智能化水稻追肥機械的研制

袁正華

（上海世達爾現代農機有限公司，上海 200245）

0 引言

智能化水稻追肥機械實現自主駕駛的前提是機械機構能夠在控制器信號的驅動下完成相應的動作。智能化水稻追肥機械通過自動控制、GPS或北斗系統導航、自主變量應用等技術，實現智能駕駛、自動電器控制、遠程遙控檢測的功能。

1 主要功能部件的研制

1.1 自動轉向控制系統

智能農機自動轉向控制有兩種實現方式：液壓助力轉向和電動控制轉向。液壓助力轉向系統通過一套液壓助力機構，通常有兩種形式：一類是通過液壓缸助力來驅動轉向連桿機構轉動從而實現轉向。對這類系統的自動化改造可以通過并聯一個電磁換向閥來完成。控制器通過電信號驅動電磁換向閥換向，液壓缸開始運動并驅動連桿機構，這種改造方式具有響應快、驅動力矩大的特點，但是要求液壓系統提供電磁換向閥的接口。另一類是通過扭矩發生器來增大轉向力矩，這類系統相當于第一類中液壓系統的換向閥和液壓缸集成到了一個扭矩發生器中，且這個集成的系統只提供一個進油口和一個出油口，無法通過并聯電磁換向閥來實現轉向系統的自動化改造。

本產品的轉向助力系統采取電動控制轉向，通過電機驅動方向盤實現，本機選用了上海聯適導航公司的EMS1產品，產品的特點是使用驅控一體化空心電機，扭矩大，無需改裝液壓助力轉向系統，可以實現手動轉向與自動轉向的無縫切換。

1.2 油門自動控制系統

油門在農機行駛過程中是速度調節的關鍵，油門機構自動化必須考慮以下四個因素：a.最大推力和拉力不小于90N；b.蓄電池供電電壓為12V；c.具有位置反饋；d.手動油門和自動油門無沖突。

本產品的油門操作手柄使用電動推桿直接連接柴油機上的油門調節旋轉軸，控制油門開度，實現油門調節，替代傳統的有級調速模式。電動推桿采用上海達鐵機電科技有限公司的IMD3-12-10-A50-IP65-P型，額定電壓12 V，最大行程50 mm，最大負載為240 N，空載速度為30 mm/s，滿載速度為24 mm/s，帶位置反饋。

油門控制系統的對象是電動推桿，油門控制系統主要有下位機和控制手柄組成，下位機中帶有直流電機驅動集成芯片RZ7889，對電機進行驅動并且控制其伸出和收回，電動推桿的位置反饋信號由下位機主芯片STM32F103RCT6自帶的AD功能進行采集，自身形成閉環控制。下位機一方面通過CAN總線接收上位機的速度油門控制指令控制推桿，一方面通過CAN總線接收手柄的信號來控制電動推桿，實現了手動駕駛和自動駕駛的切換。

本產品下位機控制推桿伸出和收回，使用SMCFTCAN-1N-24型工業霍爾操縱桿，替代了傳統的油門操作手柄，支持CAN2.0協議，操作角度為±34°。

1.3 自動駕駛控制系統

1.3.1 北斗導航及定位系統。北斗高精度差分定位系統采用上海聯適導航公司北斗導航的AF300系統，由基站，移動站組成。基站包括R30接收機，一個定位天線和電臺通信模塊組成。安裝在空曠地面上，接收北斗，GPS衛星數據，移動站包括R60接收機，兩個定位天線和一個電臺通信模塊，通過電臺接收來自基站的參考坐標信號，通過差分算法，計算得出基站定位天線的實時坐標位置，雙天線的引入能夠彌補單天線在低速狀態下的航向角定位誤差。移動站安裝在本追肥機械上，雙天線包括一個主天線和一個輔助定位天線，其中主天線位置為獲取點的實時位置，航向角信息為從主天線指向輔助天線與正北方向的夾角。

1.3.2 自動駕駛車輪轉角檢測系統。在自動駕駛控制中需要通過對前輪角度的控制實現預定軌跡的跟蹤，因此需要車輪轉角的實時監測。車體轉向通過前輪實現，但前輪轉角不易直接測量，因此設計了前輪轉角檢測方案。通過平行四邊形連桿機構進行前輪轉角的間接測量。車輪角度檢測采用北京天海科科技發展有限公司的DWQTRS485-G角度傳感器，測量范圍0～360°連續測量，分辨率0.022°，線性度0.1%～0.5%。RS485數字輸出。

