崔桐瑞,張 姬,耿 浩,張兆磊,楊建寧,李汝莘

山東農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院,山東省園藝機(jī)械與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 泰安 271018

田間作業(yè)機(jī)組激光導(dǎo)引系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

崔桐瑞,張 姬,耿 浩,張兆磊,楊建寧,李汝莘*

山東農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院,山東省園藝機(jī)械與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 泰安 271018

為提高機(jī)組田間作業(yè)行駛的直線性，利用激光方向性好、發(fā)散角小、分辨率好、不受電磁干擾、無累積誤差等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種激光導(dǎo)引機(jī)組作業(yè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由激光發(fā)射裝置、調(diào)平裝置、激光接收裝置等部分組成。系統(tǒng)工作時(shí)，由激光發(fā)射器發(fā)出的紅光激光，被安裝在拖拉機(jī)上的激光接收裝置接收，通過解調(diào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，由LED燈指示出機(jī)組的方向偏移，從而輔助駕駛員調(diào)整拖拉機(jī)方向，進(jìn)行直線行駛。詳細(xì)闡述了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原理，以及關(guān)鍵部分的設(shè)計(jì)。初步試驗(yàn)表明，200 m范圍內(nèi)，激光導(dǎo)引系統(tǒng)導(dǎo)向精度，受外界光照影響小，機(jī)組偏移距離在3.18cm左右，相比劃行器，提高了作業(yè)精度。

田間作業(yè);激光導(dǎo)引;調(diào)平;直線行駛

駕駛員操控拖拉機(jī)進(jìn)行田間作業(yè)時(shí)，行走軌跡不能保持直線[1]，工作行直線度誤差將會(huì)影響整地、播種、噴藥、收獲等農(nóng)田作業(yè)[2]。目前在我國農(nóng)村，傳統(tǒng)的小四輪拖拉機(jī)保有量比較大，田間作業(yè)直線行駛使用的劃行器存在一些不足，一是劃出的溝痕寬，產(chǎn)生誤差比較大；二是由于溝痕模糊，方向偏移時(shí)，駕駛員不能快速做出反應(yīng)；三是容易產(chǎn)生累積誤差[3]。劃行器已經(jīng)不能滿足農(nóng)業(yè)機(jī)械化作業(yè)和農(nóng)藝的要求。近年來，激光技術(shù)不斷發(fā)展，它具有方向性好，發(fā)散角小，分辨率高、不受電磁干擾、無累積誤差等特點(diǎn)[4,5]，參考激光平地技術(shù)[6]，設(shè)計(jì)了激光導(dǎo)引系統(tǒng)。試驗(yàn)表明，該系統(tǒng)可減小機(jī)組行駛的累積誤差，提高機(jī)組直線行駛的能力。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

激光導(dǎo)引機(jī)組作業(yè)系統(tǒng)如圖1所示，主要由激光發(fā)射裝置、調(diào)平裝置、激光接收裝置、LED顯示模塊等部分組成。

圖1 激光導(dǎo)引系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Laser guidance system structure

作業(yè)前，先將激光發(fā)射裝置安放在裝有水平調(diào)節(jié)裝置的三角架上[7]，通過調(diào)節(jié)腳架和旋轉(zhuǎn)調(diào)平裝置上的三個(gè)調(diào)平螺栓對(duì)圓水準(zhǔn)器和管水準(zhǔn)器進(jìn)行校準(zhǔn)，使激光發(fā)射器發(fā)出的激光束與地面保持平行。作業(yè)時(shí)，通過單片機(jī)電路的調(diào)制[8]，激光發(fā)射器產(chǎn)生頻率為38kHz的紅色激光，安裝在拖拉機(jī)上的激光接收裝置接收到信號(hào)后由LED燈反映激光投射位置，駕駛員由此做出機(jī)組方向偏移量的判斷，以便及時(shí)調(diào)整方向，保持機(jī)組直線行駛。

2 關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)

2.1 激光發(fā)射裝置設(shè)計(jì)

如圖2所示，激光發(fā)射裝置主要由電源模塊、按鍵輸入模塊、STC89C52RC單片機(jī)、調(diào)制驅(qū)動(dòng)電路、激光發(fā)射器和狀態(tài)指示單元組成。按鍵輸入模塊控制開關(guān)機(jī)，可選擇是否進(jìn)行調(diào)制，由狀態(tài)指示單元指示系統(tǒng)工作狀態(tài)。

