無人駕駛噴霧機(jī)電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

陳黎卿 許澤鎮(zhèn) 解彬彬 劉 路 許 鳴 鄭 泉

(1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 合肥 230036； 2.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)安徽省智能農(nóng)機(jī)裝備工程實(shí)驗(yàn)室， 合肥 230036； 3.江蘇大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 鎮(zhèn)江 212013)

0 引言

近年來，國內(nèi)外眾多學(xué)者針對植保機(jī)械的變量噴霧[1-4]、控制系統(tǒng)[5-7]、對靶噴霧[8-11]以及霧滴漂移特性[12-14]等開展研究,取得了許多研究成果，同時航空植保機(jī)械[15-16]也得到了迅速發(fā)展。從現(xiàn)有研究成果分析得知，大型噴霧機(jī)在田間行走時易造成苗帶損傷，且成本高，不適宜于小型田塊。航空植保機(jī)具屬于新型機(jī)械，在作業(yè)的精準(zhǔn)性、續(xù)航時間等方面依然存在需要解決的問題[17]。近年，黃淮海兩熟制地區(qū)實(shí)行秸稈全量還田，使得田間秸稈覆蓋量較大，作物中后期病蟲害防治任務(wù)加重，急需研制一種性能可靠的無人駕駛噴霧機(jī)控制系統(tǒng)。

針對上述問題，以玉米植保作業(yè)為研究對象，結(jié)合農(nóng)藝特點(diǎn)和黃淮海地區(qū)田塊特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種以300 m以上遠(yuǎn)距離遙控作業(yè)、良好的爬坡能力、續(xù)航時間長、通信可靠性良好等為目標(biāo)的無人駕駛噴霧機(jī)控制系統(tǒng)。

1 無人駕駛噴霧機(jī)結(jié)構(gòu)與原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

無人駕駛噴霧機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由底盤總成、噴霧工作總成、導(dǎo)航控制和遙控總成等4部分組成。主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

圖1 無人駕駛噴霧機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Structure diagram of unmanned drive sprayer1.噴管支架 2.輪轂電機(jī) 3.轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) 4.減振彈簧 5.步進(jìn)電機(jī) 6.鋰電池組 7.車架 8.藥箱 9.藥液電磁閥

參數(shù)數(shù)值/形式參數(shù)數(shù)值/形式整機(jī)型式輪式軸距/mm670整機(jī)質(zhì)量/kg80輪距/mm450長×寬×高/(mm×mm×mm)1300×400×700質(zhì)心高度/mm驅(qū)動方式450四輪驅(qū)動作業(yè)速度/(m·s-1)0.1～10

1.2 工作原理

遠(yuǎn)程遙控噴霧機(jī)電控系統(tǒng)工作原理框圖如圖2所示，主要分為動力系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)、噴霧系統(tǒng)及控制箱5個模塊。操作人員在田邊操作控制箱按鍵，通過微處理器的解析實(shí)現(xiàn)控制命令的發(fā)送，實(shí)現(xiàn)噴霧機(jī)的行走、轉(zhuǎn)向及噴霧等功能。

圖2 無人駕駛噴霧機(jī)控制系統(tǒng)框圖Fig.2 Control system diagram of unmanned self-propelled sprayer

無人駕駛噴霧機(jī)作業(yè)時，安裝在整機(jī)最前端的高清攝像頭反饋噴霧機(jī)實(shí)時狀態(tài)至控制箱，作業(yè)人員根據(jù)控制箱上12864液晶顯示器顯示的實(shí)時圖像操作按鍵?？刂葡涫巧衔粰C(jī)電路板電路與單片機(jī)的集成封裝，集成電路發(fā)出指令控制噴霧機(jī)的行走和噴霧，單片機(jī)接收視頻信號。噴霧機(jī)的驅(qū)動力由輪轂電機(jī)提供，由無刷直流電機(jī)驅(qū)動器調(diào)節(jié)PWM進(jìn)行控制；整機(jī)轉(zhuǎn)向由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器控制，步進(jìn)電機(jī)與轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)通過齒輪齒條進(jìn)行傳動，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)轉(zhuǎn)向；繼電器控制噴霧機(jī)連接口的點(diǎn)火及閉合，實(shí)現(xiàn)智能點(diǎn)火和調(diào)節(jié)藥量功能。 無人駕駛噴霧機(jī)所有命令均通過無線傳輸，由作業(yè)人員通過控制箱按鍵遠(yuǎn)程控制噴霧機(jī)田間作業(yè)。

