基于GPS的太陽能平移式噴灌機(jī)自主導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

王俊野+劉玉燕+杜連營(yíng)

【摘 要】本文先是闡述了基于GPS的太陽能平移式噴灌機(jī)自主導(dǎo)航系統(tǒng)中機(jī)械結(jié)構(gòu)、供電部分以及控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，然后對(duì)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)分析，結(jié)果顯示該系統(tǒng)具有良好的控制精度，可以滿足農(nóng)業(yè)灌溉的需求。目的是對(duì)我國(guó)農(nóng)民的灌溉工作提供幫助。

【關(guān)鍵詞】GPS；噴灌機(jī)；自主導(dǎo)航

0 前言

我國(guó)現(xiàn)在使用的平移式噴灌機(jī)基本都是國(guó)外進(jìn)口的，雖然這些噴灌機(jī)的效率很高，但是成本和電力需求也很高，在用電高峰期或者是偏遠(yuǎn)區(qū)域得不到很好的應(yīng)用。所以，我們要將太陽能作為能源進(jìn)行平移式噴灌機(jī)的設(shè)計(jì)研發(fā)，解決噴灌設(shè)備的動(dòng)力問題。

1 基于GPS的太陽能平移式噴灌機(jī)自主導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 基于GPS的太陽能平移式噴灌機(jī)自主導(dǎo)航系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)械結(jié)構(gòu)作為噴灌機(jī)的硬件主體，設(shè)計(jì)時(shí)要考慮很多方面的內(nèi)容：第一，由于農(nóng)作的需要，要求噴灌機(jī)進(jìn)行噴水、噴藥或者噴肥等多種農(nóng)田作業(yè)，因此，在設(shè)計(jì)噴灌機(jī)的噴頭時(shí)，要注意在輸水管上將灌水器的噴頭進(jìn)行等間距的設(shè)計(jì)，這樣可以確保噴灑的均勻性；第二，為了提高土地的利用率，讓噴灌機(jī)占地面積更小，從而降低對(duì)作物生長(zhǎng)的不利影響，要采用邊梁式的方法進(jìn)行底部支撐部分的設(shè)計(jì)，另外噴灌機(jī)的兩個(gè)前輪以及兩個(gè)后輪之間最好不用連接軸進(jìn)行連接；第三，為了確保噴灌機(jī)的承載力和通過性，要將噴灌機(jī)的外形尺寸進(jìn)行科學(xué)合理的設(shè)計(jì)。另外，一般的噴灌機(jī)都是采用四輪獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)形式，因此，在噴灌機(jī)的設(shè)計(jì)時(shí)，首先要根據(jù)每個(gè)輪子行駛時(shí)需要的最大功率選擇合適的直流電機(jī)，還要為直流電機(jī)配備可以控制轉(zhuǎn)速的驅(qū)動(dòng)控制裝置；然后要根據(jù)直流電機(jī)以及驅(qū)動(dòng)裝置的功率來選擇合適規(guī)格的蓄電池進(jìn)行供電；最后要進(jìn)行輪胎的選擇。

本次設(shè)計(jì)的噴灌機(jī)外形尺寸如下：左右輪之間的距離是3.36米；前后軸之間的距離是2.7米；車梁和地之間的距離是1.3米；桁架和地之間的距離是1.8米。噴灌機(jī)選取四個(gè)480V、200W以及1800r/min的直流電機(jī)以及48V的蓄電池進(jìn)行動(dòng)力的供給。輪胎選擇的是8.3-20的普通人字形農(nóng)用輪胎。

1.2 基于GPS的太陽能平移式噴灌機(jī)自主導(dǎo)航系統(tǒng)的供電部分設(shè)計(jì)

噴灌機(jī)的供電部分通常由太陽能控制器、太陽能光伏組件以及免維護(hù)蓄電池組成，主要為噴灌機(jī)的控制系統(tǒng)、行走驅(qū)動(dòng)部分以及各個(gè)傳感器提供電能。供電部分的結(jié)構(gòu)原理如下：太陽能光伏組件受到太陽光的照射之后，會(huì)使用光電效應(yīng)將光能轉(zhuǎn)變成電能，當(dāng)太陽光照射的強(qiáng)度達(dá)到某一個(gè)值時(shí)，太陽能光伏組件的輸出功率就可以滿足噴灌機(jī)的消耗功率。免維護(hù)蓄電池用來存儲(chǔ)太陽能光伏組件轉(zhuǎn)變的電能；太陽能控制器用來控制免維護(hù)蓄電池的充、放電。本次設(shè)計(jì)中選取金源電子公司的CS5M32-260太陽能板作為太陽能光伏組件；選取4塊190H52閥控式全密封的鉛酸蓄電池進(jìn)行串聯(lián)形成免維護(hù)蓄電池。

1.3 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)通常由GPS接收機(jī)、電子羅盤、導(dǎo)航控制器、轉(zhuǎn)速傳感器以及轉(zhuǎn)速控制器組成，這些組成部分通常采用CAN總線的方式進(jìn)行連接。如圖1所示：

