孫祥青

(南京理工大學 機械工程學院，江蘇 南京 210094)

0 引言

輪式聯(lián)合收割機在我國北方大量旱田谷物收割中的應用十分廣泛，但是目前收割機的自動化、智能化程度依然不高，收割作業(yè)過程主要依賴駕駛人員的手動機械操控，存在調(diào)節(jié)實時性差、精度低、駕駛人員勞動強度高等問題[1]?！丁爸袊圃?025”重點領域技術路線圖(2015版)》將農(nóng)業(yè)裝備列為十大重點領域之一，其中對收割機的智能化發(fā)展也做出了具體指導，收割機應具備故障診斷、主要參數(shù)實時采集與自動監(jiān)控等功能[2]。

本文針對收割機操控中存在的問題，結合創(chuàng)新綠皮書的相關指導，設計了以ARM Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103VET6微處理器為控制核心的輪式聯(lián)合收割機智能輔助操控系統(tǒng)。利用多種傳感器實時采集收割機關鍵部位的運行狀態(tài)信息，采用A/D輸出和I/O輸出的方式分別智能調(diào)節(jié)收割機行駛速度和割臺高度，通過控制器局域網(wǎng)絡(CAN)總線將運行信息顯示在觸摸屏上，并通過觸摸屏設定運行參數(shù)、下達控制指令，實現(xiàn)便捷的人機交互，從而實現(xiàn)協(xié)助收割機駕駛人員進行智能輔助操控[3]。

1 系統(tǒng)設計方案

收割機的操控主要包括割臺高度控制、收割速度調(diào)節(jié)、收割機運行情況監(jiān)視等，目前收割機的上述操控還主要依賴駕駛人員的手動控制。手動控制存在實時性差、精度低等缺陷，由于收割機作業(yè)環(huán)境比較惡劣，手動操控大大增加了駕駛人員的工作強度。為解決上述問題，輪式聯(lián)合收割機輔助操控系統(tǒng)先通過傳感器實時采集收割機關鍵部位運行信息，再對信息進行相應的數(shù)據(jù)處理，然后根據(jù)處理結果控制相關執(zhí)行機構動作，或者將結果輸出至觸摸屏上，供收割機駕駛人員進行人機交互操作。

系統(tǒng)主要由傳感采集模塊、控制主板、人機交互模塊、動作執(zhí)行模塊組成，如圖1所示。

圖1 輪式聯(lián)合收割機輔助操控系統(tǒng)設計方案

傳感采集模塊包括：兩路超聲波測距傳感器、四路轉速傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器。兩路超聲波測距傳感器分別測量割臺兩側距離地面高度，并將測量結果通過IIC總線傳輸至控制主板；轉速傳感器通過脈沖計數(shù)方式分別測量收割機發(fā)動機轉速、行駛速度、攪籠轉速、滾筒轉速[4]；溫度傳感器用于測量水箱溫度；壓力傳感器用于測量機油壓力。

控制主板以STM32微處理器為核心，輔以最小系統(tǒng)電路、A/D采集電路、脈沖信號計數(shù)電路、D/A輸出電路、IIC接口電路、CAN總線接口電路，實現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、控制信號輸出以及人際交互等功能。

人機交互模塊以觸摸屏作為操作界面，通過CAN總線通信方式實現(xiàn)控制主板與觸摸屏之間的數(shù)據(jù)傳輸，將收割機各項作業(yè)狀態(tài)參數(shù)顯示在觸摸屏上。必須保證數(shù)據(jù)刷新頻率>2次/s，以保證數(shù)據(jù)的實時性，駕駛人員也可以通過觸摸屏輸入各項收割機調(diào)整參數(shù)和操控命令。

