王俊野+劉玉燕+杜連營

【摘 要】本文先是闡述了基于GPS的太陽能平移式噴灌機自主導(dǎo)航系統(tǒng)中機械結(jié)構(gòu)、供電部分以及控制系統(tǒng)的設(shè)計，然后對設(shè)計的系統(tǒng)進(jìn)行了試驗分析，結(jié)果顯示該系統(tǒng)具有良好的控制精度，可以滿足農(nóng)業(yè)灌溉的需求。目的是對我國農(nóng)民的灌溉工作提供幫助。

【關(guān)鍵詞】GPS；噴灌機；自主導(dǎo)航

0 前言

我國現(xiàn)在使用的平移式噴灌機基本都是國外進(jìn)口的，雖然這些噴灌機的效率很高，但是成本和電力需求也很高，在用電高峰期或者是偏遠(yuǎn)區(qū)域得不到很好的應(yīng)用。所以，我們要將太陽能作為能源進(jìn)行平移式噴灌機的設(shè)計研發(fā)，解決噴灌設(shè)備的動力問題。

1 基于GPS的太陽能平移式噴灌機自主導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計

1.1 基于GPS的太陽能平移式噴灌機自主導(dǎo)航系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

機械結(jié)構(gòu)作為噴灌機的硬件主體，設(shè)計時要考慮很多方面的內(nèi)容：第一，由于農(nóng)作的需要，要求噴灌機進(jìn)行噴水、噴藥或者噴肥等多種農(nóng)田作業(yè)，因此，在設(shè)計噴灌機的噴頭時，要注意在輸水管上將灌水器的噴頭進(jìn)行等間距的設(shè)計，這樣可以確保噴灑的均勻性；第二，為了提高土地的利用率，讓噴灌機占地面積更小，從而降低對作物生長的不利影響，要采用邊梁式的方法進(jìn)行底部支撐部分的設(shè)計，另外噴灌機的兩個前輪以及兩個后輪之間最好不用連接軸進(jìn)行連接；第三，為了確保噴灌機的承載力和通過性，要將噴灌機的外形尺寸進(jìn)行科學(xué)合理的設(shè)計。另外，一般的噴灌機都是采用四輪獨立的驅(qū)動形式，因此，在噴灌機的設(shè)計時，首先要根據(jù)每個輪子行駛時需要的最大功率選擇合適的直流電機，還要為直流電機配備可以控制轉(zhuǎn)速的驅(qū)動控制裝置；然后要根據(jù)直流電機以及驅(qū)動裝置的功率來選擇合適規(guī)格的蓄電池進(jìn)行供電；最后要進(jìn)行輪胎的選擇。

本次設(shè)計的噴灌機外形尺寸如下：左右輪之間的距離是3.36米；前后軸之間的距離是2.7米；車梁和地之間的距離是1.3米；桁架和地之間的距離是1.8米。噴灌機選取四個480V、200W以及1800r/min的直流電機以及48V的蓄電池進(jìn)行動力的供給。輪胎選擇的是8.3-20的普通人字形農(nóng)用輪胎。

1.2 基于GPS的太陽能平移式噴灌機自主導(dǎo)航系統(tǒng)的供電部分設(shè)計

噴灌機的供電部分通常由太陽能控制器、太陽能光伏組件以及免維護(hù)蓄電池組成，主要為噴灌機的控制系統(tǒng)、行走驅(qū)動部分以及各個傳感器提供電能。供電部分的結(jié)構(gòu)原理如下：太陽能光伏組件受到太陽光的照射之后，會使用光電效應(yīng)將光能轉(zhuǎn)變成電能，當(dāng)太陽光照射的強度達(dá)到某一個值時，太陽能光伏組件的輸出功率就可以滿足噴灌機的消耗功率。免維護(hù)蓄電池用來存儲太陽能光伏組件轉(zhuǎn)變的電能；太陽能控制器用來控制免維護(hù)蓄電池的充、放電。本次設(shè)計中選取金源電子公司的CS5M32-260太陽能板作為太陽能光伏組件；選取4塊190H52閥控式全密封的鉛酸蓄電池進(jìn)行串聯(lián)形成免維護(hù)蓄電池。

1.3 控制系統(tǒng)的設(shè)計

控制系統(tǒng)通常由GPS接收機、電子羅盤、導(dǎo)航控制器、轉(zhuǎn)速傳感器以及轉(zhuǎn)速控制器組成，這些組成部分通常采用CAN總線的方式進(jìn)行連接。如圖1所示：

