旋耕機(jī)遙控駕駛與自動(dòng)調(diào)平技術(shù)

沈真誠(chéng),王 甜

(大荔縣農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展中心,陜西 大荔 715100)

0 引言

土壤旋耕是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié),旋耕過(guò)程可打破犁底層,提高土壤蓄水保墑能力,有利于為下茬作物生長(zhǎng)提供良好的種子萌發(fā)條件[1-2]。旋耕機(jī)是旋耕操作中的主要農(nóng)業(yè)耕整地機(jī)械,能使土壤充分細(xì)碎、地面平坦、土肥摻和均勻,一項(xiàng)作業(yè)能達(dá)到耕、耙、平三項(xiàng)作業(yè)的效果,有利于搶農(nóng)時(shí)、省勞力,對(duì)土壤濕度的適應(yīng)范圍大。旋耕機(jī)用于旱地,能使土肥摻和好,用于水田能做到泥爛起漿。旋耕機(jī)在水稻插秧前整地、稻麥兩熟地打茬、蔬菜地耕耘,以及鹽堿地淺耕等方面得到了廣泛應(yīng)用[3-5]。

目前,國(guó)內(nèi)外旋耕機(jī)械主要為非調(diào)平和非遙控駕駛,在生產(chǎn)過(guò)程中需要操作人員進(jìn)行及時(shí)調(diào)整機(jī)械相關(guān)參數(shù),容易產(chǎn)生工作疲勞,耕整后地表不平整,容易出現(xiàn)較多的坑洼和斜坡,不能達(dá)到理想的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平與標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)[6-7]。在旋耕過(guò)程中,為了實(shí)現(xiàn)旋耕機(jī)的平衡作業(yè),需要操作人員手動(dòng)調(diào)整操縱桿保證旋耕機(jī)的平衡性,需要耗費(fèi)大量精力,勞動(dòng)強(qiáng)度較高。

針對(duì)以上問(wèn)題,為了提高旋耕機(jī)田間工作質(zhì)量與工作效率,實(shí)現(xiàn)旋耕機(jī)自動(dòng)調(diào)平與遙控駕駛,本研究開(kāi)展旋耕機(jī)遙控駕駛與調(diào)平研究,可以通過(guò)遠(yuǎn)距離操控旋耕機(jī)的田間作業(yè)方式,提高旋耕機(jī)耕地質(zhì)量,降低勞動(dòng)強(qiáng)度,提高田間作業(yè)效率。

1 國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展

1.1 國(guó)外遙控駕駛與調(diào)平技術(shù)研究現(xiàn)狀

1.1.1 遙控駕駛技術(shù)

遙控駕駛技術(shù)是指通過(guò)遠(yuǎn)程控制設(shè)備來(lái)操控車(chē)輛、船只、飛機(jī)等運(yùn)輸工具。在國(guó)外,遙控駕駛技術(shù)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用,尤其是在無(wú)人機(jī)和自動(dòng)駕駛汽車(chē)方面。

在無(wú)人機(jī)方面,美國(guó)軍方和航空航天領(lǐng)域一直是遙控駕駛技術(shù)的主要研究方向。美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室(AFRL)開(kāi)發(fā)了一種可以在遠(yuǎn)距離操作的無(wú)人機(jī),其控制系統(tǒng)采用了先進(jìn)的人工智能技術(shù)和自主控制算法,能在惡劣天氣和復(fù)雜環(huán)境下執(zhí)行任務(wù)。此外,美國(guó)還有一些公司,如Insitu、General Atomics、Northrop Grumman等,也在無(wú)人機(jī)領(lǐng)域開(kāi)展遙控駕駛技術(shù)的研究和開(kāi)發(fā)。

在自動(dòng)駕駛汽車(chē)方面,谷歌、特斯拉、Uber等公司一直在致力于研究和開(kāi)發(fā)自動(dòng)駕駛技術(shù),其中遙控駕駛技術(shù)是自動(dòng)駕駛技術(shù)的重要組成部分之一。特斯拉的Autopilot系統(tǒng)可以通過(guò)遙控駕駛技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛功能,并且可以根據(jù)道路情況和交通狀況進(jìn)行自動(dòng)導(dǎo)航和遙控駕駛。此外,谷歌的Waymo也在研究和開(kāi)發(fā)自動(dòng)駕駛汽車(chē),其車(chē)輛配備了多個(gè)傳感器和控制系統(tǒng),可以實(shí)現(xiàn)遙控駕駛功能。

