基于STM32 的旋耕機遠程控制系統執行部件設計

徐鵬 趙立軍 楊巖

摘 要： 隨著農業機械技術不斷發展，傳統農機出現諸多不足，如操作難度較高、操作舒適性較差等，遠程控制無人駕駛能有效解決以上諸多問題。以旋耕機為例，基于STM32，設計了其左右轉向執行機構、行走離合執行機構、換擋執行機構、副變速擋執行機構及刀軸傳動執行機構，實現對旋耕機的遠程控制。

關鍵詞：旋耕機；遠程控制；執行部件；STM32；拉線

中圖分類號：S126文獻標識碼：A文章編號：2095-1795（2023）12-0031-06

DOI：10.19998/j.cnki.2095-1795.2023.12.006

0 引言

隨著農機化的不斷發展，農業機械在農耕作業中得到較多的應用。我國在“十四五”規劃中明確指出，大力發展丘陵山區農業生產高效專用農機。旋耕機作為應用較多的農業機械，其主要作用是割除部分雜草、整平土地、減小一定的病蟲害和打破犁底層，以及恢復土壤的部分耕作結構、提高土壤的蓄水和防澇能力。但旋耕機以人工駕駛為主，極大地限制了作業場地及作業時間[1]。農民形象地描繪為“解放了牛，累死了人”，人工駕駛旋耕機會出現操作強度大、作業舒適性差、安全性低等問題，而無人駕駛技術能有效解決這些問題。自動駕駛技術主要在大田作業中使用，針對如旋耕機等的小型山區農業機械，自動駕駛技術成本過于高昂，技術使用難度也較高，自動駕駛仍然是可望而不可及[2-3]。

遙控駕駛是解決無人駕駛技術短板的有效方案，目前在電動農業機械遙控器方面大多以航模遙控系統為主，難以兼容控制電動農業機械，并且存在可靠性差、控制精度較低等問題[4-6]。針對以上問題，本研究以單片機STM32 為控制核心，設計旋耕機遠程控制執行系統部件的轉向執行機構、行走離合器執行器、換擋執行器、二次可變齒輪執行器和刀軸驅動執行器，通過以上執行機構對拉線的控制，實現對旋耕機的遠程控制，提高旋耕機遙控系統的可靠性及控制精度[7]。

目前，國內外針對遙控式農業機械展開了較多的研究。趙群喜等[8] 針對普通旋耕機進行改造，將液壓控制系統與避障執行系統結合，設計出適合果園的避障旋耕機，并且通過土槽試驗和田間試驗對樣機進行了優化，得到旋耕機最優參數組合，避障方式為接觸式仿形避障。林靜等[9] 針對現有果園整地由于樹干、樹冠、電線桿及其他桿型障礙物等的影響，機具作業時果樹株距間的區域無法正常進行作業，需要人工協作進行排除障礙和二次補耕作業，并且勞動強度大、工作效率低等問題，設計了一種適用于現代化果園種植模式的新型非接觸式避障旋耕機。張晉等[10] 針對國內旋耕機大多只能完成旋耕作業，工作部件無法更換，無法實現多能作業等問題，研制了一款具有中耕除草、雜草枝條粉碎及避障等功能的旋耕機，可在低矮的樹冠下、株間進行中耕除草等作業。西南農業大學李慶東團隊對履帶式旋耕機進行了大量研究，履帶式旋耕機適于水田和山地丘陵等地勢不平的區域，研究表明，單履帶式旋耕機底盤的動力性能較差，從而導致機動性能較差，工作時勞動強度較大。在此基礎上，該團隊改進了行走方式，并把先進的遙控技術與旋耕機相結合，使用遙控控制旋耕機工作，使得人機分離，降低了操作人員的勞動強度，還為未來智能化農機提供了新的研究方向。美國吉爾森公司生產的自走式微型旋耕機，能根據自身需要進行調節，主要應用于溫室大棚、果園、菜園等作業面積較小的區域。傳動方式主要是蝸輪蝸桿和鏈傳動，可根據自身需求進行選擇；旋耕刀拆卸方便，可裝配霧化器、施肥機械等[11]。

