基于STM32的擺盤覆土機激光導航控制系統的研究

楊楠 霍艷忠 逯文博 伽倫 李磊

摘要：我國十二五發展規劃中特別明確指出精準設施基礎農業與現代精準農業的結合重要性，發展精準農業的關鍵是準直行走技術，采用激光導航技術，控制器上采用了增量式PID反饋調節方式對行走方向進行調節，從而使農機按照既定路徑行走。針對自動化農機的應用需求，提出了一種應用于擺盤覆土機自主行走的激光導航控制系統。該系統利用激光發射與接收將控制信號傳遞給控制器。在以擺盤覆土機為研究對象進行了測試，完成了自主行走及導航自動化。該激光導航系統對于復雜地形的自動行走適用性強，信息采集快速準確，可靠性高。

關鍵詞：激光導航;激光雷達;路徑跟蹤;綜合定位;STM32

0引言

目前已經有些小型電動農機基本上不能自動準直行走，行走過程需要人為的控制行走方向，控制精度低，人力成本高，針對上訴問題對系統進行了改進，利用激光照射距離遠，發散角小等特點，為擺盤機準直行走提供引導信號，設計一套激光導航的自動控制系統。依據動作要求，設計接收器自動找正裝置快速找正定位，感應的激光的接收器將激光信號傳遞給控制器，控制器通過計算與邏輯判斷，控制轉向執行機構實現準直行走功能。采用增量式PID控制，有效提高系統準直行走精度。

1.激光導航控制系統的工作原理

1.1. 機器運行測距的方法

常見的激光測距方法主要有脈沖法，相位法，三角法[1]等，激光三角測量法原理和結構簡單，對硬件的要求低，而測量范圍和測量精度可滿足大部分應用場景需求，應用效果的性價比極高[1]，因此得到了更普遍的應用，

三角測距中激光雷達會與待測量目標之間形成一個三角形，利用該三角形的幾何關系即可實現對目標距離的估計，A點為激光發射點，B點為激光接收點。P點為待測量的目標。α角為激光發射角，AB為激光發射點與接收點之間的距離。均可通過圖3所示激光測距模塊確定，β為已知量。A點發射的激光，擊中P點后，反射到B點，可以測量β角的大小，可唯一確定出該三角形，并求出d的距離[2]，

另外由于接收點B的激光接收面大小有限，所以該方法一般只能對近距離目標測量，常為幾米。

1.2. 自動導航路徑的路徑跟蹤方法

自動導航技術是農業智能化的基礎技術之一，將智能化技術、信息化技術為核心的機械化加工體系，可有效降低人力資源的投入[3]。導航路徑跟蹤控制算法有PID控制算法[5]、純追蹤算法[6]、模糊控制、神經網絡等，結合擺盤機在農業種植上的實際情況采用增量式PID控制算法，如圖1所示，設置步進電機初始狀態為定速，由行距設置系統設置步進電機步距，當行進距離到達時自動停止。擺盤機通過安裝在車上的激光接收器跟蹤激光信號，激光接收器將被跟蹤激光導向信號的位置與中心值做對比，定位誤差進行比例積分微分運算，用運算結果生成控制命令，調節電機轉速。當信號在接收器正中時，兩側步進電機保持同速，擺盤機沿激光導向信號直行。當接收器接收激光信號偏左時，說明農機偏右，控制器調整輸出給直流電機的PWM占空比，以控制右側電機機加速;當接收器接收激光信號偏右時，說明農機偏左，控制器控制電機減速，小車右轉，直到激光信號回到接收器中間位置。

2. 系統硬件設計

擺盤機的核心控制器采用STM32F103RET6[7]。外部控制模塊包括包括激光發射模塊，激光接收模塊，調制模塊，解調制模塊等，外接編碼器實現閉環控制，按鍵用來實現手動調節速度。采用左側電機以實現精準速度控制，PWM信號輸送給外接的左側電機控制器。激光接收目前采用三區域劃分方式，接收口只用到了A12、A14、A8。

2.1. 激光發射系統

發射系統由激光發射器，振蕩器，分頻器和調制器組成，單片機作為激光發射系統的控制器，控制激光測距部分的信號處理與控制。[8]振蕩器產生振蕩信號[9]經分頻器和調制器使激光器產生連續脈沖激光信號發射給被測目標。該系統完成了電信號轉光信號的過程，其輸出的光信號還要經過透鏡聚焦后發射到目標物體，再將反射回的光信號通過透鏡處理給TOF接收器接收。

2.2. 激光接收系統

激光接收電路以CM0106B六通道施密特觸發器[11]為核心，搭配模擬電路以及特制光敏二極管實現10KHZ頻率的激光解調。具有良好的抗外界光干擾特性，可在室外陽光下使用。輸入電壓范圍為：5-30v。如圖2所示。當調制過的激光照射到光敏二極管上時，二極管兩端將產生10KHZ鋸齒波形并通過引腳5、6輸入電路，經電路解調后通過引腳3輸出為低電平。若無激光照射，引腳3輸出高電平。

結語

該激光引導系統應用于擺盤覆土機上，不僅簡單實用，而且相較于GPS系統來說成本低，商業化難度小易于擴展市場。具有廣闊的應用前景。擺盤機自動控制系統的研發可保證長期的、重復的、不受時間限制的連續工作，提高勞動的生產效率;降低人力成本;擺盤覆土機自動導航技術將傳感器技術、檢測技術、人工智能技術、通信技術、精密及系統集成等集成于一身，其作業質量比駕駛員人工操作農業機械作業質量高，可保證相同的作業行距以及間距，擺盤更整齊，覆土更均勻。

參考文獻

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