許洪斌+王智強(qiáng)+楊長輝

摘要：針對某款使用拉線方式控制的田間搬運(yùn)機(jī)，設(shè)計(jì)了1種手動與遙控一體化的控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由發(fā)射控制模塊、接收控制模塊和電機(jī)執(zhí)行裝置3大部分組成，以STC15W4K32S4中控單元為核心的接收控制模塊，配合無線通信協(xié)議，完成了對發(fā)射控制模塊無線信號的分析處理和電機(jī)執(zhí)行裝置動作的實(shí)時控制，實(shí)現(xiàn)了搬運(yùn)機(jī)的啟停、轉(zhuǎn)向、油門調(diào)節(jié)等遙控功能。結(jié)果表明，該系統(tǒng)遙控動作準(zhǔn)確，遙控距離大于50 m，適合搬運(yùn)機(jī)進(jìn)行田間搬運(yùn)工作。

關(guān)鍵詞：單片機(jī)；步進(jìn)電機(jī)；搬運(yùn)機(jī)；遙控

中圖分類號： TP271+.4；S229+.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2016）04-0398-03

重慶威馬公司生產(chǎn)的某田間搬運(yùn)機(jī)主要用于山地農(nóng)田中農(nóng)作物、農(nóng)藥和肥料等的搬運(yùn)。該搬運(yùn)機(jī)采用履帶式底盤，最大載質(zhì)量320 kg，發(fā)動機(jī)功率3.6 kW，行走速度小于 1.4 m/s，最小回轉(zhuǎn)半徑1.15 m，爬坡能力15°。

該搬運(yùn)機(jī)工作環(huán)境較差，導(dǎo)致農(nóng)民在手扶駕駛過程中存在操作難度高、工作強(qiáng)度大和安全隱患等問題。因此，開發(fā)1款遙控系統(tǒng)，大量地減少農(nóng)民手扶操作搬運(yùn)機(jī)時間，不僅能降低農(nóng)民的勞動強(qiáng)度，而且能提高駕駛的安全性[1-3]。本研究基于該搬運(yùn)機(jī)的操控特性，開發(fā)了1套手動控制和遙控功能一體化的控制系統(tǒng)，不僅實(shí)現(xiàn)了搬運(yùn)機(jī)無人駕駛的目的，而且在遙控裝置失控的情況下能實(shí)現(xiàn)手動控制，進(jìn)一步提高搬運(yùn)機(jī)駕駛安全性。

1 系統(tǒng)總方案

在不改變該搬運(yùn)機(jī)原有機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對其遙控系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)，通過加裝由STC15W4K32S4控制的步進(jìn)電機(jī)遙控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)機(jī)啟停、轉(zhuǎn)向和油門調(diào)節(jié)的遙控功能[4-9]。

控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由發(fā)射控制模塊、接收控制模塊和執(zhí)行裝置3個部分組成。工作過程：單片機(jī)中控單元接收到遙控信號，發(fā)送相應(yīng)的遙控指令作用于步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊和繼電器驅(qū)動模塊；步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊根據(jù)相應(yīng)的遙控信號控制步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)，最后由拉線伸縮來完成離合與制動、轉(zhuǎn)向、油門的規(guī)定動作；繼電器模塊作用于步進(jìn)電機(jī)制動器，在步進(jìn)電機(jī)脫離工作狀態(tài)時斷電，控制制動器抱閘制動，保證執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作的穩(wěn)定性，反之繼電器通電，制動器閘瓦分離，步進(jìn)電機(jī)進(jìn)入工作狀態(tài)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 發(fā)射控制模塊

