陳 進(jìn)，蔡陽(yáng)陽(yáng)，陳 璇

(江蘇大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

基于FSM的聯(lián)合收割機(jī)多按鍵控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳 進(jìn)，蔡陽(yáng)陽(yáng)，陳 璇

(江蘇大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

針對(duì)聯(lián)合收割機(jī)傳統(tǒng)操控方式繁瑣、危險(xiǎn)系數(shù)高的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種以按鍵調(diào)節(jié)各工作部件的控制系統(tǒng)，改變了聯(lián)合收割機(jī)用操縱桿或機(jī)械結(jié)構(gòu)的操控方式。針對(duì)按鍵控制過(guò)程中按鍵抖動(dòng)對(duì)控制系統(tǒng)帶來(lái)的影響以及多按鍵情況下代碼的復(fù)雜性，提出了基于有限狀態(tài)機(jī)的按鍵嵌入式程序設(shè)計(jì)方法。試驗(yàn)表明，有限狀態(tài)機(jī)應(yīng)用于按鍵系統(tǒng)設(shè)計(jì)能獲得穩(wěn)定的控制效果與功能要求。

聯(lián)合收割機(jī)；操縱桿；ARM嵌入式；多按鍵控制系統(tǒng)；有限狀態(tài)機(jī)

聯(lián)合收割機(jī)的操控方式是反映其智能化與科技化水平的重要指標(biāo)[1-2]。國(guó)外的聯(lián)合收割機(jī)大多實(shí)現(xiàn)了工作部件的按鍵控制或觸摸屏控制，智能化與自動(dòng)化程度高[3]。國(guó)內(nèi)還停留在對(duì)操縱桿與機(jī)械結(jié)構(gòu)的操控，作業(yè)人員根據(jù)收割機(jī)的作業(yè)效果調(diào)整相關(guān)部件的工作狀態(tài)時(shí)，操作過(guò)程復(fù)雜且危險(xiǎn)系數(shù)高[4-5]。本文設(shè)計(jì)一套聯(lián)合收割機(jī)多按鍵控制系統(tǒng)，能夠提高聯(lián)合收割機(jī)整體作業(yè)效率。

1 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

聯(lián)合收割機(jī)的多按鍵控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，由ARM處理最小系統(tǒng)、傳感器模塊、按鍵模塊、聲光報(bào)警模塊、執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊及系統(tǒng)軟件組成。

1.1 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

按鍵模塊包括清選篩開(kāi)度增/減按鍵、脫粒滾筒轉(zhuǎn)速升/降按鍵、糧倉(cāng)出糧口開(kāi)/關(guān)按鍵、割臺(tái)高度升/降按鍵、撥禾輪高度升/降按鍵、前進(jìn)速度手/自切換按鍵。

圖1 多按鍵控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖

傳感器模塊包括:型號(hào)為M12的HKZ8002C霍爾傳感器，檢測(cè)前進(jìn)速度、滾筒轉(zhuǎn)速，傳感器對(duì)于磁鋼S極有檢測(cè)能力；用于限制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度的光電限位開(kāi)關(guān)，采用E12-D10NK型，有效作用距離0～7 cm；檢測(cè)糧倉(cāng)糧食高度的超聲波傳感器，采用LM-040-030-DAC型傳感器，有效測(cè)量范圍在0.3～3 m；檢測(cè)割臺(tái)與撥禾輪液壓缸活塞位置、電動(dòng)缸位移傳感器采用MIRAN KTC-200 mm，有效行程200 mm；檢測(cè)清選效果的損失量傳感器。

輸出部分：聲光報(bào)警模塊包括了糧倉(cāng)、損失量的聲光報(bào)警提示；執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊包括了，用于清選篩開(kāi)度調(diào)節(jié)的電動(dòng)缸、驅(qū)動(dòng)器，電動(dòng)缸采用IAI的RCP2-RA3C型電動(dòng)缸，有效行程50～200 mm，水平最大推力30 kg；脫粒滾筒、前進(jìn)速度、糧倉(cāng)操縱桿調(diào)節(jié)的步進(jìn)電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器；割臺(tái)高度、撥禾輪高度調(diào)節(jié)的4WRA6型電液比例閥，配套VT-3013型比例放大器。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度由光電開(kāi)關(guān)限位，電動(dòng)缸采用閉環(huán)控制，電液比例閥采用PWM波輸出驅(qū)動(dòng)控制[6-7]。

1.2 系統(tǒng)部分執(zhí)行部件的結(jié)構(gòu)改裝

前進(jìn)速度、滾筒、糧倉(cāng)均是以操縱桿實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)，清選篩以機(jī)械結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)。以前進(jìn)速度和清選篩為例，圖2為操縱桿的改造方案，圖3為清選篩機(jī)械構(gòu)件改造方案示意圖[8-9]。

