余良俊，席東河，汪小志

(1.武漢工程科技學(xué)院，武漢　430200；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué) 機(jī)械與電子信息學(xué)院，武漢　430074；3.河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 南陽(yáng)　473000；4.武漢理工大學(xué) 物流工程學(xué)院，武漢　430063)

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基于多跳無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)的多聯(lián)合收獲機(jī)速度協(xié)同控制

余良俊1,2，席東河3，汪小志4

(1.武漢工程科技學(xué)院，武漢430200；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué) 機(jī)械與電子信息學(xué)院，武漢430074；3.河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 南陽(yáng)473000；4.武漢理工大學(xué) 物流工程學(xué)院，武漢430063)

摘要：隨著現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，大面積協(xié)同作業(yè)逐漸開(kāi)始應(yīng)用在機(jī)械自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中，為了提高聯(lián)合收獲機(jī)械裝置作業(yè)的生產(chǎn)效率，提出了一種多機(jī)協(xié)同控制的多跳無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了多機(jī)大面積協(xié)同化作業(yè)控制。利用無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)，基于地形和地質(zhì)條件，統(tǒng)一多機(jī)作業(yè)的速度，根據(jù)脫粒滾筒的轉(zhuǎn)速和籽粒的損失率，對(duì)協(xié)同速度進(jìn)行優(yōu)化。為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的多跳無(wú)線局域網(wǎng)多速度協(xié)同控制的有效性，對(duì)多聯(lián)合收割機(jī)的速度優(yōu)化效果和籽粒的損失率進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。由測(cè)試結(jié)果可以看出：采用多聯(lián)合收割機(jī)前進(jìn)速度協(xié)同控制后，其機(jī)械效率和籽粒的損失率都得到了明顯的改善，從而驗(yàn)證了速度協(xié)同控制方法的可靠性，為大面積農(nóng)作物收獲機(jī)械自動(dòng)化作業(yè)通信技術(shù)的研究提供了一種新的無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方法。

關(guān)鍵詞：協(xié)同控制；多跳網(wǎng)絡(luò)；脫粒滾筒；籽粒損失；機(jī)械效率

0引言

性能良好的聯(lián)合收獲機(jī)應(yīng)該在不超過(guò)額定喂入量和允許籽粒損失量的前提下，在一定的地形和地質(zhì)條件下具有最大的前進(jìn)速度。聯(lián)合收獲機(jī)前進(jìn)速度自動(dòng)控制的目的是保持均勻合理的喂入量，使脫粒滾筒和螺旋輸送器等主要工作部件的負(fù)荷穩(wěn)定。隨著大面積作物種植技術(shù)的推廣，單一的聯(lián)合收割已經(jīng)不能滿足大型機(jī)械化生產(chǎn)的需要，需要使用多臺(tái)機(jī)械聯(lián)合控制的方法，通過(guò)并行作業(yè)的方式，才能完成作物的聯(lián)合收割任務(wù)。

為了滿足多臺(tái)聯(lián)合收割機(jī)的聯(lián)合控制，首先要控制單臺(tái)收獲機(jī)獨(dú)立完成任務(wù)時(shí)的最優(yōu)速度和最佳路徑，然后將速度和路徑控制指令傳輸給其它聯(lián)合收獲機(jī)。但是，信息的傳遞需要通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信，在沒(méi)有基礎(chǔ)通信設(shè)施的情況下，在距離較遠(yuǎn)的兩臺(tái)聯(lián)合收割機(jī)直接可以使用多跳網(wǎng)絡(luò)通信。多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)不需要基礎(chǔ)設(shè)施、高度自治，因此其無(wú)法或不方便建立基礎(chǔ)設(shè)施及只需臨時(shí)性組網(wǎng)通信的應(yīng)用場(chǎng)景，并且多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)仍將以4G網(wǎng)絡(luò)不可或缺的組成部分而占據(jù)重要地位。多跳網(wǎng)絡(luò)通信改變了傳統(tǒng)依靠基站的通信方式，使多臺(tái)聯(lián)合收割機(jī)直接可以實(shí)現(xiàn)信息共享，便于協(xié)同控制，提高了機(jī)械控制的效率及大面積作業(yè)的機(jī)械化程度。

1多聯(lián)合收獲機(jī)速度協(xié)同控制原理

聯(lián)合收獲機(jī)速度的協(xié)同控制主要是基于多跳局域網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)合通信功能。喂入量是聯(lián)合收獲機(jī)械的重要設(shè)計(jì)參數(shù)和性能參數(shù)，在收割機(jī)速度自動(dòng)控制系統(tǒng)中，可以使用傳感器監(jiān)測(cè)滾筒的轉(zhuǎn)速來(lái)測(cè)量喂入量；而地形和地質(zhì)條件可以通過(guò)聯(lián)合收獲機(jī)的阻力負(fù)荷反饋調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)。聯(lián)合收獲機(jī)速度協(xié)同控制的基本框架設(shè)計(jì)如圖1所示。

