基于STM32的多功能遙控農業(yè)車控制系統(tǒng)設計

李昊倫,胡佳寧,詹 宇,李東明

(1.河北農業(yè)大學 機電工程學院,河北 保定 071001;2.石家莊鑫農機械有限公司,石家莊 052400)

0 引言

隨著科技飛速發(fā)展,智能農業(yè)機械發(fā)展也勢不可擋,傳統(tǒng)農業(yè)迎來新發(fā)展空間。智能化農業(yè)的改革、提高了農業(yè)生產效率,將是未來很長一段時間要努力發(fā)展的方向[1-3]。在國外,尤其是美國和德國,有關人工智能移動機械的研究經驗和成果已經相對成熟:一是研究起步早,二是各方面支持資金充裕。反觀我國的農業(yè)機械,由于地域復雜、缺少核心技術、盲目引進、市場不完善等原因,導致我國農業(yè)機械智能化水平較低[4]。在移動機械設備中,農業(yè)車輛作為當代農民基礎的農業(yè)機械化應用,其智能化具有更廣泛的應用前景。針對上述問題,設計了一款操作簡單并具有遙控功能的智能農業(yè)車,可通過遙控完成前進、后退、左轉、右轉、原地轉圈及在某處制動作業(yè)的要求。該農業(yè)車可配套作為運輸車、割草機、打藥機等多種設備的動力底盤,滿足山地、丘陵等困難地形的作業(yè)要求,具有很高的經濟效益和社會效益。

1 農業(yè)車總體結構與主要功能

1.1 樣機結構

遙控農業(yè)車主要分為機械部分和遙控部分,如圖1所示。

1.驅動電機 2.底盤機架 3.履帶 4.負重輪 5.拓展機架 6.電瓶 7.電氣控制箱 8.驅動輪。

1.2 主要功能要求

多功能遙控農業(yè)車要求作業(yè)范圍較廣,可適應多種地形,且具有一定的爬坡越障能力,還要求動作迅速平穩(wěn)。因此,設計要滿足以下要求:

1)利用遙控操控多功能農業(yè)車的運動軌跡,考慮到使用者的知識水平有限,要保證操作簡單易行。

2)采用履帶底盤,令田間或山地作業(yè)更加便利,在斜坡工作時穩(wěn)固,不易翻車,便于工作。

3)使用閉環(huán)元件,并將工作的狀態(tài)隨時反饋給控制系統(tǒng),從而使電氣系統(tǒng)從一定程度上滿足其可操作性與穩(wěn)定性,為操縱系統(tǒng)的一系列指令提供數據基礎,使農用車的動作滿足一定的精度要求,避免死機現象。

2 控制系統(tǒng)硬件設計

2.1 主控制器

本設計主控制器選擇ARM公司生產的M系列意法半導體芯片STM32F103ZET6,32位微控制器,儲存空間和內存較大,72M頻率令CPU運行速度最大化,多個定時器確保信號通道的獨立性,使農業(yè)車接收信號順暢無卡頓,高速、低成本且可保證小車各個動作的可控性[5]。

2.2 電源及中間繼電模塊

為減小誤差,實現控制器與農業(yè)車共地,選擇農業(yè)車內電瓶為主控制器提供24V電源,設置兩組電源輸入/輸出接口,其中兩組5V輸出口分別為接收機和繼電器供應電壓[6]。為防止傳輸過程中電流過高及更直觀檢測到信號的切換,將繼電器與控制器數字量引腳連接。5V電源輸入輸出如圖2所示。

圖2 電源輸入輸出接口

2.3 啟動模塊

設計采用一鍵式下載電路,提前設置好BOOT0=0,通過串口的信號自動配置。啟動模塊電路如圖3所示。

圖3 啟動模塊

2.4 數模轉化模塊

設計采用12位數字輸入數模轉換模塊,通過該模塊輸出模擬量電壓,且數據設置為向左對齊。數模轉換模塊設有2個輸出通道,且每個輸出通道配有獨立的轉換器。在雙數模轉換的方式下,所有通道既可單獨工作,也可共同工作,且能夠同步更新通道的輸出。數模轉化模塊電路圖如圖4所示。

2.5 無線數傳模塊

將32單片機與無線數據接收機相連,選用R12DS型號接收機作為2.4G混合雙擴頻技術十二通道接收機,支持SBUS和PWM信號同時輸出。每個遙控器都擁有獨立ID編碼,使用設備前接收機必須與遙控對碼;對碼完成后,接收機會貯存遙控器ID編碼,且對碼僅一次即可。無線接收機如圖5所示[7]。

圖5 R12DS無線接收機Fig.5 R12DS wireless receiver

2.6 定時計數模塊

定時計數模塊用于測量接收到的信號脈寬。計時器均設為獨立運行,相互之間無資源共享,每個計數器設有4個獨立通道,計數器時鐘分頻系數設定為1～65 535之間的一個值。