圖2 前進(jìn)速度操縱桿改造示意圖

圖3 魚(yú)鱗篩機(jī)械構(gòu)件改造方案示意圖

這兩種工作部件分別代表了系統(tǒng)對(duì)于傳統(tǒng)的操縱桿與機(jī)械結(jié)構(gòu)的改造方案。清選篩的原先用于操控的機(jī)械結(jié)構(gòu)需要改造，將電動(dòng)缸絲桿的位移轉(zhuǎn)換成清選篩的開(kāi)度變化，可得傳動(dòng)方程組為

(1)

式中,S1為電動(dòng)缸絲桿與調(diào)節(jié)柄的連接點(diǎn)到調(diào)節(jié)柄固定軸的平面直線(xiàn)距離；S2為推拉桿與調(diào)節(jié)柄的連接點(diǎn)到調(diào)節(jié)柄固定軸的平面直線(xiàn)距離；S3為連接耳到主動(dòng)篩片固定軸最近直線(xiàn)距離；S4為圖示位置時(shí)推拉桿與調(diào)節(jié)柄的連接點(diǎn)至篩框板的垂直距離，即初始距離；Di為電動(dòng)缸絲桿的位移距離，位移傳感器測(cè)得；αi為電動(dòng)缸絲桿與調(diào)節(jié)柄的連接點(diǎn)與調(diào)節(jié)柄固定軸的最短連線(xiàn)與豎直方向的夾角；βi為推拉桿與調(diào)節(jié)柄的連接點(diǎn)到調(diào)節(jié)柄固定軸的最短連線(xiàn)與水平方向夾角；γi為清選篩開(kāi)度。

2 基于FSM的按鍵處理方法

2.1 FSM的基本原理

有限狀態(tài)機(jī)(FSM)是一種實(shí)時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的數(shù)學(xué)模型，表示數(shù)個(gè)狀態(tài)及在這些狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移和動(dòng)作等行為，以描述控制特性為主的建模方法[10-11]。一個(gè)有限狀態(tài)機(jī)表示為

M=(N,L,F,S0,Z)

(2)

其中，L表示接收的“事件”集合；N表示變遷函數(shù)，為狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)，描述了系統(tǒng)中每個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)移到其他狀態(tài)的可能性；S0是一個(gè)特殊狀態(tài)，一般指系統(tǒng)“初始狀態(tài)”；Z是N的一個(gè)子集，定義為終極態(tài)的集合[12-13]。

2.2 基于FSM的多按鍵系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)按鍵眾多，但各按鍵可獨(dú)立完成控制功能。可根據(jù)有限狀態(tài)機(jī)的原理對(duì)單個(gè)按鍵動(dòng)作的操作和確認(rèn)過(guò)程進(jìn)行分析[14]。糧倉(cāng)與前進(jìn)速度屬于自鎖撥鈕式按鍵，而其他控制其他部件的自復(fù)位按鍵還分為長(zhǎng)按與短按兩種模式，可根據(jù)各自特點(diǎn)分別設(shè)計(jì)狀態(tài)圖。本系統(tǒng)中，按鍵與ARM處理器的I/O口相連，低電平有效，即“0”表示按鍵閉合狀態(tài)，“1”表示按鍵開(kāi)放狀態(tài)。自鎖按鍵選用糧倉(cāng)控制按鍵繪制狀態(tài)圖，自復(fù)位按鍵選用割臺(tái)來(lái)作為分析對(duì)象，繪制狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖。如圖4所示，糧倉(cāng)的控制按鍵開(kāi)放狀態(tài)為“糧倉(cāng)關(guān)閉”狀態(tài)，閉合為 “放糧”，放糧過(guò)程為“等待關(guān)閉”；如圖5所示，短按模式為“慢升”，長(zhǎng)按模式為“快升”。

圖4 糧倉(cāng)按鍵狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

圖5 割臺(tái)按鍵狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

圖4和圖5中，將前進(jìn)速度、割臺(tái)的1次按鍵完整的操控分別分為3個(gè)和4個(gè)狀態(tài)。其中，狀態(tài)0為按鍵開(kāi)放狀態(tài)，當(dāng)按鍵輸入為“1”時(shí)，表示按鍵開(kāi)放，輸出“0”(1/0)，下一個(gè)狀態(tài)依舊為按鍵開(kāi)放狀態(tài)“0”；當(dāng)按鍵輸入為“0”時(shí)，表示按鍵閉合，但需要經(jīng)過(guò)消抖，10 ms后當(dāng)再次檢測(cè)到按鍵輸入為“0”時(shí)，確認(rèn)按鍵按下，輸出“1”，否則返回狀態(tài)“0”；糧倉(cāng)控制按鍵狀態(tài)“2”表示放糧過(guò)程，等待放糧結(jié)束，只有等到按鍵斷開(kāi)，才表示一個(gè)完整的按鍵過(guò)程；割臺(tái)的確認(rèn)按鍵按下后，在2 s內(nèi)，按鍵依舊閉合，狀態(tài)輸入不變，輸出“0”，轉(zhuǎn)移到慢升狀態(tài)“2”，按鍵松開(kāi)，輸入變化，輸出“1”，返回狀態(tài)“0”；2 s后，按鍵依然按下，輸出“2”，轉(zhuǎn)到狀態(tài)“3”快升狀態(tài)，0.5 s內(nèi)按鍵松開(kāi)，輸出“0”，返回狀態(tài)“0”，0.5 s后按鍵依舊按下，停留在狀態(tài)“4”，否則返回狀態(tài)“0”。這樣就是一次完整的按鍵操作過(guò)程。

