控制，以及控制激光發射器發出38 kHz的紅外激光來完成激光接收靶的可靠識別。

激光發射部分的原理圖如圖3所示。該部分電路設計主要采用+12 V的電源供電，同時經過ZA3020開關電源芯片進行+5 V的電壓轉換，進而由REG1117-3.3將電路中電源降到3.3 V，然后采用有源濾波器降低電源對無線數傳的干擾，使系統的無線通信更加可靠。接著經由SPI模擬接口與2.4 G無線數傳模塊完成數據的發送和接收，最后系統經過單片機定時器產生的38 kHz載波信號調制激光，能夠使激光發射器在不同電壓下實現工作，體現了硬件設計的通用性。電路中通過兩個按鍵完成啟停動作，并采用PCA記錄步進電機脈沖個數，從而完成激光的發射與調制工作。

3 激光接收靶電路設計

系統激光接收靶的接收電路設計是整個系統的“眼睛”。為了使系統能夠在不確定的復雜環境下工作，首先需要較好的硬件電路設計，同時結合可靠的軟件設計，從而得到可靠的激光信號，達到整個系統穩定可靠的工作要求[6-9]。電路系統采用特殊定制的高抗干擾、高集成度635 nm激光接收管，并通過并入串出高速采集芯片74LS166實現接收管信號的高速采集，能夠有效實現接收靶的級聯，降低了對單片機I/O口的要求。該部分電路通過5 V的直流電壓供電，經過高速移位時鐘的驅動作用，同時根據激光接收靶上的接收管數量采集I/O口的激光接收管信息，并實時通過2.4 G無線模塊傳輸到單片機內。單片機根據接收管的狀態情況完成數據分析與處理，得到準確的激光著靶位置，通過并口直接傳輸給中央定位解算主控電路，從而減少串口傳輸所占用的延時，提高系統的響應性能。

試驗測試表明，采用74LS166方便信號電路中多接收管的接入，實現了電路的通用性以及高速響應性能，對于提高整個系統的性能有著重要的作用。接收靶電路設計如圖4所示。

4 海量數據存儲電路設計

系統運行時，由于需要的有效數據量比較大，故為方便定位邊界等大量定位數據的存儲，系統采用了單片機U盤讀寫模塊電路。模塊采用CH375單片機U盤讀寫芯片完成U盤到單片機的銜接，通過大容量RAM（32 k）完成大容量數據緩存和傳輸，減少設備數據讀寫總時間，延長U盤壽命。電路設計原理圖如圖5所示。

上述存儲電路設計中，采用5 V電壓工作，為了內部電源節點有效退耦，改善USB傳輸過程中的電磁干擾，故在V3引腳外接0.01 UF電容。直接將CH375的TXD引腳接地可使CH375實行并口方式工作，設計中在RSTI引腳與VCC之間跨接了一個0.47 UF的電容，是為了在電源上電時，系統電路能夠完成可靠復位并且有效減少外部產生的干擾。在U盤插入過程中，為了避免CMOS電路CH375出現大電流閂鎖效應而損壞芯片，故在USB插座的電源上并聯了儲能電容C31緩解瞬時壓降。

5 中央主控電路設計

系統設計中的中央主控電路的主要完成工作包括隨動步進電機的控制、人機界面交換、無線數據收發、激光接收靶信息接收與處理、定位數據的輸出以及執行命令的下發工作等。該部分主要的電路設計圖如圖6所示。

主控中心硬件電路的核心處理器采用的是STC12C5A32S2單片機[10]，其主要任務是對接收到的信號作出及時準確的分析處理，并與傳感器反饋回來的信號進行比較，作出相對應的響應動作，控制作業機械各個執行機構的動作，使其能按相應控制指令完成工作，最終達到導航跟蹤定位的要求。

主控電路采用ZA3020開關電源芯片作為DC-DC降壓轉換，實現了大電流、高效率供電，滿足眾多外設對電源的要求，并通過REG1117-3.3為2.4 G無線數據傳輸模塊提供3.3 V電源。電路設計中采用的微型處理器擁有三個通信串口，通過MAX232芯片實現與PC端的通信與程序下載，并可以與海量存儲設備直接連接，實現定位數據的存儲。同時電路中設計了步進電機驅動器的接口及激光接收靶的接口，能夠實現步進電機的控制與激光接收靶的數據接收。通過四個按鍵，實現系統的啟動與停止，并可以手動控制隨動步進電機的初始角度。為獲得良好的系統硬件兼容性，預留一個串口用于系統硬件的擴展。

6 電路抗干擾優化設計

電路設計中，為提高電路可靠性，有效完成工作任務，通常必須考慮電路的抗干擾能力。在電路抗干擾優化設計中，主要考慮的是單片機與無線數傳信號之間可能產生的干擾，以及電路板本身設計上可能存在的一些干擾因素。

進行電路板的原理圖設計時，通常在電源和地之間連接去耦電容，通過電容濾波消除干擾；同時在PCB板制作時也會盡量使地線達到最寬，電源線次寬，信號線最窄，采用敷銅、淚滴以及過孔等方式，保證線路的可靠連接。

7 小結

設計了水田作業機械導航定位系統激光發射器控制電路、激光接收靶電路、海量數據存儲電路、中央主控電路等單元電路，為后期進一步的研究奠定了硬件基礎。試驗研究表明，在無突發性抖動時，激光接收管對應檢測偏差小于四個激光接收管，即掃描變化弧長小于±3 cm，滿足系統定位需要；在出現突發性抖動時，系統仍然可以使激光在短時間內鎖定到激光接收靶中心位置。該定位系統的控制精度較高，控制性能良好，能滿足作業速度低于1.5 m/s水田作業機械導航定位系統的要求。

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