工作時(shí)，首先通過(guò)傳感器采集地形地質(zhì)條件、收獲機(jī)滾筒轉(zhuǎn)速、前進(jìn)阻力的相關(guān)信息，然后將信號(hào)進(jìn)行處理，發(fā)出調(diào)速指令，利用無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)對(duì)多聯(lián)合收獲機(jī)協(xié)同控制。無(wú)基礎(chǔ)設(shè)施的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)沒(méi)有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施和中心控制的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，終端節(jié)點(diǎn)除了作為通信的終端，還具備路由轉(zhuǎn)發(fā)的功能。其基本結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

多跳網(wǎng)絡(luò)相比單跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)具有明顯的優(yōu)勢(shì)，并可以使用 IEEE 802.11 DCF 無(wú)線鏈路對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化模型如圖3所示。等待狀態(tài)同一時(shí)刻共享信道且鄰近的無(wú)線鏈路中，只有一條鏈路能占用信道進(jìn)行傳輸，而其余所有競(jìng)爭(zhēng)信道的鏈路只能進(jìn)入等待狀態(tài)，并從其競(jìng)爭(zhēng)窗口中隨機(jī)選擇一個(gè)數(shù)值設(shè)置其二進(jìn)制退避計(jì)數(shù)器。

圖1　多聯(lián)合收獲機(jī)速度協(xié)同控制示意圖

圖2　多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

圖3　IEEE 802.11 DCF 無(wú)線鏈路傳輸模型

2速度協(xié)同控制無(wú)線多跳局域網(wǎng)設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)聯(lián)合收獲機(jī)多機(jī)協(xié)同控制，需要首先控制一臺(tái)收獲機(jī)的速度，然后根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)多聯(lián)合收割機(jī)的互聯(lián)通信。單臺(tái)聯(lián)合收獲機(jī)速度控制的基本原理如圖4所示。

1.傳感器滑板　2.拉絲　3.調(diào)節(jié)手桿　4.分配閥

控制系統(tǒng)中應(yīng)用的即為機(jī)械式喂入量傳感器，傳感器通過(guò)采集信息，獲得轉(zhuǎn)速相關(guān)的脈沖信號(hào)，再通過(guò)如圖5所示的電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理。

圖5　速度信號(hào)處理電路

圖5中，霍爾開(kāi)關(guān)輸出的脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)放大后，被5V穩(wěn)壓管穩(wěn)壓，再經(jīng)74LS32整形后輸出；單片機(jī)從 T0 引腳接受脈沖信號(hào)后進(jìn)行計(jì)算，得出轉(zhuǎn)速，單片機(jī)通過(guò)如下流程發(fā)出速度控制指令，如圖6所示。

圖6　速度控制指令

為了滿足多臺(tái)聯(lián)合收割機(jī)的聯(lián)合控制，需要將速度控制指令傳輸給其它聯(lián)合收獲機(jī)，這就需要引入多跳無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)。多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)沒(méi)有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施和中心控制的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，終端節(jié)點(diǎn)除了作為通信的終端，同時(shí)還具備路由轉(zhuǎn)發(fā)的功能，其時(shí)延特性的模型為

(1)

其中，St為最大退避階段，N為鏈路的期望傳輸次數(shù)，φ是退避時(shí)隙，通常為幾十微秒。函數(shù)E從無(wú)線鏈路的競(jìng)爭(zhēng)窗口CWj中隨機(jī)地選擇第j次傳輸嘗試的退避計(jì)數(shù)值，CW0是鏈路的初始競(jìng)爭(zhēng)窗口。在多速度協(xié)同控制時(shí)，需要盡量地規(guī)避時(shí)延區(qū)，基于此，本次研究引入了RTS/CTS訪問(wèn)模式，其結(jié)構(gòu)原理如圖7所示。

DIFS: Distributed InterFrame Space　CW: Contention Window

各聯(lián)合收獲機(jī)的通信方式使用RTS/CTS訪問(wèn)模式，該模式在發(fā)送節(jié)點(diǎn)與接收節(jié)點(diǎn)的DATA/ACK握手之前增加了一個(gè)RTS/CTS 握手過(guò)程；發(fā)送節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)通過(guò)RTS/CTS握手過(guò)程預(yù)約信道，同時(shí)通知其它共享信道的節(jié)點(diǎn)回避，實(shí)現(xiàn)了聯(lián)合協(xié)同控制。

3速度協(xié)同控制無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)測(cè)試

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的聯(lián)合收獲機(jī)速度協(xié)同控制無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)的有效性，本研究對(duì)多速度協(xié)同控制速度進(jìn)行了測(cè)試，并對(duì)其優(yōu)化路徑進(jìn)行了模擬，最后對(duì)其生產(chǎn)效率進(jìn)行測(cè)試。

圖8為聯(lián)合收獲機(jī)協(xié)同作業(yè)的示意圖。使用速度協(xié)同控制后，根據(jù)地形和地質(zhì)條件，結(jié)合收獲機(jī)喂入量和籽粒的損失率，可以對(duì)速度和路徑進(jìn)行優(yōu)化，選取其中3臺(tái)做速度隨時(shí)間變化曲線，得到了如圖9所示的結(jié)果。