圖6 按鍵程序設(shè)計(jì)流程圖

由狀態(tài)圖分析可知，程序的編寫(xiě)可以使用多分支結(jié)構(gòu)(IF-ELSEIF-ELSE、CASE等)，而不是循環(huán)語(yǔ)句(WHILE、FOR等)，這樣程序代碼結(jié)構(gòu)清晰簡(jiǎn)潔，尤其在高頻率的ARM控制系統(tǒng)中占用系統(tǒng)資源少[15-16]。有限狀態(tài)機(jī)的程序設(shè)計(jì)流程圖如圖6所示。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)步驟如下：

(1)根據(jù)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)與改造方案，進(jìn)行機(jī)器改裝。主要是操縱桿的改裝與機(jī)械結(jié)構(gòu)的改裝。繪制清選篩開(kāi)度與電動(dòng)缸絲桿的關(guān)系曲線(xiàn)，如圖7所示;

圖7 清選篩開(kāi)度與絲杠位移關(guān)系曲線(xiàn)

(2)進(jìn)行按鍵的硬件設(shè)計(jì)，將系統(tǒng)的自復(fù)位按鍵布置于操控手柄上，操控手柄的正面?zhèn)让婢邪存I，方便作業(yè)人員操作，自鎖撥鈕按鍵固定于操控臺(tái)，手柄置于前進(jìn)速度操縱桿上；

(3)為驗(yàn)證按鍵功能的實(shí)現(xiàn)效果，將控制效果顯示于觸摸屏，如圖8所示。其中撥禾輪高度為距離割臺(tái)的高度，糧倉(cāng)由聲光報(bào)警裝置反饋是否放糧。

在田間實(shí)驗(yàn)中，短按割臺(tái)升按鍵時(shí)，割臺(tái)升高2 cm，長(zhǎng)按之后，割臺(tái)每0.5 s升高2 cm直至松開(kāi)按鍵；撥禾輪操作同割臺(tái)；當(dāng)糧倉(cāng)聲光報(bào)警時(shí)操作糧倉(cāng)按鍵，糧倉(cāng)放糧，放糧結(jié)束后再次操作按鍵關(guān)閉糧倉(cāng)；清選篩篩片調(diào)節(jié)用電動(dòng)缸推動(dòng)，位移傳感器反饋電動(dòng)缸絲桿位置，操作按鍵，2 s內(nèi)變化3 mm，長(zhǎng)按后，每0.5 s變化3 mm，實(shí)現(xiàn)清選篩開(kāi)度的量化調(diào)節(jié)。

圖8 按鍵控制效果顯示

4 結(jié)束語(yǔ)

(1)本文設(shè)計(jì)的多按鍵控制聯(lián)合收割機(jī)工作部件的控制系統(tǒng)，能夠改變現(xiàn)有的聯(lián)合收割機(jī)的作業(yè)操控方式，取代多個(gè)操縱桿與機(jī)械構(gòu)件，同時(shí)可保留機(jī)器的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)與動(dòng)力方式，在實(shí)現(xiàn)電控與自動(dòng)化的基礎(chǔ)上大大幅節(jié)省了成本；(2)系統(tǒng)中多按鍵在控制過(guò)程中可能出現(xiàn)的抖動(dòng)與電磁干擾等問(wèn)題，提出了有限狀態(tài)機(jī)的程序設(shè)計(jì)方法，既解決抖動(dòng)干擾的問(wèn)題，又實(shí)現(xiàn)按鍵功能設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化程序設(shè)計(jì)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能更穩(wěn)定有效。

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Design of Multi-Key Embedded Control System of Combine Harvester Based on FSM

CHEN Jin，CAI Yangyang，CHEN Xuan

(Mechanical Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China)

In view of the disadvantages of combine harvester traditional control methods, a multi-key control system is designed to replace the traditional multiple levers and the mechanical structure, and it changes the traditional way of manipulating combine harvester. In view of the influence of key jitter and electromagnetic interference on the system, the finite state machine is proposed when design the embedded program of the keys, and the simulation test is carried out. Tests shows that the finite state machine used in the design of the keys achieved a stable control effect.

combine harvester; multiple levers; ARM embedded system; multi-key control system; finite state machine

2016- 03- 05

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)基金資助項(xiàng)目(2012AA10A502)；國(guó)家科技支撐計(jì)劃基金資助項(xiàng)目(2010BAD01B06)

陳進(jìn)(1959-)，女，教授，博士生導(dǎo)師。研究方向：現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備。蔡陽(yáng)陽(yáng)(1991-)，男，碩士研究生。研究方向：聯(lián)合收割機(jī)電氣化。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.01.042

TP273；S225.31

A

1007-7820(2017)01-154-04