基于單片機的準直播種導引激光信號發射車的設計

齊曉娜，劉陽，崔保健

（1.河北金融學院 信息管理與工程系，河北 保定 071051；2.河北農業大學 機電工程學院，河北 保定 071001）

在溫室大棚的蔬菜種植中，要求行距協調一致，植株生長整齊，這樣可以有效增加光照，進而提高蔬菜產量.目前國內保證播種或移栽的直線度和鄰接行距的方法主要有：1）在農機具上安裝劃印器或側對行器；2）開5 cm 深的機具行走溝；3）采用人工拉線劃點的方法.以上方法，應用起來工序繁瑣，增加了田間作業的勞動強度，同時受人為因素影響造成播行不直、行距誤差大，影響播種作業質量［1］及蔬菜的后期管理.國外解決對行問題主要利用GPS和GIS技術，但GPS費用高，研究難度大，中國農戶很難接受［2］，溫室內更不具備使用GPS的條件.激光以其直線傳播，抗干擾能力強等優點主要應用到軍事、工業AGV 設計中［3］；在農業生產中激光平地技術及激光導航技術得到了不同程度的應用［4－5］.本研究將激光導航技術應用到農機準直播種作業中，保證播種直線度、行距準確及行與行之間的平行度，可以減少駕駛員的勞動強度，消除累計誤差［6］.

1 激光導引信號發射車的總體設計

1.1 激光準直播種系統原理

激光準直播種系統由一臺激光導引的激光發射車作為核心部件，如圖1所示，激光發射器1固定，激光發射車沿激光發射器1提供的激光信號平面A 按照控制邏輯自動行進相應距離，并通過車載激光發射器2逐行為播種機提供相互平行的激光導引信號平面B，導引播種機直線行走.由此可見，激光導引信號發射車要完成的任務有

1）沿激光發射器1的激光信號平面A 直線行走，并且不受地面起伏的影響；

2）行進設定距離后即刻停止，保證播種機作業時往復行距均勻；

3）保證車載激光發射器2發出的激光信號平面與激光發射器1發出的激光信號平面垂直，進而確保每個提供給播種機的激光導引信號與平面B平行，播種的直線度及行與行的平行度才能得以保證.

圖1 激光準直播種系統原理Fig.1 Schematic diagram of system

1.2 激光發射車的結構

激光發射車采用直流減速電機驅動的履帶式底盤（即行走系），由前后2個接收器、車載激光發射器及其位置調整機構、主控制系統組成.激光導引信號發射車的結構模型如圖2所示.

圖2 激光發射車模型Fig.2 Model of laser guiding vehicle

1.3 激光發射車控制系統

主控系統以單片機STC12C5A60S2為控制核心，系統由無線接收模塊、信號接收電路模塊、行距輸入及行進距離檢測模塊、電源系統模塊、直線行走控制模塊和車載激光發射器位置控制模塊等電路組成，控制系統見圖3.激光發射車的所有軟件程序都采用C51在keil3下開發.

圖3 控制系統原理Fig.3 Schematic diagram of control system

2 激光發射車控制系統的關鍵模塊設計

2.1 激光發射器的選擇

本系統中采用2個激光發射器，為了保證在田間作業有上下起伏時，也不影響激光信號的接收，激光發射器必須能夠發射鉛垂平面，另外激光信號的工作距離是主要考慮因素.經過對比國內外多種激光發射器的主要性能指標、價格等因素，激光發射器1選擇福田激光水平儀EK－155AP作為激光控制系統的激光信號源.此設備能夠發射水平激光面和垂直面，可自動調平，紅光波段波長635nm，工作半徑在50m 以上.車載激光發射器選用波長為850nm 的一字激光發射器，發射功率30mW，激光的有效接收距離大于150m.

2.2 激光接收裝置設計

在激光導引發射車前后各安裝1個激光接受器，安裝位置如圖2中前接收器和后接收器.激光接收器可以實時接收微弱低頻的激光束信號，經過處理電路處理后，傳送位置信號給控制器.

激光接收器傳感器由2片硅光電池（20mm×10mm）水平橫向排列，信號處理電路包括前置放大電路、整形電路、脈沖展寬電路等.輸出3種狀態：左硅光電池接收信號、右硅光電池接收信號和2片硅光電池同時接收信號即激光信號在接收器中間.

2.3 激光發射車直線行走的設計

控制發射車直線行走機構由前端激光接收器、主控器、直流電機控制器和2個減速直流電機及行走系組成.其中主控制器控制直流電機運行，采用STC12C5A60S2自帶PWM 功能，通過設置單片機的CCAP0H寄存器的值輸出不同的PWM 占空比，來改變電機允許速度.直流電機控制器驅動芯片采用飛思卡爾的MC33886，輸出電流最大可以達到5A，可以實現電機PWM 調速、正反轉、制動等實時控制功能.電路設計考慮了過流、欠壓和溫度過高的自動保護，并采用光電耦合隔離設計，增強了抗干擾能力.

