徐國(guó)良 ， 徐興煒 ， 黎 航 ， 李恒征 ， 孟炎炎

（1.宿州學(xué)院機(jī)械與電子工程學(xué)院，安徽 宿州 234000；2.宿州學(xué)院資源與土木工程學(xué)院，安徽 宿州 234000）

鋪設(shè)草方格治沙是目前沙漠治理中較為成熟的措施，其原理是通過草方格對(duì)風(fēng)沙的固、阻、輸、導(dǎo)等作用達(dá)到防止風(fēng)沙侵害的效果[1-4]。為了進(jìn)一步提高草方格鋪設(shè)設(shè)備的靈活性并突破其應(yīng)用局限性[5-10]，本文設(shè)計(jì)了一種遙控多功能草方格鋪設(shè)履帶車。該鋪設(shè)設(shè)備以履帶作為行走裝置，采用遠(yuǎn)程遙控行進(jìn)的方式鋪設(shè)草方格，一次行進(jìn)可以完成鋪草、播種和撒種等工作，能夠較好地降低工人工作強(qiáng)度，有效規(guī)避工人在陡峭位置鋪設(shè)草方格時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)[11-16]。

1 設(shè)計(jì)方案

1.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

多功能草方格鋪設(shè)履帶車整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。多功能草方格鋪設(shè)履帶車車身結(jié)構(gòu)采用SolidWorks三維軟件設(shè)計(jì)，其整體結(jié)構(gòu)由五個(gè)活動(dòng)單元組成：履帶行走單元1、蒲草壓刀執(zhí)行單元2、預(yù)制草簾下料單元3、播種單元4 及灑水單元5。履帶行走單元1 以減速直流電機(jī)作為動(dòng)力源，將動(dòng)力直接傳遞給履帶驅(qū)動(dòng)輪，實(shí)現(xiàn)履帶車的前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)彎。當(dāng)履帶車駛?cè)脘佋O(shè)地點(diǎn)后，液壓升降桿6 將播種單元4放下，灑水單元5 控制開關(guān)打開，履帶驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)履帶車行進(jìn)。與此同時(shí)，安裝在預(yù)制草簾下料單元3 的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)向蒲草壓刀執(zhí)行單元2 輸送草料。蒲草壓刀執(zhí)行單元2 隨著履帶車的行進(jìn)周期性地往復(fù)下壓完成草方格的鋪設(shè)工作。當(dāng)鋪設(shè)完成后在非鋪設(shè)地面行走時(shí)，液壓升降桿6 將播種單元4 抬起，灑水單元5 控制開關(guān)關(guān)閉，預(yù)制草簾下料單元3 和蒲草壓刀執(zhí)行單元2 停止工作。履帶車控制裝置及相關(guān)元器件安裝于履帶車內(nèi)部。

圖1 多功能草方格鋪設(shè)履帶車整體結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 硬件電路設(shè)計(jì)

1.2.1 主控系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

在履帶車的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用INFINEON/英飛凌SAK-TC264D-40F200W 為主控芯片。為實(shí)現(xiàn)履帶車的遠(yuǎn)程遙控功能，控制系統(tǒng)采用串口通信的形式實(shí)現(xiàn)無線連接。由于PWM 控制可以較好地實(shí)現(xiàn)線性控制，履帶車的行進(jìn)控制和蒲草壓刀執(zhí)行單元的運(yùn)動(dòng)控制中均采用了PWM 的控制方法。履帶車的主控系統(tǒng)電路圖如圖2所示。

圖2 主控電路設(shè)計(jì)圖

1.2.2 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

履帶車行走機(jī)構(gòu)和液壓系統(tǒng)采用DRV8701 電機(jī)驅(qū)動(dòng)板進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制。通過主控芯片管理電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制芯片，實(shí)現(xiàn)對(duì)外部控制信號(hào)的響應(yīng)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理圖如圖3所示。

圖3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理圖

1.3 控制程序設(shè)計(jì)

1.3.1 無線控制程序

由于通過串口通信，因此程序設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)先設(shè)置串口的相關(guān)信息，如串口號(hào)、波特率以及RX、TX 通信引腳等，然后再進(jìn)行信息的接收處理。將接收的數(shù)據(jù)暫存在DAT 里，然后根據(jù)輸入來判斷所需控制的模塊。根據(jù)需要控制的模塊設(shè)置每個(gè)模塊對(duì)應(yīng)的狀態(tài)標(biāo)志位，用來檢測(cè)控制狀態(tài)。根據(jù)所接收的信息進(jìn)行判斷，改變當(dāng)前標(biāo)志位狀態(tài)，從而進(jìn)行下一步控制。

1.3.2 電機(jī)控制程序

檢測(cè)到相關(guān)標(biāo)志位的改變后，需要進(jìn)行相關(guān)PWM 通道的控制。履帶車在設(shè)計(jì)過程中用到了5 個(gè)電機(jī)，因此需要5 路PWM 通道和5 路方向通路。為便于履帶車后續(xù)的升級(jí)和拓展，本設(shè)計(jì)采用通路枚舉的方式進(jìn)行控制，只需一個(gè)函數(shù)就能控制所有電機(jī)甚至更多。提前控制設(shè)置好每個(gè)電機(jī)的通路后，將其帶入函數(shù)直接控制。部分函數(shù)的定義如下：

電機(jī)控制與信號(hào)獲取都處理完后，需要進(jìn)行配合操作完成最終實(shí)際功能。本文將電機(jī)控制與狀態(tài)處理放在中斷里進(jìn)行，這樣可以設(shè)置中斷處理頻率，從而改變響應(yīng)速度。

2 結(jié)語

本文針對(duì)當(dāng)前防風(fēng)固沙草方格鋪設(shè)設(shè)備在使用中的不足，設(shè)計(jì)了一種遙控多功能草方格鋪設(shè)履帶車，并完成了履帶車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)?？刂葡到y(tǒng)以INFINEON/英飛凌SAK-TC264D-40F200W 為主控芯片，并采用PWM 作為電機(jī)的控制算法，設(shè)計(jì)了履帶車的行走、鋪草、播種等單元的控制程序。該遙控多功能草方格鋪設(shè)履帶車對(duì)于沙丘坡面、腹地綠洲等地帶的草方格鋪設(shè)工作具有較好的應(yīng)用前景。