基于嵌入式Linux與Qt的植保機流量控制器設計與實現

(沈陽工業大學 信息科學與工程學院，沈陽 110870)

0 引言

我國地大物博，物產豐富，是一個農業大國。雖為農業大國，但我國噴桿式噴霧機的自動化程度較低，供藥系統藥液的壓力、流量不穩定、藥液噴施控制大多采用傳統控制策略。由于藥液壓力，車速經常發生變化，傳統的控制策略精度不夠高，響應不夠快，對變流量控制的效果較差，造成了噴灑的不均勻，導致了農藥的過度使用，浪費資源，污染土壤，破壞生態平衡，遠沒有達到智能化農業的要求。近些年，很多學者做了相關研究。Kleber R.[1]等人開發了藥液直接注入系統(DIS)，對噴霧管路壓力流量，藥液混合濃度和變量噴霧誤差預計進行建模。經實驗測試分析，模型性能較好，實現了變量噴霧，但采用的控制策略較為簡單。史巖[2]等建立了基于壓力式的變量噴藥系統，對系統進行了數學建模，推導出整個系統的傳遞函數，但只是在仿真下進行測試，沒有做成實物，采用前饋控制策略，控制精度不高。宋樂鵬[3]為了改善微小流量的控制效果，建立了機電流量控制閥的數學模型，實驗效果較好。王利霞[4]等基于ARM微處理器設計了一種變量噴藥控制系統，采用C語言進行系統軟件的編寫。在基于處方圖的自動控制模式下，噴藥流量的誤差范圍在5%之內。為了研究藥液噴施的霧化效果，武同昆[5]等利用ARM微處理器控制輸出不同占空比的PWM信號控制無刷電機。雖然先前學者做了很多工作，但目前仍存在如下的問題：1)傳統植保機缺乏對工況狀態參數的監測。目前植保機械噴藥的過程大都是采用經驗判斷，沒有一個精確的工況數據的監測，操作者無法確定噴灑藥液流量的大小，只能根據經驗進行相關操作，導致農藥噴灑的不均勻，造成了噴施精度和防蟲害的效果不理想，進而導致了農藥的過度使用，造成了資源的浪費，生態環境的污染;2)缺乏對植保機械藥液流量的控制。由于目前大多數機械上針對藥液流量仍采用的是傳統控制策略或者根本沒有采用控制，導致了當實際工況發生變化時，不能按要求進行變流量噴灑操作，遠沒有達到智能化程度;3)缺乏直觀的操作顯示臺;4)雖然國外約翰迪爾等公司有成套的系統，但由于其造價較為昂貴，不利于大規模推廣。因此，本文設計了一種基于嵌入式的植保機流量控制器，能夠較好的改善上述的狀況。

1 系統總體設計及原理

針對目前存在的問題，本文設計的植保機流量控制器能夠改善上述狀況。應具備以下功能：

1)建立實時的數據采集功能。植保機工作時大量與噴施相關的系統參數需要監測，植保機在試行噴藥工作時最為重要的參數是藥液噴施的流量參數，它是能否實現精確噴施的核心；另一個關鍵的參數是管路中藥液的壓力，系統正常運行時由于管路中的壓力與流量存在一定的比例關系，當噴嘴或管路中某些地方發生堵塞，會導致藥液壓力的變化進而改變藥液的噴施流量；藥箱里藥液的剩余量，能夠較為直觀的了解到藥箱內的藥液剩余量，提示農機操作人員及時補充農藥；還有事車輛行駛的速度、車輛油箱，車輛的行駛速度和噴藥的均勻性有一定的關系，當車速增大時，為了滿足噴灑過的土地單位面積上農藥量的一定，則需要加大藥液流量。當車速降低時，則需要減小流量。

2)建立友好的人機交互顯示界面。將系統采集到的各種參數實時的在人機界面上實時顯示，使得農機操作人員較為直觀的觀察到機具的工作狀態，以及噴施的相關參數。當根據不同工況時，操作人員可以依據界面顯示的參數更為準確的進行相關操作。建立的顯示界面尺寸大小應該適中，符合實際工況，操作流程應趨于簡單化，迎合大多數農機駕駛員的使用習慣。

3)建立植保機流量控制功能。設計植保機流量控制器，選取恰當的智能控制策略，根據采集到的參數，進行植保機噴藥流量的實時控制。這需要選用一個運算速率快，穩定性高的嵌入式處理器。