直線行走的設計原理：激光導引信號發射車上的2個直流電機分飾不同角色.左側直流電機在工作時，恒定速度運行.行進距離檢測電路安裝在左側驅動輪上監測行進距離，當行進距離到達時2個電機同時制動.右側直流電機通過速度調節，實現發射車的左右轉向和直線前進.發射車前端的激光接收器為發射車提供直線行走，左轉，右轉輸入信號.當激光導引信號照射在接收器正中時，右側直流電機保持與左側直流電機同速，激光發射車沿激光導引信號直行；當信號照射在接收器左側時，說明小車偏右，控制器調整PWM 占空比，以控制右側電機加速，小車左轉，直到導引信號回到正中；當導引信號照射在接收器右側，說明小車偏左，控制器改變PWM 占空比控制電機減速，小車右轉，直到激光信號回到接收器中間位置，實現激光發射車沿激光導向信號直線行走.

2.4 行距輸入和測量

2.4.1 行距參數輸入

由于農機設備不同以及激光接收器在播種機上的安裝位置不同，播種偶數播幅和播種單數播幅時，激光發射車行進距離不同.

偶數播幅時激光發射車行進距離［7］

播種單數播幅時激光發射車行進距離［7］

公式中，a表示農機具的幅寬；b表示機組往復行距；c表示接收器的位置到第1個播幅的距離.

行進距離參數的輸入方式采用“智能手機＋藍牙串口模塊＋主控器”模式.目前智能手機已經很普遍，而且都具有藍牙通信功能，通過手機藍牙功能與藍牙串口模塊建立無線通信，進行參數傳輸.系統中藍牙串口模塊核心使用HC－06從模塊，它可以直接與單片機相連，取代串口通信，簡化電路.

2.4.2 行進距離測量

采用霍爾傳感器3144和磁鋼監測行進距離，將其安裝在驅動輪上，通過P3.2口將脈沖信息輸入單片機.事先測量驅動輪的直徑計算周長，將行進距離設定值除以驅動輪周長即可得出需要記錄的脈沖個數.在主控程序中通過單片機的外部計數器功能，記錄脈沖個數，當達到設定值時主程序中斷，使激光發射車制動.

2.5 車載激光發射器的位置微調系統

發射車行進設定距離后立即停止，此時小車的位置不能確定，經測試停止位置不會偏離導引信號平面A太遠，可以微調車載發射器的位置，使其發出的導引信號平面B與導引信號平面A 垂直.位置調整機構由前后2個接收器、倒T 型支架、2個帶有滑臺的步進電機、激光發射器2組成.結構參考圖2.

為了減少主控器的負擔，步進電機的控制采用獨立控制器，主控器只負責發送啟動信號，而不直接控制步進電機.步進電機的控制芯片采用STC15F201EA，增強型8051cpu，1T，單時鐘／機器周期比普通8051快6～12倍.內部集成高精度R／C時鐘，5～35 MHz寬范圍可設置，不需要外部晶振.步進電機驅動芯片采用L293.

微調原理：當激光發射車停止后，控制器判斷激光導引信號平面A 落到前端接受器和后端接收器的位置，先后控制前后步進電機帶動前端接收器和后端接收器左移或右移，直到激光導引信號平面A 同時落在2個接受器中間，即刻停止.經過雙向調整后，倒T 型支架橫梁與激光發射器1發射的信號重合，則車載激光發射器2的激光信號平面與激光發射器1的信號平面垂直，保證車載激光發射器每次為播種機提供的導引信號平面是平行的.

3 實驗及分析

為了驗證裝置的準直效果，利用設計的實驗平臺進行了播種實驗.播種實驗在保定徐水縣某蔬菜溫室大棚（10m×90m）中進行，通過實驗計算在此導引信號發射車的配合下，播種播向直線度和機組往復行距誤差值.播種機采用韓國播蘭特JAS－502B播種機播芹菜種子，播種機幅寬60cm，接收器的安裝位置到第1個播種器的距離5cm，設定機組往復間距20cm.經計算播種單數播幅時，信號發射車移動距離為10cm，播種偶數播幅時信號發射車移動距離為150cm.

播種后，在播種行上任意抽取點為起始點，沿播向方向測50m，每5m 標注1個測點，獲測點坐標，如數據表1；應用最小二乘法擬合播種行直線方程，以擬合直線作為測量基準線，表2為播種行的擬合直線方程.依據DB23／T470－1997《農業機械田間作業質量標準》中對播種直線度誤差和行距誤差計算方法的描述，通過測點與基準線來計算直線度誤差和機具往復行距誤差.經計算得出每50m 播向直線度誤差為±4.9mm；機組往復行距誤差為±7.8mm.

表1 地塊內測點坐標Tab.1 Coordinate of monitoring point in seed rows

表2 擬合直線方程Tab.2 Fitting line equation

4 結論

研發了一種性價比高的準直播種導引激光信號發射車，該裝置由STC12C5A60S2單片機作為主控制器，對裝置硬件和軟件進行了設計與實現.實驗結果表明，本信號發射車行走穩定，發射信號平行度精確，在此激光信號發射車的配合下，準直播種系統每50 m 播向直線度誤差為±4.9 mm，機組往復行距誤差為±7.8mm，完全滿足農業田間播種質量要求，顯著優于人工操作，而且有效提高了駕駛員的操控能力.

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