引言

    農(nóng)機智能化是國內(nèi)外農(nóng)業(yè)機械發(fā)展的必然趨勢，是實現(xiàn)精準農(nóng)業(yè)的關(guān)鍵手段。插秧機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型插秧機的自動導(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型插秧機為研究平臺，在不改變原有轉(zhuǎn)向機構(gòu)的前提下，設(shè)計了一種遙控自動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。偉利國等以XDN2630型水稻插秧機為試驗平臺，采用RTK-GPS技術(shù)和PID控制算法，實現(xiàn)了自動對行導(dǎo)航及地頭轉(zhuǎn)向控制。胡靜濤等研制了農(nóng)機導(dǎo)航試驗平臺，開發(fā)了具有較強通用性的農(nóng)機自動導(dǎo)航控制系統(tǒng)。

    國內(nèi)研究機構(gòu)在進行插秧機導(dǎo)航控制研究的同時，也進行了插秧機栽插作業(yè)的自動控制初步探索。華南農(nóng)業(yè)大學對插秧機變速機構(gòu)和栽插作業(yè)機構(gòu)采用直流電動機進行電控改造，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)向機構(gòu)、變速機構(gòu)和機具升降機構(gòu)的自動控制，其電控操作時間比駕駛員操作時間略長。中國農(nóng)業(yè)機械化科學研究院對插秧機的無級變速系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、栽插升降系統(tǒng)原有的機械結(jié)構(gòu)進行了改進，采用電動推桿進行控制口，并開發(fā)了根據(jù)插秧機行進速度無級調(diào)節(jié)插秧株距的控制系統(tǒng)，設(shè)計了插秧機插植部水平智能控制系統(tǒng)。

    本文以洋馬VP6型高速插秧機為試驗平臺，對主變速操作、插植操作機構(gòu)和變速機構(gòu)進行電控改造，在此基礎(chǔ)上設(shè)計基于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構(gòu)的升降、插植動作的啟停以及插秧機的行駛速度。

1  插秧機田間作業(yè)主要操作機構(gòu)電控改造

1.1  插秧機操作機構(gòu)

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

    插秧機主變速手柄與行走變速軸的外變速臂相連，用于行進方向與行走速度的切換，可在移動、中立、前進、補苗、后退擋位間切換，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中移動擋位用于插秧機高速行走在農(nóng)道上，中立位置用于僅驅(qū)動插植機構(gòu)。因此，插秧機在田間工作時主要在前進、補苗、后退3個擋位之間切換。

    插秧機插植手柄與變速箱的插植離合臂相連，

可進行插植機構(gòu)的升降，以及插植動作的開始與停

止，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中，升、中立、降3擋位用

于插植機構(gòu)的升降及固定，合和離2擋位用于控制

插植動作的開始和停止。

    插秧機把傳動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)出了液壓機械無級變速結(jié)構(gòu)，使速度調(diào)節(jié)簡單易操作，從零起動到高速插秧，只要通過變速踏板的踩踏就能實現(xiàn)。插秧機變速踏板與HST無級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構(gòu)電控改造

    插秧機主變速操作和插植操作機構(gòu)的機械結(jié)構(gòu)類似，其動作可以看作為繞某一轉(zhuǎn)動軸的圓周運動，擋位之間的切換可以簡化為轉(zhuǎn)動角度的變換。為了不影響插秧機的手動操作，對2個手柄本身的機械機構(gòu)未進行改變，而是采用了步進電動機驅(qū)動2個操作手柄的轉(zhuǎn)動軸，實現(xiàn)了主變速和插植作業(yè)的自動控制，其改造如圖4所示。與直流電動機控制方法相比，步進電動機更易于實現(xiàn)位置控制，并且電控操作時間可通過調(diào)節(jié)控制頻率的方法實現(xiàn)。

1.3變速機構(gòu)電控改造

    變速踏板的踩踏幅度可改變插秧機行駛速度。在本系統(tǒng)中，選用帶位置反饋的電動推桿實現(xiàn)對插秧機行駛速度的控制，將變速踏板與電動推桿用鋼絲繩連接，其改造如圖5所示。電動推桿收縮時，鋼絲繩拉動踏板實現(xiàn)加速；電動推桿伸長時，踏板靠彈力恢復(fù)原位。同時，變速踏板的位置可通過電動推桿內(nèi)置的電位器進行測量用于控制，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

