無人駕駛噴霧機電控系統設計與試驗

陳黎卿 許澤鎮 解彬彬 劉 路 許 鳴 鄭 泉

(1.安徽農業大學工學院， 合肥 230036； 2.安徽農業大學安徽省智能農機裝備工程實驗室， 合肥 230036； 3.江蘇大學現代農業裝備與技術教育部重點實驗室， 鎮江 212013)

0 引言

近年來，國內外眾多學者針對植保機械的變量噴霧[1-4]、控制系統[5-7]、對靶噴霧[8-11]以及霧滴漂移特性[12-14]等開展研究,取得了許多研究成果，同時航空植保機械[15-16]也得到了迅速發展。從現有研究成果分析得知，大型噴霧機在田間行走時易造成苗帶損傷，且成本高，不適宜于小型田塊。航空植保機具屬于新型機械，在作業的精準性、續航時間等方面依然存在需要解決的問題[17]。近年，黃淮海兩熟制地區實行秸稈全量還田，使得田間秸稈覆蓋量較大，作物中后期病蟲害防治任務加重，急需研制一種性能可靠的無人駕駛噴霧機控制系統。

針對上述問題，以玉米植保作業為研究對象，結合農藝特點和黃淮海地區田塊特點，設計一種以300 m以上遠距離遙控作業、良好的爬坡能力、續航時間長、通信可靠性良好等為目標的無人駕駛噴霧機控制系統。

1 無人駕駛噴霧機結構與原理

1.1 整機結構

無人駕駛噴霧機的結構如圖1所示，主要由底盤總成、噴霧工作總成、導航控制和遙控總成等4部分組成。主要結構參數如表1所示。

圖1 無人駕駛噴霧機結構簡圖Fig.1 Structure diagram of unmanned drive sprayer1.噴管支架 2.輪轂電機 3.轉向機構 4.減振彈簧 5.步進電機 6.鋰電池組 7.車架 8.藥箱 9.藥液電磁閥

參數數值/形式參數數值/形式整機型式輪式軸距/mm670整機質量/kg80輪距/mm450長×寬×高/(mm×mm×mm)1300×400×700質心高度/mm驅動方式450四輪驅動作業速度/(m·s-1)0.1～10

1.2 工作原理

遠程遙控噴霧機電控系統工作原理框圖如圖2所示，主要分為動力系統、轉向系統、網絡通訊系統、噴霧系統及控制箱5個模塊。操作人員在田邊操作控制箱按鍵，通過微處理器的解析實現控制命令的發送，實現噴霧機的行走、轉向及噴霧等功能。

圖2 無人駕駛噴霧機控制系統框圖Fig.2 Control system diagram of unmanned self-propelled sprayer

無人駕駛噴霧機作業時，安裝在整機最前端的高清攝像頭反饋噴霧機實時狀態至控制箱，作業人員根據控制箱上12864液晶顯示器顯示的實時圖像操作按鍵。控制箱是上位機電路板電路與單片機的集成封裝，集成電路發出指令控制噴霧機的行走和噴霧，單片機接收視頻信號。噴霧機的驅動力由輪轂電機提供，由無刷直流電機驅動器調節PWM進行控制；整機轉向由步進電機驅動器控制，步進電機與轉向機構通過齒輪齒條進行傳動，實現精準轉向；繼電器控制噴霧機連接口的點火及閉合，實現智能點火和調節藥量功能。 無人駕駛噴霧機所有命令均通過無線傳輸，由作業人員通過控制箱按鍵遠程控制噴霧機田間作業。

2 噴霧機關鍵部件設計

2.1 動力系統設計

輪轂電機具有轉向輕便、傳動效率高、節能環保等優點。本設計采用功率0.5 kW、額定扭矩45 N·m的輪轂電機作為整機的驅動部件；利用ZM-6615型高性能無刷直流電機驅動器控制輪轂電機，提供驅動力，其驅動結構示意圖如圖3所示。通過控制4個獨立的驅動器，由微處理器STM32F103ZGT6的定時器提供2路PWM信號，控制對應驅動輪。通過IO接口提供其方向控制信號，實現噴霧機的前進和后退功能的有效切換。由于耕地土質較為松軟，在噴霧機行駛過程中，輪胎容易出現下陷、懸空等情況，為了避免驅動力不足，該設計采用4個輪轂電機共同驅動來提供行進動力。

圖3 四輪輪轂電機驅動結構示意圖Fig.3 Schematic of four wheel drive

2.2 轉向系統設計

噴霧機采用四桿轉向機構，符合阿克曼轉向原理[18-19]，由步進電機控制四桿機構來實現，轉向系統如圖4所示。

圖4 轉向系統Fig.4 Schematics of steering system1.橫拉桿 2.轉向節 3.步進電機 4.齒輪齒條

步進電機轉動時，輸出軸上的齒輪使齒條向左或向右移動，使左右兩邊的桿系產生不同的運動，從而使左右車輪分別獲得一個轉角。設齒條向右移過某一行程S，通過右橫拉桿推動右梯形臂，使之轉過α。齒條行程S與外輪轉角α的關系為

