釀酒葡萄收獲機(jī)避障控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

趙紫薇++坎雜++李成松++王哲++楊蘭濤

摘要：針對新疆地區(qū)釀酒葡萄立架種植模式下立柱傾斜影響機(jī)械化采收的問題，設(shè)計(jì)1種以可編程邏輯控制器（PLC）、檢測傳感裝置和模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換模塊為硬件核心，以Kingview 6.53為軟件開發(fā)平臺的釀酒葡萄收獲機(jī)避障控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)在釀酒葡萄收獲機(jī)收獲時(shí)檢測立柱的傾斜方向、角度，并根據(jù)檢測結(jié)果與避障策略判斷立柱是否妨礙振動(dòng)分離裝置采收，同時(shí)給出相應(yīng)的振動(dòng)分離裝置調(diào)整信號，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)振動(dòng)分離裝置調(diào)整，最終達(dá)到自動(dòng)避障的目的。

關(guān)鍵詞：釀酒葡萄；避障；可編程邏輯控制器（PLC）；角度傳感器

中圖分類號： S24；S225.93文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2017）03-0192-03

收稿日期：2016-01-24

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金（編號：51465051）；新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)工業(yè)科技計(jì)劃（編號：2013BA009）。

作者簡介：趙紫薇（1993—），女，甘肅武山人，碩士研究生，研究方向?yàn)橹悄芑瘷z測與自動(dòng)控制技術(shù)。E-mail：597949368@qq.com。

通信作者：坎雜，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械研究。E-mail：kz-shz@163.com。

目前，新疆地區(qū)釀酒葡萄的種植模式主要為立架種植模式，由于新疆地區(qū)冬季要對葡萄植株進(jìn)行掩埋，以防葡萄受凍或風(fēng)干而不能形成粗硬的枝干，因此樹形主要為多主蔓扇形，立柱設(shè)置于葡萄行中部且間距較小，用于捆綁金屬網(wǎng)線與支撐葡萄藤葉。葡萄生產(chǎn)主要作業(yè)環(huán)節(jié)中的扒藤上架、除草松土、埋藤等會造成立柱空間位置的移動(dòng)，且同一葡萄行的立柱傾斜方向、角度各異[1-3]。國內(nèi)外釀酒葡萄收獲機(jī)大部分采用中樞型振動(dòng)分離裝置，該裝置在豎直方向上主要由多組對稱肋條組成，工作時(shí)分布在葡萄行兩側(cè)，葡萄行中部的立柱傾斜時(shí)易與上部肋條碰撞。因此，確保振動(dòng)分離裝置與立柱不產(chǎn)生碰撞是實(shí)現(xiàn)機(jī)械化收獲的關(guān)鍵技術(shù)[4]，而國內(nèi)外現(xiàn)有的葡萄收獲機(jī)鮮有這方面的研究。因此，本研究針對新疆地區(qū)釀酒葡萄立架種植模式中立柱較密且傾斜方向角度各異的現(xiàn)狀，以中樞型釀酒葡萄振動(dòng)分離裝置為基礎(chǔ)[5-6]，研究1種基于可編程邏輯控制器（PLC）與組態(tài)王軟件的釀酒葡萄收獲機(jī)避障控制系統(tǒng)，利用以角度傳感器為主要傳感器件的檢測傳感裝置，實(shí)現(xiàn)在釀酒葡萄收獲機(jī)運(yùn)行時(shí)對立柱傾斜方向、角度的檢測，并根據(jù)檢測結(jié)果與避障策略判斷立柱是否妨礙振動(dòng)分離裝置的運(yùn)行，同時(shí)給出相應(yīng)的振動(dòng)分離裝置調(diào)整信號，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)振動(dòng)分離裝置調(diào)整。

1系統(tǒng)總體方案

如圖1所示，釀酒葡萄收獲機(jī)避障控制系統(tǒng)硬件主要有檢測傳感裝置、模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換模塊、PLC控制器、上位機(jī)等組成。

本系統(tǒng)由檢測傳感裝置內(nèi)的1對角度傳感器將立柱的傾斜方向、角度值轉(zhuǎn)換成可識別的電信號，經(jīng)A/D模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，送給PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)量程轉(zhuǎn)換處理，然后通過RS-232串口將檢測到的數(shù)據(jù)傳給上位機(jī)，上位機(jī)通過組態(tài)王軟件編制的處理程序?qū)⒃O(shè)定值與檢測值進(jìn)行比較，確定是否需要避障，需要?jiǎng)t輸出相應(yīng)的振動(dòng)分離裝置調(diào)整信號，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)振動(dòng)分離裝置的調(diào)整。通過立柱后，振動(dòng)分離裝置復(fù)位。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1檢測傳感裝置設(shè)計(jì)

