印 祥，俞 康，劉崗微，杜 娟，金誠(chéng)謙,2

(1.山東理工大學(xué)，山東 淄博 255000；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部 南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京 210014)

0 引言

高地隙植保機(jī)作為一類自走式農(nóng)業(yè)機(jī)械，具有高地隙底盤和寬幅噴霧噴桿，適用于大田作物的病蟲害防治和葉面肥噴施。由于存在霧滴飄移現(xiàn)象，在實(shí)際作業(yè)過(guò)程中要求作業(yè)人員穿戴防護(hù)用具以避免農(nóng)藥中毒[1-4]。在農(nóng)作物病蟲害發(fā)生的季節(jié)，往往溫度較高，作業(yè)環(huán)境惡劣，而采用遠(yuǎn)程操作和自主作業(yè)等方式能夠使操作人員遠(yuǎn)離作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)、減少農(nóng)藥中毒等作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)[5-7]。

隨著農(nóng)業(yè)裝備自動(dòng)化和智能化水平的不斷提高，農(nóng)田車輛如聯(lián)合收獲機(jī)、高速插秧機(jī)、拖拉機(jī)等的自動(dòng)導(dǎo)航和智能控制得以實(shí)現(xiàn)[8-10]，而實(shí)現(xiàn)農(nóng)田車輛智能控制的前提是農(nóng)田車輛的自動(dòng)操作和作業(yè)機(jī)具的自動(dòng)控制[11]。對(duì)于高地隙植保機(jī)而言，要求其具備自動(dòng)轉(zhuǎn)向、速度自動(dòng)控制、噴桿自動(dòng)調(diào)節(jié)及噴霧自動(dòng)調(diào)節(jié)等基本功能。

本文針對(duì)高地隙植保機(jī)的噴桿自動(dòng)控制，在保留雷沃ARBOS高地隙植保機(jī)手動(dòng)噴桿控制功能的前提下，研制了具備串口通信功能的噴桿自動(dòng)控制裝置。該裝置能夠接收遙控器發(fā)出的操作指令，控制電動(dòng)推桿的伸縮以完成左右噴桿的伸展和噴桿高度的調(diào)節(jié)，同時(shí)控制液泵動(dòng)力的通斷。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

以雷沃ARBOS高地隙植保機(jī)為試驗(yàn)平臺(tái)，結(jié)合其噴藥系統(tǒng)操作機(jī)構(gòu)和功能特點(diǎn)，研制了噴桿自動(dòng)控制裝置，如圖1所示。該裝置主要包括自動(dòng)控制單元、繼電器模組、遙控器與接收機(jī)及數(shù)據(jù)處理單元等。數(shù)據(jù)處理單元用以接收遙控器發(fā)出的控制信號(hào)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后通過(guò)串口將控制指令發(fā)送至電子控制單元；電子控制單元接收和解析控制指令，向繼電器模組發(fā)送控制信號(hào)以控制工作電機(jī)的正反轉(zhuǎn)和電磁離合器的吸合，從而實(shí)現(xiàn)噴桿的伸展和高度調(diào)節(jié)及液泵的起停。

圖1 控制裝置構(gòu)成

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 繼電器模組

雷沃ARBOS高地隙植保機(jī)噴桿控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要包括左側(cè)推桿、右側(cè)推桿、升降推桿、升降機(jī)構(gòu)及用于控制液泵工作的電磁離合器，如圖2所示。

圖2 高地隙植保機(jī)

其中，左側(cè)推桿和右側(cè)推桿分別用以左右噴桿的收納和伸展；升降推桿和升降機(jī)構(gòu)用于調(diào)節(jié)噴桿的作業(yè)高度；電磁離合器用于控制液泵的動(dòng)力通斷。工作時(shí)，通過(guò)操作雙刀雙擲開關(guān)控制推桿電機(jī)的正反轉(zhuǎn)以實(shí)現(xiàn)推桿的伸縮。手動(dòng)控制電路原理如圖3所示。

圖3 手動(dòng)控制電路原理圖

基于上述噴桿控制原理，在原有控制電路的基礎(chǔ)上，采用并聯(lián)繼電器模組的方法，以實(shí)現(xiàn)推桿電機(jī)和電磁離合器的自動(dòng)控制，并保留噴桿的手動(dòng)操作功能?；诶^電器模組的噴桿自動(dòng)控制電路如圖4所示。每個(gè)電動(dòng)推桿的伸縮由兩組繼電器控制，推桿電機(jī)的兩端均連接公共端，繼電器的常開端和常閉端通過(guò)保險(xiǎn)片分別連接電源正極和電源地。繼電器控制端IN+連接自動(dòng)控制單元的數(shù)字I/O口及IN-連接信號(hào)地，通過(guò)IN+端高/低電平的設(shè)定，可控制推桿電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)推桿的自動(dòng)控制。