(1)

式中l2——橫拉桿長度l1——梯形臂長度

h——齒條中心線到梯形底邊的安裝距離

γ——梯形底角(滿載)

M——齒條兩端中心距

K——左右兩主銷軸線延長線與地面交點間距離

本文采用的步進電機為86系列兩相大力矩混合式步進電機，單軸輸出，步距角1.8°，步距角精度 5%。步進電機驅動器將微控制器發出的固有頻率放大，通過控制脈沖頻率精確調速[20]。齒條依靠步進電機驅動，其行程可表示為

(2)

式中f——脈沖頻率，Hz

r——步進電機齒輪分度圓半徑

θ——步距角， (°)

m——步進電機細分數(整步為1，半步為2)

由圖4a可得噴霧機轉彎半徑公式

(3)

式中L——轉向軸到轉向中心線的距離

由圖4b可得前外輪轉角公式

α=φ+ψ-γ

(4)

式中φ——主銷中心線與偏轉軸線的夾角，(°)

ψ——梯形臂與偏轉軸線的夾角，(°)

消去中間變量α，細分數m=1，步距角θ=1.8°，得到轉彎半徑R的關系式

(5)

其中

3 噴霧機控制系統設計

3.1 網絡通訊系統設計

網絡通訊系統主要以W5500以太網芯片為核心，構建局域網，并通過無線路由器與網橋實現信號的無線傳輸。計算機(遙控)界面控制端通過鍵盤模塊發送指令，微處理器STM32F103ZGT6解析指令之后，通過SPI接口將數據傳輸至W5500網絡模塊寫數據緩存端，通過路由器與網橋將數據傳至其讀數據緩存端，再通過SPI接口將數據傳送至驅動端的微處理器中，讀取數據后控制相應模塊，從而實現噴霧機的遠程遙控功能。本文采用的網橋為奧維通BreezeNET DS.11無線網橋，該網橋低成本布線，簡單安裝，數據速率高達11 Mb/s，在惡劣環境及天氣條件下其覆蓋范圍最高可達50 km，適用于農業領域無線傳輸。網絡通訊系統工作示意圖如圖5所示。

圖5 網絡通訊系統工作示意圖Fig.5 Schematic of network communication system

圖6 電控系統電路及實物圖Fig.6 Electrical control system circuit and physical drawing1.備用繼電器 2.打藥繼電器 3.備用信號輸出 4.W5500模塊 5.以太網口 6.STM32 7.行走控制器 8.電源模塊 9.監控箱 10.網橋 11.執行箱 12.攝像頭

3.2 控制系統硬件設計

控制系統的控制電路及實物圖如圖6所示，主要包括電源模塊、繼電控制模塊、按鍵控制模塊、液晶顯示模塊、W5500網絡模塊、行走控制模塊等。圖6a為主從機網絡通訊模塊電路圖，圖6b為安裝在噴霧機上從機執行箱系統電路圖，將各模塊集成形成從機執行箱驅動端控制板(圖6c)、噴霧機主機控制箱(圖6d)，以實現無人駕駛噴霧機遠程控制功能。

3.3 控制系統軟件設計

選用Keil μVision5作為控制系統軟件開發環境，應用C語言進行編程。系統軟件采用模塊化設計思想，與硬件設計思想相互對應。系統軟件框架主要分為兩部分：上層程序和底層程序。軟件控制框圖如圖7所示，系統軟件流程圖如圖8所示。

4 性能試驗

4.1 試驗材料與設備

試驗材料有5 m長卷尺，量角器，150 cm丁字尺，采用自主設計的純電動四輪驅動底盤，以及主機控制箱、從機執行箱、奧維通無線網橋、無線攝像頭、48 V鋰電池，如圖9所示。

圖7 控制系統軟件框圖Fig.7 Software framework of control system

圖8 系統軟件流程圖Fig.8 Flow chart of system software

圖9 田間試驗Fig.9 Field test

4.2 試驗設計與結果分析

4.2.1試驗設計

為驗證無人駕駛噴霧機控制系統的可行性，于2018年7月16日在安徽省合肥市肥東縣某家庭農場玉米地，進行電控系統轉向性能試驗、電控系統直線偏移量試驗、電控系統爬坡能力試驗、大田內遙控距離試驗、通信可靠性試驗、電量耐用性試驗以及控制響應時間測試；以轉向角、轉彎半徑、直線偏移量、爬坡角度、最大遙控距離、最大工作時間內通信掉線次數、最大電量使用時間、控制響應時間等為評價指標。

