蘇建國 王文卿 謝洪德

摘? 要：該設計的目的是改善履帶式草捆打捆機駕駛人員的勞動環(huán)境。強光、高溫、揚塵、噪聲、植物廢屑等惡劣條件并存的工作環(huán)境，會加快駕駛人員疲勞感的出現(xiàn)，甚至會造成安全事故。改用遙控駕駛，可使駕駛人員遠離惡劣作業(yè)環(huán)境，使操作人員借助車身四周攝像頭無線傳輸?shù)娇刂泼姘宓膶崟r畫面，操控安裝在便攜式控制面板上的手柄，控制車輛的前進、后退、轉向以及割臺升降、撿拾器翻轉、吐捆等操縱動作，有效地避開惡劣的作業(yè)環(huán)境，將更多精力集中在生產(chǎn)勞動本身上。

關鍵詞：履帶式打捆機;無線遙控;農(nóng)用車

中圖分類號：TP242? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）17-0047-03

Abstract：The purpose of this design is to improve the working environment of crawler baler drivers. Strong light，high temperature，dust，noise，plant waste and other adverse working environment，will accelerate the drivers fatigue，and even cause safety accidents. By using remote control driving，the operator can be far away from the bad working environment. With the help of the camera around the car body，the operator can wirelessly transmit the real-time picture of the control panel，control the handle installed on the portable control panel，control the vehicles forward，backward，steering，header lifting，pickup overturning，baling，etc.，effectively avoid the harsh working environment and concentrate more energy in the production of labor itself.

Keywords：crawler baler;wireless remote control;agricultural vehicle

0? 引? 言

本文設計的履帶式打捆機是在作者工作單位立項的項目。文章以目前市場上尚未發(fā)現(xiàn)有實際投產(chǎn)的履帶式打捆機為基礎，闡述了其無線遙控實施方案的選擇、實施過程及實施效果。主要研究內容是對機車前進后退的控制、轉向的實現(xiàn)、直接控制、遠程遙控、遠程四畫面監(jiān)控和其他運動部分控制的實現(xiàn)。面對的讀者人群為農(nóng)機自動控制研發(fā)者、農(nóng)機企業(yè)技術人員等。

1? 市場需求

本設計的出發(fā)點基于農(nóng)用機車生產(chǎn)企業(yè)在與客戶溝通中獲得頻次很高的信息。鑒于當前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)勞動中，規(guī)模化生產(chǎn)越來越多，務農(nóng)人員越來越少，耕作人員年齡普遍較高，社會對如何提高自動化、降低對操作人員技術要求、改善生產(chǎn)條件的期待越來越高。在這種情況下，我們對履帶式打捆機進行了無線遙控改造。

2? 技術要求

按照國家相應規(guī)范，根據(jù)廠家提出的要求，比對車體原有控制系統(tǒng)，技術上要完成以下指標：

（1）一千米無視距障礙下，實現(xiàn)穩(wěn)定遙控機車的前進、后退、轉向、剎車、急停及打捆機割臺升降、彈齒撿拾器的翻轉、打捆、吐捆等操作;

（2）打捆機車體本身也要配有直接控制部分，功能同遙控，為了安全只有車體本身可以點火啟動;

（3）一千米無視距障礙下，機車前后左右四方向實時畫面在自建網(wǎng)絡下無線傳輸?shù)讲僮髅姘?

（4）便攜式操作面板必須集成顯示監(jiān)控畫面和車體遙控部分;

（5）便攜式操作面板使用可充電鋰電池組;

（6）由于顯示部分耗電較大，為防止遙控部分低電量后車體失控，便攜式操作平臺的顯示和控制部分由各自完全獨立的電源供電;

（7）車身移動中有人體紅外感應剎車功能;

（8）打捆機落捆計數(shù)在便攜式操作面板顯示。

3? 過程實現(xiàn)

3.1? 監(jiān)控畫面無線實時傳輸部分

按照技術要求，本部分分為畫面采集部分、畫面?zhèn)鬏敳糠帧嬅孓D碼部分和畫面顯示部分。本過程用到的所有數(shù)字攝像頭、交換機、無線網(wǎng)橋、解碼器、顯示器全部采用12 V直流電統(tǒng)一供電。整個畫面監(jiān)控框圖如圖1所示。