3 控制系統(tǒng)軟件設計

3.1 軟件設計基本思路

軟件部分設計可通過庫函數進行編程,也可直接利用寄存器。庫函數就是封裝寄存器的底層操作,兩者操作大同小異。

3.2 姿態(tài)控制系統(tǒng)原理及設計

設計主要針對多功能遙控農業(yè)車姿態(tài)控制系統(tǒng)。遙控接收器將遙控PWM信號發(fā)給32單片機,STM32F103微控制器根據不同的PWM脈寬進行不同判斷。為適應在不同地形行走,利用姿態(tài)控制算法對電機轉速進行調整,依據公式輸出不同電壓給控制器,進而控制電機運動方向及轉速,實現前進、后退、左轉、右轉、原地轉彎等功能[8-10]。

圖6為基于STM32多功能遙控農業(yè)車的前進后退流程圖。當遙控接收機一個信號之后,接收機CM3通道接收到后傳至單片機,判斷其PWM脈寬是否在1550～1900μs之間;若接收到的PWM值位于此區(qū)間則執(zhí)行下一步,通過(pwm-1550)×8.4+1000進行計算,得出應輸出的電壓,并通過DAC數模轉換傳送出去,分別通過兩個管腳供應給直流電機控制器,控制器再傳送至直流電機,電機正轉、前進。如果此時接收機接收到的PWM值不屬于1550～1900μs之間,接著判斷其是否屬于1080～1450μs之間;如果此時滿足條件,則再利用姿態(tài)控制算法進行分析,通過公式得出電壓值。在輸出電壓之前,首先需要控制繼電器開關閉合,此時接通電機的反向線;同前進一樣,此時電機通過控制器控制反轉,農業(yè)車后退。最后,如果輸入的值均不在這兩個范圍內,則農業(yè)車應處于制動狀態(tài)。

圖6 前進后退流程圖

圖7為基于STM32多功能遙控農業(yè)車的左右轉流程圖。此轉向借鑒阿克曼轉向原理,利用左右輪差速進行轉向。接收機CM4通道接收到PWM值后先進行判斷,看脈寬是否小于1 400μs;滿足條件后進行下一步,判斷PWM脈寬是否在1 100～1 200μs之間。如果滿足條件,需要繼電器接收低電平信號開關閉合轉接反向線,電機反轉,令PA4輸出電壓上升,PA5電壓保持原輸入不變,此時快速左轉;若不滿足PWM脈寬在1 100～1 200μs之間,再一次判斷,是否PWM位于1 200～1 400μs之間,此時令PA4電壓輸出降低,而PA5電壓輸出保持不變,亦可進行緩速左轉。當脈寬不小于1 400μs時,進行另一判斷,看PWM信號是否位于1 500～1 700μs。若滿足這個范圍,繼電器開關閉合,接電機反向線,此時PA5輸出電壓上升,PA4電壓保持原輸入不變,農業(yè)車加速右轉。接著進行判斷,若此時PWM信號位于1 500μs到1 700μs之間,PA5電壓輸出降低,而PA4電壓輸出保持不變,小車慢速右轉。最后,若以上范圍都不滿足,小車應該選擇制動[11-13]。

圖7 左轉右轉流程圖

3.3 輸入捕獲配置步驟

1)初始化定時器和通道對應的時鐘;

2)初始化IO口、定時器、輸入捕獲通道[14];

3)開啟捕獲中斷,使能定時器,設置中斷服務函數。

3.4 數模轉換設計

1)開啟PA口時鐘;

2)使能DAC1時鐘;

3)初始化 DAC并設置DAC的工作模式;

4)使能DAC轉換通道;

5)設置數模轉換的輸出值。

4 樣機性能試驗

多功能遙控農業(yè)車樣機如圖8所示。通過對樣機實地測試,測得不同情況下電機的最大轉速和爬坡角度、平均運行速度、遙控距離等參數,分別如表1和表2所示。由表1和表2可以看出:遙控農業(yè)車在懸空狀態(tài)下、水泥路、田間泥土地下行走時均可以保持電機轉速在200r/min左右。這說明,該車穩(wěn)定可靠,滿足各種情況下的作業(yè)。在性能測試上,無論泥濘還是水泥亦或多石路面,均可保證30°爬坡能力;平均運行速度保持15km/h,速度均衡,便于作業(yè);可操控距離較長,操作人員可遠距離跟隨。

圖8 多功能遙控農業(yè)車樣機

表1 農業(yè)車性能測試

表2 電機轉速測試

5 結論

針對農業(yè)車在不同地形作業(yè)的問題,設計了一款多功能遙控農業(yè)車。以STM32F103ZET6微處理器為核心,通過相應算法對遙控信號進行一系列處理,最終以模擬量輸出到電機,對農業(yè)車進行操作。試驗表明:農業(yè)車不僅操作簡單,而且適用于山地、丘陵、公路、多石泥濘道路等多地形,可滿足30°爬坡需求,具有駐車再啟動等功能。與其它農業(yè)作業(yè)車相比較,該車除適用人群廣、操作簡單外,還具有較大的負載能力和更強的配套性,可以與割草機、打藥機、旋耕機及施肥機等相搭配,使農業(yè)作業(yè)更加方便快捷,具有很高的經濟和社會效益。