4.2.2試驗結果分析

4.2.2.1電控系統轉向性能試驗

試驗時，無人駕駛噴霧機以2～4 km/h低速轉向，自轉一圈，獲得轉向內側車輪和外側車輪形成的內外側軌跡，如圖10所示，測得最大轉角與最小轉彎半徑。

圖10 駕駛噴霧機轉向試驗Fig.10 Turning experiment of self-propelled sprayer

經測量，最大轉角23°，最小轉彎半徑1.45 m，內外側軌跡呈圓形閉合，且內圓和外圓圓心基本重合。噴霧機轉向系統可靠，能有效完成田間轉向操作。

4.2.2.2電控系統直線偏移量試驗

無人駕駛噴霧機作業于玉米行間，行駛路線的偏移率是反映控制系統性能指標之一。具體試驗方法如下：噴霧機走在規定的路線上，以2～4 km/h低速勻速行駛50 m后測試偏移量，重復5次試驗并記錄數據，結果如表2所示。

表2 直線偏移量測試結果Tab.2 Linear offset test results m

由表2計算得單位距離平均偏移率4.84 cm/m，偏移率較小。實際田間操作時，該偏移可由遠程遙控噴霧機進行系統補償以實現噴霧機高效、可靠作業。

4.2.2.3電控系統爬坡能力試驗

機械田間通過性是一項重要考核指標，根據整機總體試驗要求，通過測試爬坡角度來反映整機爬坡能力，市場常見轎車爬坡角度一般在30°左右。試驗時根據實際經驗，爬坡角度設定范圍0°～30°，通過人工堆積25°、30° 2個斜坡進行測試，且垂直高度均為500 mm。試驗時噴霧機整車裝備質量超過70 kg，以最高速度10 km/h進行爬坡試驗，試驗現場如圖11所示。

圖11 無人駕駛噴霧機爬坡試驗Fig.11 Climbing tests of unmanned drive sprayer

試驗中，隨著坡度(爬坡角度)增加，無人駕駛噴霧機爬行速度降低，在25°和30°的斜坡爬坡速度較為穩定；在30°坡度時，由于重力作用，會偶爾發生翻車現象。綜上分析，無人駕駛噴霧機可以輕松爬越25°以下斜坡，其最大爬坡角度為25°左右，可以有效完成爬坡作業，具有較好的爬坡能力，滿足田間作業的一般工況。

4.2.2.4通信可靠性試驗

控制響應時間是控制系統穩定的關鍵，若控制響應時間過長，會影響到作業效果以及系統可靠性。該控制系統的傳輸信息主要是控制指令與視頻，因此需進行控制響應時間測試、最大工作時間內通信掉線次數測試和視頻傳輸測試。

大田內試驗時，在遙控距離為0～500 m時，利用NI-LabVIEW數據采集系統對車速調節控制、轉向調節控制以及藥液電磁閥控制響應時間進行測試，其中，藥液電磁閥的控制響應時間是指執行機構完成工作的總時間，車速調節控制響應時間和轉向調節控制響應時間是指觸發按鍵后到功能執行完成的總時間，重復5次試驗，記錄數據，如表3所示；在最大續航時間內，統計網絡通信掉線和視頻畫面卡頓次數，重復5次試驗，記錄數據，如表4所示。

表3 控制響應時間測試結果Tab.3 Control response time test results s

大田遙控距離為0～500 m時，車速調節控制、轉向調節控制以及藥液電磁閥控制響應時間均小于0.4 s；在最大續航工作時間內，網絡通信掉線次數小于等于1次、視頻畫面卡頓次數小于等于1次，通信可靠性良好。

4.2.2.5電量耐用性和大田內遙控距離測試

大田內試驗時，在蓄電量充足情況下，行駛速度2～10 km/h時，測得最大續航時間，重復5次試驗，記錄數據，如表5所示；試驗中在長280 m、寬160 m的一塊玉米地未出現失控現象，最大遙控距離可達500 m，延時情況如表6所示。

表4 視頻通訊卡頓次數測試結果Tab.4 Video communication test results

表5 電量耐用性測試結果Tab.5 Electrical durability test results h

表6 遙控延時測試結果Tab.6 Field remote control delay test results ms

5 結論

(1)以STM32F103ZGT6微處理器為控制核心，基于模塊化分別對噴霧機動力系統、網絡通訊系統、轉向系統和噴霧系統進行設計，實現遠距離遙控精確行走和智能噴霧。

(2)性能試驗表明：行駛速度為2～4 km/h時，低速轉向的外輪轉角小于等于23°，轉彎半徑大于等于1.45 m，轉彎路徑無偏移現象，轉向可靠；直線行駛50 m的平均偏移量為2.42 m，單位行駛距離平均偏移率4.84 cm/m，偏移率較小；行駛速度為10 km/h整備狀態下的噴霧爬坡角度不大于25°；在蓄電量充足情況下，行駛速度2～10 km/h時，最大續航時間不小于5.50 h，在最大續航工作時間內，網絡通信掉線次數小于等于1次，通信可靠性較好；遙控有效距離內車速調節控制、轉向調節控制以及藥液電磁閥控制響應時間均小于0.4 s。