田園管理機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計*

蔣易強(qiáng)趙 勇

（1.樂山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 樂山，614000；2.四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都，610065）

田園管理機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計*

蔣易強(qiáng)1,2趙 勇1

（1.樂山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 樂山，614000；2.四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都，610065）

傳統(tǒng)田園管理機(jī)采取操作者跟在機(jī)器后面行走、直接扶持把手進(jìn)行功能控制的方式。此種作業(yè)方式極易造成事故，勞動強(qiáng)度較大。遠(yuǎn)距離控制田園管理機(jī)對確保操作人員安全、降低勞動強(qiáng)度、克服農(nóng)村青壯勞力短缺有非常重要的意義。該文主要從控制系統(tǒng)功能分析、總體設(shè)計方案、控制方案設(shè)計等三方面設(shè)計田園管理機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，為后期的硬件設(shè)計、軟件設(shè)計奠定基礎(chǔ)。

遠(yuǎn)程控制；田園管理機(jī)；方案設(shè)計

丘陵和山區(qū)的耕地面積在我國占很大比例，尤其是在西南地區(qū)。這些耕地具有地塊小、形狀不規(guī)則、較為分散等特點，因此經(jīng)營模式以家庭經(jīng)營為主。為了適應(yīng)此種經(jīng)營模式，種植戶一般采用小型農(nóng)業(yè)機(jī)械，其中田園管理機(jī)使用最為普遍。田園管理機(jī)即微型耕耘機(jī)，簡稱“微耕機(jī)”，又叫“耕耘機(jī)”。傳統(tǒng)田園管理機(jī)在其作業(yè)過程中采取操作者跟在機(jī)器后面行走、直接扶持把手進(jìn)行控制的方式。因此，常有學(xué)者調(diào)侃“農(nóng)耕機(jī)解放了牛，累死了人”，而且這種作業(yè)方式極易造成農(nóng)機(jī)事故。因此，研究遠(yuǎn)距離控制田園管理機(jī)對確保操作人員安全、降低作業(yè)勞動強(qiáng)度、克服農(nóng)村青壯勞力短缺有非常重要的意義。

我國農(nóng)業(yè)機(jī)械工業(yè)起步較晚，新中國成立以后才逐步興起。而智能農(nóng)業(yè)機(jī)械的發(fā)展則更晚，上世紀(jì)90年代才逐漸起步。胡煉等人以久保田公司生產(chǎn)的插秧機(jī)作為研究基礎(chǔ)平臺，對其機(jī)械部分進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計，主要包括轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、變速器機(jī)構(gòu)及插秧機(jī)構(gòu)等[1]，然后又設(shè)計了智能插秧機(jī)的單片機(jī)控制系統(tǒng)總體方案，并采用PID控制算法來控制帶雙閾值死區(qū)的電機(jī)位置，進(jìn)而控制插秧機(jī)的左右轉(zhuǎn)向，在轉(zhuǎn)向?qū)用嫔蠈崿F(xiàn)了插秧機(jī)智能控制。許洪斌等[2]針對某型號田間搬運機(jī)采取拉線控制方式，設(shè)計了遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)主要完成搬運機(jī)的起動、停止、轉(zhuǎn)向、油門調(diào)節(jié)等功能控制。為了滿足山地履帶式微型耕作拖拉機(jī)的作業(yè)安全性、便捷性等需要，何金伊[3]設(shè)計了一套基于AT89S51單片機(jī)裝置的遙控系統(tǒng)。為實現(xiàn)機(jī)滾船無人駕駛，降低勞動強(qiáng)度，蔣蘋在不改變現(xiàn)有的機(jī)滾船機(jī)械結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一套機(jī)滾船的遙控駕駛系統(tǒng)[4]。

國外的智能農(nóng)業(yè)機(jī)械技術(shù)優(yōu)勢突出。智能農(nóng)機(jī)的無人駕駛系統(tǒng)技術(shù)主要基于GPS定位、機(jī)器人視覺系統(tǒng)、自動感知、自動巡航、自動操作的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，并逐步形成了3S技術(shù)體系。國外農(nóng)業(yè)機(jī)械無人駕駛技術(shù)研究遙遙領(lǐng)先于國內(nèi)，如日本巖手大學(xué)將無人駕駛技術(shù)運用于拖拉機(jī)，John Deere公司研制出無人駕駛拖拉機(jī)和無人駕駛收割機(jī)[5]。美國Illinois大學(xué)將各種各樣相機(jī)、超聲波、GPS定位、各種傳感器信息進(jìn)行融合，并運用這些信息對農(nóng)業(yè)機(jī)械進(jìn)行無人駕駛技術(shù)研究[6]。英國Silsoe研究所的Tillett，Marchant和Hague開發(fā)出基于機(jī)器視覺的自動定位導(dǎo)航系統(tǒng)，并把該系統(tǒng)運用于鋤草拖拉機(jī)。

