袁正華

（上海世達(dá)爾現(xiàn)代農(nóng)機(jī)有限公司，上海 200245）

0 引言

智能化水稻追肥機(jī)械實(shí)現(xiàn)自主駕駛的前提是機(jī)械機(jī)構(gòu)能夠在控制器信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下完成相應(yīng)的動(dòng)作。智能化水稻追肥機(jī)械通過(guò)自動(dòng)控制、GPS或北斗系統(tǒng)導(dǎo)航、自主變量應(yīng)用等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)智能駕駛、自動(dòng)電器控制、遠(yuǎn)程遙控檢測(cè)的功能。

1 主要功能部件的研制

1.1 自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)

智能農(nóng)機(jī)自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制有兩種實(shí)現(xiàn)方式：液壓助力轉(zhuǎn)向和電動(dòng)控制轉(zhuǎn)向。液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)通過(guò)一套液壓助力機(jī)構(gòu)，通常有兩種形式：一類(lèi)是通過(guò)液壓缸助力來(lái)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向連桿機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。對(duì)這類(lèi)系統(tǒng)的自動(dòng)化改造可以通過(guò)并聯(lián)一個(gè)電磁換向閥來(lái)完成。控制器通過(guò)電信號(hào)驅(qū)動(dòng)電磁換向閥換向，液壓缸開(kāi)始運(yùn)動(dòng)并驅(qū)動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)，這種改造方式具有響應(yīng)快、驅(qū)動(dòng)力矩大的特點(diǎn)，但是要求液壓系統(tǒng)提供電磁換向閥的接口。另一類(lèi)是通過(guò)扭矩發(fā)生器來(lái)增大轉(zhuǎn)向力矩，這類(lèi)系統(tǒng)相當(dāng)于第一類(lèi)中液壓系統(tǒng)的換向閥和液壓缸集成到了一個(gè)扭矩發(fā)生器中，且這個(gè)集成的系統(tǒng)只提供一個(gè)進(jìn)油口和一個(gè)出油口，無(wú)法通過(guò)并聯(lián)電磁換向閥來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的自動(dòng)化改造。

本產(chǎn)品的轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)采取電動(dòng)控制轉(zhuǎn)向，通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方向盤(pán)實(shí)現(xiàn)，本機(jī)選用了上海聯(lián)適導(dǎo)航公司的EMS1產(chǎn)品，產(chǎn)品的特點(diǎn)是使用驅(qū)控一體化空心電機(jī)，扭矩大，無(wú)需改裝液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)轉(zhuǎn)向與自動(dòng)轉(zhuǎn)向的無(wú)縫切換。

1.2 油門(mén)自動(dòng)控制系統(tǒng)

油門(mén)在農(nóng)機(jī)行駛過(guò)程中是速度調(diào)節(jié)的關(guān)鍵，油門(mén)機(jī)構(gòu)自動(dòng)化必須考慮以下四個(gè)因素：a.最大推力和拉力不小于90N；b.蓄電池供電電壓為12V；c.具有位置反饋；d.手動(dòng)油門(mén)和自動(dòng)油門(mén)無(wú)沖突。

本產(chǎn)品的油門(mén)操作手柄使用電動(dòng)推桿直接連接柴油機(jī)上的油門(mén)調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸，控制油門(mén)開(kāi)度，實(shí)現(xiàn)油門(mén)調(diào)節(jié)，替代傳統(tǒng)的有級(jí)調(diào)速模式。電動(dòng)推桿采用上海達(dá)鐵機(jī)電科技有限公司的IMD3-12-10-A50-IP65-P型，額定電壓12 V，最大行程50 mm，最大負(fù)載為240 N，空載速度為30 mm/s，滿(mǎn)載速度為24 mm/s，帶位置反饋。

油門(mén)控制系統(tǒng)的對(duì)象是電動(dòng)推桿，油門(mén)控制系統(tǒng)主要有下位機(jī)和控制手柄組成，下位機(jī)中帶有直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)集成芯片RZ7889，對(duì)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)并且控制其伸出和收回，電動(dòng)推桿的位置反饋信號(hào)由下位機(jī)主芯片STM32F103RCT6自帶的AD功能進(jìn)行采集，自身形成閉環(huán)控制。下位機(jī)一方面通過(guò)CAN總線(xiàn)接收上位機(jī)的速度油門(mén)控制指令控制推桿，一方面通過(guò)CAN總線(xiàn)接收手柄的信號(hào)來(lái)控制電動(dòng)推桿，實(shí)現(xiàn)了手動(dòng)駕駛和自動(dòng)駕駛的切換。

本產(chǎn)品下位機(jī)控制推桿伸出和收回，使用SMCFTCAN-1N-24型工業(yè)霍爾操縱桿，替代了傳統(tǒng)的油門(mén)操作手柄，支持CAN2.0協(xié)議，操作角度為±34°。

