遙控水田旋耕機控制系統(tǒng)開發(fā)

周彥春，李紅陽，魏燦苗，熊永森

（1.金華市婺城區(qū)九峰職業(yè)學校，2.浙江四方集團公司，3.金華職業(yè)技術學院，浙江 金華 321000）

為實現(xiàn)水田作業(yè)機械的遙控操作，采用無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊和數(shù)據(jù)采集處理模塊，配合無線通訊協(xié)議，設計了一套基于DSPF2812控制芯片的水田作業(yè)機械無線遙控駕駛與耕作系統(tǒng)。通過野外作業(yè)實驗表明，該系統(tǒng)遙控無障礙距離達到1000m，無線數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，能滿足水田作業(yè)機械的遙控要求；同時耕作系統(tǒng)通過閉環(huán)控制可以實現(xiàn)對耕地深度的控制，滿足農(nóng)藝要求。

旋耕機控制系統(tǒng)主要有電源系統(tǒng)、控制主板、無線遙控器、耕深檢測模塊、檔位控制模塊、油門控制模塊、HST控制模塊和耕具控制模塊等。控制系統(tǒng)框圖見圖1。

圖1 系統(tǒng)框圖

1 電源系統(tǒng)

考慮到耕機工作時來自工作環(huán)境的干擾（發(fā)動機轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的干擾，拖拉機啟動電機的開啟和關閉瞬間的電源波動）會通過電源串入到系統(tǒng)中，從而不影響系統(tǒng)的正常工作，必須對電源模塊進行必要的抗干擾措施。在電源的輸入級加入電源濾波器，濾除來自電源的干擾。采用多個DC-DC隔離電源，分別對主控CPU部分、信號接收和控制信息采集部分、執(zhí)行機構的驅(qū)動部分進行供電。

2 控制主板

系統(tǒng)采用CPU核心板與母板直插的形式——DSP核心板插在母板上。如圖2所示，信號輸出和輸出采用光耦隔離，可以避免外部電磁干擾串入到主控單元中而影響DSP的正常工作。

為了滿足系統(tǒng)的控制要求，采用雙CPU工作模式。分別用于耕作控制和拖拉機行走控制。行走控制部分的控制信號來源于無線遙控模塊。通過DSP的捕獲單元，讀取遙控無線接收模塊傳出的PPM信號的脈寬。通過DSP調(diào)整，滿足拖拉機的換擋、變換油門、轉(zhuǎn)向、以及熄火等功能。對于耕作控制單元，通過耕作控制核心板來完成。此CPU主要負責耕具的提升和放下及耕深控制。耕具的提升與放下，通過DSP的捕獲單元捕獲無線遙控模塊接收器的PPM信號的寬度，決定耕具的上升和下降。對于耕深的控制是通過基于485接口的數(shù)字編碼器的回傳耕具托板上揚角度來實現(xiàn)PID控制。其中編碼器如圖3所示。

圖2 控制主板圖

圖3 編碼器

3 無線遙控模塊

無線遙控有兩部分組成，手持遙控器見圖4，本地信號接收模塊見圖5。

圖4 遙控器

圖5 信號接收模塊

接收到遙控器上對應的各個開關的位置狀態(tài)后，分別輸出對應狀態(tài)的PPM信號。這些PPM信號接入到主控制單元后，通過DSP的捕捉單元采集并通過計算得出對應的開關位置狀態(tài)，從而可以實現(xiàn)遙控器的操作控制。

DSP主控制單元和手持顯示控制模塊之間的通信主要通過Zigbee模塊進行，由5V隔離電源供電，Zigbee模塊通過RS232與DSP控制單元進行通信，DSP可向手持顯示模塊發(fā)送狀態(tài)、檔位、油門、轉(zhuǎn)速、溫度、耕具位置等信息，將這些信息顯示在液晶屏幕上，方便操作者實時了解耕機的具體情況和數(shù)據(jù)。接近開關有8個，主要包括5個檔位位置，3個耕具位置以及壓輪位置，電源為12V。當執(zhí)行機構接近相應位置上的開關時，由DSP控制單元檢測到相應開關狀態(tài)，并執(zhí)行對應的操作。

4 軟件系統(tǒng)概述及其主要模塊介紹

軟件使用C語言在CCStudio3.3環(huán)境下編寫并進行調(diào)試，程序主要包括2.4G無線通信模塊、耕深檢測模塊、檔位控制模塊、油門控制模塊、HST控制模塊以及耕具控制模塊，其中2.4G無線通信模塊包括無線主控監(jiān)視器和無線輔助遙控器。

無線主控監(jiān)視器有啟動和停止的開關按鈕，用于啟動和停止整個系統(tǒng)的運行，同時監(jiān)視器的屏幕上能實時顯示機組狀態(tài)，檔位，油門，轉(zhuǎn)速，溫度，耕具位置等信息。無線輔助遙控器通過遙控上的各個按鈕開關調(diào)節(jié)檔位、油門、HST、耕具位置等，使控制機組按操作者指令進行動作。軟件組織構架圖6。

圖6 軟件組織構架圖

4.1 主要模塊軟件流程介紹

系統(tǒng)總體軟件流程框圖如圖7所示，開機啟動后需檢測機組各開關位置狀態(tài)，確保機組處于安全狀態(tài)下方可啟動。

圖7 系統(tǒng)總體軟件流程

4.2 換擋子程序

耕機運動控制單元主要負責旋耕機的運動控制，主要包括換擋，HST，油門等操作控制耕機的前進和后退等。

換擋子程序的框圖如下所示，在換擋之前需先將油門和HST歸零，若操作人員按操作規(guī)則在換擋之前已將油門和HST歸零則歸零操作不執(zhí)行，以防操作時沒有將油門和HST歸零，則系統(tǒng)自動先確定油門和HST處于零位再執(zhí)行換擋的操作。換擋后，若檔位對應的接近開關沒有置位，則說明換擋不成功，這時先在一定范圍內(nèi)晃動HST位置以及檔位位置直至換擋到位。若不是空擋則恢復當前油門和HST的位置，空擋則不執(zhí)行操作，結束換擋操作。換擋程序流程，見圖8。

圖8 換擋程序流程

4.3 耕深PID控制子程序框圖

系統(tǒng)先讀取編碼器角度從而獲得耕深，經(jīng)PID控制器確保耕具的準確位置。關于PID的軟件控制流程，見圖9。

圖9 PID的軟件控制流程

5 整機展示與結語

智能遙控拖拉機系統(tǒng)組成如圖10智能拖拉機實物圖所示。控制柜、液壓閥及舵機、數(shù)字編碼器構成。

圖10 智能拖拉機實物圖

整體系統(tǒng)可以實現(xiàn)穩(wěn)定運行，包括前行，倒退，轉(zhuǎn)彎，以及對耕作深度的控制。可以實現(xiàn)拖拉機在車載無人駕駛的初步設計理念。滿足中國南方水田的工作要求。