摘 要：水稻直播機(jī)，逐步取代了傳統(tǒng)人工的手動播種方式，是水稻種植史上的一場技術(shù)革命。目前，加強(qiáng)水稻直播機(jī)的自主駕駛系統(tǒng)研究，是實(shí)現(xiàn)水稻直播機(jī)的自主駕駛、精準(zhǔn)播種以及變量施肥的關(guān)鍵技術(shù)。本論文以水稻直播機(jī)自主駕駛系統(tǒng)為基本出發(fā)點(diǎn)，對其自主駕駛系統(tǒng)進(jìn)行了精確的研究和設(shè)計(jì)，以保證直播機(jī)的自主駕駛系統(tǒng)能夠有效滿足水田播種精度的要求。

關(guān)鍵詞：水稻直播機(jī)；自主駕駛；系統(tǒng)設(shè)計(jì)；播種

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.05.124

近年，水稻直播機(jī)在一些大規(guī)模的農(nóng)場，實(shí)現(xiàn)了廣泛的應(yīng)用。水稻直播機(jī)主要是利用機(jī)械將剛破胸的水稻種子直接播種在水田中，與傳統(tǒng)的手工水稻播種相比，水稻直播機(jī)不僅節(jié)省了人力、時(shí)間，還具有很大的優(yōu)勢：定行、直行和寬行，使得直播稻與移栽稻生長環(huán)境處在相似的狀態(tài)下，以達(dá)到高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的目的。

1 水稻直播機(jī)自主駕駛系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

水稻直播機(jī)自主駕駛系統(tǒng)主要包括七個(gè)重要的部分，即：ARM控制器模塊、CAN總線驅(qū)動電機(jī)模塊、油門電動推桿模塊、北斗GNSS接受機(jī)模塊、角度傳感器模塊、傾角傳感器模塊、平板人機(jī)交互模塊。

ARM控制器模塊：主要用來滿足對導(dǎo)航控制算法的預(yù)算量，以及信號的提取速度，以實(shí)現(xiàn)對直播機(jī)各路信號的采集，并將其進(jìn)行精確的運(yùn)算，然后并將其發(fā)送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

CAN總線驅(qū)動電機(jī)模塊：是自主駕駛系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，主要是在接到控制器模塊發(fā)出的指令后，按照其具體的要求，實(shí)現(xiàn)方向盤軸轉(zhuǎn)動，以滿足水田直播過程中轉(zhuǎn)向的要求。

油門電動推桿模塊：是自主駕駛系統(tǒng)中速度控制的主要模塊，通過油門電動推桿的最大推力和拉力，以達(dá)到速度控制的目的。

北斗GNSS接受機(jī)模塊：主要是通過天線接收GPS衛(wèi)星信號對電臺發(fā)出的信號，以實(shí)現(xiàn)在水稻直播過程中的高精度定位，之后再通過串口將信息發(fā)送給控制器。

角度傳感器模塊：在測量過程中，軸通過連桿機(jī)構(gòu)和拖拉機(jī)轉(zhuǎn)向相連，然后通過信號發(fā)送轉(zhuǎn)向的方式，將轉(zhuǎn)向信息送到農(nóng)機(jī)的實(shí)時(shí)位置。

傾角傳感器模塊：主要是在水稻直播機(jī)自主駕駛系統(tǒng)中，通過34ms的時(shí)間進(jìn)行采樣，并將采樣信息通過信號發(fā)送器，將其傳遞給自主駕駛系統(tǒng)的控制點(diǎn)，然后得到農(nóng)機(jī)的仰俯角和橫滾角。

平板人機(jī)交互模塊：在水稻直播機(jī)自主駕駛系統(tǒng)中，主要是通過對農(nóng)機(jī)參數(shù)的初始信息、作業(yè)操作管理、作業(yè)監(jiān)控和現(xiàn)實(shí)等信息進(jìn)行設(shè)定，然后通過控制器和藍(lán)牙將實(shí)時(shí)信息進(jìn)行交互。

2 水稻直播機(jī)自主駕駛軟件結(jié)構(gòu)

在水稻直播機(jī)自主駕駛系統(tǒng)的系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，還必須要加強(qiáng)水稻直播機(jī)自主駕駛軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。因?yàn)樗局辈C(jī)自主駕駛軟件結(jié)構(gòu)，以及各項(xiàng)參數(shù)的設(shè)定，如：角度傳感器安裝的處置、天線安裝精確尺寸，從而實(shí)現(xiàn)水稻直播機(jī)自動駕駛的精確度。