動作執(zhí)行模塊包括兩個部分：割臺高度調(diào)節(jié)、無極變速器HST調(diào)節(jié)。割臺高度調(diào)節(jié)部分根據(jù)傳感器所測得的割臺高度數(shù)據(jù)進行判斷，并輸出控制信號，使割臺高度維持在設定范圍內(nèi)。為保證作業(yè)的安全性，割臺動作響應時間應<0.1 s；無極變速器HST調(diào)節(jié)部分，通過D/A輸出0～3.3 V電壓，再經(jīng)電壓-電流轉換模塊輸出0～1 A電流控制HST變速比調(diào)節(jié)，速度調(diào)節(jié)誤差需控制在10%以內(nèi)，從而達到收割機行駛速度精確調(diào)節(jié)的目的。

2 系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)硬件主要由溫度壓力A/D采集模塊、割臺高度測量模塊、轉速測量模塊、HST調(diào)速控制模塊、割臺電磁換向閥控制模塊以及觸摸屏組成。溫度壓力A/D采集和轉速測量的結果將實時顯示在觸摸屏上，割臺高度測量的結果是割臺電磁換向閥控制的依據(jù)，轉速測量的結果是HST調(diào)速控制的依據(jù)，通過觸摸屏還可以進行控制參數(shù)的輸入。

2.1 溫度壓力A/D采集

水箱溫度測量和機油壓力測量所采用的傳感器均為可變電阻式傳感器，測量范圍為0 ℃～150 ℃,壓力傳感器測量范圍為0～1.0 MPa。圖2為控制主板上的溫度和壓力兩路A/D采集的電路，X10和X11分別接溫度傳感器和壓力傳感器，通過A/D采集得到傳感器的分壓值，即可得到當前A/D采集的電壓值所對應的溫度或壓力值。由于傳感器說明書中阻值與溫度或壓力對應關系的數(shù)據(jù)較少，導致按照上述方法所測的溫度和壓力不準確。為解決這一問題，采取了根據(jù)實驗中所測得的A/D采集電壓與對應的實際溫度與壓力值進行數(shù)據(jù)擬合的方法。數(shù)據(jù)擬合后得到溫度-電壓曲線為：T=-46.13×V+148.92，壓力-電壓曲線為：P=(215.38×V-50.76)/(527.79-175.57×V)+0.13。根據(jù)這兩組曲線便可以通過A/D采集方式精確測

得任意時刻的水箱溫度與機油壓力。

圖2 溫度壓力A/D采集電路

2.2 割臺高度測量

割臺高度測量使用了2個高精度超聲波測距傳感器，分別測量割臺兩側距離地面的高度[5]。采用的是數(shù)字式超聲波測距傳感器KS103，其測量范圍可達10 m，近距離測量精度可達1 mm，并且包含實時溫度補償，根據(jù)不同測量指令以數(shù)字形式直接輸出距離值mm或時間值us，工作溫度：-30 ℃～85 ℃，工作電壓：DC 3.0 V～5.5 V，工作電流：1.6 mA～2.7 mA。它使用IIC/串口接口與主機通信，能自動響應主機的I2C/串口控制指令，為了保證割臺高度控制的實時性，采用速度更高的IIC總線通信方式發(fā)送指令以及讀取數(shù)據(jù)。根據(jù)系統(tǒng)需求采用0xb4測量指令，設定傳感器測量范圍為0～5 m，輸出帶有實時溫度補償?shù)膯挝粸閙m的距離值。

2.3 轉速測量

系統(tǒng)中共有4路轉速測量，分別是發(fā)動機轉速、行駛速度、攪籠轉速、滾筒轉速。其中行駛速度測量采用的是霍爾式轉速傳感器，發(fā)動機轉速、攪籠轉速、滾筒轉速測量均采用磁電式轉速傳感器。由于霍爾式轉速傳感器直接輸出脈沖信號，而磁電式轉速傳感器輸出的是正弦波信號，所以其所對應的測量電路也有所不同[6]。圖3為霍爾式轉速傳感器測量電路，由三極管開關電路和光耦組成。傳感器的脈沖信號輸入至微處理器的脈沖計數(shù)口。圖4為磁電式轉速傳感器測量電路，由濾波電路、整形電路、放大器、比較器、光耦組成，將傳感器的正弦波信號轉變?yōu)槊}沖信號傳輸至微處理器的脈沖計數(shù)口。