2.1.1 電源模塊 圖3為電源模塊的原理圖。電源模塊的的主要作用是將車載12 V電源轉(zhuǎn)為單片機(jī)和系統(tǒng)電路所需的5 V電源，同時(shí)指示系統(tǒng)電源的狀態(tài)。所用的芯片為固定輸出的正向低壓降穩(wěn)壓器AMS1117，內(nèi)部集成過熱保護(hù)和限流電路，最大輸出電流為1 A，輸出電壓精度為±1%。

圖2 激光發(fā)射裝置結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 The structural layout of the laser emitting device

圖3 電源模塊Fig.3 Power module

2.1.2 激光發(fā)射器 激光發(fā)射器主要由半導(dǎo)體激光器和光束準(zhǔn)直系統(tǒng)組成。半導(dǎo)體激光器體積小、重量輕，并且可以通過電源直接調(diào)制。半導(dǎo)體激光器常用的是紅光激光器和紅外激光激光器[9,10]。由于光波的衍射極限發(fā)散角與波長成正比，波長越短遠(yuǎn)場光斑越小，光斑能量密度就越高[11]，另外紅色激光可見，更易于試驗(yàn)的操作和調(diào)節(jié)，因此選用紅光激光器。考慮到一字線激光寬度大于點(diǎn)激光光斑直徑[12]，影響接收精度，并且一字線激光在豎直方向的擴(kuò)散，使單位面積的功率大大減小，影響激光接收的效果，縮短了有效工作距離，因此選用了點(diǎn)激光發(fā)射器。

激光發(fā)射器發(fā)出的光束屬于高斯光束[13]，光斑半徑按雙曲線規(guī)律從中心向外擴(kuò)展。高斯光束發(fā)散特性如圖4所示，雙曲線的兩條切線的夾角θ為高斯光束的發(fā)散角，r為激光束的半徑。

圖4 高斯光束示意圖Fig.4 The schematic Gaussian beam

由圖4，可推出激光束直徑的計(jì)算公式為：

l是激光發(fā)射距離（m）

根據(jù)公式（1），計(jì)算出激光發(fā)射不同距離時(shí)，發(fā)散角對(duì)激光束直徑的影響，結(jié)果見表1。

表1 發(fā)散角對(duì)激光束直徑（mm）影響Table 1 Influence of divergence angle on laser diameter(mm)

激光具有良好的方向性，激光光束的發(fā)散角較小,一般可達(dá)1～2 mrad左右。由表1可知，發(fā)散角為1 m rad的激光在100 m處，光束直徑為10 cm。田間地塊的長度一般是200 m左右，為使機(jī)組工作時(shí)直線度誤差小于3.5 cm，因此需要在半導(dǎo)體激光器發(fā)出的光束前面設(shè)置光束準(zhǔn)直壓縮系統(tǒng)，減小輸出光束的發(fā)散角。由于激光束屬于高斯光束，高斯光束經(jīng)過薄透鏡變換，只是改變相位，不改變光強(qiáng)分布，所以高斯光束經(jīng)過薄透鏡以后仍然是高斯光束，其束腰大小和位置將發(fā)生改變，即利用透鏡可以改變高斯光束的特征。光束準(zhǔn)直壓縮系統(tǒng)利用倒置望遠(yuǎn)鏡的原理，在靠近半導(dǎo)體激光器一側(cè)放置負(fù)透鏡，再往前放置一正透鏡，分別為望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的目鏡和物鏡，兩個(gè)鏡子的焦點(diǎn)在目鏡的虛焦點(diǎn)處重合，如圖5所示。

設(shè)Φ1、Φ2分別為原激光束和出射激光束的發(fā)散角，f1、f2分別為望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)目鏡和物鏡的焦距，則下式成立：

所用半導(dǎo)體激光器的激光發(fā)散角為1 m rad、直徑為2 mm的光點(diǎn)，設(shè)計(jì)物鏡的焦距為95 mm，目鏡的焦距為9.5 mm，根據(jù)公式（2），可求得出射激光束的發(fā)散角為0.1 m rad，減小了半導(dǎo)體激光器的發(fā)散角。

2.1.3 調(diào)制驅(qū)動(dòng)電路 由于工作環(huán)境存在自然光的干擾，影響光電傳感器的接收。因此，通過調(diào)制，可以提高紅光激光在空氣中的抗干擾能力，避免雜光信號(hào)的干擾，預(yù)防誤接收現(xiàn)象的出現(xiàn)，可以傳播更遠(yuǎn)距離。通過單片機(jī)編程，對(duì)激光發(fā)射器進(jìn)行調(diào)制，產(chǎn)生間斷的38 kHz激光信號(hào)（圖6）。