圖8　多收獲機(jī)聯(lián)合作業(yè)示意圖

圖9　收獲機(jī)速度協(xié)同控制

由圖9可以看出：隨機(jī)選取的3臺(tái)收獲機(jī)速度隨時(shí)間的變化曲線基本一致，實(shí)現(xiàn)了多機(jī)的聯(lián)合控制，其協(xié)同路徑如圖10所示。

圖10　路徑優(yōu)化示意圖

由圖10可以看出：在多跳局域網(wǎng)絡(luò)的控制下，收獲機(jī)的路徑由單任務(wù)轉(zhuǎn)換為并行任務(wù)模式，實(shí)現(xiàn)了聯(lián)合協(xié)同控制。

表1和表2分別表示在速度協(xié)同控制和非協(xié)同控制下機(jī)械效率和生產(chǎn)效果對(duì)比。由表1、表2可以看出：使用多聯(lián)合收獲機(jī)速度協(xié)同控制后，大大提高了機(jī)械作業(yè)的生產(chǎn)效率，縮短了作業(yè)時(shí)間。

表1　聯(lián)合收獲機(jī)協(xié)同控制機(jī)械效率

表2　聯(lián)合收獲機(jī)協(xié)同控制籽粒損失對(duì)比

為了驗(yàn)證聯(lián)合收獲機(jī)速度協(xié)同控制對(duì)籽粒損失的程度，對(duì)比了使用和不使用速度協(xié)同控制下的籽粒損失率。由對(duì)比結(jié)果可以看出：使用速度協(xié)同控制可以有效地降低籽粒的損失率，提高作業(yè)精度。

4結(jié)論

1)為了提高大面積農(nóng)作物收割的機(jī)械效率、降低作物聯(lián)合收獲過(guò)程中籽粒的損失，提出了一種新的多聯(lián)合收割機(jī)協(xié)同控制方法。該方法采用無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)對(duì)速度指令進(jìn)行傳輸，完成多收獲機(jī)的同步操控。

2)為了驗(yàn)證多聯(lián)合收獲機(jī)協(xié)同控制的有效性和可靠性，對(duì)多跳網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同控制進(jìn)行了測(cè)試，得到了使用和不使用協(xié)同控制工況下聯(lián)合收割機(jī)速度控制、機(jī)械效率和籽粒損失的對(duì)比結(jié)果。由測(cè)試結(jié)果可以看出：使用多聯(lián)合收獲機(jī)協(xié)同控制方法可以大大提高機(jī)械作業(yè)效率，降低籽粒的損失。

3)該方法在現(xiàn)代化大面積農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中投放使用，可以有效地提高作物的收獲速度和精度，且該技術(shù)在耕地、施肥、播種和灌溉技術(shù)中也可以推廣使用，具有很好的適應(yīng)性。

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Speed Coordination Control of Multi Joint Harvest Machine Based on Multi Hop Wireless LAN

Yu Liangjun1,2,Xi Donghe3,Wang Xiaozhi4

(1.Wuhan University of Engineering Science,Wuhan 430200, China; 2.Faculty of Mechanical & Electronic Information, China University of Geosciences,Wuhan 430074, China; 3.Henan Polytechnic Institute, Nanyang 473000, China; 4.School of Logistics Engineering, Wuhan University of Technology,Wuhan 430063, China)

Abstract：Along with the development of modern agricultural science and technology progress,the application in mechanical automation production process appears in large collaboration areas. In order to improve the production efficiency in the operation of combine harvester device, it presents a multi aircraft cooperative control of multi hop wireless local area network,realizes the multi machine cooperative control of work in large areas.It uses wireless multi hop networks based on jointed multi machine operation speed to control topographic and geological conditions. According to the threshing roller speed and the grain loss rate, it optimizes the speed of coordination. In order to verify the validity of multi speed coordination control based on the multi hop wireless LAN design.it tests the loss optimization effect and the grain velocity on combine harvester rate by using multi combined harvester forward speed coordination control.The mechanical efficiency and the grain loss rate have been significantly improved, which verified the reliability of the speed control method of collaborative. The result provides a new kind of multi hop wireless network optimization method for the study of automation communication technology in the large area crop harvesting machinery.

Key words：collaborative control; multi hop network; threshing cylinder; grain loss; mechanical efficiency

文章編號(hào)：1003-188X(2016)03-0222-05

中圖分類號(hào)：S225;TN925.93

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：余良俊(1984-)，女，武漢人，講師，博士研究生。通訊作者：汪小志(1981-)，女，武漢人，講師，博士研究生，(E-mail)wangxiaozhi@ncu.edu.cn。

基金項(xiàng)目：湖北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2014CFC1079);湖北省自然科學(xué)基金計(jì)劃面上項(xiàng)目(2013CFB418)

收稿日期：2015-02-14