1 執行部件整體設計方案

1.1 整體結構

以富鑫4LZ-0.6-F 型聯合旋耕機為基礎，其轉向、換擋、離合、副變速和刀軸轉動等功能主要通過拉線實現，通過對旋耕機操控方式及農機結構進行分析，確定其整體設計方案。整體設計主要由控制普通拉線和控制換擋變速輸入軸兩個方面組成。

通過控制普通拉線的伸縮，從而達到遠程控制其原機械結構控制的功能，主要包括左右轉向執行機構、行走離合執行機構及刀軸轉動執行機構，共涉及4 根普通拉線，通過雙輸出軸步進電機進行動力輸出，較長輸出軸控制3 根，較短輸出軸控制余下1 根，依靠電磁鐵與拉線相連并通過電磁鐵與輸出盤的摩擦進行動力傳遞，從而實現拉線的拉長與回縮，采用電子鎖芯進行拉線運動，到達指定位置后固定完成拉線位置保持的功能，其結構圖1 所示。圖中3 條弧形軌道，用來控制拉線的運動軌跡，同時軌道也進行相應的計算，通過拉線的拉長長度進行計算，并與電機的旋轉圈數進行對應，保證控制精確。由于設計中所需拉線較多，整個設計結構兩側各放置3 個電機及對應的弧形軌道，電機采用雙頭電機，進一步降低設計成本。

通過控制換擋變速輸入軸的正反轉，達到遠程控制實現對應功能，主要包含換擋執行機構和副變速執行機構。換擋執行機構包含從倒擋進入Ⅱ擋、Ⅱ擋進入空擋、空擋進入Ⅰ擋3 個動作，為達到精確控制，采用以單輸出軸步進電機為動力輸出，以直齒錐齒輪嚙合進行傳動，通過減速電機控制萬向節的上下轉動，調節輸出盤與直齒錐齒輪的嚙合選擇，從而實現對兩個動作的精確控制，其整體結構如圖2 所示。圖2 中，上方的扇形齒輪主要負責旋耕機擋位變化，由于旋耕機3 個擋位的變化均由拉線的變化長度進行控制，拉線拉出越長，擋位變化越高，當輸出盤與之嚙合后，通過電機帶動圓盤的轉動，實現擋位變化。下方的扇形齒輪主要用于副變速快慢的控制，其控制原理與擋位控制類似，通過轉動來實現快慢變化。

1.2 電機選型

步進電機是將脈沖信號轉化為角位移或線位移，因其精度高及運行可靠被普遍用于數字控制系統中，特別適合要求響應速度快、控制精度高、運行穩定及輸出扭矩高的作業環境。根據實際測量得出相應的拉線數據，通過計算結果，對雙輸出軸步進電機進行選取，如表1 所示，測量工作長度、圓心角和工作半徑等數據。離合與轉向及刀軸轉動有所不同，在旋耕機工作過程中，離合拉線首先應將其拉到指定位置，不用較為精準地進行對應，只需要將其拉到指定位置即可，再進行旋耕機的其他操作，任何操作的前提是離合線進入指定位置。在設計過程中，經過測量得到，需要將離合拉線拉出40 mm 才能實現離合的相應功能，由于幾條拉線均由圓盤轉動來實現，所以經過計算得到離合拉線的圓盤半徑和轉動角度。左右轉向及刀軸轉動的拉線與離合拉線角度不同，在工作過程中，旋耕機的左右轉向及刀軸轉動是通過拉線進行控制，拉線越長，左轉、右轉及刀軸的轉動角度越大，在設計過程中，將拉線工作的極限長度與之工作對應的角度進行計算對應，便于電機的角度輸出，同時，通過計算得到這3 根拉線所需圓盤的工作半徑及轉動角度。由于4 根拉線均由一個電機控制，但是拉線工作長度不同，所以為了保證轉動角度一致，4 根拉線所對應的圓盤工作半徑不同。