目前，關(guān)于遠(yuǎn)程控制田園管理機(jī)的研究報道較少。丁向美等開發(fā)了基于ARM的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，改進(jìn)設(shè)計了微耕機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，通過軟、硬件相結(jié)合的方式，實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制微耕機(jī)[7]。張季琴等設(shè)計了山地微型遙控耕地機(jī)的遙控系統(tǒng)并對整機(jī)主要工作部件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計[8]。但是上述控制系統(tǒng)也存在一些不足，如設(shè)計功能過于復(fù)雜。如果遠(yuǎn)程控制田園管理機(jī)控制系統(tǒng)采用GPS等定位系統(tǒng)、機(jī)器視覺系統(tǒng)、自動巡航、自動駕駛系統(tǒng)，就會造成小型農(nóng)業(yè)機(jī)械成本大幅提高，難以適應(yīng)家庭經(jīng)營模式。

隨著電子、通信技術(shù)不斷發(fā)展，電子產(chǎn)品、通信設(shè)備正向著能耗低、體積小、重量輕、性能優(yōu)等方向發(fā)展，而且價格也越來越低，為其運用于小型農(nóng)業(yè)機(jī)械奠定了技術(shù)、經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)。由于農(nóng)村青壯年勞動力短缺，信息化、智能化小型農(nóng)業(yè)機(jī)械需求越來越旺盛。因此，越來越多的小型通信設(shè)備、電子產(chǎn)品將被用于微型農(nóng)業(yè)機(jī)械。智能微型農(nóng)業(yè)機(jī)械作為新興農(nóng)業(yè)科技在今后的發(fā)展中大有可為，是未來微型農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展的主要方向。

1　控制系統(tǒng)功能分析

遠(yuǎn)程控制田園管理機(jī)的控制系統(tǒng)首先應(yīng)具備準(zhǔn)確傳輸控制信號的功能，操作者的控制意圖信息能夠被傳輸?shù)教飯@管理機(jī)；田園管理機(jī)的狀態(tài)信號能夠被傳輸?shù)娇刂破?，能夠被操作者掌握。其次要能夠解析操作者按鍵信息，分析信息傳輸協(xié)議。最后，控制系統(tǒng)還必須能夠通過軟件控制相應(yīng)驅(qū)動電路，進(jìn)而控制田園管理機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，最終實現(xiàn)田園管理機(jī)的各項功能。

遠(yuǎn)程控制田園管理機(jī)的控制系統(tǒng)主要由以下三部分組成：發(fā)射控制模塊、接收控制模塊和執(zhí)行模塊。控制系統(tǒng)功能模塊之間的關(guān)系如圖1所示。信號發(fā)射控制模塊主要是手持式遙控器。該模塊由如下三部分組成：按鍵組合電路、數(shù)據(jù)編碼電路、無線發(fā)射電路。發(fā)射控制模塊由按鍵組合電路實現(xiàn)，進(jìn)行數(shù)據(jù)編碼，最后由無線發(fā)射電路發(fā)送控制信號。該信號通過無線傳輸網(wǎng)絡(luò)傳遞給信號接收控制模塊。接收控制模塊由以下三部分組成：無線接收電路、控制單元電路、繼電器電路。無線接收電路接收到控制信號后進(jìn)行編碼，傳輸給控制單元進(jìn)行處理、發(fā)出指令給繼電器電路。繼電器電路控制執(zhí)行模塊，執(zhí)行模塊主要由執(zhí)行裝置和電機(jī)構(gòu)成，直接實現(xiàn)田園管理機(jī)各功能操作。