1.1.2 調(diào)平技術(shù)

遙控調(diào)平技術(shù)是指利用傳感器和控制系統(tǒng)對(duì)車(chē)輛進(jìn)行動(dòng)態(tài)平衡控制,使其能在復(fù)雜的路況下保持平衡。在國(guó)外,一些公司和研究機(jī)構(gòu)正在積極開(kāi)展調(diào)平技術(shù)的研究和開(kāi)發(fā)。例如,賽格威-納恩博(Segway-Ninebot)公司通過(guò)多種傳感器和控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)車(chē)輛的自動(dòng)平衡和控制。此外,調(diào)平技術(shù)也在自動(dòng)駕駛汽車(chē)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。自動(dòng)駕駛汽車(chē)采用多種傳感器和控制系統(tǒng),可以實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)輛的動(dòng)態(tài)平衡控制和穩(wěn)定性控制,從而提高安全性和駕駛舒適度。例如,特斯拉的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)配備了多種傳感器和控制系統(tǒng),可以實(shí)現(xiàn)車(chē)輛的自動(dòng)導(dǎo)航和自平衡控制。

綜上所述,國(guó)外的調(diào)平技術(shù)研究和開(kāi)發(fā)已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展,并且在無(wú)人車(chē)、自動(dòng)駕駛汽車(chē)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。未來(lái),隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用場(chǎng)景的不斷拓展,調(diào)平技術(shù)將會(huì)得到更廣泛的應(yīng)用和推廣。

1.2 國(guó)內(nèi)遙控駕駛與調(diào)平技術(shù)研究進(jìn)展

1.2.1 遙控駕駛技術(shù)

我國(guó)遙控駕駛技術(shù)研究起步較晚,技術(shù)和發(fā)展規(guī)模相對(duì)較為落后,但是近年來(lái)隨著各大研究院所及高校之間的努力也取得了一系列研究成果。我國(guó)遙控駕駛技術(shù)的研究進(jìn)展概述如表1所示。我國(guó)遙控駕駛技術(shù)生產(chǎn)中存在價(jià)格昂貴,結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,工作人員需要經(jīng)過(guò)培訓(xùn)才可以使用,不適宜于進(jìn)行大面積的推廣應(yīng)用,因此有必要研制一款生產(chǎn)成本低、操作簡(jiǎn)單和易于推廣的遙控駕駛系統(tǒng)。

表1 我國(guó)車(chē)輛遙控駕駛技術(shù)研究進(jìn)展

1.2.2 調(diào)平技術(shù)

國(guó)內(nèi)調(diào)平技術(shù)的研究主要針對(duì)車(chē)載雷達(dá)、船舶制造和航空航天領(lǐng)域,研究進(jìn)展如表2所示。由表2可知,目前我國(guó)主要采用比例閥和換向閥實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械的自動(dòng)調(diào)平,其響應(yīng)時(shí)間和響應(yīng)精度較低。

2 旋耕機(jī)遙控駕駛與自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

旋耕機(jī)遙控駕駛和自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)主要包括機(jī)械結(jié)構(gòu)、液壓控制系統(tǒng)和電子控制系統(tǒng)組成。機(jī)械系統(tǒng)包括懸掛裝置、安裝裝置和控制器安裝箱等。液壓控制系統(tǒng)主要包括油箱、齒輪泵、電磁閥、全液壓轉(zhuǎn)向機(jī)等,電子控制系統(tǒng)主要包括電磁閥驅(qū)動(dòng)電路、控制器、位移傳感器、傾角傳感器和遙控裝置等。位移傳感器主要用于檢測(cè)油缸位移,傾角傳感器安裝在與機(jī)具平行的平面上。

2.2 調(diào)平系統(tǒng)

