基于STM32的擺盤覆土機(jī)激光導(dǎo)航控制系統(tǒng)的研究

楊楠 霍艷忠 逯文博 伽倫 李磊

摘要：我國十二五發(fā)展規(guī)劃中特別明確指出精準(zhǔn)設(shè)施基礎(chǔ)農(nóng)業(yè)與現(xiàn)代精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的結(jié)合重要性，發(fā)展精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的關(guān)鍵是準(zhǔn)直行走技術(shù)，采用激光導(dǎo)航技術(shù)，控制器上采用了增量式PID反饋調(diào)節(jié)方式對行走方向進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而使農(nóng)機(jī)按照既定路徑行走。針對自動(dòng)化農(nóng)機(jī)的應(yīng)用需求，提出了一種應(yīng)用于擺盤覆土機(jī)自主行走的激光導(dǎo)航控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用激光發(fā)射與接收將控制信號(hào)傳遞給控制器。在以擺盤覆土機(jī)為研究對象進(jìn)行了測試，完成了自主行走及導(dǎo)航自動(dòng)化。該激光導(dǎo)航系統(tǒng)對于復(fù)雜地形的自動(dòng)行走適用性強(qiáng)，信息采集快速準(zhǔn)確，可靠性高。

關(guān)鍵詞：激光導(dǎo)航;激光雷達(dá);路徑跟蹤;綜合定位;STM32

0引言

目前已經(jīng)有些小型電動(dòng)農(nóng)機(jī)基本上不能自動(dòng)準(zhǔn)直行走，行走過程需要人為的控制行走方向，控制精度低，人力成本高，針對上訴問題對系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，利用激光照射距離遠(yuǎn)，發(fā)散角小等特點(diǎn)，為擺盤機(jī)準(zhǔn)直行走提供引導(dǎo)信號(hào)，設(shè)計(jì)一套激光導(dǎo)航的自動(dòng)控制系統(tǒng)。依據(jù)動(dòng)作要求，設(shè)計(jì)接收器自動(dòng)找正裝置快速找正定位，感應(yīng)的激光的接收器將激光信號(hào)傳遞給控制器，控制器通過計(jì)算與邏輯判斷，控制轉(zhuǎn)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)直行走功能。采用增量式PID控制，有效提高系統(tǒng)準(zhǔn)直行走精度。

1.激光導(dǎo)航控制系統(tǒng)的工作原理

1.1. 機(jī)器運(yùn)行測距的方法

常見的激光測距方法主要有脈沖法，相位法，三角法[1]等，激光三角測量法原理和結(jié)構(gòu)簡單，對硬件的要求低，而測量范圍和測量精度可滿足大部分應(yīng)用場景需求，應(yīng)用效果的性價(jià)比極高[1]，因此得到了更普遍的應(yīng)用，

三角測距中激光雷達(dá)會(huì)與待測量目標(biāo)之間形成一個(gè)三角形，利用該三角形的幾何關(guān)系即可實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)距離的估計(jì)，A點(diǎn)為激光發(fā)射點(diǎn)，B點(diǎn)為激光接收點(diǎn)。P點(diǎn)為待測量的目標(biāo)。α角為激光發(fā)射角，AB為激光發(fā)射點(diǎn)與接收點(diǎn)之間的距離。均可通過圖3所示激光測距模塊確定，β為已知量。A點(diǎn)發(fā)射的激光，擊中P點(diǎn)后，反射到B點(diǎn)，可以測量β角的大小，可唯一確定出該三角形，并求出d的距離[2]，