2 零件建模及運動仿真

2.1 普通拉線控制結構

需要控制4 根拉線的運動，即4 個動作（機械的左右轉向、行走離合、刀軸轉動）。首先通過布尺和拉力秤，測得各個拉線拉伸所需的力及完成相應動作所拉伸的長度，再通過力選擇電磁鐵的類型，以及所需雙輸出軸電機的型號，根據雙輸出軸電機輸出軸徑和電磁鐵直徑，繪制各部分零件。通過數據得出，磁鐵控制拉線完成固定動作，所需轉過的角度93.6°。因此，將360°的工作圓盤均分為3 等分，分別在指定位置安裝左右轉向執行機構及行走離合執行機構（圖3），并對電磁鐵放置外殼進行設計。為保證電磁鐵在隨電機輸出盤轉動時不會發生自轉，從而導致拉線的相互纏繞，從拉線端引出特定固定裝置，用以保證拉線在固定的軌道上伸縮，該固定端同時也為拉線定位裝置提供了合適的安裝位置。

2.2 換擋拉線控制結構

兩根換擋拉線不同于其他的普通拉線，前者在伸長后不會回到拉伸前的位置，而是保持在運動后的位置，并且需要的運動控制精度相對較高，因此對其進行單獨設計，所包含的機構是換擋執行機構和副變速執行機構，換擋拉線測量數據如表2 所示。由于副變速和換擋拉線所需的控制結構與其余4 根拉線不同，在旋耕機運動過程中，副變速和擋位變化均可以控制旋耕機工作速度，副變速主要起輔助作用，所以將2根拉線設計在一起。在設計中對副變速和換擋拉線進行極限工作距離測量，再對圓盤的工作半徑進行設計。兩根拉線對應的圓盤由一個電機進行控制，換擋拉線與離合拉線類似，到達指定位置即可實現功能，副變速拉線與左右轉拉線類似，拉線拉出多少長度，速度再進行相應的變換，由于在旋耕機工作過程中，副變速和擋位的變化只需要其中的一個即可。在設計中，可以不用統一圓盤轉動角度，便于加工制作，將圓盤半徑設計為相同半徑80 mm。

副變速操作中僅包含從快速到慢速、再由慢速回到快速一個循環動作過程，因此只需控制相關部件進行單向一次性轉動。而換擋操作中包括從倒擋進入Ⅱ擋、Ⅱ擋進入空擋、空擋進入Ⅰ擋3 個動作，然后再循環從而達到換擋的功能，為了達到更為精確的控制，主要采用了以單輸出軸步進電機為核心部件，以直齒錐齒輪嚙合的方式進行傳動。為達到單個電機分別控制兩個動作的功能，在電機輸出軸與齒輪輸入處通過萬向節進行聯接，這樣即可通過控制萬向節的上下轉動，控制錐齒輪的嚙合情況，從而實現對該部分兩個動作的分別控制。換擋結構和副變速切換結構如圖4 和圖5 所示。

由圖4 可知，上方的扇形齒輪負責擋位的變化，通過電機帶動連桿進而帶動萬向節，與上方的圓盤嚙合，當電機旋轉的時候帶動萬向節轉動，由于與扇形齒輪進行嚙合，從而帶動扇形圓盤轉動，將拉線拉至指定的工作位置。由圖5 可知，萬向節由于連桿帶動向上轉動，與下方的齒輪嚙合，當電機帶動萬向節旋轉從而使扇形圓盤轉動帶動拉線工作。

2.3 運動仿真

針對換擋拉線的齒輪部分進行運動仿真，建立連桿和連接副，然后選擇小錐齒輪為驅動，進行參數設置，如圖6 和圖7 所示。

在大錐齒輪上任意位置新建標記點，用以測定其旋轉的位移、速度和角速度，最后再對方案進行求解，得到相關曲線圖，其位移、速度、加速度與時間之間變化關系如圖8～圖10 所示。

對結構進行運動仿真時，需要對其進行驅動建立，目的是模擬電機進行輸出，再輸入解決方案屬性，當仿真模擬開始后，得到位移、速度、加速度與時間的變化圖，來驗證設計結構運功仿真是否合理。由所得標記點曲線可知，在小錐齒輪做勻速運動時，大錐齒輪的速度、位移和加速度呈周期性變化，并且非常穩定。

3 結束語

農業機械自動化是我國農機發展的必然趨勢，旋耕機遠程控制系統執行部件在農業機械上應用，利用機械結構與單片機STM32 相結合，將傳統人工操作的農業機械改為電控操作，極大降低農機操作難度，不僅能實現多種農機的自動化操作，同時能增強旋耕機電控系統的可靠性及控制精度。

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