3.1.1? 畫面采集部分

在車體四周的合適位置各設置了一個有網(wǎng)線接頭的數(shù)字攝像頭，本部分的攝像頭需要設置IP地址，盡量保持銷往同一個地區(qū)所有的攝像頭都有唯一IP地址，防止多臺設備同場工作時產(chǎn)生干擾。另外，需要做好記錄，一個車身的四個攝像頭必須和顯示部分的解碼器嚴格對應。

3.1.2? 畫面?zhèn)鬏敳糠?/p>

所有數(shù)字攝像頭通過網(wǎng)線連接到交換機，交換機信號再連接到無線子網(wǎng)橋，通過無線子網(wǎng)橋再傳遞到無線主網(wǎng)橋。本部分涉及的網(wǎng)線全部使用超六類純銅有金屬屏蔽帶耐磨棉網(wǎng)編織的成品網(wǎng)線，所有接頭處均進行了防水、防塵、防松動處理。而且留有一定緩沖長度。網(wǎng)線在布線過程中避開了震動強、可移動的部分以及油路等，盡可能防止所有安全隱患。

3.1.3? 畫面轉碼部分

無線主網(wǎng)橋接收到無線子網(wǎng)橋信號后傳輸?shù)浇獯a器網(wǎng)絡接口，由解碼器將四通道實時視頻信號處理為一個畫面顯示。解碼器輸出接口選用有HDMI的型號，方便后端顯示部分的選型以及中間調試。本部分需要設置通道參數(shù)及IP地址等，必須和攝像頭部分嚴格對應。同時保證所有車臺通道設置的一致性。比如前方攝像頭固定到左上角，后方在右上角，左邊攝像頭在左下，右邊攝像頭在右下。

3.1.4? 畫面顯示部分

集中顯示在12寸液晶彩色顯示器上。因為解碼器和顯示器耗電量較大，本部分的供電采用了16 800 mAh的可充電鋰電池組單獨為其供電。考慮到大部分打捆機是在高光照的野外工作，所以顯示器必須選用高亮度型液晶顯示器，并將亮度設置在最高亮度。

3.2? 直接控制及無線遙控部分

3.2.1? 便攜式操作平臺車體遙控部分

遙控部分基于STM32F1xx系列32位微控制器開發(fā)，其具有響應速度快、計算能力強的特點。方向控制使用類似玩具車式的遙控手柄，操作人員經(jīng)過簡單培訓即可上手。無線數(shù)傳模塊采用點對點通信方式，確保一個遙控裝置只能控制一臺機車，防止多臺同型號車同場工作時帶來干擾。操作人員對設備的操作通過STM32F1xx系列微控制器轉換后經(jīng)過無線數(shù)傳模塊由天線發(fā)出。

本部分的供電采用完全獨立的可充電的較大容量的鋰電池組供電。同時設計有低電量聲光報警裝置，確保在遙控過程中不會因遙控器電量不足引起機車失控問題。

整個遙控部分的防護方面，為確保在一般陰雨沙塵天氣或塵土飛揚的農(nóng)地作業(yè)條件下不影響正常操作，我們采取了以下措施：

（1）開關均采用IP67防護安全級別的金屬開關;

（2）充電口用橡膠塞全覆蓋;

（3）所有外表定位螺絲全部用熱熔膠覆蓋;

（4）內部線路板、天線和電池均有減緩震動帶來損傷的措施;

（5）天線在遙控器內部隱藏，防止意外觸碰。

整個遙控操作平臺框圖如圖2所示。

3.2.2? 車身控制部分

遙控信號經(jīng)過天線接收后由無線數(shù)傳模塊解析，然后經(jīng)串口傳送給PLC，PLC處理后由下級傳動機構執(zhí)行。

3.2.2.1? 前進、后退及速度控制部分

原機這兩個方向是單拉桿拉動方式控制前進、后退及速度快慢。前進和后退的控制由拉桿處于中位前或中位后決定（中位提前標定出來）。速度由拉桿離中位的遠近決定，距離中位越遠速度越快。改進后的設計為，使用12 V短行程、大扭矩電動推桿代替原先拉桿控制前進后退。其中前進和后退之間的中位是通過運動調試的方式最終確定。