2 噴霧機(jī)關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 動力系統(tǒng)設(shè)計(jì)

輪轂電機(jī)具有轉(zhuǎn)向輕便、傳動效率高、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。本設(shè)計(jì)采用功率0.5 kW、額定扭矩45 N·m的輪轂電機(jī)作為整機(jī)的驅(qū)動部件；利用ZM-6615型高性能無刷直流電機(jī)驅(qū)動器控制輪轂電機(jī)，提供驅(qū)動力，其驅(qū)動結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。通過控制4個獨(dú)立的驅(qū)動器，由微處理器STM32F103ZGT6的定時器提供2路PWM信號，控制對應(yīng)驅(qū)動輪。通過IO接口提供其方向控制信號，實(shí)現(xiàn)噴霧機(jī)的前進(jìn)和后退功能的有效切換。由于耕地土質(zhì)較為松軟，在噴霧機(jī)行駛過程中，輪胎容易出現(xiàn)下陷、懸空等情況，為了避免驅(qū)動力不足，該設(shè)計(jì)采用4個輪轂電機(jī)共同驅(qū)動來提供行進(jìn)動力。

圖3 四輪輪轂電機(jī)驅(qū)動結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic of four wheel drive

2.2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)

噴霧機(jī)采用四桿轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，符合阿克曼轉(zhuǎn)向原理[18-19]，由步進(jìn)電機(jī)控制四桿機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)Fig.4 Schematics of steering system1.橫拉桿 2.轉(zhuǎn)向節(jié) 3.步進(jìn)電機(jī) 4.齒輪齒條

步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動時，輸出軸上的齒輪使齒條向左或向右移動，使左右兩邊的桿系產(chǎn)生不同的運(yùn)動，從而使左右車輪分別獲得一個轉(zhuǎn)角。設(shè)齒條向右移過某一行程S，通過右橫拉桿推動右梯形臂，使之轉(zhuǎn)過α。齒條行程S與外輪轉(zhuǎn)角α的關(guān)系為

(1)

式中l(wèi)2——橫拉桿長度l1——梯形臂長度

h——齒條中心線到梯形底邊的安裝距離

γ——梯形底角(滿載)

M——齒條兩端中心距

K——左右兩主銷軸線延長線與地面交點(diǎn)間距離

本文采用的步進(jìn)電機(jī)為86系列兩相大力矩混合式步進(jìn)電機(jī)，單軸輸出，步距角1.8°，步距角精度 5%。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器將微控制器發(fā)出的固有頻率放大，通過控制脈沖頻率精確調(diào)速[20]。齒條依靠步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，其行程可表示為

(2)

式中f——脈沖頻率，Hz

r——步進(jìn)電機(jī)齒輪分度圓半徑

θ——步距角， (°)

m——步進(jìn)電機(jī)細(xì)分?jǐn)?shù)(整步為1，半步為2)

由圖4a可得噴霧機(jī)轉(zhuǎn)彎半徑公式

(3)

式中L——轉(zhuǎn)向軸到轉(zhuǎn)向中心線的距離

由圖4b可得前外輪轉(zhuǎn)角公式

α=φ+ψ-γ

(4)

式中φ——主銷中心線與偏轉(zhuǎn)軸線的夾角，(°)

ψ——梯形臂與偏轉(zhuǎn)軸線的夾角，(°)