圖4 自動(dòng)控制電路原理圖

2.2 數(shù)據(jù)處理單元

選用Arduino DUE開發(fā)板作為數(shù)據(jù)處理單元，接收并處理遙控器發(fā)出的操作信號(hào)，如圖5所示。采用六通道遙控器，其中的5個(gè)通道分別用以控制高地隙植保機(jī)的前進(jìn)/停止/后退、油門大小、噴桿的收納和伸展、噴桿的升降、電磁離合器的動(dòng)力通斷。因此，噴桿和液泵的遙控操作需占用3個(gè)通道，將接收機(jī)對(duì)應(yīng)輸出的3路PWM信號(hào)分別接至數(shù)據(jù)處理單元的數(shù)字I/O口：22、23和24。數(shù)據(jù)處理單元通過(guò)數(shù)字I/O口計(jì)算PWM信號(hào)占空比，根據(jù)占空比大小判斷噴桿的收納/伸展、噴桿的升降及液泵動(dòng)力的通斷等操作，并將操作指令數(shù)據(jù)打包后通過(guò)串口發(fā)送至自動(dòng)控制單元。

圖5 數(shù)據(jù)處理單元

數(shù)字I/O引腳接收到的PWM信號(hào)占空比S的范圍是(700，1 200)。當(dāng)S>1 000或S<900時(shí)，分別對(duì)應(yīng)噴桿的收納和伸展、噴桿的上升和下降、電磁離合器的接通和斷開。

2.3 自動(dòng)控制單元

自動(dòng)控制單元是噴桿自動(dòng)控制的核心，用以讀取和解析操作指令，向繼電器模組發(fā)送控制信號(hào)。根據(jù)噴桿自動(dòng)控制系統(tǒng)的功能要求，以Microchip公司的PIC18F458單片機(jī)為中央處理器，設(shè)計(jì)并制作了如圖6所示的自動(dòng)控制單元。

圖6 自動(dòng)控制單元

自動(dòng)控制單元根據(jù)串口接收到的控制指令，通過(guò)數(shù)字I/O口D0-D7向繼電器模組控制端發(fā)送高/低電平信號(hào)，以控制推桿電機(jī)的正反轉(zhuǎn)和電磁離合器的吸合。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 噴桿控制方法

當(dāng)噴桿伸展時(shí)，自動(dòng)控制單元從引腳D0和D1分別發(fā)出高電平和低電平信號(hào)、從引腳D2和D3分別發(fā)出高電平和低電平信號(hào)，使兩側(cè)的推桿電機(jī)正轉(zhuǎn)將推桿伸出，同時(shí)打開左右噴桿。

當(dāng)噴桿收納時(shí)，自動(dòng)控制單元從引腳D0和D1分別發(fā)出低電平和高電平信號(hào)、從引腳D2和D3分別發(fā)出低電平和高電平信號(hào)，使兩側(cè)的推桿電機(jī)反轉(zhuǎn)將推桿收縮，同時(shí)收納左右噴桿。

噴桿的升降通過(guò)調(diào)節(jié)推桿電機(jī)的伸出長(zhǎng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)，而推桿電機(jī)的伸縮需要根據(jù)操作指令實(shí)時(shí)控制。噴桿升高時(shí)，自動(dòng)控制單元從引腳D4和D5分別發(fā)出高電平和低電平信號(hào)，使推桿電機(jī)正轉(zhuǎn)將推桿伸出，借助平行四邊形升降機(jī)構(gòu)將噴桿提升；噴桿降低時(shí)，自動(dòng)控制單元從引腳D4和D5分別發(fā)出低電平和高電平信號(hào)，使推桿電機(jī)反轉(zhuǎn)將噴桿降低。

電磁離合器受控于電流的通斷，當(dāng)需要其吸合時(shí)，自動(dòng)控制單元從引腳D6發(fā)出高電平信號(hào)，使電磁離合器控制電流接通，電磁離合器吸合，從而將動(dòng)力傳遞至液泵。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)噴桿控制系統(tǒng)硬件電路、信號(hào)傳輸形式、噴桿動(dòng)作要求及執(zhí)行機(jī)構(gòu)特點(diǎn)等，制定了系統(tǒng)的工作流程，如圖7所示。系統(tǒng)初始化后，數(shù)據(jù)處理單元接收遙控信號(hào)，進(jìn)行信號(hào)處理后通過(guò)串口發(fā)送操作指令；自動(dòng)控制單元根據(jù)接收到的操作指令，控制繼電器模組輸入控制端口的高/低電平，改變推桿電機(jī)的電流方向，從而實(shí)現(xiàn)各推桿電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。