圖1　田園管理機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)功能模塊

遠(yuǎn)程控制田園管理機(jī)需實現(xiàn)的主要功能如下：

(1)起動、關(guān)閉田園管理機(jī)的發(fā)動機(jī)；

(2)選擇作業(yè)功能：停車、左轉(zhuǎn)向、右轉(zhuǎn)向、前進(jìn)速度I、前進(jìn)速度II、增大速度、減小速度等；

(3)實時顯示田園管理機(jī)的工作狀態(tài)，主要是指是否正常工作及其當(dāng)前的工作狀態(tài)；

(4)自動進(jìn)行系統(tǒng)初始化功能。

根據(jù)以上功能要求，控制系統(tǒng)總體設(shè)計方案如下。

2　控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計

遠(yuǎn)程控制田園管理機(jī)系統(tǒng)是由操作者、機(jī)械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和通信系統(tǒng)構(gòu)成的一個復(fù)雜系統(tǒng)。遠(yuǎn)程控制田園管理機(jī)的行駛環(huán)境和運行狀態(tài)信息分別由人和相應(yīng)傳感器獲取，經(jīng)無線通信系統(tǒng)傳輸?shù)教飯@管理機(jī)平臺上的控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)通過繼電器、電機(jī)等設(shè)備控制機(jī)械系統(tǒng)。遠(yuǎn)程控制人員根據(jù)這些信息，通過操作手持式遙控器生成并發(fā)送各遙控駕駛指令，再以微波無線通信的方式傳送給遠(yuǎn)程控制田園管理機(jī)，田園管理機(jī)按遙控指令的要求行駛，完成各項功能。

遠(yuǎn)程控制田園管理機(jī)控制系統(tǒng)總體設(shè)計方案如圖2所示。操作人員可以通過手持式遙控器向遠(yuǎn)程控制田園管理機(jī)接收裝置發(fā)射控制信號，實現(xiàn)遙控駕駛田園管理機(jī)。在遙控指令控制下田園管理機(jī)能順利完成發(fā)動機(jī)的啟動、熄火，加速、減速、換擋、轉(zhuǎn)向、停車等功能。在行駛方向偏離正確方向時，遙控人員發(fā)送控制指令進(jìn)行方向調(diào)整；遠(yuǎn)程控制田園管理機(jī)可在操作人員以遠(yuǎn)程控制方式下進(jìn)行遙控作業(yè)。

遠(yuǎn)程控制田園管理機(jī)的工作流程為：操作者通過遙控器發(fā)送遙控指令，遙控接收器接收遙控指令，將信號交給單片機(jī)進(jìn)行分析處理，同時檔位傳感器感知田園管理機(jī)的當(dāng)前狀態(tài)，中央處理單元將當(dāng)前狀態(tài)與遙控信號進(jìn)行比較產(chǎn)生控制信號，然后將控制信號傳送到繼電器，進(jìn)而控制步進(jìn)電機(jī)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)在電機(jī)帶動下完成田園管理機(jī)離合、換擋、轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)等動作。

圖2　遠(yuǎn)程控制田園管理機(jī)控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計

3　控制系統(tǒng)的軟件控制策略

遠(yuǎn)程控制田園管理機(jī)的控制策略實質(zhì)就是控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計方案。控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要是對單片機(jī)的程序設(shè)計。為了便于設(shè)計及調(diào)試，遠(yuǎn)程控制田園管理機(jī)的控制系統(tǒng)運用模塊化設(shè)計方法，主要包括主程序以及各功能子程序等。

圖3　系統(tǒng)初始化程序流程框圖

控制系統(tǒng)的主程序是系統(tǒng)程序的總程序，主要用來完成系統(tǒng)的軟件、各種傳感器等硬件條件的初始化?？刂葡到y(tǒng)的主程序的初始化流程如圖3所示，主要是循環(huán)結(jié)構(gòu)?？刂葡到y(tǒng)在田園管理機(jī)在帶電狀態(tài)下首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化設(shè)置。初始化分為兩個步驟，第一步是對整個系統(tǒng)的硬件進(jìn)行檢測，查找田園管理機(jī)設(shè)備及其傳感器是否存在；若沒有檢測到，則立即退出，并通過LED燈或蜂鳴報警。若發(fā)現(xiàn)田園管理機(jī)及其傳感器信號，立即請求初始化數(shù)據(jù)，再對發(fā)射單元進(jìn)行進(jìn)一步地初始化。

在兩個初始化步驟完成之后，主菜單程序調(diào)用各功能子程序?qū)崿F(xiàn)不同功能控制。主程序在完成田園管理機(jī)初始化、端口、中斷設(shè)置之后，調(diào)用各功能子程序。功能子程序?qū)邮盏降木幹菩盘栠M(jìn)行處理，并產(chǎn)生對繼電器進(jìn)行控制的信號，信號控制電機(jī)，進(jìn)而控制機(jī)械系統(tǒng)。