消去中間變量α，細(xì)分?jǐn)?shù)m=1，步距角θ=1.8°，得到轉(zhuǎn)彎半徑R的關(guān)系式

(5)

其中

3 噴霧機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)主要以W5500以太網(wǎng)芯片為核心，構(gòu)建局域網(wǎng)，并通過無線路由器與網(wǎng)橋?qū)崿F(xiàn)信號的無線傳輸。計(jì)算機(jī)(遙控)界面控制端通過鍵盤模塊發(fā)送指令，微處理器STM32F103ZGT6解析指令之后，通過SPI接口將數(shù)據(jù)傳輸至W5500網(wǎng)絡(luò)模塊寫數(shù)據(jù)緩存端，通過路由器與網(wǎng)橋?qū)?shù)據(jù)傳至其讀數(shù)據(jù)緩存端，再通過SPI接口將數(shù)據(jù)傳送至驅(qū)動端的微處理器中，讀取數(shù)據(jù)后控制相應(yīng)模塊，從而實(shí)現(xiàn)噴霧機(jī)的遠(yuǎn)程遙控功能。本文采用的網(wǎng)橋?yàn)閵W維通BreezeNET DS.11無線網(wǎng)橋，該網(wǎng)橋低成本布線，簡單安裝，數(shù)據(jù)速率高達(dá)11 Mb/s，在惡劣環(huán)境及天氣條件下其覆蓋范圍最高可達(dá)50 km，適用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域無線傳輸。網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)工作示意圖如圖5所示。

圖5 網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)工作示意圖Fig.5 Schematic of network communication system

圖6 電控系統(tǒng)電路及實(shí)物圖Fig.6 Electrical control system circuit and physical drawing1.備用繼電器 2.打藥繼電器 3.備用信號輸出 4.W5500模塊 5.以太網(wǎng)口 6.STM32 7.行走控制器 8.電源模塊 9.監(jiān)控箱 10.網(wǎng)橋 11.執(zhí)行箱 12.攝像頭

3.2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的控制電路及實(shí)物圖如圖6所示，主要包括電源模塊、繼電控制模塊、按鍵控制模塊、液晶顯示模塊、W5500網(wǎng)絡(luò)模塊、行走控制模塊等。圖6a為主從機(jī)網(wǎng)絡(luò)通訊模塊電路圖，圖6b為安裝在噴霧機(jī)上從機(jī)執(zhí)行箱系統(tǒng)電路圖，將各模塊集成形成從機(jī)執(zhí)行箱驅(qū)動端控制板(圖6c)、噴霧機(jī)主機(jī)控制箱(圖6d)，以實(shí)現(xiàn)無人駕駛噴霧機(jī)遠(yuǎn)程控制功能。

3.3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

選用Keil μVision5作為控制系統(tǒng)軟件開發(fā)環(huán)境，應(yīng)用C語言進(jìn)行編程。系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)思想，與硬件設(shè)計(jì)思想相互對應(yīng)。系統(tǒng)軟件框架主要分為兩部分：上層程序和底層程序。軟件控制框圖如圖7所示，系統(tǒng)軟件流程圖如圖8所示。

4 性能試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

試驗(yàn)材料有5 m長卷尺，量角器，150 cm丁字尺，采用自主設(shè)計(jì)的純電動四輪驅(qū)動底盤，以及主機(jī)控制箱、從機(jī)執(zhí)行箱、奧維通無線網(wǎng)橋、無線攝像頭、48 V鋰電池，如圖9所示。