圖1 自主導(dǎo)航系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

在進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計時，GPS接收機主要用來確定噴灌機當(dāng)前所在的位置，需要對噴灌機的位置數(shù)據(jù)進(jìn)行采集；電子羅盤主要用來確定噴灌機的走向，需要采集噴灌機走向的數(shù)據(jù)，還要實現(xiàn)導(dǎo)航控制算法以及生成和輸出相應(yīng)的控制命令；轉(zhuǎn)速傳感器主要用來采集噴灌機輪子的速度；轉(zhuǎn)速控制器主要用來控制噴灌機的轉(zhuǎn)速。本次設(shè)計中選用32位的Cortex-M3內(nèi)核芯片集成作為噴灌機自主導(dǎo)航系統(tǒng)的控制器。

2 基于GPS的太陽能平移式噴灌機自主導(dǎo)航系統(tǒng)的試驗

2.1 試驗的過程

為了測定基于GPS的太陽能平移式噴灌機自主導(dǎo)航系統(tǒng)的性能，進(jìn)行了試驗研究。因為噴灌機的使用要求機組入口的壓力要大于十米水頭，整機的流量要大于30m3/h，在使用噴灌機之前要在田間留出半米的機行道，運行的時候要求噴灌機可以平穩(wěn)地沿著機行道運行，行走的軌跡不能超出行道。由于噴灌機在田間的運行狀況和在水泥路面上的運行狀況類似，所以本試驗選在某大學(xué)的操場上進(jìn)行。

在進(jìn)行試驗之前，在水泥路面上制定出一條直線路徑，首先要使用GPS接收機測定出A、B兩點的經(jīng)緯度信息；然后要由高斯投影將經(jīng)緯度信息轉(zhuǎn)變成大地平面的直角坐標(biāo)，使用導(dǎo)航控制器中路徑規(guī)劃的方法將噴灌機行走的AB直線路徑預(yù)定好；最后將噴灌機放置在路線的起點，讓噴灌機的運行方向和預(yù)定的導(dǎo)航路徑保持平行。此時，啟動噴灌機的自主導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行試驗，噴灌機會沿著預(yù)定的路線進(jìn)行自動的路徑跟蹤，使用滴水的方法進(jìn)行噴灌機真實行走軌跡的記錄。等到噴灌機完成自主導(dǎo)航之后，在地面上的A、B兩點之間拉一條白色的細(xì)線當(dāng)做是導(dǎo)航基準(zhǔn)線，自主導(dǎo)航系統(tǒng)的橫向誤差就是噴灌機行走軌跡和導(dǎo)航基準(zhǔn)線之間的垂直距離。試驗中，每隔三十厘米就要測量一次橫向誤差。

2.2 試驗結(jié)果分析

通過試驗中的誤差數(shù)據(jù)分析可知：當(dāng)噴灌機以0.4m/min的速度運行時，噴灌機的最大橫向偏差小于17.5厘米；當(dāng)噴灌機以0.8m/min的速度運行時，噴灌機的最大橫向偏差小于18.6厘米；隨著噴灌機速度的加大，控制調(diào)節(jié)時間越來越小，超調(diào)越來越大。總的來說，該噴灌機自主導(dǎo)航系統(tǒng)的誤差小于20厘米，在此次試驗中噴灌機的各個機組運轉(zhuǎn)狀況良好，可以較好地跟蹤預(yù)定的路徑，說明噴灌機導(dǎo)航自主系統(tǒng)具備較好的控制精度以及穩(wěn)定程度，可以滿足噴灌機在預(yù)定行道內(nèi)進(jìn)行工作的使用需求。

3 結(jié)論

綜上所述，基于GPS的太陽能平移式噴灌機自主導(dǎo)航系統(tǒng)可以節(jié)約能源。分析可得，通過對基于GPS的太陽能平移式噴灌機自主導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計與試驗可知，將太陽能技術(shù)、GPS技術(shù)、自動控制技術(shù)以及節(jié)水灌溉技術(shù)有機結(jié)合，可以設(shè)計出滿足我國目前農(nóng)業(yè)發(fā)展模式需求的噴灌機，還可以節(jié)約能源，節(jié)省人力。希望本文的研究可以為相關(guān)人員進(jìn)行噴灌機的開發(fā)研究提供參考。