根據(jù)圖7所示的工作流程，利用Arduino開發(fā)環(huán)境和MPLAB IDE開發(fā)環(huán)境分別開發(fā)了數(shù)據(jù)處理單元程序和自動(dòng)控制單元程序，并在仿真測(cè)試的基礎(chǔ)上完成了電路板設(shè)計(jì)制作和元器件的安裝調(diào)試。

圖7 控制系統(tǒng)工作流程圖

4 試驗(yàn)測(cè)試與結(jié)果分析

將所研制的噴桿自動(dòng)控制裝置集成到雷沃ARBOS高地隙植保機(jī)上，在山東理工大學(xué)圖書館南側(cè)進(jìn)行了田間試驗(yàn)測(cè)試，對(duì)該裝置的工作性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

4.1 噴桿的收納和伸展

在噴桿完全收納的狀態(tài)下，操作遙控器向噴桿自動(dòng)控制裝置發(fā)出噴桿伸展指令，并用秒表記錄遙控器指令發(fā)出與噴桿達(dá)到完全伸展?fàn)顟B(tài)之間的時(shí)間間隔。同樣地，在噴桿完全伸展的狀態(tài)下，用秒表記錄從遙控器指令發(fā)出到噴桿完全收納所需的時(shí)間。上述過(guò)程重復(fù)5次，所得試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

噴桿從收納狀態(tài)到完全伸展所需的平均時(shí)間為5.49s，從伸展?fàn)顟B(tài)到完全收納所需的平均時(shí)間為6.27s。收納時(shí)，電動(dòng)推桿需要克服兩側(cè)噴桿的重力，與伸展時(shí)相比負(fù)載較大，因此所需時(shí)間較長(zhǎng)。

表1 噴桿的收納和伸展時(shí)間

4.2 噴桿的高度調(diào)節(jié)

在噴桿的高度調(diào)節(jié)試驗(yàn)中，采用日本北洋公司的UTM-30LX型激光測(cè)距儀測(cè)量噴桿的離地高度并輸出高度數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)輸出頻率為10Hz，用秒表記錄噴桿從最高點(diǎn)到最低點(diǎn)所需的時(shí)間。

將激光測(cè)距儀安裝于噴桿的中心位置，用筆記本電腦記錄其輸出數(shù)據(jù)。在噴桿處于最低位置時(shí)，操作遙控器發(fā)出噴桿上升指令，上升過(guò)程中所記錄的高度數(shù)據(jù)如圖8所示。由圖8可知：噴桿的最大離地間隙和最小離地間隙分別為1.48m和0.48m。

圖8 噴桿高度

同時(shí)，用秒表記錄遙控器指令發(fā)出后噴桿到達(dá)最高位置所需的時(shí)間和噴桿到達(dá)最低位置所需的時(shí)間，試驗(yàn)重復(fù)5次，所記錄的時(shí)間數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 噴桿的上升和下降時(shí)間

噴桿從最低位置到達(dá)最高位置所需平均時(shí)間為4.03s，從最高位置到達(dá)最低位置所需平均時(shí)間為3.70s。噴桿上升時(shí)，電動(dòng)推桿需要克服噴桿重力，其負(fù)載較大，因此與下降時(shí)間相比上升所需時(shí)間較長(zhǎng)。

試驗(yàn)結(jié)果顯示：所研制的噴桿自動(dòng)控制裝置能夠接收遙控器的操作指令，完成噴桿的收納和伸展、噴灑高度調(diào)節(jié)及液泵的動(dòng)力通斷等功能的自動(dòng)控制，具備良好的控制穩(wěn)定性和可靠性，能夠滿足高地隙植保機(jī)自動(dòng)控制的基本要求。

5 結(jié)論

1)研制了高地隙植保機(jī)噴桿自動(dòng)控制系統(tǒng)與裝置，能夠通過(guò)串口接收操作指令自動(dòng)完成噴桿的伸展和收納、噴桿的高度調(diào)節(jié)、液泵的起停。

2)在保留噴桿手動(dòng)控制功能的前提下，采用繼電器模組控制推桿電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，模組控制端連接自動(dòng)控制單元的數(shù)字I/O口，實(shí)現(xiàn)了執(zhí)行元件的自動(dòng)控制。

3)田間測(cè)試表明：該裝置能夠正確接收遙控器發(fā)出的操作指令，完成左右噴桿的同步動(dòng)作和高度的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，具備良好的可靠性，能夠滿足高地隙植保機(jī)自動(dòng)控制的基本要求。

4)自動(dòng)控制單元能夠通過(guò)串口接收其它控制裝置的操作指令，為高地隙植保機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航、自主作業(yè)等智能控制系統(tǒng)的開發(fā)提供了一定的技術(shù)支撐。