圖5 光束準(zhǔn)直壓縮系統(tǒng)Fig.5 Laser collimation compression system

圖6 激光脈沖測(cè)試信號(hào)頻率波形圖Fig.6 Laser pulse test signal frequency waveform figure

2.2 激光接收裝置設(shè)計(jì)

激光接收裝置的作用是接收激光發(fā)射器發(fā)出的激光信號(hào)，然后通過解調(diào)、放大、濾波，輸出可靠有效的電信號(hào)，經(jīng)過單片機(jī)系統(tǒng)的處理，在LED模塊上顯示，表示位置偏差，如圖7所示。

圖7 激光接收裝置結(jié)構(gòu)框圖 Fig.7 The structural layout of the laser receiver

圖8 激光接收器外圍電路Fig.8 The peripheral circuit of the laser receiver

2.2.1 激光接收器的選型和設(shè)計(jì) 由于一體化激光接收頭的可靠性好，不易受外界環(huán)境干擾，并可以防止非控制信號(hào)的輸出脈沖出現(xiàn)，因此激光接收所用的光電傳感器即選用一體化激光接收頭。通過查閱資料，初步選出SM0038、FT-009M和FT-099LD三款接收頭作為試驗(yàn)對(duì)象，從中選擇性能最佳的激光接收器。

激光接收器內(nèi)部增益大，為防止電路產(chǎn)生振蕩，設(shè)計(jì)激光接收器外圍電路如圖8所示。

試驗(yàn)中，采用改變激光發(fā)射器上恒流驅(qū)動(dòng)電路的電阻大小，使激光發(fā)射器的工作電流發(fā)生變化，從而使激光發(fā)射器發(fā)出的激光束功率發(fā)生變化的方法，模擬隨發(fā)射距離增加，激光束功率逐漸減弱的實(shí)際狀況。同時(shí)，激光束功率的變化會(huì)影響激光接收器外圍電路輸出到LED的電流，即影響LED的亮度。因此，對(duì)比3種激光接收頭的接收性能，可用LED的電流來表示，試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

圖9 不同激光接收頭接收性能對(duì)比試驗(yàn)Fig.9 Receptivity contrast test of different laser heads

圖10 FT-099LD激光接收頭接收性能試驗(yàn)Fig.10 Receptivity test of FT-099LD

由圖9可以看出，隨著激光發(fā)射器工作電流的減小，3種接收器的接收性能都有所下降，SM0038和FT-099M型在激光電流為70 mA時(shí)，LED燈亮度已經(jīng)不明顯。FT-099LD型激光接收頭，受影響最小，因此，選擇此款接收器作為研究對(duì)象。

為進(jìn)一步提高FT-099LD型激光接收頭接收性能的穩(wěn)定性，將激光接收器外圍電路輸出信號(hào)端與單片機(jī)連接，由單片機(jī)控制Led電路。試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示，LED電流的變化范圍控制在8.79～9.52 mA。圖9中FT-099LD型,LED電流變化范圍是4.15～12.33 mA，因此選擇將輸出信號(hào)端連接單片機(jī)對(duì)控制接收穩(wěn)定性有良好的效果，改善了接收性能。另外，通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，圖8激光接收器外圍電路中電阻R1的取值對(duì)接收頭的接收性能影響最明顯。因此，選取不同的電阻阻值，在激光電流為150 mA時(shí)，測(cè)試LED的電流大小，如圖11所示。

圖11 不同阻值對(duì)接收性能影響試驗(yàn)Fig.11 Receptivity test of different resistances

圖12 FT-099LD激光接收頭接收性能試驗(yàn)Fig.12 Receptivity test of FT-099LD

通過圖11的數(shù)據(jù)表明，選取電阻R1的阻值為150 Ω時(shí)，可以得到在激光電流為150 mA時(shí)最好的接收效果。圖12所示，電阻為150 Ω時(shí)，F(xiàn)T-099LD型接收性能試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)及結(jié)果分析

試驗(yàn)所用激光導(dǎo)引系統(tǒng)的樣機(jī)如圖13所示。試驗(yàn)?zāi)康闹饕疾旒す鈱?dǎo)引機(jī)組作業(yè)系統(tǒng)在0～200 m的距離范圍內(nèi)的工作效果。紅光激光發(fā)射器為650 nm波長的激光，發(fā)射功率最大為150 mW，工作電壓是DC 5 V，工作電流最大為160 mA，光斑直徑為20 mm。激光接收板的寬度為25 cm，長度為40 cm，每列間距為1 cm，每行間距為1.5 cm。