發(fā)射控制模塊為編碼芯片PT2262、工作頻率為 315 MHz 的6鍵遙控器。該模塊采用的PT2262是1款成本低廉且具有CMOS工藝、外圍電氣元件少以及耗能極低等特點(diǎn)的編碼芯片[10]。但該編碼芯片只有4個獨(dú)立的數(shù)據(jù)編碼通道（D0-D3），不能滿足6通道遙控器獨(dú)立按鍵操作的要求。為此采用組合電路的方式將PT2262編碼芯片的數(shù)據(jù)編碼通道擴(kuò)展至6個，具體編碼組合見表1。根據(jù)我國無線電頻率劃分規(guī)定，315MHz載波頻率屬于開放頻段，在這一頻段內(nèi)，用戶在發(fā)射功率小于10 mW、覆蓋范圍小于100 m或不超過本單位范圍內(nèi)可自由使用[11]。

2.2 接收控制模塊

接收控制模塊包括HS2272-M6無線接收模塊、TB6560AHQ步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊、5V常開繼電器模塊、STC15W4K32S4單片機(jī)中控單元和電源模塊。

HS2272-M6無線接收模塊與PT2262配套使用。在使用過程中采用焊錫搭焊方式，將編碼/解碼芯片PT2272/PT2262的地址碼管腳A0、A5均焊接至高電平，其余管腳懸空。通過該方法的應(yīng)用可提高無線遙控模塊在數(shù)據(jù)傳輸過程中的抗干擾能力。

TB6560AHQ步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器作為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊，采用6N137高速光耦，額定最大輸出3A，最大細(xì)分?jǐn)?shù)1/16，具有性能穩(wěn)定、寬調(diào)速和低價(jià)位等特點(diǎn)。

繼電器模塊為光耦隔離繼電器模塊，主要由松樂5V繼電器、1N4732二極管、光電耦合器、晶體管和限流電阻組成。

控制模塊選用8位單片機(jī)STC15W4K32S4作為中控單元。P2.0-P2.5作為遙控信號輸入I/O口，與無線接收模塊的D0-D5引腳相連接。通過軟件查詢I/O狀態(tài)，單片機(jī)輸出相應(yīng)的控制信號至步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊控制接口和繼電器驅(qū)動模塊控制接口，進(jìn)而控制驅(qū)動電路工作。

由于proteus中元器件較少，因此以AT89C52、L297與L298、lamp分別代替控制模塊中的STC15W4K32S4、TB6560AHQ、步進(jìn)電機(jī)制動器進(jìn)行仿真，離合器控制模塊仿真見圖2。

電源模塊包括24 V直流電源、LM2596電源降壓調(diào)整器。24 V直流電源與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器連接，作為步進(jìn)電機(jī)的正常工作電源；直流電源通過LM2596降壓電路降壓至5 V，為單片機(jī)中控單元工作供電，降壓原理見圖3。

2.3 執(zhí)行裝置

根據(jù)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)的執(zhí)行裝置，通過拉線控制各個機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了以下功能：（1）離合與制動聯(lián)動機(jī)構(gòu)的離合與制動；（2）轉(zhuǎn)向器的轉(zhuǎn)向操作（左轉(zhuǎn)向和右轉(zhuǎn)向）；（3）油門大小的調(diào)節(jié)。

在保證搬運(yùn)機(jī)整體結(jié)構(gòu)完整性的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)的步進(jìn)電機(jī)執(zhí)行裝置見圖4。轉(zhuǎn)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括依次連接的步進(jìn)電機(jī)制動器、轉(zhuǎn)向步進(jìn)電機(jī)、聯(lián)軸器和輸出軸；步進(jìn)電機(jī)制動器位于步進(jìn)電機(jī)尾部，步進(jìn)電機(jī)安裝在“U”形電機(jī)支架的一側(cè)板上，輸出軸通過另一側(cè)板上的通孔穿出電機(jī)支架與轉(zhuǎn)向桿連接以使轉(zhuǎn)向桿與輸出軸同步轉(zhuǎn)動；在轉(zhuǎn)向桿上設(shè)有2根相對轉(zhuǎn)動中心對稱的轉(zhuǎn)向拉線，2根轉(zhuǎn)向拉線穿過安裝板與農(nóng)機(jī)的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)相連；電機(jī)支架安裝在控制箱底板上并在二者之間設(shè)有彈性緩沖墊；通孔和輸出軸之間設(shè)有軸承及軸承座。

