遙控水田旋耕機控制系統開發

周彥春，李紅陽，魏燦苗，熊永森

（1.金華市婺城區九峰職業學校，2.浙江四方集團公司，3.金華職業技術學院，浙江 金華 321000）

為實現水田作業機械的遙控操作，采用無線數據收發模塊和數據采集處理模塊，配合無線通訊協議，設計了一套基于DSPF2812控制芯片的水田作業機械無線遙控駕駛與耕作系統。通過野外作業實驗表明，該系統遙控無障礙距離達到1000m，無線數據傳輸穩定，能滿足水田作業機械的遙控要求；同時耕作系統通過閉環控制可以實現對耕地深度的控制，滿足農藝要求。

旋耕機控制系統主要有電源系統、控制主板、無線遙控器、耕深檢測模塊、檔位控制模塊、油門控制模塊、HST控制模塊和耕具控制模塊等。控制系統框圖見圖1。

圖1 系統框圖

1 電源系統

考慮到耕機工作時來自工作環境的干擾（發動機轉動產生的干擾，拖拉機啟動電機的開啟和關閉瞬間的電源波動）會通過電源串入到系統中，從而不影響系統的正常工作，必須對電源模塊進行必要的抗干擾措施。在電源的輸入級加入電源濾波器，濾除來自電源的干擾。采用多個DC-DC隔離電源，分別對主控CPU部分、信號接收和控制信息采集部分、執行機構的驅動部分進行供電。

2 控制主板

系統采用CPU核心板與母板直插的形式——DSP核心板插在母板上。如圖2所示，信號輸出和輸出采用光耦隔離，可以避免外部電磁干擾串入到主控單元中而影響DSP的正常工作。

為了滿足系統的控制要求，采用雙CPU工作模式。分別用于耕作控制和拖拉機行走控制。行走控制部分的控制信號來源于無線遙控模塊。通過DSP的捕獲單元，讀取遙控無線接收模塊傳出的PPM信號的脈寬。通過DSP調整，滿足拖拉機的換擋、變換油門、轉向、以及熄火等功能。對于耕作控制單元，通過耕作控制核心板來完成。此CPU主要負責耕具的提升和放下及耕深控制。耕具的提升與放下，通過DSP的捕獲單元捕獲無線遙控模塊接收器的PPM信號的寬度，決定耕具的上升和下降。對于耕深的控制是通過基于485接口的數字編碼器的回傳耕具托板上揚角度來實現PID控制。其中編碼器如圖3所示。

圖2 控制主板圖

圖3 編碼器

3 無線遙控模塊

無線遙控有兩部分組成，手持遙控器見圖4，本地信號接收模塊見圖5。

圖4 遙控器

圖5 信號接收模塊

接收到遙控器上對應的各個開關的位置狀態后，分別輸出對應狀態的PPM信號。這些PPM信號接入到主控制單元后，通過DSP的捕捉單元采集并通過計算得出對應的開關位置狀態，從而可以實現遙控器的操作控制。

DSP主控制單元和手持顯示控制模塊之間的通信主要通過Zigbee模塊進行，由5V隔離電源供電，Zigbee模塊通過RS232與DSP控制單元進行通信，DSP可向手持顯示模塊發送狀態、檔位、油門、轉速、溫度、耕具位置等信息，將這些信息顯示在液晶屏幕上，方便操作者實時了解耕機的具體情況和數據。接近開關有8個，主要包括5個檔位位置，3個耕具位置以及壓輪位置，電源為12V。當執行機構接近相應位置上的開關時，由DSP控制單元檢測到相應開關狀態，并執行對應的操作。

4 軟件系統概述及其主要模塊介紹

軟件使用C語言在CCStudio3.3環境下編寫并進行調試，程序主要包括2.4G無線通信模塊、耕深檢測模塊、檔位控制模塊、油門控制模塊、HST控制模塊以及耕具控制模塊，其中2.4G無線通信模塊包括無線主控監視器和無線輔助遙控器。

無線主控監視器有啟動和停止的開關按鈕，用于啟動和停止整個系統的運行，同時監視器的屏幕上能實時顯示機組狀態，檔位，油門，轉速，溫度，耕具位置等信息。無線輔助遙控器通過遙控上的各個按鈕開關調節檔位、油門、HST、耕具位置等，使控制機組按操作者指令進行動作。軟件組織構架圖6。

圖6 軟件組織構架圖

4.1 主要模塊軟件流程介紹

系統總體軟件流程框圖如圖7所示，開機啟動后需檢測機組各開關位置狀態，確保機組處于安全狀態下方可啟動。

圖7 系統總體軟件流程

4.2 換擋子程序

耕機運動控制單元主要負責旋耕機的運動控制，主要包括換擋，HST，油門等操作控制耕機的前進和后退等。

換擋子程序的框圖如下所示，在換擋之前需先將油門和HST歸零，若操作人員按操作規則在換擋之前已將油門和HST歸零則歸零操作不執行，以防操作時沒有將油門和HST歸零，則系統自動先確定油門和HST處于零位再執行換擋的操作。換擋后，若檔位對應的接近開關沒有置位，則說明換擋不成功，這時先在一定范圍內晃動HST位置以及檔位位置直至換擋到位。若不是空擋則恢復當前油門和HST的位置，空擋則不執行操作，結束換擋操作。換擋程序流程，見圖8。

圖8 換擋程序流程

4.3 耕深PID控制子程序框圖

系統先讀取編碼器角度從而獲得耕深，經PID控制器確保耕具的準確位置。關于PID的軟件控制流程，見圖9。

圖9 PID的軟件控制流程

5 整機展示與結語

智能遙控拖拉機系統組成如圖10智能拖拉機實物圖所示。控制柜、液壓閥及舵機、數字編碼器構成。

圖10 智能拖拉機實物圖

整體系統可以實現穩定運行，包括前行，倒退，轉彎，以及對耕作深度的控制。可以實現拖拉機在車載無人駕駛的初步設計理念。滿足中國南方水田的工作要求。