3.2.2.2? 左右轉向控制部分

直接控制兩個轉向電磁閥：正向行駛時，兩個閥全開通;轉向時，一個開通、一個關閉，比如左轉時左轉向閥關閉、右轉向閥開通，剎車時兩個閥全關閉。本部分需要說明的是轉彎的有效性和最小轉彎半徑問題，由于這種轉彎系統(tǒng)必須在車體已經(jīng)移動的情況下才能工作。機身如果靜止，轉向不能實現(xiàn)，機身行進速度過慢，轉向也不能實現(xiàn)，機身行進速度過快，則轉彎半徑太大，而且容易引起很大安全事故。

3.2.2.3? 直接控制部分

打捆機雖然大部分時間工作在田間，但從存放地點和工作地點間移動過程中，難免有進入公路的情況。為確保車輛行進過程中完全受控，所以在設計中將原駕駛室的直接控制系統(tǒng)部分保留，但完全改造成和遙控系統(tǒng)完全融合的直接控制系統(tǒng)。本部分所用的按鈕、手柄等設備的防護方面采用了和遙控器相同規(guī)格的防濺水、防沙塵措施。

3.2.2.4? 車載部分的供電

采用的方法是：將車載電平經(jīng)逆變器逆變成交流220 V，再供給PLC，直流12 V由逆變出來的交流220 V經(jīng)開關電源變成直流12 V后再供給無線網(wǎng)橋、數(shù)字攝像頭、交換機等使用。此處需要說明，機車發(fā)動機的發(fā)電機功率要跟得上，車載電平最好選用100 Ah以上大容量型號。否則，因其轉向、割臺升降、打捆的液壓控制部分大量頻繁使用電磁閥，耗電量較大，如果電量不能得到及時補充，會導致機車無法正常工作。

3.2.2.5? 其他部分

割臺升降、彈齒撿拾器、打捆機后蓋均通過用PLC控制相應電磁閥以液壓驅動的方式工作。落捆部分在原落捆擋板處添加限位開關，開關信號由PLC按打捆機工作流程統(tǒng)一處理。

機車整體控制部分框圖如圖3所示。

3.3? 整車安裝及布線

整車由于改裝和加裝了較多的電氣設備，其安裝布局采取安全及就近原則：

（1）安全方面全面按國家安規(guī)進行設計，所有線束的敷設、控制箱的接口等均采取相應電氣安全保護措施和防水防塵設計;

（2）布局方面，在原駕駛儀表臺下方集中放置整車電磁閥系統(tǒng)。為節(jié)省空間及便于線下裝配，將多路電磁閥整合在一個閥體上，由于是油路和電路的交接處，為防止意外碰觸等原因，在控制閥外面增加可移動的護板?？刂葡鋬劝≒LC及相應接線、逆變器、開關電源、交換機、濾波器等，對控制線束進行了規(guī)范布置。

4? 結? 論

本設計在山東省濰坊市的農(nóng)地里進行了多次樣機實驗。對其液壓與電控之間的配合做了多次調試;對其前進、后退、轉彎的速度控制方面的參數(shù)多次修正;對電動推桿的選型進行了多次嘗試。經(jīng)過多方面調整后，最終廠家提出的技術要求全部實現(xiàn)，另外，車輛行進的加減速過程流暢，轉彎半徑理想，控制距離在無視距障礙下一千米穩(wěn)定可靠。

企業(yè)對遙控效果非常滿意，準備推向市場以及將其他類型的農(nóng)用機車也升級成可遙控操作。同時也提出了更高要求：機車的最小制動距離仍然較大，最好再進行優(yōu)化;為便攜式遙控面板添加更好的人機交互界面：遙控面板剩余電量的實時顯示、操作人員與車體實時距離、遙控信號強度、油量表等;遙控面板合理安裝在便攜式箱體內，并配置折疊式三角支架，以減輕操作者的勞動強度。

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作者簡介：蘇建國（1967.11—），男，漢族，山東肥城人，副教授，工學碩士，本科，主要研究方向：現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備的研發(fā)。