圖1 自主導(dǎo)航系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

在進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)，GPS接收機(jī)主要用來確定噴灌機(jī)當(dāng)前所在的位置，需要對(duì)噴灌機(jī)的位置數(shù)據(jù)進(jìn)行采集；電子羅盤主要用來確定噴灌機(jī)的走向，需要采集噴灌機(jī)走向的數(shù)據(jù)，還要實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航控制算法以及生成和輸出相應(yīng)的控制命令；轉(zhuǎn)速傳感器主要用來采集噴灌機(jī)輪子的速度；轉(zhuǎn)速控制器主要用來控制噴灌機(jī)的轉(zhuǎn)速。本次設(shè)計(jì)中選用32位的Cortex-M3內(nèi)核芯片集成作為噴灌機(jī)自主導(dǎo)航系統(tǒng)的控制器。

2 基于GPS的太陽能平移式噴灌機(jī)自主導(dǎo)航系統(tǒng)的試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)的過程

為了測(cè)定基于GPS的太陽能平移式噴灌機(jī)自主導(dǎo)航系統(tǒng)的性能，進(jìn)行了試驗(yàn)研究。因?yàn)閲姽鄼C(jī)的使用要求機(jī)組入口的壓力要大于十米水頭，整機(jī)的流量要大于30m3/h，在使用噴灌機(jī)之前要在田間留出半米的機(jī)行道，運(yùn)行的時(shí)候要求噴灌機(jī)可以平穩(wěn)地沿著機(jī)行道運(yùn)行，行走的軌跡不能超出行道。由于噴灌機(jī)在田間的運(yùn)行狀況和在水泥路面上的運(yùn)行狀況類似，所以本試驗(yàn)選在某大學(xué)的操場(chǎng)上進(jìn)行。

在進(jìn)行試驗(yàn)之前，在水泥路面上制定出一條直線路徑，首先要使用GPS接收機(jī)測(cè)定出A、B兩點(diǎn)的經(jīng)緯度信息；然后要由高斯投影將經(jīng)緯度信息轉(zhuǎn)變成大地平面的直角坐標(biāo)，使用導(dǎo)航控制器中路徑規(guī)劃的方法將噴灌機(jī)行走的AB直線路徑預(yù)定好；最后將噴灌機(jī)放置在路線的起點(diǎn)，讓噴灌機(jī)的運(yùn)行方向和預(yù)定的導(dǎo)航路徑保持平行。此時(shí)，啟動(dòng)噴灌機(jī)的自主導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，噴灌機(jī)會(huì)沿著預(yù)定的路線進(jìn)行自動(dòng)的路徑跟蹤，使用滴水的方法進(jìn)行噴灌機(jī)真實(shí)行走軌跡的記錄。等到噴灌機(jī)完成自主導(dǎo)航之后，在地面上的A、B兩點(diǎn)之間拉一條白色的細(xì)線當(dāng)做是導(dǎo)航基準(zhǔn)線，自主導(dǎo)航系統(tǒng)的橫向誤差就是噴灌機(jī)行走軌跡和導(dǎo)航基準(zhǔn)線之間的垂直距離。試驗(yàn)中，每隔三十厘米就要測(cè)量一次橫向誤差。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

通過試驗(yàn)中的誤差數(shù)據(jù)分析可知：當(dāng)噴灌機(jī)以0.4m/min的速度運(yùn)行時(shí)，噴灌機(jī)的最大橫向偏差小于17.5厘米；當(dāng)噴灌機(jī)以0.8m/min的速度運(yùn)行時(shí)，噴灌機(jī)的最大橫向偏差小于18.6厘米；隨著噴灌機(jī)速度的加大，控制調(diào)節(jié)時(shí)間越來越小，超調(diào)越來越大?？偟膩碚f，該噴灌機(jī)自主導(dǎo)航系統(tǒng)的誤差小于20厘米，在此次試驗(yàn)中噴灌機(jī)的各個(gè)機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)狀況良好，可以較好地跟蹤預(yù)定的路徑，說明噴灌機(jī)導(dǎo)航自主系統(tǒng)具備較好的控制精度以及穩(wěn)定程度，可以滿足噴灌機(jī)在預(yù)定行道內(nèi)進(jìn)行工作的使用需求。

3 結(jié)論

綜上所述，基于GPS的太陽能平移式噴灌機(jī)自主導(dǎo)航系統(tǒng)可以節(jié)約能源。分析可得，通過對(duì)基于GPS的太陽能平移式噴灌機(jī)自主導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)可知，將太陽能技術(shù)、GPS技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)以及節(jié)水灌溉技術(shù)有機(jī)結(jié)合，可以設(shè)計(jì)出滿足我國(guó)目前農(nóng)業(yè)發(fā)展模式需求的噴灌機(jī)，還可以節(jié)約能源，節(jié)省人力。希望本文的研究可以為相關(guān)人員進(jìn)行噴灌機(jī)的開發(fā)研究提供參考。