基于單片機(jī)的采棉機(jī)自動對行系統(tǒng)的設(shè)計

李文春，王 劍，高振康※，畢新勝，董萬城

（1.新疆圖木舒克銀豐現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備有限公司，新疆圖木舒克 844000；2 石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院）

0 引言

我國是世界上棉花單產(chǎn)最大的國家之一，棉花收成的好壞影響著國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展，2012 年新疆棉花種植面積167.3 萬hm2，生產(chǎn)量400 萬t，占中國棉花生產(chǎn)量的55%；兵團(tuán)棉花生產(chǎn)量138 萬t，目前新疆兵團(tuán)機(jī)采棉呈高速發(fā)展趨勢，2019 年新疆棉花的種植基本穩(wěn)定在35 萬hm2[1]。采棉機(jī)是新疆棉花收獲的重要農(nóng)機(jī)，由于國外技術(shù)封鎖，國內(nèi)采棉機(jī)的研究技術(shù)與國外有一定的差距，為了提高采棉機(jī)的采收效率，參考國內(nèi)農(nóng)機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)[2]，課題組設(shè)計了一種采棉機(jī)自動對行系統(tǒng)，實現(xiàn)采棉機(jī)在采摘作業(yè)時精準(zhǔn)對行收獲[3]。

1 系統(tǒng)設(shè)計原則

采棉機(jī)在進(jìn)行田間作業(yè)時，由于田間環(huán)境復(fù)雜，要使自動對行系統(tǒng)能夠快速、精準(zhǔn)地工作，適應(yīng)惡劣的田間工作環(huán)境且不易出問題，必須滿足以下設(shè)計原則[4]：

（1）具備可靠性。采棉機(jī)增設(shè)自動對行系統(tǒng)后，機(jī)具構(gòu)造會有改動，若工作異常或失控會造成采棉機(jī)損壞，甚至威脅到工作人員的安全，所以要求系統(tǒng)必須安全可靠。

（2）系統(tǒng)需具備不影響人工駕駛系統(tǒng)的能力。自動對行系統(tǒng)不能影響駕駛員操作，采棉機(jī)要能根據(jù)工作環(huán)境的不同來切換相應(yīng)的駕駛方式。

（3）高速響應(yīng)速度。采棉機(jī)糾正偏移量不超過200 mm，采棉機(jī)在田間作業(yè)速度大約為7 km/h，對行作業(yè)時偏移量會被迅速糾正，為減小誤差，需要較高的響應(yīng)速度。

（4）能靈活地控制轉(zhuǎn)向方向與速度。田間作業(yè)情況復(fù)雜，偏移量信息不斷變化，對行作業(yè)時轉(zhuǎn)向方向與速度也不斷變化，流暢地轉(zhuǎn)向控制與速度控制能夠保證自動對行系統(tǒng)的精度。

（5）高精度轉(zhuǎn)向。自走式采棉機(jī)對采棉機(jī)行走速度有一定要求，轉(zhuǎn)向精度會影響采棉機(jī)的行走精度，保證自動對行系統(tǒng)的高精度轉(zhuǎn)向，以保證采棉機(jī)的采收效率。

