基于GPS導航的插秧機作業控制系統

    引言

    農機智能化是國內外農業機械發展的必然趨勢，是實現精準農業的關鍵手段。插秧機的智能化研究可分為自主導航控制和田間作業的自動控制兩部分。在自主導航控制方面，Nagasaka Yoshisada等開發了久保田SPU -650型插秧機的自動導航系統。張智剛、胡煉等開發了基于GPS技術和CAN總線通信的導航控制系統，田間作業直線跟蹤誤差小于0.2 m。任文濤等以久保田NSD8型插秧機為研究平臺，在不改變原有轉向機構的前提下，設計了一種遙控自動轉向系統。偉利國等以XDN2630型水稻插秧機為試驗平臺，采用RTK-GPS技術和PID控制算法，實現了自動對行導航及地頭轉向控制。胡靜濤等研制了農機導航試驗平臺，開發了具有較強通用性的農機自動導航控制系統。

    國內研究機構在進行插秧機導航控制研究的同時，也進行了插秧機栽插作業的自動控制初步探索。華南農業大學對插秧機變速機構和栽插作業機構采用直流電動機進行電控改造，實現了轉向機構、變速機構和機具升降機構的自動控制，其電控操作時間比駕駛員操作時間略長。中國農業機械化科學研究院對插秧機的無級變速系統、制動系統、栽插升降系統原有的機械結構進行了改進，采用電動推桿進行控制口，并開發了根據插秧機行進速度無級調節插秧株距的控制系統，設計了插秧機插植部水平智能控制系統。

    本文以洋馬VP6型高速插秧機為試驗平臺，對主變速操作、插植操作機構和變速機構進行電控改造，在此基礎上設計基于GPS導航的田間作業控制系統，該系統能夠根據處方圖來控制插植機構的升降、插植動作的啟停以及插秧機的行駛速度。

1  插秧機田間作業主要操作機構電控改造

1.1  插秧機操作機構

    洋馬VP6型高速水稻插秧機為4輪驅動的6行乘坐式插秧機。為滿足智能操作控制系統的要求，對主要作業操作機構包括主變速手柄、插植手柄和變速踏板進行了電控改造。

    插秧機主變速手柄與行走變速軸的外變速臂相連，用于行進方向與行走速度的切換，可在移動、中立、前進、補苗、后退擋位間切換，其結構如圖1所示。其中移動擋位用于插秧機高速行走在農道上，中立位置用于僅驅動插植機構。因此，插秧機在田間工作時主要在前進、補苗、后退3個擋位之間切換。

    插秧機插植手柄與變速箱的插植離合臂相連，

可進行插植機構的升降，以及插植動作的開始與停

止，其結構如圖2所示。其中，升、中立、降3擋位用

于插植機構的升降及固定，合和離2擋位用于控制

插植動作的開始和停止。

    插秧機把傳動效率高的齒輪變速和易操作的HST (Hydro static transmission，HST)變速相結合開發出了液壓機械無級變速結構，使速度調節簡單易操作，從零起動到高速插秧，只要通過變速踏板的踩踏就能實現。插秧機變速踏板與HST無級變速箱的變速臂相連，如圖3所示。踩下變速踏板行走速度加快，松開變速踏板則行走速度減慢，完全松開則行走停止。

1.2  主變速操作和插植操作機構電控改造

    插秧機主變速操作和插植操作機構的機械結構類似，其動作可以看作為繞某一轉動軸的圓周運動，擋位之間的切換可以簡化為轉動角度的變換。為了不影響插秧機的手動操作，對2個手柄本身的機械機構未進行改變，而是采用了步進電動機驅動2個操作手柄的轉動軸，實現了主變速和插植作業的自動控制，其改造如圖4所示。與直流電動機控制方法相比，步進電動機更易于實現位置控制，并且電控操作時間可通過調節控制頻率的方法實現。

1.3變速機構電控改造

    變速踏板的踩踏幅度可改變插秧機行駛速度。在本系統中，選用帶位置反饋的電動推桿實現對插秧機行駛速度的控制，將變速踏板與電動推桿用鋼絲繩連接，其改造如圖5所示。電動推桿收縮時，鋼絲繩拉動踏板實現加速；電動推桿伸長時，踏板靠彈力恢復原位。同時，變速踏板的位置可通過電動推桿內置的電位器進行測量用于控制，其結構更加緊湊，且安裝方便。2  田間作業控制系統設計

2.1  總體設計方案

    系統設計的主要目標是實現插秧機田間作業的自動控制，并與GPS導航系統相結合，實現精準作業。其主要功能包括：作業處方圖的下載和解析；插植作業的自動控制；插秧機行駛速度控制。系統總體結構設計如圖6所示。