4)建立在線更改參數，與顯示功能。在人機交互界面上，駕駛員可以根據需求通過虛擬鍵盤的方式在線更改系統設定的參數，如藥液壓力值，噴藥量，控制策略相關的控制參數，藥箱的容量值等。將流量控制的結果截取一部分在顯示器中進行圖像顯示。使控制效果的展示更為直觀，方便操作人員在線調整控制參數。

5)系統具備良好的穩定性，擴展性高。由于工況較為復雜，不同地域溫度，濕度變化較大，要求選擇恰當的硬件，使得系統具備良好的穩定性。要求系統能夠即插即用，方便在傳統農機具上進行智能化升級改造。要求系統有良好的擴展性，留有足夠豐富的硬件模塊和軟件模塊接口，方便今后做進一步的產品升級。在具備一定性能的前提，系統的軟硬件造價成本不能太高，要符合實際生產。

本文研究的是植保機械中的噴霧機，其機械的運動參數，作業狀態，噴施效果的實時監測是其智能化的基礎。植保機中的藥液變流量控制是保證噴施效果的關鍵。根據上文分析系統的應具備的功能設計了系統總體結構，如圖1所示。

圖1 嵌入式流量控制結構

傳感器部分由流量傳感器，壓力傳感器，車輛速度傳感器，液位傳感器等構成，將采集到的信號由外部ADC轉換后傳輸到中央控制器中，控制器將采集到的的數據進行實時處理，并將數據傳輸到人機交互界面上實時顯示。當啟用控制功能后，根據流量傳感器和壓力傳感器測量的反饋值，控制器內部運行自行編寫了模糊PID控制策略對藥液進行智能控制，將控制信號經內部D/A轉換成電壓信量驅動執行水泵改變藥液流量的大小。為了搭建更友好的人機交互功能，采用Linux+QT方式編制界面，進行系統監測數據顯示，控制指令的發送，控制參數的在線更改，控制結果的在線顯示。

2 硬件選型

目前植保機中的大都以單片機為主，該流量控制器是以模糊PID控制器為核心，為了實現實時監測系統參數，提高運算和控制精度，嵌入式處理器需要強大的運算能力，并且能夠擴展更多的使用功能，本文使用嵌入式ARM8硬件平臺。采用飛凌公司生產的OK335xS-II工業級開發板(如圖2)，該平臺基于TI公司的工業級ARM處理器AM3354設計完成，采用的是ARM Cortex-A8架構，運行頻率800 Hz，板載512 MB的DDR3內存，256 MBNandFlash。其內部集成了豐富的接口，預留了CAN總線，GPS，WIFI等接口，滿足當下系統的需求，也為后續系統開發擴展做了硬件保障。藥液流量傳感器采用CYYZ11型壓力傳感器，AD轉換芯片采用AD7606-4芯片。執行水泵采用的是深圳齊鑫公司的QS370D水泵。顯示界面硬件上采用10寸的電容屏，處理器將處理好的數據經串口傳到人機交互界面顯示。

3 軟件設計

3.1 開發環境的搭建

本文的嵌入式軟件采用開源的Linux操作系統，其可移植性和裁剪性為本設計開發提供了良好的平臺。搭建友好的人機交互界面是本文的一個重要工作，本文的應用程序軟件基于QT平臺開發。QT具備良好的跨平臺開發特性，豐富的API，強大的自定義功能等優點，是為嵌入式設備上的圖形用戶接口和應用開發而定制的C++開發包[6]。本系統開發是在PC機上進行預處理、編譯、鏈接等工作，然后在生成可以在目標機上運行的可執行程序[7]。本文設計中，PC機裝有Ubuntu 12.04操作系統，安裝交叉編譯工具arm-linux-gcc-4.6.3，嵌入式設備上采用Linux 3.2+ QT creator 4.3.2在此基礎上完成QT應用程序的開發工作。

3.2 界面的設計

界面應用程序主要實現采集數據的顯示處理。本文采用QWidget類創建主界面，QDialog類創建子界面。根據需求，人機顯示主界面主要分為3個部分: 1)系統參數的顯示區。選取QLineEdit作為監測數據的顯示框，分別顯示植保機的藥液流量，管路中藥液的壓力，車輛的行駛速度，選取QProgressbar作為植保機藥箱液位和油量液位的顯示; 2)噴嘴的狀態顯示區。將噴嘴的工作狀態進行了圖像的變化顯示; 3)系統功能按鈕區。選取QPushbutton作為按鈕，觸發各功能子模塊。為了更高效地實時顯示和數據的傳輸，采用Qt自帶的線程類QThread實現多線程工作，一路線程專門作為主界面顯示，各種傳感器分別使用一路線程作為傳輸通道。