（6）具有通用性。采棉機(jī)自動對行系統(tǒng)在改造后必須適用于不同型號的采棉機(jī)，降低多次研發(fā)的成本，提高研發(fā)效率。

2 系統(tǒng)工作原理

采棉機(jī)自動對行系統(tǒng)主要由控制系統(tǒng)控制采棉機(jī)的液壓轉(zhuǎn)向來達(dá)到對行的目的，探測機(jī)構(gòu)檢測到偏移量，通過探測角度傳感器將偏移量信息發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)分析并處理該數(shù)據(jù)，然后發(fā)送控制信號至比例電磁閥，控制轉(zhuǎn)向油缸的運(yùn)動。采棉機(jī)后輪轉(zhuǎn)向調(diào)整采棉機(jī)位置糾正偏移量，并且在糾正完偏移量后，整個采棉機(jī)趨于直行。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1，轉(zhuǎn)向角度傳感器安裝在采棉機(jī)后橋與轉(zhuǎn)向力臂銜接處，探測角度傳感器安裝在采頭探測機(jī)構(gòu)。比例電磁閥收到信號以后，根據(jù)控制信號的不同，比例電磁閥閥芯會運(yùn)動到不同位置，閥口的大小可改變轉(zhuǎn)向油缸的運(yùn)動速度和行程，油缸的運(yùn)動帶動整個轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)運(yùn)動，轉(zhuǎn)向角度傳感器采集轉(zhuǎn)向信息，反饋采棉機(jī)的后輪轉(zhuǎn)向情況，判斷對行以后采棉機(jī)是否是處于直行狀態(tài)。

圖1 采棉機(jī)自動對行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

對行探測機(jī)構(gòu)如圖2，探測角度傳感器安裝于四桿機(jī)構(gòu)上，安裝固定點同時將整個探測機(jī)構(gòu)固定在采頭上，左右探測桿的前端都固定在采頭機(jī)架上。采棉機(jī)工作時，棉花植株觸碰到左右探測桿產(chǎn)生偏移量，探測桿圍繞固定點進(jìn)行轉(zhuǎn)動，并且?guī)铀臈U機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生角度的偏移量，角度傳感器接收這個信號，并將信號傳遞給單片機(jī)，單片機(jī)生成調(diào)控決策并對相應(yīng)油缸進(jìn)行控制。

圖2 對行系統(tǒng)探測機(jī)構(gòu)

自動對行系統(tǒng)液壓圖如圖3，三位四通比例電磁換向閥為主要控制裝置，轉(zhuǎn)向油缸為執(zhí)行裝置。當(dāng)單片機(jī)接收到對行探測機(jī)構(gòu)傳達(dá)的偏移信號后，單片機(jī)根據(jù)偏移量的方向與大小輸出控制信號給二位三通電磁換向閥，高壓油進(jìn)入控制油路，使轉(zhuǎn)向油缸受到控制開始左右運(yùn)動，帶動采棉機(jī)后輪轉(zhuǎn)向，對采棉機(jī)行進(jìn)角度進(jìn)行調(diào)整。偏移量的不同，轉(zhuǎn)向油缸的調(diào)整量和調(diào)整速度也不相同。自動對行系統(tǒng)工作時液壓泵給蓄能器充壓，當(dāng)電磁閥進(jìn)油口的壓力大于卸荷閥設(shè)定的壓力時，卸荷閥卸荷，單向閥關(guān)閉，蓄能器給系統(tǒng)充壓，蓄能器的壓力慢慢降低。根據(jù)GB/T 2352-1997 設(shè)定蓄能器工作壓力為卸荷閥壓力的20%～28%；當(dāng)進(jìn)油口的壓力小于卸荷閥的設(shè)定壓力時，高壓油口繼續(xù)給采棉機(jī)自動對行液壓系統(tǒng)和蓄能器供油，主閥關(guān)閉，蓄能器繼續(xù)供油，以此往復(fù)工作實現(xiàn)液壓系統(tǒng)穩(wěn)定工作。