    田間計算機負責人機交互，配置各種參數，實時顯示農機位置和速度等信息，并把處方圖通過CAN總線下載到智能作業控制器；導航控制器根據規劃路徑控制插秧機精確跟蹤行駛；智能作業控制器與導航控制器相配合，根據處方圖通過插植手柄控制插植機構的升降和插植動作的啟停，完成插秧機田間插秧作業，并根據處方圖的要求調節主變速手柄擋位控制插秧機的前進、后退和停止，同時實時采集插秧機的行駛速度發送到田間計算機顯示，通過變速踏板控制插秧機按照處方圖設定的速度行駛。

2.2  智能作業控制器硬件設計

    插秧機作業控制器是以NXP公司ARM9處理器LPC3250為基礎設計的，根據其功能劃分為ARM9控制器最小系統、速度控制電路、CAN收發電路、手柄控制電路及擴展功能電路5部分，其硬件結構如圖7所示。

    ARM9控制器最小系統包括YL3250核心電路、電源電路及JTAG接口；速度控制電路包括速度信號調理電路和推桿驅動電路，速度信號調理電路將速度傳感器輸出的頻率信號經過調理后送至LPC3250的定時計數器端口，推桿驅動電路選用雙全橋電動機專用驅動芯片L298控制推桿電動機正反轉，通過控制推桿運行時間來實現插秧機行駛速度的改變；手柄控制電路能夠通過外置的定時／計數芯片82C54來產生用于控制手柄控制步進電動機的頻率控制信號，從而控制主變速手柄和插植手柄的動作；系統使用CAN控制器SJA1000T和CAN驅動器CTM8251T的CAN收發電路，支持CAN2. OB協議。

2.3  智能作業控制器軟件設計

    插秧機智能作業控制器的軟件部分是基于uC／OS實時操作系統開發的，它是一種公開源代碼、結構小巧、可移植、可固化、可裁剪、可剝奪型實時內核‘塒。它包含了任務調度、任務管理、時間管理、內存管理和任務間的通信和同步等基本功能。

    uC／OS內核使用時將其完成的功能劃分成優先級不同的任務，然后對每個任務編程。任務劃分是軟件設計的主要任務。

    根據上面所提到的插秧機作業控制器的主要功能，將控制器的任務設計為5個：

    1)開始任務StartTask O，對系統需要的定時器、EMC、I/O口等進行初始化。

    2) CAN分析任務CANTask O，讀取CAN總線的數據，并對CAN數據進行分析，實現處方圖解析、開始或停止控制等。

    3)速度測量任務SpeedTask O，周期性地測量速度值，并發送到CAN總線，用于田間計算機顯示和速度控制。

    4）手柄操作任務HandleTask 0，根據插秧機田間作業處方圖，當插秧機行駛到相應位置時，降下插植機構并開始插植動作或停止插植動作并升起插植機構，同時根據處方圖的要求實現插秧機的前進、后退以及停止控制。

    5)速度控制任務ControlTask 0，將實時測得的插秧機行駛速度值與處方圖設定的行駛速度值進行比較，采用增量式不完全微分PD速度控制算法，控制插秧機的行駛速度，

3試驗

    為了驗證插秧機的田間作業控制系統的整體性能和控制精度，在上述電控改造的插秧機平臺上，進行作業自動控制的路面試驗，如圖8所示。

    系統試驗基于A -B直線導航作業，其行駛路徑規劃如圖9所示。插秧機沿4 -B間直線行駛，當插秧機行進到A點時，插秧機減速，到達A，點時停止，此時降下插植機構，開始插植動作，并拉下變速踏板，控制插秧機行駛速度保持在設定值；當插秧機行進到B，點時，松開變速踏板，到達B點時停止，此時升起插植機構。系統試驗設定插秧機行駛速度為多個值，進行多次試驗觀察控制結果。

    道路試驗開始時，先將包含起止作業位置與設定作業速度信息的處方圖由田間計算機的任務管理功能下載到智能作業控制器。智能作業控制器根據處方圖的要求實現插植作業的自動控制，并控制插秧機行駛在設定速度。

    試驗結果表明，作業控制系統能夠根據處方圖的要求在規劃的位置完成插秧機插植作業和行走速度的自動控制。當速度值設定分別為0.5、0.8和1.0 m/s時，其速度控制結果如圖10所示。

由圖10和表1可知，插秧機速度控制的調整時間隨著設定值的加大而增加；當速度設定值為0.5 m/s時，速度控制的各個誤差均最小，控制效果最好；插秧機在不同設定速度下的速度控制平均誤差小于0.011 3 m/s，滿足了插秧機作業的需求。

4  結束語

    設計了基于GPS導航系統的插秧機作業控制系統，實現了插植機構升降和插植動作啟停的電控操作以及行駛速度的自動控制，并與導航系統相配合進行了道路試驗。試驗結果表明，作業控制系統能夠與GPS導航系統相結合，實現插秧機田間作業的智能控制，速度控制平均誤差小于0. 011 3 m/s，滿足了插秧機自動控制的要求。