圖3 霍爾式轉速測量電路

圖4 磁電式轉速測量電路

2.4 HST調(diào)速控制

收割機行駛速度控制是通過發(fā)動機油門與HST變速比調(diào)節(jié)實現(xiàn)的，其中HST變速比調(diào)節(jié)有兩種控制方式：機械手柄控制和電流控制。機械手柄控制方式存在操控不方便和調(diào)速不精確的問題，采用電流控制方式可以有效解決這些問題。圖5為HST調(diào)速控制電路，由兩路D/A輸出組成，分別輸出前進和后退控制電壓，D/A輸出電壓經(jīng)過一階低通濾波后輸出至電壓-電流轉換模塊的輸入口，電壓-電流轉換模塊將前進和后退D/A輸出的0～3.3 V電壓轉換為0～1 A電流，控制HST的變速比調(diào)節(jié)以及換向。

2.5 割臺電磁換向閥控制

通過割臺控制液壓回路中電磁換向閥的換位可以使割臺控制液壓缸伸出或縮回，從而調(diào)節(jié)割臺高度。圖6為割臺電磁換向閥控制電路，由兩路I/O輸出和三極管開關電路以及繼電器組成，兩路I/O輸出分別控制電磁換向閥左右線圈的通電與斷電。當PA1輸出高電平時，三極管Q801處于飽和狀態(tài)，繼電器J1吸合，電磁換向閥左邊線圈通電，電磁換向閥處于左位，割臺升高；當PA6輸出高電平時，三極管Q901處于飽和狀態(tài)，繼電器J11吸合，電磁換向閥右邊線圈通電，電磁換向閥處于右位，割臺降低。

圖5 HST調(diào)速控制電路

圖6 割臺電磁換向閥控制電路

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 下位機軟件設計

下位機程序主要包括主程序和中斷服務程序。圖7為主程序的流程圖，在主程序中首先進行系統(tǒng)初始化配置，然后開啟定時器，之后循環(huán)進行割臺高度測量和調(diào)節(jié)、溫度和壓力A/D采集以及速度控制的PID計算并將計算結果進行D/A輸出。割臺高度測量和調(diào)節(jié)部分首先將兩側割臺高度的最小值Min(H1,H2)與設定范圍下限Hmin做比較，當Min(H1,H2)Hmax時，輸出割臺降低控制信號，根據(jù)割臺高度測量數(shù)據(jù)實時調(diào)節(jié)割臺高度，使割臺高度始終保持在設定范圍內(nèi)。

圖7 下位機主程序流程圖

當系統(tǒng)產(chǎn)生中斷請求時，則進入中斷服務程序，圖8為主程序的流程圖。在中斷服務程序中首先進行中斷類型判別(設計了兩種中斷類型的服務程序，分別是CAN接收中斷和定時器中斷)，之后進入相應的中斷程序中。當觸摸屏向控制主板通過CAN總線發(fā)送控制指令時，系統(tǒng)產(chǎn)生CAN接收中斷請求。在CAN接收中斷程序中，首先清除中斷標志，然后接收來自觸摸屏的控制參數(shù)，并進行相關參數(shù)的設定[7]；當定時器TIM2定時200 ms時間到之后，產(chǎn)生定時器中斷請求，在定時器中斷程序中，首先清除中斷標志，并讀取TIM1、3、4當前的計數(shù)值，然后計算各速度值，最后將要在觸摸屏上顯示的數(shù)據(jù)通過CAN總線發(fā)送至觸摸屏。中斷服務程序執(zhí)行完之后返回主程序。