功能模塊子程序主要包括轉(zhuǎn)向控制子程序、發(fā)動機(jī)油門控制子程序、發(fā)動機(jī)起或停子程序。手持式遙控器10個按鍵對應(yīng)功能為發(fā)動機(jī)起動、關(guān)閉、油門加大、油門減小以及田園管理機(jī)的左轉(zhuǎn)向、右轉(zhuǎn)向、速度I、速度II、停車、空檔等功能。

圖4　中斷子程序流程圖

4　結(jié)束語

田園管理機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的設(shè)計主要從控制系統(tǒng)功能分析、控制系統(tǒng)總體設(shè)計方案、系統(tǒng)的控制策略設(shè)計等三方面進(jìn)行展開。遠(yuǎn)程控制田園管理機(jī)控制系統(tǒng)主要由三個功能模塊組成：發(fā)射控制模塊、接收控制模塊和執(zhí)行模塊?？刂葡到y(tǒng)總體設(shè)計方案主要包括在遙控指令控制下田園管理機(jī)能順利完成發(fā)動機(jī)的啟動、起步、加速、換檔、減速、轉(zhuǎn)向、停車、熄火等功能。遠(yuǎn)程控制田園管理機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計采用模塊化設(shè)計方法，包括主程序、中斷子程序等部分。通過對以上內(nèi)容分析，為遠(yuǎn)程控制田園管理機(jī)的硬件設(shè)計、軟件設(shè)計奠定基礎(chǔ)。

[1]胡煉,羅錫文,趙祚喜,張智剛,胡均萬,陳斌.插秧機(jī)電控操作機(jī)構(gòu)和控制算法設(shè)計[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2009（4）:118-122.

[2]許洪斌,王智強(qiáng),楊長輝. 丘陵山地小型田間搬運機(jī)遙控系統(tǒng)設(shè)計[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué),2016（4）:398-400.

[3]何金伊,楊福增,徐秀棟. 山地履帶式遙控微耕機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計[J]. 拖拉機(jī)與農(nóng)用運輸車,2011（2）:19-22.

[4]蔣蘋,胡文武,羅亞輝,謝方平,孫松林. 機(jī)滾船遙控駕駛系統(tǒng)設(shè)計[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2009（6）:120-124.

[5]Ramalingam N, TSStombaugh. DGPSBased Automatic Vehicle Guidance[C].Annual International Meeting, Midwest Express Cent er,Milwaukee,Wisconsin,2000.

[6]Zhang Q., J.A Reid, and D.Wu,. Hardware-in-the-loop simulator of an off road vehicle electrohydraulic steering system[J].Transactions of the ASAE, 2000,43(6):1323-1330.

[7]丁向美.基于ARM的微耕機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的研究[D].西南大學(xué),2011.

[8]張季琴,楊福增,劉恒培,劉世,盧毅. 山地微型遙控耕地機(jī)的設(shè)計與試驗[A]. 中國農(nóng)業(yè)工程學(xué)會（CSAE）.中國農(nóng)業(yè)工程學(xué)會2011年學(xué)術(shù)年會論文集[C].中國農(nóng)業(yè)工程學(xué)會（CSAE）,2011:6.

An Overall Design of Remote Control System for Rural Management Machines

JIANG Yi-qiang1,2, ZHAO Yong1
(1. Leshan Vocational & Technical College, Leshan, Sichuan 614000 2. School of Manufacturing Science and Engineering, Sichuan University, Chengdu, Sichuan 610065)

Traditional rural management machines are usually operated by their operators through handling the hands of the machines directly while walking behind them. Such operations are highly prone to cause accidents and intensify the labor. Hence a remote control for rural management machines has a great significance for ensuring the security of the operators, reducing the intensity of the labor and overcoming the shortages of rural youth Labors. This paper proposes an overall design of remote control system for rural management machines from the aspects of functional analyses, design schemes and control schemes, Which will provide a basis for the late designs of the hardware and software of the machines.

remote control; rural management machines; scheme design

S219.2

A

1674-3083（2016）05-0001-04

2016-10-20

四川省樂山市新產(chǎn)品試制鑒定項目：遠(yuǎn)程控制田園管理機(jī)的研制(14NZD154)。

蔣易強(qiáng)（1976—），男，四川安岳人，博士，副教授，研究方向：計算機(jī)仿真研究。