本研究針對目前新疆地區(qū)釀酒葡萄的立架種植模式，主要探測立柱的傾斜度，考慮立柱周圍枝條較多，并且會被藤葉覆蓋，避障系統(tǒng)采用紅外式、超聲波式、激光（雷達(dá)）式、視覺式檢測方法很難檢測出立柱的傾斜度。因此，本避障系統(tǒng)選用接觸式檢測方法，設(shè)計(jì)1個(gè)以角度傳感器為主要傳感器件的檢測傳感裝置，檢測立柱的方向與傾斜度。

檢測傳感裝置對稱安裝在機(jī)架上，并可根據(jù)葡萄行的高度上下調(diào)整；當(dāng)觸桿接觸到立柱，會帶動(dòng)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，角度傳感器通過聯(lián)軸器檢測到相應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，并將相應(yīng)信號通過 A/D 轉(zhuǎn)換模塊傳送給PLC。當(dāng)1次檢測完成時(shí)，觸桿會在主軸兩端安裝的旋向相反的扭簧作用下及時(shí)回復(fù)；為了防止觸桿反向轉(zhuǎn)動(dòng)而影響檢測，在主軸與機(jī)架之間裝有角度限制板。單側(cè)檢測傳感裝置如圖2所示。傳感器選用P3036型霍爾無觸點(diǎn)角度傳感器，該傳感器所需供電電源為24 V直流電，信號輸出為0～10 V直流電，可360°連續(xù)測量，線性精度達(dá)03%F.S，靈敏度高，壽命長，可靠性高。

2.2主要器件選型

本系統(tǒng)選用有較高性價(jià)比的日本三菱公司的FX2N系列PLC。根據(jù)表1的I/O分配情況，可知輸入點(diǎn)有2個(gè)，輸出點(diǎn)有3個(gè)，因此選擇FX2N-16MR型PLC即可滿足系統(tǒng)的需求。

A/D轉(zhuǎn)換模塊的作用是將來自過程控制的傳感器輸入信號，如電壓、電流等連續(xù)變化的模擬量進(jìn)行離散化處理，轉(zhuǎn)換為一定位數(shù)的數(shù)字量信號，以供PLC進(jìn)行運(yùn)算與處理[7]。本系統(tǒng)選用FX2N-4AD模擬量輸入模塊，它可將外部輸入的4點(diǎn)雙極性的模擬量轉(zhuǎn)換為PLC內(nèi)部處理所需的12位帶符號的數(shù)字量[8-9]。本系統(tǒng)選用的角度傳感器輸出信號為 0～10 V的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號，F(xiàn)X2N-4AD對應(yīng)的數(shù)字量輸出范圍是-2 048～2 047。為了在上位機(jī)監(jiān)控畫面上顯示角度的實(shí)際值，必須對FX2N-4AD輸出的數(shù)字量進(jìn)行量程轉(zhuǎn)換。通常情況下，為了計(jì)算方便，將最大模擬量輸入直流電10 V所對應(yīng)的數(shù)字量輸出設(shè)定為2 000，則實(shí)測角度的函數(shù)關(guān)系式：

[JZ（][JB（{][SX（]xU0[SX）]=[SX（]2 00010[SX）][SX（]α0U0[SX）]=[SX（]36010[SX）][JB）]。[JZ）][JY]（1）

[JZ（]α0=0.18x。[JZ）][JY]（2）

式中：x為FX2N-4AD對應(yīng)的數(shù)字量；U0為角度傳感器輸出的電壓，V；α0為實(shí)測角度，°。

2.3硬件連接情況

PLC與A/D轉(zhuǎn)換模塊通過扁平電纜相連；1對角度傳感器輸出的電壓信號輸入到A/D轉(zhuǎn)換模塊的模擬量輸入1（CH1）、2（CH2）通道的V+；A/D轉(zhuǎn)換模塊的電源負(fù)端，1（CH1）、2（CH2）通道的V-和角度傳感器的GND與外部穩(wěn)[JP3]壓電源的負(fù)極相連；角度傳感器的VCC與外部穩(wěn)壓電源的正極相連；PLC與PC通過USB-SC09-FX編程電纜相連（圖3）。[JP][FL）]

[FK（W13][TPZZW3.tif][FK）]

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1避障策略

傾斜立柱恰好與振動(dòng)分離裝置的上部肋條在C點(diǎn)碰撞時(shí)，觸桿與立柱在A點(diǎn)接觸且旋轉(zhuǎn)角為α，立柱傾斜角度為θ，如圖4所示。

設(shè)計(jì)觸桿時(shí)，確保立柱與檢測傳感裝置在A接觸時(shí)，觸桿有最大旋轉(zhuǎn)角，A點(diǎn)在x′y′z′中坐標(biāo)為（x0′，y0′），旋轉(zhuǎn)α角至A′點(diǎn)，坐標(biāo)為（x1′，y1′），則有：