3 水稻直播機(jī)自主駕駛計(jì)算法

在對水稻直播機(jī)自主駕駛功能結(jié)構(gòu)，以及自主駕駛軟件結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，還必須要通過自主駕駛計(jì)算的方式，以實(shí)現(xiàn)水稻直播機(jī)在播種過程中的精確度。

3.1 農(nóng)機(jī)前輪轉(zhuǎn)角跟蹤計(jì)算方法

為保證水稻直播機(jī)在工作中精準(zhǔn)度，必須要對其是否能快速、穩(wěn)定響應(yīng)軌跡跟蹤進(jìn)行計(jì)算。在具體計(jì)算過程中，首先在水稻直播機(jī)原來的方向盤上安裝了一套減速機(jī)構(gòu)，并且由控制器發(fā)出的CAN信號實(shí)現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。在具體的控制過程中，主要是通過1：10的比例，將減速比轉(zhuǎn)到方向盤上，并且再經(jīng)由方向盤帶動農(nóng)機(jī)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)直播機(jī)車輪的轉(zhuǎn)向。接著，這種轉(zhuǎn)向信息又會被直播機(jī)上安裝的角度傳感器獲得，之后再將信號發(fā)送給控制器。

3.2 軌跡跟蹤計(jì)算法

在通過軌跡跟蹤計(jì)算時(shí)，主要是通過建立坐標(biāo)的方式進(jìn)行，例如：以AB為縱軸，以AB垂直線為橫軸，接著根據(jù)建立的坐標(biāo)（如圖1所示）。

在具體的計(jì)算過程中，以拖拉機(jī)后輪軸的中心作為參考點(diǎn)，然后建立水稻直播機(jī)的運(yùn)動學(xué)模式。

在公式（1）中，v是直播機(jī)后輪軸中心的線速度，θ 則表示直播機(jī)航向角，l則表示前后軸間距，δ 則表示直播機(jī)前輪轉(zhuǎn)角，且向左偏位正，向右偏為負(fù)。

之后再結(jié)合水稻直播機(jī)的直線跟蹤模型（如圖2所示）。

根據(jù)圖中的幾何關(guān)系，并結(jié)合相關(guān)的數(shù)學(xué)知識，進(jìn)行精確的計(jì)算，得出以下幾個(gè)式子：

根據(jù)公式（7），可以精確計(jì)算出水稻直播機(jī)當(dāng)前時(shí)刻的位置，以及確定航向角的最佳轉(zhuǎn)角，以實(shí)現(xiàn)對水稻直播機(jī)進(jìn)行精準(zhǔn)的控制。

最后，為了進(jìn)一步確定水稻直播機(jī)的精準(zhǔn)度，還必須要通過田地實(shí)驗(yàn)，并進(jìn)行準(zhǔn)確的跟蹤，并作出精確的數(shù)據(jù)記錄。之后在對數(shù)據(jù)、誤區(qū)進(jìn)行準(zhǔn)確的分析，并據(jù)此對誤差進(jìn)行不斷調(diào)整，以不斷完善水稻直播機(jī)的自動駕駛系統(tǒng)的控制，從而滿足水田精準(zhǔn)的播種要求。

4 結(jié)束語

綜上所述，本論文以水稻直播機(jī)自主駕駛系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為出發(fā)點(diǎn)，通過硬件改造、軟件系統(tǒng)的構(gòu)建，并通過準(zhǔn)確的計(jì)算方法，最后經(jīng)過實(shí)驗(yàn)的不斷完善和調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)水稻直播機(jī)自主駕駛系統(tǒng)的精準(zhǔn)控制，滿足水田播種精準(zhǔn)的要求。

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項(xiàng)目基金：安徽省高校優(yōu)秀青年人才支持計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目《創(chuàng)新型機(jī)電一體化技術(shù)高技能人才培養(yǎng)體系與教學(xué)體系研究》項(xiàng)目編號：gxyqZD2016532；安徽省質(zhì)量工程項(xiàng)目機(jī)電一體化技術(shù)特色專業(yè)建設(shè)2014tszy052；安徽省高校自然科研重點(diǎn)項(xiàng)目KJ2016A519。

作者簡介：孫亮（1983-），男，安徽池州人，碩士，講師，研究方向：機(jī)械制造、工程材料。