1.3 自動(dòng)駕駛控制系統(tǒng)

1.3.1 北斗導(dǎo)航及定位系統(tǒng)。北斗高精度差分定位系統(tǒng)采用上海聯(lián)適導(dǎo)航公司北斗導(dǎo)航的AF300系統(tǒng)，由基站，移動(dòng)站組成?；景≧30接收機(jī)，一個(gè)定位天線(xiàn)和電臺(tái)通信模塊組成。安裝在空曠地面上，接收北斗，GPS衛(wèi)星數(shù)據(jù)，移動(dòng)站包括R60接收機(jī)，兩個(gè)定位天線(xiàn)和一個(gè)電臺(tái)通信模塊，通過(guò)電臺(tái)接收來(lái)自基站的參考坐標(biāo)信號(hào)，通過(guò)差分算法，計(jì)算得出基站定位天線(xiàn)的實(shí)時(shí)坐標(biāo)位置，雙天線(xiàn)的引入能夠彌補(bǔ)單天線(xiàn)在低速狀態(tài)下的航向角定位誤差。移動(dòng)站安裝在本追肥機(jī)械上，雙天線(xiàn)包括一個(gè)主天線(xiàn)和一個(gè)輔助定位天線(xiàn)，其中主天線(xiàn)位置為獲取點(diǎn)的實(shí)時(shí)位置，航向角信息為從主天線(xiàn)指向輔助天線(xiàn)與正北方向的夾角。

1.3.2 自動(dòng)駕駛車(chē)輪轉(zhuǎn)角檢測(cè)系統(tǒng)。在自動(dòng)駕駛控制中需要通過(guò)對(duì)前輪角度的控制實(shí)現(xiàn)預(yù)定軌跡的跟蹤，因此需要車(chē)輪轉(zhuǎn)角的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。車(chē)體轉(zhuǎn)向通過(guò)前輪實(shí)現(xiàn)，但前輪轉(zhuǎn)角不易直接測(cè)量，因此設(shè)計(jì)了前輪轉(zhuǎn)角檢測(cè)方案。通過(guò)平行四邊形連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行前輪轉(zhuǎn)角的間接測(cè)量。車(chē)輪角度檢測(cè)采用北京天海科科技發(fā)展有限公司的DWQTRS485-G角度傳感器，測(cè)量范圍0～360°連續(xù)測(cè)量，分辨率0.022°，線(xiàn)性度0.1%～0.5%。RS485數(shù)字輸出。

1.3.3 車(chē)身姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)。在自動(dòng)駕駛的過(guò)程中，車(chē)身本身的姿態(tài)傾角會(huì)對(duì)自動(dòng)駕駛直線(xiàn)跟蹤的精度產(chǎn)生影響，為了對(duì)車(chē)身姿態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，需要選用傳感器來(lái)測(cè)量車(chē)身的各個(gè)方向的傾角。本產(chǎn)品選用的車(chē)身姿態(tài)傳感器是北微傳感公司的BW-VG525超高精度CAN動(dòng)態(tài)傾角傳感器，BW-VG525采用高質(zhì)量和可靠性的MEMS加速度計(jì)和陀螺儀，并通過(guò)算法保證測(cè)量精度，同時(shí)密封設(shè)計(jì)以及嚴(yán)格工藝保證產(chǎn)品在惡劣的環(huán)境下仍能精密地測(cè)量載體的橫滾角及俯仰角姿態(tài)參數(shù)。通過(guò)非線(xiàn)性補(bǔ)償、正交補(bǔ)償、溫度補(bǔ)償和漂移補(bǔ)償?shù)榷喾N補(bǔ)償，可以大大消除干擾產(chǎn)生的誤差，提高產(chǎn)品精度水平，通過(guò)CAN總線(xiàn)方式輸出信號(hào)。

1.3.4 上位機(jī)。上位機(jī)選用的是微嵌公司的微嵌Linux 7英寸工業(yè)平板電腦，配備Cortex A9單核1GHz處理器，內(nèi)存512MB DDR3，由4路232串口，其中兩路可以復(fù)用為485串口，由兩路CAN總線(xiàn)，使用12～24 V寬電壓供電，上位機(jī)主要是負(fù)責(zé)人機(jī)交互和自動(dòng)駕駛相關(guān)運(yùn)算，通過(guò)串口連接北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)，讀取當(dāng)前位置和速度信息。通過(guò)串口控制電動(dòng)方向盤(pán)。通過(guò)CAN總線(xiàn)讀取前輪轉(zhuǎn)角信息和車(chē)身姿態(tài)信息。通過(guò)CAN總線(xiàn)與下位機(jī)通信，控制油門(mén)和速度，以及自主變量作業(yè)。

