基于單片機的采棉機自動對行系統的設計

李文春，王 劍，高振康※，畢新勝，董萬城

（1.新疆圖木舒克銀豐現代農業裝備有限公司，新疆圖木舒克 844000；2 石河子大學機械電氣工程學院）

0 引言

我國是世界上棉花單產最大的國家之一，棉花收成的好壞影響著國民經濟和社會發展，2012 年新疆棉花種植面積167.3 萬hm2，生產量400 萬t，占中國棉花生產量的55%；兵團棉花生產量138 萬t，目前新疆兵團機采棉呈高速發展趨勢，2019 年新疆棉花的種植基本穩定在35 萬hm2[1]。采棉機是新疆棉花收獲的重要農機，由于國外技術封鎖，國內采棉機的研究技術與國外有一定的差距，為了提高采棉機的采收效率，參考國內農機導航系統[2]，課題組設計了一種采棉機自動對行系統，實現采棉機在采摘作業時精準對行收獲[3]。

1 系統設計原則

采棉機在進行田間作業時，由于田間環境復雜，要使自動對行系統能夠快速、精準地工作，適應惡劣的田間工作環境且不易出問題，必須滿足以下設計原則[4]：

（1）具備可靠性。采棉機增設自動對行系統后，機具構造會有改動，若工作異常或失控會造成采棉機損壞，甚至威脅到工作人員的安全，所以要求系統必須安全可靠。

（2）系統需具備不影響人工駕駛系統的能力。自動對行系統不能影響駕駛員操作，采棉機要能根據工作環境的不同來切換相應的駕駛方式。

（3）高速響應速度。采棉機糾正偏移量不超過200 mm，采棉機在田間作業速度大約為7 km/h，對行作業時偏移量會被迅速糾正，為減小誤差，需要較高的響應速度。

（4）能靈活地控制轉向方向與速度。田間作業情況復雜，偏移量信息不斷變化，對行作業時轉向方向與速度也不斷變化，流暢地轉向控制與速度控制能夠保證自動對行系統的精度。

（5）高精度轉向。自走式采棉機對采棉機行走速度有一定要求，轉向精度會影響采棉機的行走精度，保證自動對行系統的高精度轉向，以保證采棉機的采收效率。

（6）具有通用性。采棉機自動對行系統在改造后必須適用于不同型號的采棉機，降低多次研發的成本，提高研發效率。

2 系統工作原理

采棉機自動對行系統主要由控制系統控制采棉機的液壓轉向來達到對行的目的，探測機構檢測到偏移量，通過探測角度傳感器將偏移量信息發送給單片機，單片機分析并處理該數據，然后發送控制信號至比例電磁閥，控制轉向油缸的運動。采棉機后輪轉向調整采棉機位置糾正偏移量，并且在糾正完偏移量后，整個采棉機趨于直行。系統結構如圖1，轉向角度傳感器安裝在采棉機后橋與轉向力臂銜接處，探測角度傳感器安裝在采頭探測機構。比例電磁閥收到信號以后，根據控制信號的不同，比例電磁閥閥芯會運動到不同位置，閥口的大小可改變轉向油缸的運動速度和行程，油缸的運動帶動整個轉向機構運動，轉向角度傳感器采集轉向信息，反饋采棉機的后輪轉向情況，判斷對行以后采棉機是否是處于直行狀態。

圖1 采棉機自動對行系統結構

對行探測機構如圖2，探測角度傳感器安裝于四桿機構上，安裝固定點同時將整個探測機構固定在采頭上，左右探測桿的前端都固定在采頭機架上。采棉機工作時，棉花植株觸碰到左右探測桿產生偏移量，探測桿圍繞固定點進行轉動，并且帶動四桿機構轉動，產生角度的偏移量，角度傳感器接收這個信號，并將信號傳遞給單片機，單片機生成調控決策并對相應油缸進行控制。