與轉(zhuǎn)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)對比，油門、離合與制動聯(lián)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的差別在于輸出軸與繞線把手連接，分別通過拉線與農(nóng)機(jī)上的油門機(jī)構(gòu)、離合機(jī)構(gòu)連接。

3 系統(tǒng)軟件開發(fā)

系統(tǒng)的軟件開發(fā)即是對中控單元STC15W4K32S4的程序開發(fā)。Keil C51作為程序開發(fā)軟件，對程序進(jìn)行了模塊化設(shè)計(jì)，包括轉(zhuǎn)向子程序、油門調(diào)節(jié)子程序和啟停子程序等。遙控器6個按鍵對應(yīng)功能為啟動、停車、加大油門、減小油門、左轉(zhuǎn)向、右轉(zhuǎn)向。以實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)機(jī)啟動為例，啟動子程序流程見圖5。

4 場地試驗(yàn)

在室外進(jìn)行測試試驗(yàn)，試驗(yàn)內(nèi)容主要有接收控制模塊的接收信號距離測試和遙控執(zhí)行裝置的穩(wěn)定性測試。先后試驗(yàn)共6次，每次試驗(yàn)的時間單位為1 h，試驗(yàn)流程：保持搬運(yùn)機(jī)直線行駛10 m，按下轉(zhuǎn)向遙控按鍵轉(zhuǎn)彎90°后繼續(xù)沿直線行駛 5 m，如此反復(fù)操作按鍵保證搬運(yùn)機(jī)沿10 m×5 m的矩形路線行走，直至每次試驗(yàn)結(jié)束。在此過程中，當(dāng)每次轉(zhuǎn)彎成功時控制搬運(yùn)機(jī)的啟停和油門。性能測試結(jié)果見表2，試驗(yàn)場地場景見圖6。

從表2可看出，在第1次試驗(yàn)時離合器打滑，搬運(yùn)機(jī)不能正常行駛，原因是離合執(zhí)行機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動角度較小，導(dǎo)致汽油機(jī)與減速箱之間的皮帶輪出現(xiàn)打滑；增大轉(zhuǎn)角進(jìn)行第2次試驗(yàn)時發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過1 h反復(fù)操作，執(zhí)行機(jī)構(gòu)部分不能正常工作，原因?yàn)閳?zhí)行裝置中步進(jìn)電機(jī)失步；改進(jìn)步進(jìn)電機(jī)算法后進(jìn)行第3次試驗(yàn)，在加大遙控操作距離時，偶爾出現(xiàn)控制失效情況，主要原因是發(fā)動機(jī)干擾無線模塊通信，導(dǎo)致通信距離短，后調(diào)整無線模塊的安裝位置，通信條件得到明顯改善，在50 m范圍內(nèi)可靠遙控駕駛搬運(yùn)機(jī)。

5 結(jié)論

經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，由發(fā)射控制模塊、接收控制模塊和執(zhí)行裝置組成的手自一體化控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對該搬運(yùn)機(jī)離合與制動、轉(zhuǎn)向和油門的準(zhǔn)確控制。該系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：（1）遙控系統(tǒng)安全可靠，在一定程度上提高了工作效率、改善了操作環(huán)境；（2）盡可能保持了現(xiàn)有機(jī)構(gòu)的可用性，且遙控系統(tǒng)具有良好的可移植性；（3）遙控系統(tǒng)的操作簡單易學(xué)，適合大部分農(nóng)民的操作要求；（4）在遙控裝置失控的情況下可實(shí)現(xiàn)手動控制，進(jìn)一步保障了農(nóng)民的人身和財(cái)產(chǎn)安全。

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