1.3.3 車身姿態檢測系統。在自動駕駛的過程中，車身本身的姿態傾角會對自動駕駛直線跟蹤的精度產生影響，為了對車身姿態進行動態補償，需要選用傳感器來測量車身的各個方向的傾角。本產品選用的車身姿態傳感器是北微傳感公司的BW-VG525超高精度CAN動態傾角傳感器，BW-VG525采用高質量和可靠性的MEMS加速度計和陀螺儀，并通過算法保證測量精度，同時密封設計以及嚴格工藝保證產品在惡劣的環境下仍能精密地測量載體的橫滾角及俯仰角姿態參數。通過非線性補償、正交補償、溫度補償和漂移補償等多種補償，可以大大消除干擾產生的誤差，提高產品精度水平，通過CAN總線方式輸出信號。

1.3.4 上位機。上位機選用的是微嵌公司的微嵌Linux 7英寸工業平板電腦，配備Cortex A9單核1GHz處理器，內存512MB DDR3，由4路232串口，其中兩路可以復用為485串口，由兩路CAN總線，使用12～24 V寬電壓供電，上位機主要是負責人機交互和自動駕駛相關運算，通過串口連接北斗導航定位系統，讀取當前位置和速度信息。通過串口控制電動方向盤。通過CAN總線讀取前輪轉角信息和車身姿態信息。通過CAN總線與下位機通信，控制油門和速度，以及自主變量作業。

1.3.5 下位機。下位機的控制器，主芯片使用STM32F103RCT6，通過編程實現CAN功能，與上位機進行通信。自帶AD采集功能，實現采集點推桿的位置反饋信號。通過RZ7889芯片驅動控制電推桿，通過VNLD5160-E芯片控制多路開關閥，實現噴桿自動伸展收縮和提升下降。預留出多個GPIO接口，實現變量噴液。

1.4 噴桿升降系統

噴桿噴霧機的噴桿是可收縮的，要實現完全的自主作業需要自動控制噴桿的伸展收縮和提升下降等功能。本產品通過下位機的VNLD5160-E芯片來對其進行控制。

1.5 變量噴施系統

為了實現液體肥料的變量噴液功能，本產品選用了意大利生產的ATOS電磁流量控制閥DHQ-013/C/1-I 21，通過下位機實現其流量控制。

1.6 遙控監測系統

遙控系統由安卓系統平板、JY-MCU RS232電平藍牙無線串口透傳模塊、億佰特433 m全雙工無線數傳電臺DTU模塊三部分組成。

安卓系統通過JY-MCU RS232電平藍牙無線串口透傳模塊連接億佰特433 m全雙工無線數傳電臺DTU模塊，無線數傳電臺的另一端連接上位機，實現了遙控監測功能。

1.7 障礙檢測系統

在自動駕駛的過程中，田間的人員、樹木、電線桿、井臺等都會對作業安全造成影響，需要選用傳感器來測量車輛作業路徑前方的障礙物，保證作業過程安全。

本產品選用的障礙檢測傳感器是納雷科技公司的SR73Fmm波雷達傳感器，SR73F是一款高性價比的短距V 波段毫米波雷達傳感器系統，監測距離40 m，精度0.2 m。SR73F傳感器的CAN通信網絡接口遵循ISO11898-2規范，通信速率250 Kb/s。

本產品可以實時監測車輛前方4 m×40 m范圍內的障礙物，距離障礙物1 m時停車并且停止機具作業，障礙物消失后自動啟動前進并且繼續作業。

2 產品技術規格和性能參數

經過兩年研制，完成智能液體肥噴施肥機樣機，并按照項目測試大綱要求進行技術性能檢測鑒定。

2.1 產品主要技術規格

1）名稱：智能液體肥噴施肥機；

2）肥箱容量：500 L；

3）噴灑寬幅：5.7 m；

4）配套動力：17.65 kW；

5）配套泵型式：活塞泵；

6）配套泵流量：62 L/min；

7）軸距：1800 mm；

8）輪距：1620 mm。

2.2 主要性能參數（見表1）

表1 主要性能參數

3 結語

通過以上數據和檢測結果，可以推斷得到：水稻追肥機械的試驗檢測結果，滿足項目考核指標。

1）追肥機械的總排肥量穩定性變異系數為1.4%，達到性能參數≤6%的要求。

2）作業時追肥量實測0.31 kg/hm2，滿足0.13～0.4 kg/hm2性能參數要求范圍。

3）追肥機械的作業效率為0.86 hm2/h，大于0.4 hm2/h，符合項目性能參數要求。