圖3 自動對行系統(tǒng)液壓圖

3 控制系統(tǒng)的設(shè)計

3.1 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)原理設(shè)計

硬件結(jié)構(gòu)原理圖如圖4。所有的電路圍繞單片機(jī)展開，包括時鐘電路、復(fù)位電路、電源模塊、角度傳感器檢測電路，電磁閥驅(qū)動電路。系統(tǒng)選用高性能、低功耗的stm32f103c8t6 為控制核心，時鐘電路給單片機(jī)外部接上振蕩器提供高頻脈沖經(jīng)過分頻處理后，成為單片機(jī)內(nèi)部時鐘信號，作為片內(nèi)各部件協(xié)調(diào)工作的控制信號，復(fù)位電路在系統(tǒng)故障時使電路恢復(fù)到初始狀態(tài)，電源模塊電路將采棉機(jī)載具上的電壓進(jìn)行處理以后為角度傳感器、單片機(jī)與電磁閥供電，角度傳感器電路主要將角度信息進(jìn)行采集。電磁閥驅(qū)動電路通過控制轉(zhuǎn)向油缸轉(zhuǎn)動，使轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)上的角度傳感器的信號發(fā)生改變。探測機(jī)構(gòu)檢測到棉花植株與采棉機(jī)的偏移距離，角度傳感器將偏移量轉(zhuǎn)化成脈沖信號并傳送給單片機(jī)進(jìn)行處理?？刂破鞲鶕?jù)信號判斷轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)是否需要動作，需調(diào)整時電磁閥驅(qū)動電路驅(qū)動電磁閥控制轉(zhuǎn)向油缸，載具方向隨之改變，轉(zhuǎn)向角度傳感器監(jiān)測載具信息并實時反饋、調(diào)整載具方向。

圖4 自動對行系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)原理圖

3.2 系統(tǒng)軟件的設(shè)計

控制系統(tǒng)軟件程序采用Keil 軟件C 語言編寫，采用面向測控對象的模塊化程序設(shè)計方法[4]。首先對電路每一個模塊進(jìn)行設(shè)計與調(diào)試，最后聯(lián)合所有的模塊進(jìn)行調(diào)試。系統(tǒng)軟件程序主要是解決角度信號的ADC 采集、電磁閥驅(qū)動的PWM 輸出等問題

啟動對行系統(tǒng)以后，單片機(jī)所有數(shù)據(jù)初始化，對當(dāng)前的角度信息進(jìn)行記錄，然后采集偏移量與后輪的轉(zhuǎn)向信息，系統(tǒng)擬定偏移量糾正為最大偏移量的二分之一時，采棉機(jī)后輪開始回正，直到系統(tǒng)檢測到偏移量為零，且采棉機(jī)處于一個直行的狀態(tài)，此時系統(tǒng)對行成功。。系統(tǒng)角度信號的采集使用ADC 采集[5]，該系統(tǒng)A/D 轉(zhuǎn)換要經(jīng)過取樣、保持、量化及編碼4 個過程。

系統(tǒng)采用PWM 電壓驅(qū)動電磁閥[6]，PWM 通過對一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，等效輸出所需要的波形（包含形狀以及幅值），對模擬信號電平進(jìn)行數(shù)字編碼，通過調(diào)節(jié)占空比（指在一個周期內(nèi)，信號處于高電平的時間占據(jù)整個信號周期的百分比）的變化來調(diào)節(jié)信號、能量等的變化。采用PWM 電壓輸出，在接近檢測的臨界值時，將對電磁閥驅(qū)動采用占空比較大的PWM 輸出，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性減小誤差?？刂栖浖脑O(shè)計如圖5，當(dāng)系統(tǒng)檢測到偏移量以后根據(jù)偏移量的不同，由系統(tǒng)選擇不同的PWM 輸出驅(qū)動電磁閥，同時采集后輪轉(zhuǎn)向的角度信息，直至△α、△β 都為零。

圖5 自動對行系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)原理圖

4 結(jié)論

（1）采棉機(jī)自動對行系統(tǒng)設(shè)計為提高棉花采摘效率，降低駕駛員勞動強(qiáng)度提供了一定程度的幫助。結(jié)合單片機(jī)的功能，實現(xiàn)ADC 采集與PWM 電壓驅(qū)動控制，能夠準(zhǔn)確的實現(xiàn)精準(zhǔn)對行作業(yè)。系統(tǒng)尚未完善完全，通過試驗驗證后，在系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性、精準(zhǔn)性方面還需要深入研究。

（2）采棉機(jī)自動對行系統(tǒng)結(jié)合單片機(jī)技術(shù)，實現(xiàn)采棉機(jī)自動對行，提高采棉機(jī)的采收效率。在農(nóng)業(yè)自動化不斷發(fā)展的時代，采棉機(jī)自動對行系統(tǒng)的設(shè)計有助于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)的提升。