[JZ（]l=[KF（]x′[KG-*3]02+y′[KG-*3]02[KF）]。[JZ）][JY]（3）

[JZ（]φ=arctan[SX（]x′[KG-*3]0y′[KG-*3]0[SX）]。[JZ）][JY]（4）

式中：l為A點(diǎn)到O′點(diǎn)的距離；φ為O′A與y′軸正方向的夾角，°。

解得：

[JZ（]y′[KG-*3]1=lcos（φ-α）。[JZ）][JY]（5）

OC、A′ C在y軸上投影長度分別為s+Δs、a-y′，在z軸投影長度為H、h-H，則有：

[JZ（]tanθ=[SX（]Hs+Δs[SX）]=[SX（]h-Ha-y′[KG-*3]1[SX）]。[JZ）][JY]（6）

[JP2]式中：H為振動(dòng)分離裝置的上部肋條距離地面高度，mm；h為觸桿距離地面高度，mm；s為振動(dòng)分離裝置兩側(cè)肋條間距的1/2，mm；Δs為振動(dòng)分離裝置的調(diào)整位移，調(diào)整范圍是0～150 mm。[JP]

聯(lián)立以上2式，解得：

[FK（W17][TPZZW4.tif][FK）]

[JZ（]θ=arctan[SX（]Hs+Δs[SX）]。[JZ）][JY]（7）

[JZ（]α=φ-arccos[SX（]aH+（s+Δs）（H-h）lH[SX）]。[JZ）][JY]（8）

檢測前，可根據(jù)設(shè)計(jì)的已知數(shù)據(jù)求得設(shè)定角度范圍，則避障策略可根據(jù)檢測傳感裝置測得角度與設(shè)定角度的比較關(guān)系：（1）當(dāng)2邊檢測到的角度值都比設(shè)定的最小角度小時(shí)，不作處理；（2）當(dāng)1邊檢測到的角度在設(shè)定的角度范圍內(nèi)，振動(dòng)分離裝置向該邊調(diào)整距離Δs，直至可以安全通過；（3）當(dāng)1邊檢測到的角度值比設(shè)定的最大角度大，振動(dòng)分離裝置停止運(yùn)行。

3.2下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)通過三菱PLC編程軟件GX Developer對PLC進(jìn)行編程。GX Developer是三菱通用性較強(qiáng)的編程軟件，可以完成脫機(jī)編程、文件管理、程序傳輸和運(yùn)行監(jiān)控等功能[10-11]。圖5為釀酒葡萄收獲機(jī)避障控制程序流程。下位機(jī)PLC在系統(tǒng)中主要完成的任務(wù)是對傳感器檢測到的經(jīng)A/D轉(zhuǎn)化后的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理，隨后傳給上位機(jī)，以及接受上位機(jī)傳來的控制指令來驅(qū)動(dòng)振動(dòng)分離裝置的控制設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)釀酒葡萄收獲機(jī)采收免受立柱的影響，達(dá)到運(yùn)行符合機(jī)械化收獲的要求。

3.3上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)采用Kingview 6.53編制相應(yīng)程序，實(shí)現(xiàn)對控制流程和測量數(shù)據(jù)的顯示，建立釀酒葡萄收獲機(jī)避障控制系統(tǒng)監(jiān)控界面，能夠準(zhǔn)確實(shí)時(shí)再現(xiàn)被控對象的真實(shí)狀態(tài)。收獲人員在采收前輸入設(shè)定角度，隨后進(jìn)入主界面，啟動(dòng)后，當(dāng)檢測傳感裝置碰觸到傾斜的立柱時(shí)，實(shí)時(shí)趨勢曲線會快速地反映出角度的變化。[JP2]當(dāng)2邊檢測到的角度值都比設(shè)定的最小角度小時(shí)，安全指示燈亮，釀酒葡萄收獲機(jī)的采收部件振動(dòng)分離裝置可以安全通過；當(dāng)1邊檢測到的角度在設(shè)定的角度范圍內(nèi)，該邊的調(diào)整指示燈亮，相應(yīng)的振動(dòng)分離裝置自動(dòng)向該邊調(diào)整一定距離，保證裝置可以安全通過；當(dāng)1邊檢測到的角度值比設(shè)定的最大角度大時(shí)，報(bào)警指示燈亮，振動(dòng)分離裝置停止運(yùn)行，收獲人員需自行手動(dòng)處理障礙物。具體監(jiān)控界面如圖6所示。[JP]

5結(jié)論

本研究針對新疆釀酒葡萄的種植模式和收獲現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)釀酒葡萄收獲機(jī)的避障系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用三菱FX2N-16MR型PLC作為核心控制器，配合以P3036型角度傳感器為主要傳感器件的檢測傳感裝置，可對影響振動(dòng)收獲裝置運(yùn)行的立柱的空間位置進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測；并選用PC應(yīng)用Kingview 6.53工業(yè)組態(tài)軟件作為上位機(jī)，實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)工作狀態(tài)，并對不同傾斜度給出不同避障策略，以保證釀酒葡萄收獲機(jī)安全、可靠、穩(wěn)定地運(yùn)行，為新疆地區(qū)釀酒葡萄收獲機(jī)的進(jìn)一步研究提供了參考。

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