噴嘴的狀態顯示區，對噴嘴的工作狀態一共有4種表示。綠色表示噴嘴正常工作；紅色表示堵塞，壓力過高發出提醒；黃色表示噴嘴等待噴灑；白色表示噴嘴關閉。界面上的噴嘴采用QT自帶的畫圖QPanter類進行繪制，先確定好布局，設置畫筆，描繪圖形，設定填充顏。當接收到噴嘴狀態信息時，通過判斷狀態參數，經QT的update()函數進行狀態的更新。

本控制器加入了設定參數，在線調試等功能，所以用C++編寫了虛擬鍵程序。自行定義了一個SoftKeyLineEdit類，將設置子界面和流量控制子界面里的QLineEdit繼承自它。當觸摸屏被點擊時會觸發QMouseEvent的事件，經事件過濾器判斷后自動生成一個模態的小鍵盤，該鍵盤繼承自QDialog類，用戶可直接在小鍵盤上進行數據參數的在線更改。

部分代碼如下：

void SoftKeyLineEdit::mousePressEvent(QMouseEvent *e)

{ if(e->button() == Qt::LeftButton)//判斷按下的按鈕

{ numkeyboard->setText(this->text()); //傳遞內容

numkeyboard->exec(); //顯示一個模式對話框

if(numkeyboard->valid) { this->setText(numkeyboard->getText());//返回得到的字符串

}

}

}

系統設定的值和P,I,D三個初始參數通過觸摸屏虛擬鍵方式在線更改。調用QT外部Qcustomplot庫，編寫圖像數據顯示模塊，在嵌入式平臺上完成了顯示功能。流量控制模塊的具體設計在下一小節中詳細介紹。

3.3 流量控制策略設計

本文要控制的是植保機藥液的流量，由于管路中流量的平方和壓力存在比例關系[1]，故本文的控制可轉為對藥液的壓力控制。藥液經事先混藥完成后裝在液罐中，嵌入式控制器通過控制電壓驅動信號輸出進而控制電機驅動水泵調節藥液流量的大小。

由于，管路中的藥液流量，管路中的壓力，農機具速度存在不確定性，在實際工況下屬于非線性系統。傳統PID控制策略過渡依賴模型的精確性，魯棒性不好，而現實中很難準確的對該過程進行精確建模[8]。為了較高的控制精度，本文采用的控制策略為自適應模糊PID控制(圖3)。將模糊控制和傳統的PID控制相結合，既具有模糊控制解決非線性、不確定性和較強的魯棒性的特點，又具有PID控制精度高的特點[9]。

圖3 模糊PID系統結構

本文采用增量式自適應PID控制，模糊PID算法核心是根據設定的模糊規則采用參數自動在線整定的方式，增強控制器的穩定性。模糊控制器采用的兩輸入三輸出的結構。將壓力傳感器采集到的藥液壓力值偏差和偏差的變化率作為控制的輸入量，經量化處理后，根據設計的模糊規則表完成模糊推理后得到PID控制中比例，積分，微分3個系數的修正值ΔKp，ΔKi，ΔKd。將PID三個參數的修正值與原值相加完成參數的修正，接著對被控對象進行更改參數后的增量式PID控制。增量式PID有效地減少了計算誤差的復雜度，提升了運算效率，只需要三次的偏差就可以進行，因此本文采用的增量式PID。具體的算法公式為：式中：e(k)為偏差；u(k)為模糊PID的輸出結果；Kp，Ki，Kd分別為模糊PID的比例、積分、微分的初始參數；Kp，Ki，Kd的初始參數，其由常規方法得到。

(1)

Δu(k)=kp(e(k)-e(k-1))+kle(k)+

kD(e(k)-2e(k-1)+e(k-2))

(2)

表1 控制參數系數修正值模糊規則表

u(k)=Δu(k)+u(k-1)

(3)

