引言

    農(nóng)機(jī)智能化是國(guó)內(nèi)外農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展的必然趨勢(shì)，是實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的關(guān)鍵手段。插秧機(jī)的智能化研究可分為自主導(dǎo)航控制和田間作業(yè)的自動(dòng)控制兩部分。在自主導(dǎo)航控制方面，Nagasaka Yoshisada等開發(fā)了久保田SPU -650型插秧機(jī)的自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)。張智剛、胡煉等開發(fā)了基于GPS技術(shù)和CAN總線通信的導(dǎo)航控制系統(tǒng)，田間作業(yè)直線跟蹤誤差小于0.2 m。任文濤等以久保田NSD8型插秧機(jī)為研究平臺(tái)，在不改變?cè)修D(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的前提下，設(shè)計(jì)了一種遙控自動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。偉利國(guó)等以XDN2630型水稻插秧機(jī)為試驗(yàn)平臺(tái)，采用RTK-GPS技術(shù)和PID控制算法，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)對(duì)行導(dǎo)航及地頭轉(zhuǎn)向控制。胡靜濤等研制了農(nóng)機(jī)導(dǎo)航試驗(yàn)平臺(tái)，開發(fā)了具有較強(qiáng)通用性的農(nóng)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航控制系統(tǒng)。

    國(guó)內(nèi)研究機(jī)構(gòu)在進(jìn)行插秧機(jī)導(dǎo)航控制研究的同時(shí)，也進(jìn)行了插秧機(jī)栽插作業(yè)的自動(dòng)控制初步探索。華南農(nóng)業(yè)大學(xué)對(duì)插秧機(jī)變速機(jī)構(gòu)和栽插作業(yè)機(jī)構(gòu)采用直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行電控改造，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、變速機(jī)構(gòu)和機(jī)具升降機(jī)構(gòu)的自動(dòng)控制，其電控操作時(shí)間比駕駛員操作時(shí)間略長(zhǎng)。中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院對(duì)插秧機(jī)的無級(jí)變速系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、栽插升降系統(tǒng)原有的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，采用電動(dòng)推桿進(jìn)行控制口，并開發(fā)了根據(jù)插秧機(jī)行進(jìn)速度無級(jí)調(diào)節(jié)插秧株距的控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了插秧機(jī)插植部水平智能控制系統(tǒng)。

    本文以洋馬VP6型高速插秧機(jī)為試驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)主變速操作、插植操作機(jī)構(gòu)和變速機(jī)構(gòu)進(jìn)行電控改造，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)基于GPS導(dǎo)航的田間作業(yè)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠根據(jù)處方圖來控制插植機(jī)構(gòu)的升降、插植動(dòng)作的啟停以及插秧機(jī)的行駛速度。

1  插秧機(jī)田間作業(yè)主要操作機(jī)構(gòu)電控改造

1.1  插秧機(jī)操作機(jī)構(gòu)

    洋馬VP6型高速水稻插秧機(jī)為4輪驅(qū)動(dòng)的6行乘坐式插秧機(jī)。為滿足智能操作控制系統(tǒng)的要求，對(duì)主要作業(yè)操作機(jī)構(gòu)包括主變速手柄、插植手柄和變速踏板進(jìn)行了電控改造。

    插秧機(jī)主變速手柄與行走變速軸的外變速臂相連，用于行進(jìn)方向與行走速度的切換，可在移動(dòng)、中立、前進(jìn)、補(bǔ)苗、后退擋位間切換，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中移動(dòng)擋位用于插秧機(jī)高速行走在農(nóng)道上，中立位置用于僅驅(qū)動(dòng)插植機(jī)構(gòu)。因此，插秧機(jī)在田間工作時(shí)主要在前進(jìn)、補(bǔ)苗、后退3個(gè)擋位之間切換。

    插秧機(jī)插植手柄與變速箱的插植離合臂相連，

可進(jìn)行插植機(jī)構(gòu)的升降，以及插植動(dòng)作的開始與停

止，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中，升、中立、降3擋位用

于插植機(jī)構(gòu)的升降及固定，合和離2擋位用于控制

插植動(dòng)作的開始和停止。

    插秧機(jī)把傳動(dòng)效率高的齒輪變速和易操作的HST (Hydro static transmission，HST)變速相結(jié)合開發(fā)出了液壓機(jī)械無級(jí)變速結(jié)構(gòu)，使速度調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單易操作，從零起動(dòng)到高速插秧，只要通過變速踏板的踩踏就能實(shí)現(xiàn)。插秧機(jī)變速踏板與HST無級(jí)變速箱的變速臂相連，如圖3所示。踩下變速踏板行走速度加快，松開變速踏板則行走速度減慢，完全松開則行走停止。