圖8 下位機中斷服務程序流程圖

3.2 HST調(diào)速PID控制程序設計

為了達到通過HST變速比調(diào)節(jié)的方式對收割機行進速度進行精確控制的目的，在系統(tǒng)中加入了PID控制程序，圖9為HST調(diào)速PID控制原理圖。首先將觸摸屏傳送過來的設定轉速值按照轉速與電壓關系函數(shù)轉換為對應電壓值作為輸入，再將傳感器所測得的速度值轉換為對應電壓值作為反饋，對兩個電壓信號的差值進行增量式PID計算。計算過程為：U=R+kp×E(k)-ki×E(k-1)+kd×E(k-2)，再將計算結果進行D/A輸出，通過電壓-電流轉換模塊輸出電流至無級變速器HST，從而精確調(diào)節(jié)收割機行進速度。

圖9 HST調(diào)速PID控制原理圖

3.3 上位機軟件設計

系統(tǒng)以觸摸屏作為上位機，通過CAN總線與控制主板進行數(shù)據(jù)通信，在觸摸屏的組態(tài)軟件中進行上位機軟件的設計[8]。圖10為上位機主界面，主界面主要包括3個區(qū)域：收割機關鍵作業(yè)狀態(tài)監(jiān)控區(qū)、故障報警區(qū)、畫面切換區(qū)。在收割機關鍵作業(yè)狀態(tài)監(jiān)控區(qū)顯示發(fā)動機轉速、水箱溫度、機油壓力、行駛速度、攪籠和滾筒轉速，并可以進行行駛速度的設置；在故障報警區(qū)以走馬燈和蜂鳴器形式對超限狀態(tài)進行報警；在畫面切換區(qū)可以切換至參數(shù)設置、趨勢圖、報警記錄、數(shù)據(jù)記錄畫面，在趨勢圖、報警記錄、數(shù)據(jù)記錄畫面中對收割機的運行參數(shù)和狀態(tài)報警進行了圖表形式的記錄，方便后期的查看與分析。在參數(shù)設置畫面中可以對系統(tǒng)關鍵參數(shù)，如PID參數(shù)、速度上限、割臺高度范圍等進行設置。

圖10 上位機主界面

4 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)測試分為實驗室測試與田間作業(yè)測試，實驗室測試通過后再進行田間作業(yè)測試。圖11為測試過程中的上位機界面，直觀準確地實時顯示當前收割機作業(yè)的關鍵運行狀態(tài)，數(shù)據(jù)每200 ms更新一次；并且可以方便地進行速度調(diào)節(jié)與參數(shù)設置，速度調(diào)節(jié)誤差控制在5%以內(nèi)；收割作業(yè)過程中割臺高度會根據(jù)地形變化智能調(diào)節(jié)，割臺動作響應時間<50 ms。經(jīng)過實驗室測試與田間作業(yè)測試的雙重驗證，系統(tǒng)實現(xiàn)了割臺高度實時智能調(diào)節(jié)、收割速度精確調(diào)節(jié)、收割機關鍵運行狀態(tài)監(jiān)視等預期功能，使用該系統(tǒng)后駕駛人員的勞動強度大大降低，達到了收割機智能輔助操控的目的，系統(tǒng)表現(xiàn)出較高的實時性、精確性與穩(wěn)定性。

圖11 系統(tǒng)運行時上位機界面

5 結語

本文所設計的基于STM32微控制器的聯(lián)合收割機智能輔助操控系統(tǒng)，采用了CAN總線技術實現(xiàn)通過觸摸屏進行人機交互，利用多種傳感檢測技術配合執(zhí)行機構，實現(xiàn)了收割機關鍵運行狀態(tài)的實時監(jiān)測以及作業(yè)動作的智能精確控制，提高了收割機的智能化程度。系統(tǒng)亦可推廣至其他傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)機械的智能化改造中，對推動農(nóng)業(yè)裝備自動化、信息化、智能化發(fā)展具有重要意義。

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