圖7 控制系統(tǒng)軟件框圖Fig.7 Software framework of control system

圖8 系統(tǒng)軟件流程圖Fig.8 Flow chart of system software

圖9 田間試驗(yàn)Fig.9 Field test

4.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果分析

4.2.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為驗(yàn)證無人駕駛噴霧機(jī)控制系統(tǒng)的可行性，于2018年7月16日在安徽省合肥市肥東縣某家庭農(nóng)場玉米地，進(jìn)行電控系統(tǒng)轉(zhuǎn)向性能試驗(yàn)、電控系統(tǒng)直線偏移量試驗(yàn)、電控系統(tǒng)爬坡能力試驗(yàn)、大田內(nèi)遙控距離試驗(yàn)、通信可靠性試驗(yàn)、電量耐用性試驗(yàn)以及控制響應(yīng)時間測試；以轉(zhuǎn)向角、轉(zhuǎn)彎半徑、直線偏移量、爬坡角度、最大遙控距離、最大工作時間內(nèi)通信掉線次數(shù)、最大電量使用時間、控制響應(yīng)時間等為評價指標(biāo)。

4.2.2試驗(yàn)結(jié)果分析

4.2.2.1電控系統(tǒng)轉(zhuǎn)向性能試驗(yàn)

試驗(yàn)時，無人駕駛噴霧機(jī)以2～4 km/h低速轉(zhuǎn)向，自轉(zhuǎn)一圈，獲得轉(zhuǎn)向內(nèi)側(cè)車輪和外側(cè)車輪形成的內(nèi)外側(cè)軌跡，如圖10所示，測得最大轉(zhuǎn)角與最小轉(zhuǎn)彎半徑。

圖10 駕駛噴霧機(jī)轉(zhuǎn)向試驗(yàn)Fig.10 Turning experiment of self-propelled sprayer

經(jīng)測量，最大轉(zhuǎn)角23°，最小轉(zhuǎn)彎半徑1.45 m，內(nèi)外側(cè)軌跡呈圓形閉合，且內(nèi)圓和外圓圓心基本重合。噴霧機(jī)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可靠，能有效完成田間轉(zhuǎn)向操作。

4.2.2.2電控系統(tǒng)直線偏移量試驗(yàn)

無人駕駛噴霧機(jī)作業(yè)于玉米行間，行駛路線的偏移率是反映控制系統(tǒng)性能指標(biāo)之一。具體試驗(yàn)方法如下：噴霧機(jī)走在規(guī)定的路線上，以2～4 km/h低速勻速行駛50 m后測試偏移量，重復(fù)5次試驗(yàn)并記錄數(shù)據(jù)，結(jié)果如表2所示。

表2 直線偏移量測試結(jié)果Tab.2 Linear offset test results m

由表2計(jì)算得單位距離平均偏移率4.84 cm/m，偏移率較小。實(shí)際田間操作時，該偏移可由遠(yuǎn)程遙控噴霧機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)補(bǔ)償以實(shí)現(xiàn)噴霧機(jī)高效、可靠作業(yè)。

4.2.2.3電控系統(tǒng)爬坡能力試驗(yàn)

機(jī)械田間通過性是一項(xiàng)重要考核指標(biāo)，根據(jù)整機(jī)總體試驗(yàn)要求，通過測試爬坡角度來反映整機(jī)爬坡能力，市場常見轎車爬坡角度一般在30°左右。試驗(yàn)時根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，爬坡角度設(shè)定范圍0°～30°，通過人工堆積25°、30° 2個斜坡進(jìn)行測試，且垂直高度均為500 mm。試驗(yàn)時噴霧機(jī)整車裝備質(zhì)量超過70 kg，以最高速度10 km/h進(jìn)行爬坡試驗(yàn)，試驗(yàn)現(xiàn)場如圖11所示。

圖11 無人駕駛噴霧機(jī)爬坡試驗(yàn)Fig.11 Climbing tests of unmanned drive sprayer

試驗(yàn)中，隨著坡度(爬坡角度)增加，無人駕駛噴霧機(jī)爬行速度降低，在25°和30°的斜坡爬坡速度較為穩(wěn)定；在30°坡度時，由于重力作用，會偶爾發(fā)生翻車現(xiàn)象。綜上分析，無人駕駛噴霧機(jī)可以輕松爬越25°以下斜坡，其最大爬坡角度為25°左右，可以有效完成爬坡作業(yè)，具有較好的爬坡能力，滿足田間作業(yè)的一般工況。