1.2  主變速操作和插植操作機(jī)構(gòu)電控改造

    插秧機(jī)主變速操作和插植操作機(jī)構(gòu)的機(jī)械結(jié)構(gòu)類似，其動(dòng)作可以看作為繞某一轉(zhuǎn)動(dòng)軸的圓周運(yùn)動(dòng)，擋位之間的切換可以簡(jiǎn)化為轉(zhuǎn)動(dòng)角度的變換。為了不影響插秧機(jī)的手動(dòng)操作，對(duì)2個(gè)手柄本身的機(jī)械機(jī)構(gòu)未進(jìn)行改變，而是采用了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)2個(gè)操作手柄的轉(zhuǎn)動(dòng)軸，實(shí)現(xiàn)了主變速和插植作業(yè)的自動(dòng)控制，其改造如圖4所示。與直流電動(dòng)機(jī)控制方法相比，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)更易于實(shí)現(xiàn)位置控制，并且電控操作時(shí)間可通過調(diào)節(jié)控制頻率的方法實(shí)現(xiàn)。

1.3變速機(jī)構(gòu)電控改造

    變速踏板的踩踏幅度可改變插秧機(jī)行駛速度。在本系統(tǒng)中，選用帶位置反饋的電動(dòng)推桿實(shí)現(xiàn)對(duì)插秧機(jī)行駛速度的控制，將變速踏板與電動(dòng)推桿用鋼絲繩連接，其改造如圖5所示。電動(dòng)推桿收縮時(shí)，鋼絲繩拉動(dòng)踏板實(shí)現(xiàn)加速；電動(dòng)推桿伸長(zhǎng)時(shí)，踏板靠彈力恢復(fù)原位。同時(shí)，變速踏板的位置可通過電動(dòng)推桿內(nèi)置的電位器進(jìn)行測(cè)量用于控制，其結(jié)構(gòu)更加緊湊，且安裝方便。2  田間作業(yè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1  總體設(shè)計(jì)方案

    系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)插秧機(jī)田間作業(yè)的自動(dòng)控制，并與GPS導(dǎo)航系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)作業(yè)。其主要功能包括：作業(yè)處方圖的下載和解析；插植作業(yè)的自動(dòng)控制；插秧機(jī)行駛速度控制。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖6所示。

    田間計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)人機(jī)交互，配置各種參數(shù)，實(shí)時(shí)顯示農(nóng)機(jī)位置和速度等信息，并把處方圖通過CAN總線下載到智能作業(yè)控制器；導(dǎo)航控制器根據(jù)規(guī)劃路徑控制插秧機(jī)精確跟蹤行駛；智能作業(yè)控制器與導(dǎo)航控制器相配合，根據(jù)處方圖通過插植手柄控制插植機(jī)構(gòu)的升降和插植動(dòng)作的啟停，完成插秧機(jī)田間插秧作業(yè)，并根據(jù)處方圖的要求調(diào)節(jié)主變速手柄擋位控制插秧機(jī)的前進(jìn)、后退和停止，同時(shí)實(shí)時(shí)采集插秧機(jī)的行駛速度發(fā)送到田間計(jì)算機(jī)顯示，通過變速踏板控制插秧機(jī)按照處方圖設(shè)定的速度行駛。

2.2  智能作業(yè)控制器硬件設(shè)計(jì)

    插秧機(jī)作業(yè)控制器是以NXP公司ARM9處理器LPC3250為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的，根據(jù)其功能劃分為ARM9控制器最小系統(tǒng)、速度控制電路、CAN收發(fā)電路、手柄控制電路及擴(kuò)展功能電路5部分，其硬件結(jié)構(gòu)如圖7所示。

    ARM9控制器最小系統(tǒng)包括YL3250核心電路、電源電路及JTAG接口；速度控制電路包括速度信號(hào)調(diào)理電路和推桿驅(qū)動(dòng)電路，速度信號(hào)調(diào)理電路將速度傳感器輸出的頻率信號(hào)經(jīng)過調(diào)理后送至LPC3250的定時(shí)計(jì)數(shù)器端口，推桿驅(qū)動(dòng)電路選用雙全橋電動(dòng)機(jī)專用驅(qū)動(dòng)芯片L298控制推桿電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)，通過控制推桿運(yùn)行時(shí)間來實(shí)現(xiàn)插秧機(jī)行駛速度的改變；手柄控制電路能夠通過外置的定時(shí)／計(jì)數(shù)芯片82C54來產(chǎn)生用于控制手柄控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的頻率控制信號(hào)，從而控制主變速手柄和插植手柄的動(dòng)作；系統(tǒng)使用CAN控制器SJA1000T和CAN驅(qū)動(dòng)器CTM8251T的CAN收發(fā)電路，支持CAN2. OB協(xié)議。

2.3  智能作業(yè)控制器軟件設(shè)計(jì)

    插秧機(jī)智能作業(yè)控制器的軟件部分是基于uC／OS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)開發(fā)的，它是一種公開源代碼、結(jié)構(gòu)小巧、可移植、可固化、可裁剪、可剝奪型實(shí)時(shí)內(nèi)核‘塒。它包含了任務(wù)調(diào)度、任務(wù)管理、時(shí)間管理、內(nèi)存管理和任務(wù)間的通信和同步等基本功能。

    uC／OS內(nèi)核使用時(shí)將其完成的功能劃分成優(yōu)先級(jí)不同的任務(wù)，然后對(duì)每個(gè)任務(wù)編程。任務(wù)劃分是軟件設(shè)計(jì)的主要任務(wù)。