圖13 樣機(jī)組成 Fig.13 Components of the prototype

圖14 樣機(jī)試驗(yàn)Fig.14 Tested prototype

試驗(yàn)分為4組，激光導(dǎo)引系統(tǒng)分別在清晨、正午，傍晚3種光照條件下的試驗(yàn)，以及與劃行器的對(duì)比試驗(yàn)。樣機(jī)試驗(yàn)如圖14所示。在機(jī)組行駛過程中取200 m，每隔5 m取1點(diǎn)，記錄機(jī)組行駛的偏移量，每組試驗(yàn)重復(fù)做3次，試驗(yàn)結(jié)果如圖15所示。0～200 m，當(dāng)使用激光導(dǎo)引系統(tǒng)時(shí)，清晨平均偏移量是3.11 cm，方差S2=1.59，均方差SD=1.261；正午平均偏移量是3.18 cm，方差S2=1.67，均方差SD=1.292；傍晚平均偏移量是3.15 cm，方差S2=1.60，均方差SD=1.265。以上3組試驗(yàn)對(duì)比可以看出，設(shè)計(jì)的激光導(dǎo)引系統(tǒng)受外界光照強(qiáng)度影響不大。另外，當(dāng)使用劃行器時(shí)，平均偏移量是6.12 cm，方差S2=9.38，均方差SD=3.06，平均偏移量和方差均大于激光導(dǎo)引系統(tǒng)。因此，使用激光導(dǎo)引系統(tǒng)，平均偏移量明顯減少，而且偏移量變化穩(wěn)定，說明激光導(dǎo)引系統(tǒng)作用有效，而且效果良好。

圖15 機(jī)組行駛偏移量試驗(yàn)Fig.15 Offset test of driving machine

4 結(jié)論

（1）針對(duì)田間作業(yè)機(jī)組行駛直線性差的問題，利用激光所具有的方向性好，能量集中等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種激光導(dǎo)引機(jī)組作業(yè)系統(tǒng)，通過激光接收裝置接收激光器發(fā)射的位置信號(hào)，在LED上顯示偏移方向，輔助駕駛員調(diào)整機(jī)組的行駛方向，消除了累積誤差，提高了田間作業(yè)機(jī)組行駛的直線性。

（2）通過對(duì)激光接收頭進(jìn)行選型以及外圍電路的設(shè)計(jì)，激光導(dǎo)引系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，受外界光照影響小。

（3）試驗(yàn)結(jié)果表明，采用激光導(dǎo)引系統(tǒng)，導(dǎo)向誤差隨著行駛距離的增加逐漸變大；行駛200 m的距離，機(jī)組的方向偏移距離在3.18 cm，滿足田間作業(yè)要求。

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Design andTest of LaserGuidance System forFieldWork Units

CUITong-rui,ZHANGJi,GENGHao,ZHANGZhao-lei,YANGJian-ning,LIRu-xin*
College of Mechanical and Electronic Engineering/Shandong Agricultural University,Shandong Provincial Key Laboratory of Horticultural Machineries and Equipments,Tai’an 271018,China

In order to improve the straightness of the field work,the laser guidance system was designed based on its good directivity,small divergence angle,high resolution,no electromagnetic interference and no accumulative error.This system is mainly composed of a laser emitting device,leveling device,laser receiving device etc.Laser emitter emitted the red light laser,which was

by the laser receiver installed on the tractor and converted into electric signal by demodulation,the LED indicated the direction deviation and assisted the driver in adjusting the direction and moving straightly.The system structure,working principle and the key parts design have been elaborated.The primary test showed the guidance accuracy of the laser guidance system was less affected by the external light,the distance deviation was about 3.18 cm in the range of 200m.Compared with the row maker,the system improved the operation accuracy.

Field work;laser guidance;level;straight driving

TN249

:A

:1000-2324(2017)03-0444-05

2015-03-28

:2015-04-22

山東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系小麥創(chuàng)新資金項(xiàng)目

崔桐瑞(1989-),男,碩士研究生,研究方向?yàn)闄C(jī)電控制及自動(dòng)化技術(shù).E-mail:cuitongrui2008@126.com

*通訊作者:Author for correspondence.E-mail:rxli@sdau.edu.cn