1.3.5 下位機(jī)。下位機(jī)的控制器，主芯片使用STM32F103RCT6，通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)CAN功能，與上位機(jī)進(jìn)行通信。自帶AD采集功能，實(shí)現(xiàn)采集點(diǎn)推桿的位置反饋信號(hào)。通過(guò)RZ7889芯片驅(qū)動(dòng)控制電推桿，通過(guò)VNLD5160-E芯片控制多路開(kāi)關(guān)閥，實(shí)現(xiàn)噴桿自動(dòng)伸展收縮和提升下降。預(yù)留出多個(gè)GPIO接口，實(shí)現(xiàn)變量噴液。

1.4 噴桿升降系統(tǒng)

噴桿噴霧機(jī)的噴桿是可收縮的，要實(shí)現(xiàn)完全的自主作業(yè)需要自動(dòng)控制噴桿的伸展收縮和提升下降等功能。本產(chǎn)品通過(guò)下位機(jī)的VNLD5160-E芯片來(lái)對(duì)其進(jìn)行控制。

1.5 變量噴施系統(tǒng)

為了實(shí)現(xiàn)液體肥料的變量噴液功能，本產(chǎn)品選用了意大利生產(chǎn)的ATOS電磁流量控制閥DHQ-013/C/1-I 21，通過(guò)下位機(jī)實(shí)現(xiàn)其流量控制。

1.6 遙控監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

遙控系統(tǒng)由安卓系統(tǒng)平板、JY-MCU RS232電平藍(lán)牙無(wú)線(xiàn)串口透?jìng)髂K、億佰特433 m全雙工無(wú)線(xiàn)數(shù)傳電臺(tái)DTU模塊三部分組成。

安卓系統(tǒng)通過(guò)JY-MCU RS232電平藍(lán)牙無(wú)線(xiàn)串口透?jìng)髂K連接億佰特433 m全雙工無(wú)線(xiàn)數(shù)傳電臺(tái)DTU模塊，無(wú)線(xiàn)數(shù)傳電臺(tái)的另一端連接上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)了遙控監(jiān)測(cè)功能。

1.7 障礙檢測(cè)系統(tǒng)

在自動(dòng)駕駛的過(guò)程中，田間的人員、樹(shù)木、電線(xiàn)桿、井臺(tái)等都會(huì)對(duì)作業(yè)安全造成影響，需要選用傳感器來(lái)測(cè)量車(chē)輛作業(yè)路徑前方的障礙物，保證作業(yè)過(guò)程安全。

本產(chǎn)品選用的障礙檢測(cè)傳感器是納雷科技公司的SR73Fmm波雷達(dá)傳感器，SR73F是一款高性?xún)r(jià)比的短距V 波段毫米波雷達(dá)傳感器系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)距離40 m，精度0.2 m。SR73F傳感器的CAN通信網(wǎng)絡(luò)接口遵循ISO11898-2規(guī)范，通信速率250 Kb/s。

本產(chǎn)品可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)車(chē)輛前方4 m×40 m范圍內(nèi)的障礙物，距離障礙物1 m時(shí)停車(chē)并且停止機(jī)具作業(yè)，障礙物消失后自動(dòng)啟動(dòng)前進(jìn)并且繼續(xù)作業(yè)。

2 產(chǎn)品技術(shù)規(guī)格和性能參數(shù)

經(jīng)過(guò)兩年研制，完成智能液體肥噴施肥機(jī)樣機(jī)，并按照項(xiàng)目測(cè)試大綱要求進(jìn)行技術(shù)性能檢測(cè)鑒定。

2.1 產(chǎn)品主要技術(shù)規(guī)格

1）名稱(chēng)：智能液體肥噴施肥機(jī)；

2）肥箱容量：500 L；

3）噴灑寬幅：5.7 m；

4）配套動(dòng)力：17.65 kW；

5）配套泵型式：活塞泵；

6）配套泵流量：62 L/min；

7）軸距：1800 mm；

8）輪距：1620 mm。

2.2 主要性能參數(shù)（見(jiàn)表1）

表1 主要性能參數(shù)

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上數(shù)據(jù)和檢測(cè)結(jié)果，可以推斷得到：水稻追肥機(jī)械的試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果，滿(mǎn)足項(xiàng)目考核指標(biāo)。

1）追肥機(jī)械的總排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)為1.4%，達(dá)到性能參數(shù)≤6%的要求。

2）作業(yè)時(shí)追肥量實(shí)測(cè)0.31 kg/hm2，滿(mǎn)足0.13～0.4 kg/hm2性能參數(shù)要求范圍。

3）追肥機(jī)械的作業(yè)效率為0.86 hm2/h，大于0.4 hm2/h，符合項(xiàng)目性能參數(shù)要求。