    根據(jù)上面所提到的插秧機(jī)作業(yè)控制器的主要功能，將控制器的任務(wù)設(shè)計(jì)為5個(gè)：

    1)開始任務(wù)StartTask O，對(duì)系統(tǒng)需要的定時(shí)器、EMC、I/O口等進(jìn)行初始化。

    2) CAN分析任務(wù)CANTask O，讀取CAN總線的數(shù)據(jù)，并對(duì)CAN數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)處方圖解析、開始或停止控制等。

    3)速度測(cè)量任務(wù)SpeedTask O，周期性地測(cè)量速度值，并發(fā)送到CAN總線，用于田間計(jì)算機(jī)顯示和速度控制。

    4）手柄操作任務(wù)HandleTask 0，根據(jù)插秧機(jī)田間作業(yè)處方圖，當(dāng)插秧機(jī)行駛到相應(yīng)位置時(shí)，降下插植機(jī)構(gòu)并開始插植動(dòng)作或停止插植動(dòng)作并升起插植機(jī)構(gòu)，同時(shí)根據(jù)處方圖的要求實(shí)現(xiàn)插秧機(jī)的前進(jìn)、后退以及停止控制。

    5)速度控制任務(wù)ControlTask 0，將實(shí)時(shí)測(cè)得的插秧機(jī)行駛速度值與處方圖設(shè)定的行駛速度值進(jìn)行比較，采用增量式不完全微分PD速度控制算法，控制插秧機(jī)的行駛速度，

3試驗(yàn)

    為了驗(yàn)證插秧機(jī)的田間作業(yè)控制系統(tǒng)的整體性能和控制精度，在上述電控改造的插秧機(jī)平臺(tái)上，進(jìn)行作業(yè)自動(dòng)控制的路面試驗(yàn)，如圖8所示。

    系統(tǒng)試驗(yàn)基于A -B直線導(dǎo)航作業(yè)，其行駛路徑規(guī)劃如圖9所示。插秧機(jī)沿4 -B間直線行駛，當(dāng)插秧機(jī)行進(jìn)到A點(diǎn)時(shí)，插秧機(jī)減速，到達(dá)A，點(diǎn)時(shí)停止，此時(shí)降下插植機(jī)構(gòu)，開始插植動(dòng)作，并拉下變速踏板，控制插秧機(jī)行駛速度保持在設(shè)定值；當(dāng)插秧機(jī)行進(jìn)到B，點(diǎn)時(shí)，松開變速踏板，到達(dá)B點(diǎn)時(shí)停止，此時(shí)升起插植機(jī)構(gòu)。系統(tǒng)試驗(yàn)設(shè)定插秧機(jī)行駛速度為多個(gè)值，進(jìn)行多次試驗(yàn)觀察控制結(jié)果。

    道路試驗(yàn)開始時(shí)，先將包含起止作業(yè)位置與設(shè)定作業(yè)速度信息的處方圖由田間計(jì)算機(jī)的任務(wù)管理功能下載到智能作業(yè)控制器。智能作業(yè)控制器根據(jù)處方圖的要求實(shí)現(xiàn)插植作業(yè)的自動(dòng)控制，并控制插秧機(jī)行駛在設(shè)定速度。

    試驗(yàn)結(jié)果表明，作業(yè)控制系統(tǒng)能夠根據(jù)處方圖的要求在規(guī)劃的位置完成插秧機(jī)插植作業(yè)和行走速度的自動(dòng)控制。當(dāng)速度值設(shè)定分別為0.5、0.8和1.0 m/s時(shí)，其速度控制結(jié)果如圖10所示。

由圖10和表1可知，插秧機(jī)速度控制的調(diào)整時(shí)間隨著設(shè)定值的加大而增加；當(dāng)速度設(shè)定值為0.5 m/s時(shí)，速度控制的各個(gè)誤差均最小，控制效果最好；插秧機(jī)在不同設(shè)定速度下的速度控制平均誤差小于0.011 3 m/s，滿足了插秧機(jī)作業(yè)的需求。

4  結(jié)束語(yǔ)

    設(shè)計(jì)了基于GPS導(dǎo)航系統(tǒng)的插秧機(jī)作業(yè)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了插植機(jī)構(gòu)升降和插植動(dòng)作啟停的電控操作以及行駛速度的自動(dòng)控制，并與導(dǎo)航系統(tǒng)相配合進(jìn)行了道路試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，作業(yè)控制系統(tǒng)能夠與GPS導(dǎo)航系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)插秧機(jī)田間作業(yè)的智能控制，速度控制平均誤差小于0. 011 3 m/s，滿足了插秧機(jī)自動(dòng)控制的要求。