另外由于接收點(diǎn)B的激光接收面大小有限，所以該方法一般只能對近距離目標(biāo)測量，常為幾米。

1.2. 自動(dòng)導(dǎo)航路徑的路徑跟蹤方法

自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)是農(nóng)業(yè)智能化的基礎(chǔ)技術(shù)之一，將智能化技術(shù)、信息化技術(shù)為核心的機(jī)械化加工體系，可有效降低人力資源的投入[3]。導(dǎo)航路徑跟蹤控制算法有PID控制算法[5]、純追蹤算法[6]、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，結(jié)合擺盤機(jī)在農(nóng)業(yè)種植上的實(shí)際情況采用增量式PID控制算法，如圖1所示，設(shè)置步進(jìn)電機(jī)初始狀態(tài)為定速，由行距設(shè)置系統(tǒng)設(shè)置步進(jìn)電機(jī)步距，當(dāng)行進(jìn)距離到達(dá)時(shí)自動(dòng)停止。擺盤機(jī)通過安裝在車上的激光接收器跟蹤激光信號(hào)，激光接收器將被跟蹤激光導(dǎo)向信號(hào)的位置與中心值做對比，定位誤差進(jìn)行比例積分微分運(yùn)算，用運(yùn)算結(jié)果生成控制命令，調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。當(dāng)信號(hào)在接收器正中時(shí)，兩側(cè)步進(jìn)電機(jī)保持同速，擺盤機(jī)沿激光導(dǎo)向信號(hào)直行。當(dāng)接收器接收激光信號(hào)偏左時(shí)，說明農(nóng)機(jī)偏右，控制器調(diào)整輸出給直流電機(jī)的PWM占空比，以控制右側(cè)電機(jī)機(jī)加速;當(dāng)接收器接收激光信號(hào)偏右時(shí)，說明農(nóng)機(jī)偏左，控制器控制電機(jī)減速，小車右轉(zhuǎn)，直到激光信號(hào)回到接收器中間位置。

2. 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

擺盤機(jī)的核心控制器采用STM32F103RET6[7]。外部控制模塊包括包括激光發(fā)射模塊，激光接收模塊，調(diào)制模塊，解調(diào)制模塊等，外接編碼器實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，按鍵用來實(shí)現(xiàn)手動(dòng)調(diào)節(jié)速度。采用左側(cè)電機(jī)以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)速度控制，PWM信號(hào)輸送給外接的左側(cè)電機(jī)控制器。激光接收目前采用三區(qū)域劃分方式，接收口只用到了A12、A14、A8。

2.1. 激光發(fā)射系統(tǒng)

發(fā)射系統(tǒng)由激光發(fā)射器，振蕩器，分頻器和調(diào)制器組成，單片機(jī)作為激光發(fā)射系統(tǒng)的控制器，控制激光測距部分的信號(hào)處理與控制。[8]振蕩器產(chǎn)生振蕩信號(hào)[9]經(jīng)分頻器和調(diào)制器使激光器產(chǎn)生連續(xù)脈沖激光信號(hào)發(fā)射給被測目標(biāo)。該系統(tǒng)完成了電信號(hào)轉(zhuǎn)光信號(hào)的過程，其輸出的光信號(hào)還要經(jīng)過透鏡聚焦后發(fā)射到目標(biāo)物體，再將反射回的光信號(hào)通過透鏡處理給TOF接收器接收。

2.2. 激光接收系統(tǒng)

激光接收電路以CM0106B六通道施密特觸發(fā)器[11]為核心，搭配模擬電路以及特制光敏二極管實(shí)現(xiàn)10KHZ頻率的激光解調(diào)。具有良好的抗外界光干擾特性，可在室外陽光下使用。輸入電壓范圍為：5-30v。如圖2所示。當(dāng)調(diào)制過的激光照射到光敏二極管上時(shí)，二極管兩端將產(chǎn)生10KHZ鋸齒波形并通過引腳5、6輸入電路，經(jīng)電路解調(diào)后通過引腳3輸出為低電平。若無激光照射，引腳3輸出高電平。

結(jié)語

該激光引導(dǎo)系統(tǒng)應(yīng)用于擺盤覆土機(jī)上，不僅簡單實(shí)用，而且相較于GPS系統(tǒng)來說成本低，商業(yè)化難度小易于擴(kuò)展市場。具有廣闊的應(yīng)用前景。擺盤機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的研發(fā)可保證長期的、重復(fù)的、不受時(shí)間限制的連續(xù)工作，提高勞動(dòng)的生產(chǎn)效率;降低人力成本;擺盤覆土機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)將傳感器技術(shù)、檢測技術(shù)、人工智能技術(shù)、通信技術(shù)、精密及系統(tǒng)集成等集成于一身，其作業(yè)質(zhì)量比駕駛員人工操作農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)質(zhì)量高，可保證相同的作業(yè)行距以及間距，擺盤更整齊，覆土更均勻。

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