2.1  總體設(shè)計方案

    系統(tǒng)設(shè)計的主要目標是實現(xiàn)插秧機田間作業(yè)的自動控制，并與GPS導(dǎo)航系統(tǒng)相結(jié)合，實現(xiàn)精準作業(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)的自動控制；插秧機行駛速度控制。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖6所示。

    田間計算機負責人機交互，配置各種參數(shù)，實時顯示農(nóng)機位置和速度等信息，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構(gòu)的升降和插植動作的啟停，完成插秧機田間插秧作業(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的前進、后退和停止，同時實時采集插秧機的行駛速度發(fā)送到田間計算機顯示，通過變速踏板控制插秧機按照處方圖設(shè)定的速度行駛。

2.2  智能作業(yè)控制器硬件設(shè)計

    插秧機作業(yè)控制器是以NXP公司ARM9處理器LPC3250為基礎(chǔ)設(shè)計的，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調(diào)理電路和推桿驅(qū)動電路，速度信號調(diào)理電路將速度傳感器輸出的頻率信號經(jīng)過調(diào)理后送至LPC3250的定時計數(shù)器端口，推桿驅(qū)動電路選用雙全橋電動機專用驅(qū)動芯片L298控制推桿電動機正反轉(zhuǎn)，通過控制推桿運行時間來實現(xiàn)插秧機行駛速度的改變；手柄控制電路能夠通過外置的定時／計數(shù)芯片82C54來產(chǎn)生用于控制手柄控制步進電動機的頻率控制信號，從而控制主變速手柄和插植手柄的動作；系統(tǒng)使用CAN控制器SJA1000T和CAN驅(qū)動器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

    插秧機智能作業(yè)控制器的軟件部分是基于uC／OS實時操作系統(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、可剝奪型實時內(nèi)核‘塒。它包含了任務(wù)調(diào)度、任務(wù)管理、時間管理、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)核使用時將其完成的功能劃分成優(yōu)先級不同的任務(wù)，然后對每個任務(wù)編程。任務(wù)劃分是軟件設(shè)計的主要任務(wù)。

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

    1)開始任務(wù)StartTask O，對系統(tǒng)需要的定時器、EMC、I/O口等進行初始化。

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

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

    4）手柄操作任務(wù)HandleTask 0，根據(jù)插秧機田間作業(yè)處方圖，當插秧機行駛到相應(yīng)位置時，降下插植機構(gòu)并開始插植動作或停止插植動作并升起插植機構(gòu)，同時根據(jù)處方圖的要求實現(xiàn)插秧機的前進、后退以及停止控制。

    5)速度控制任務(wù)ControlTask 0，將實時測得的插秧機行駛速度值與處方圖設(shè)定的行駛速度值進行比較，采用增量式不完全微分PD速度控制算法，控制插秧機的行駛速度，

3試驗

    為了驗證插秧機的田間作業(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平臺上，進行作業(yè)自動控制的路面試驗，如圖8所示。

    系統(tǒng)試驗基于A -B直線導(dǎo)航作業(yè)，其行駛路徑規(guī)劃如圖9所示。插秧機沿4 -B間直線行駛，當插秧機行進到A點時，插秧機減速，到達A，點時停止，此時降下插植機構(gòu)，開始插植動作，并拉下變速踏板，控制插秧機行駛速度保持在設(shè)定值；當插秧機行進到B，點時，松開變速踏板，到達B點時停止，此時升起插植機構(gòu)。系統(tǒng)試驗設(shè)定插秧機行駛速度為多個值，進行多次試驗觀察控制結(jié)果。

    道路試驗開始時，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算機的任務(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)處方圖的要求實現(xiàn)插植作業(yè)的自動控制，并控制插秧機行駛在設(shè)定速度。

    試驗結(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插植作業(yè)和行走速度的自動控制。當速度值設(shè)定分別為0.5、0.8和1.0 m/s時，其速度控制結(jié)果如圖10所示。

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

4  結(jié)束語

    設(shè)計了基于GPS導(dǎo)航系統(tǒng)的插秧機作業(yè)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了插植機構(gòu)升降和插植動作啟停的電控操作以及行駛速度的自動控制，并與導(dǎo)航系統(tǒng)相配合進行了道路試驗。試驗結(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，實現(xiàn)插秧機田間作業(yè)的智能控制，速度控制平均誤差小于0. 011 3 m/s，滿足了插秧機自動控制的要求。