4.2.2.4通信可靠性試驗(yàn)

控制響應(yīng)時間是控制系統(tǒng)穩(wěn)定的關(guān)鍵，若控制響應(yīng)時間過長，會影響到作業(yè)效果以及系統(tǒng)可靠性。該控制系統(tǒng)的傳輸信息主要是控制指令與視頻，因此需進(jìn)行控制響應(yīng)時間測試、最大工作時間內(nèi)通信掉線次數(shù)測試和視頻傳輸測試。

大田內(nèi)試驗(yàn)時，在遙控距離為0～500 m時，利用NI-LabVIEW數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對車速調(diào)節(jié)控制、轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)控制以及藥液電磁閥控制響應(yīng)時間進(jìn)行測試，其中，藥液電磁閥的控制響應(yīng)時間是指執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成工作的總時間，車速調(diào)節(jié)控制響應(yīng)時間和轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)控制響應(yīng)時間是指觸發(fā)按鍵后到功能執(zhí)行完成的總時間，重復(fù)5次試驗(yàn)，記錄數(shù)據(jù)，如表3所示；在最大續(xù)航時間內(nèi)，統(tǒng)計(jì)網(wǎng)絡(luò)通信掉線和視頻畫面卡頓次數(shù)，重復(fù)5次試驗(yàn)，記錄數(shù)據(jù)，如表4所示。

表3 控制響應(yīng)時間測試結(jié)果Tab.3 Control response time test results s

大田遙控距離為0～500 m時，車速調(diào)節(jié)控制、轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)控制以及藥液電磁閥控制響應(yīng)時間均小于0.4 s；在最大續(xù)航工作時間內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)通信掉線次數(shù)小于等于1次、視頻畫面卡頓次數(shù)小于等于1次，通信可靠性良好。

4.2.2.5電量耐用性和大田內(nèi)遙控距離測試

大田內(nèi)試驗(yàn)時，在蓄電量充足情況下，行駛速度2～10 km/h時，測得最大續(xù)航時間，重復(fù)5次試驗(yàn)，記錄數(shù)據(jù)，如表5所示；試驗(yàn)中在長280 m、寬160 m的一塊玉米地未出現(xiàn)失控現(xiàn)象，最大遙控距離可達(dá)500 m，延時情況如表6所示。

表4 視頻通訊卡頓次數(shù)測試結(jié)果Tab.4 Video communication test results

表5 電量耐用性測試結(jié)果Tab.5 Electrical durability test results h

表6 遙控延時測試結(jié)果Tab.6 Field remote control delay test results ms

5 結(jié)論

(1)以STM32F103ZGT6微處理器為控制核心，基于模塊化分別對噴霧機(jī)動力系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和噴霧系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離遙控精確行走和智能噴霧。

(2)性能試驗(yàn)表明：行駛速度為2～4 km/h時，低速轉(zhuǎn)向的外輪轉(zhuǎn)角小于等于23°，轉(zhuǎn)彎半徑大于等于1.45 m，轉(zhuǎn)彎路徑無偏移現(xiàn)象，轉(zhuǎn)向可靠；直線行駛50 m的平均偏移量為2.42 m，單位行駛距離平均偏移率4.84 cm/m，偏移率較??；行駛速度為10 km/h整備狀態(tài)下的噴霧爬坡角度不大于25°；在蓄電量充足情況下，行駛速度2～10 km/h時，最大續(xù)航時間不小于5.50 h，在最大續(xù)航工作時間內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)通信掉線次數(shù)小于等于1次，通信可靠性較好；遙控有效距離內(nèi)車速調(diào)節(jié)控制、轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)控制以及藥液電磁閥控制響應(yīng)時間均小于0.4 s。