2.2.1 基本要求

調(diào)平系統(tǒng)主要包括傳感器與算法程序等,應(yīng)滿足以下設(shè)計(jì)要求:

1)傾角傳感器能精準(zhǔn)地檢測(cè)機(jī)具的水平傾斜角度,在田間復(fù)雜環(huán)境使用過(guò)程中可以保證具有一定的抗干擾能力和良好的數(shù)據(jù)通信能力;

2)系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理中心能穩(wěn)定地進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)傳輸,保證對(duì)機(jī)具各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的精準(zhǔn)控制,防止出現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)卡頓、超調(diào)和回調(diào)等現(xiàn)象;

3)控制中心通過(guò)串口定時(shí)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制,穩(wěn)定地控制整個(gè)機(jī)具的不同動(dòng)作。

2.2.2 硬件選型

控制系統(tǒng)的芯片是保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)正常運(yùn)行的關(guān)鍵部件,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸、運(yùn)算和執(zhí)行,本研究中選取STC公司研制的STC8A8K64S4A12 單片機(jī)作為控制核心。驅(qū)動(dòng)電路主要功能是控制電磁閥的開(kāi)關(guān),為了提高系統(tǒng)推廣便捷性與田間應(yīng)用,應(yīng)選取價(jià)格低廉、體積小且控制程序相對(duì)便捷的電路模塊,在本研究中選取BTS5215 芯片,在使用過(guò)程中具有過(guò)載保護(hù)和過(guò)溫自檢的應(yīng)用優(yōu)勢(shì),通過(guò)遙控器實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信。通信模塊主要是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸,為了提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和田間使用過(guò)程中的抗干擾性,本研究選取MAX公司的 MAX232CSE 芯片作為通信模塊的主要控制芯片。

2.3 遙控駕駛系統(tǒng)

2.3.1 基本要求

遙控駕駛系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)旋耕機(jī)遠(yuǎn)程控制和遙控駕駛的核心,主要包括遙控軟件部分和執(zhí)行機(jī)構(gòu),在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)滿足以下基本要求:

1)基于多傳感器實(shí)現(xiàn)旋耕機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的精準(zhǔn)控制,完成旋耕機(jī)的升起、下降和調(diào)平動(dòng)作;

2)可以滿足大多數(shù)旋耕機(jī)的控制要求,使用無(wú)線信號(hào)通信系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

2.3.2 硬件設(shè)計(jì)與選型

遙控駕駛系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)核心為遙控器,主要為單片機(jī)最小應(yīng)用單元、無(wú)線通信系統(tǒng)、電池系統(tǒng)等。單片機(jī)最小控制單元應(yīng)滿足外設(shè)功能豐富、引腳數(shù)量充足和生產(chǎn)成本較低等特點(diǎn),在本研究中選用STC 公司的 STC12C5A32S2 單片機(jī);無(wú)線通信模塊主要應(yīng)具有遠(yuǎn)程遙控穩(wěn)定、靈敏度較高和功耗低等特點(diǎn),在本研究中選用LoRaTM 調(diào)制技術(shù),具有田間使用過(guò)程中抗干擾性能強(qiáng)、功耗低和超遠(yuǎn)距離通信等優(yōu)勢(shì)。

3 結(jié)論與展望

3.1 結(jié)論

為了提高旋耕機(jī)田間工作質(zhì)量與工作效率,實(shí)現(xiàn)旋耕機(jī)自動(dòng)調(diào)平與遙控駕駛,本研究基于國(guó)內(nèi)外遙控駕駛與調(diào)平技術(shù)研究現(xiàn)狀,提出一種旋耕機(jī)遙控駕駛與自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng),并闡述基本設(shè)計(jì)要求與關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)與選型,研究結(jié)果對(duì)于提高旋耕機(jī)工作質(zhì)量,降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本提供參考和借鑒。

3.2 展望

未來(lái)應(yīng)進(jìn)一步提升旋耕機(jī)遙控駕駛中遠(yuǎn)程無(wú)線通信功能,提高相關(guān)傳感器及電路的抗干擾能力,進(jìn)一步提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和控制精度。