查閱相關資料，并結合系統自身特點得知植保機的流量壓力范圍在0.1～0.5 Mpa之間。則將壓力的偏差e基本論域定為[-0.5，0.5]，誤差偏差變化率ec基本論域為[-1，1]。根據相關專家經驗知識，3個輸出的論域分別為：ΔKp：[-0.3,0.3]，積分系數ΔKi：[-0.3,0.3]，微分系數ΔKd：[-0.6,0.6]。偏差e和偏差ec的模糊論域設定為[-6，6]，3個輸出量的模糊論域為[0，1]。將{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}設置為輸入變量e及ec、輸出變量kp，ki和kd的模糊子集，見表1。三角形隸屬度函數在論域范圍內分布均勻，形式簡單，計算量小，便于在微控制器上實現，故將其選作系統的隸屬度函數。控制結果去模糊化采用加權平均法計算輸出值。

(4)

在上一章軟件設計中預留了控制器模塊接口。本文在此對流量控制器模塊軟件設計進行介紹。

當點擊觸摸屏上控制器按鈕時，自動彈出控制器在線調試子界面。子界面分為兩個部分，第一個為控制器參數設定值得顯示部分，包括控制系統的設定值，控制器的三個PID參數的初始值。等二部分為控制器輸出的圖形表示界面。傳感器采集到的輸出藥液壓力值存入緩存區，將結果采用曲線畫圖的方式更為直觀的表示?？刂乒δ芫唧w流程為：當前入式硬件設備通電后，系統先進行硬件驅動和軟件的初始化操作，接著待機等待。當系統控制參數設定好后，按下控制器運行按鈕，植保機流量控制器開始正常工作，采用模糊PID控制策略對藥液壓力進行控制。當控制器模塊按鈕點擊時，進入在線調試模式，可以通過虛擬鍵方式在線更改設定值，3個控制參數的初始值。當修改好參數后，點擊運行按鈕即可更改模糊PID控制參數，控制器自動對藥液進行控制，將壓力傳感器測得的壓力信息傳輸回處理器，在調試界面上進行部分結果的曲線畫圖顯示，可以直觀地看出控制器效果。當系統停止鍵按下時，控制器停止工作，電子控制單元釋放控制權限。

4 實驗結果與分析

本文在實驗室模擬了植保機的流量控制過程。將執行水泵模型在下位機STM32上嵌入式實現，嵌入式平臺與下位機進行串口通信形成閉環回路，將控制器的軟件程序通過USB方式移植到嵌入式設備上，設備通電初始化程序后，點擊系統運行按鈕，系統開始監測參數，右上角自動顯示日期時間，在設定和控制器界面里可以通過觸摸屏鍵盤方式在線更改參數。系統運行如圖4所示。

圖4 人機交互界面

為了驗證本文設計的控制器效果，通過查找相關文獻得到流量控制系統的傳遞函數[10]

經實驗室測試得，系統增益k=0.93，時間常數τ=0.65，T1=0.2，T2=0.9。

模擬植保機實際工作情況，本實驗將設定管路中的藥液壓力值為2 bar，系統的初始值為0 bar，設定PID三個初始參數Kp，Ki和Kd初始值為5,5,0,設定系統采樣周期為20 ms。根據系統儲存的采樣到的離散數據，在編寫的QT界面上重現(圖6)。實驗結果表明，在給定的階越響應下，系統的調節過程較為平穩，最大超調量為3%，系統經控制器調節最終趨于穩態，穩態誤差為0，由于系統存在時滯情況，調節時間為3.2 s，達到了預期值。本文設計的植保機流量控制器效果較好，達到系統設計的目標，可以滿足農業生產的需求。

圖5 在線更改設定參數

圖6 模糊PID的階越響應

5 結束語

本文設計并實現了一種基于嵌入式的植保機流量控制器,實現了對藥液參數的實時監測，采用模糊PID控制策略對藥液進行控制，效果較好。利用C++編程語言在QT平臺上開發出友好的人機交互界面,滿足了生產需要，提高生產效率,對于后續智能化農機的研制具有一定的工程應用價值。但本文仍有很多不足，在今后的工作中，有以下幾點需要完善：串口傳輸數據穩定性不高，傳輸速率緩慢，可以利用CAN總線進行通信的搭建;控制界面功能不夠豐富，可以引入GPS，4G等技術，開發比如出當下較為流行的無人駕駛技術等。朝著農業裝備智能化的方向進一步發展。