圖2 對行系統探測機構

自動對行系統液壓圖如圖3，三位四通比例電磁換向閥為主要控制裝置，轉向油缸為執行裝置。當單片機接收到對行探測機構傳達的偏移信號后，單片機根據偏移量的方向與大小輸出控制信號給二位三通電磁換向閥，高壓油進入控制油路，使轉向油缸受到控制開始左右運動，帶動采棉機后輪轉向，對采棉機行進角度進行調整。偏移量的不同，轉向油缸的調整量和調整速度也不相同。自動對行系統工作時液壓泵給蓄能器充壓，當電磁閥進油口的壓力大于卸荷閥設定的壓力時，卸荷閥卸荷，單向閥關閉，蓄能器給系統充壓，蓄能器的壓力慢慢降低。根據GB/T 2352-1997 設定蓄能器工作壓力為卸荷閥壓力的20%～28%；當進油口的壓力小于卸荷閥的設定壓力時，高壓油口繼續給采棉機自動對行液壓系統和蓄能器供油，主閥關閉，蓄能器繼續供油，以此往復工作實現液壓系統穩定工作。

圖3 自動對行系統液壓圖

3 控制系統的設計

3.1 系統的硬件結構原理設計

硬件結構原理圖如圖4。所有的電路圍繞單片機展開，包括時鐘電路、復位電路、電源模塊、角度傳感器檢測電路，電磁閥驅動電路。系統選用高性能、低功耗的stm32f103c8t6 為控制核心，時鐘電路給單片機外部接上振蕩器提供高頻脈沖經過分頻處理后，成為單片機內部時鐘信號，作為片內各部件協調工作的控制信號，復位電路在系統故障時使電路恢復到初始狀態，電源模塊電路將采棉機載具上的電壓進行處理以后為角度傳感器、單片機與電磁閥供電，角度傳感器電路主要將角度信息進行采集。電磁閥驅動電路通過控制轉向油缸轉動，使轉向機構上的角度傳感器的信號發生改變。探測機構檢測到棉花植株與采棉機的偏移距離，角度傳感器將偏移量轉化成脈沖信號并傳送給單片機進行處理。控制器根據信號判斷轉向機構是否需要動作，需調整時電磁閥驅動電路驅動電磁閥控制轉向油缸，載具方向隨之改變，轉向角度傳感器監測載具信息并實時反饋、調整載具方向。

圖4 自動對行系統硬件結構原理圖

3.2 系統軟件的設計

控制系統軟件程序采用Keil 軟件C 語言編寫，采用面向測控對象的模塊化程序設計方法[4]。首先對電路每一個模塊進行設計與調試，最后聯合所有的模塊進行調試。系統軟件程序主要是解決角度信號的ADC 采集、電磁閥驅動的PWM 輸出等問題

啟動對行系統以后，單片機所有數據初始化，對當前的角度信息進行記錄，然后采集偏移量與后輪的轉向信息，系統擬定偏移量糾正為最大偏移量的二分之一時，采棉機后輪開始回正，直到系統檢測到偏移量為零，且采棉機處于一個直行的狀態，此時系統對行成功。。系統角度信號的采集使用ADC 采集[5]，該系統A/D 轉換要經過取樣、保持、量化及編碼4 個過程。

系統采用PWM 電壓驅動電磁閥[6]，PWM 通過對一系列脈沖的寬度進行調制，等效輸出所需要的波形（包含形狀以及幅值），對模擬信號電平進行數字編碼，通過調節占空比（指在一個周期內，信號處于高電平的時間占據整個信號周期的百分比）的變化來調節信號、能量等的變化。采用PWM 電壓輸出，在接近檢測的臨界值時，將對電磁閥驅動采用占空比較大的PWM 輸出，提高系統的穩定性減小誤差。控制軟件的設計如圖5，當系統檢測到偏移量以后根據偏移量的不同，由系統選擇不同的PWM 輸出驅動電磁閥，同時采集后輪轉向的角度信息，直至△α、△β 都為零。

圖5 自動對行系統硬件結構原理圖

4 結論

（1）采棉機自動對行系統設計為提高棉花采摘效率，降低駕駛員勞動強度提供了一定程度的幫助。結合單片機的功能，實現ADC 采集與PWM 電壓驅動控制，能夠準確的實現精準對行作業。系統尚未完善完全，通過試驗驗證后，在系統的可靠性、穩定性、精準性方面還需要深入研究。

（2）采棉機自動對行系統結合單片機技術，實現采棉機自動對行，提高采棉機的采收效率。在農業自動化不斷發展的時代，采棉機自動對行系統的設計有助于現代農業科學技術的提升。