旋耕機遙控駕駛與自動調平技術

沈真誠,王 甜

(大荔縣農業機械化發展中心,陜西 大荔 715100)

0 引言

土壤旋耕是農業生產的重要環節,旋耕過程可打破犁底層,提高土壤蓄水保墑能力,有利于為下茬作物生長提供良好的種子萌發條件[1-2]。旋耕機是旋耕操作中的主要農業耕整地機械,能使土壤充分細碎、地面平坦、土肥摻和均勻,一項作業能達到耕、耙、平三項作業的效果,有利于搶農時、省勞力,對土壤濕度的適應范圍大。旋耕機用于旱地,能使土肥摻和好,用于水田能做到泥爛起漿。旋耕機在水稻插秧前整地、稻麥兩熟地打茬、蔬菜地耕耘,以及鹽堿地淺耕等方面得到了廣泛應用[3-5]。

目前,國內外旋耕機械主要為非調平和非遙控駕駛,在生產過程中需要操作人員進行及時調整機械相關參數,容易產生工作疲勞,耕整后地表不平整,容易出現較多的坑洼和斜坡,不能達到理想的農業生產水平與標準化作業[6-7]。在旋耕過程中,為了實現旋耕機的平衡作業,需要操作人員手動調整操縱桿保證旋耕機的平衡性,需要耗費大量精力,勞動強度較高。

針對以上問題,為了提高旋耕機田間工作質量與工作效率,實現旋耕機自動調平與遙控駕駛,本研究開展旋耕機遙控駕駛與調平研究,可以通過遠距離操控旋耕機的田間作業方式,提高旋耕機耕地質量,降低勞動強度,提高田間作業效率。

1 國內外研究進展

1.1 國外遙控駕駛與調平技術研究現狀

1.1.1 遙控駕駛技術

遙控駕駛技術是指通過遠程控制設備來操控車輛、船只、飛機等運輸工具。在國外,遙控駕駛技術已經得到廣泛應用,尤其是在無人機和自動駕駛汽車方面。

在無人機方面,美國軍方和航空航天領域一直是遙控駕駛技術的主要研究方向。美國空軍研究實驗室(AFRL)開發了一種可以在遠距離操作的無人機,其控制系統采用了先進的人工智能技術和自主控制算法,能在惡劣天氣和復雜環境下執行任務。此外,美國還有一些公司,如Insitu、General Atomics、Northrop Grumman等,也在無人機領域開展遙控駕駛技術的研究和開發。

在自動駕駛汽車方面,谷歌、特斯拉、Uber等公司一直在致力于研究和開發自動駕駛技術,其中遙控駕駛技術是自動駕駛技術的重要組成部分之一。特斯拉的Autopilot系統可以通過遙控駕駛技術實現自動駕駛功能,并且可以根據道路情況和交通狀況進行自動導航和遙控駕駛。此外,谷歌的Waymo也在研究和開發自動駕駛汽車,其車輛配備了多個傳感器和控制系統,可以實現遙控駕駛功能。

1.1.2 調平技術

遙控調平技術是指利用傳感器和控制系統對車輛進行動態平衡控制,使其能在復雜的路況下保持平衡。在國外,一些公司和研究機構正在積極開展調平技術的研究和開發。例如,賽格威-納恩博(Segway-Ninebot)公司通過多種傳感器和控制系統實現車輛的自動平衡和控制。此外,調平技術也在自動駕駛汽車領域得到了廣泛應用。自動駕駛汽車采用多種傳感器和控制系統,可以實現對車輛的動態平衡控制和穩定性控制,從而提高安全性和駕駛舒適度。例如,特斯拉的自動駕駛系統配備了多種傳感器和控制系統,可以實現車輛的自動導航和自平衡控制。

綜上所述,國外的調平技術研究和開發已經取得了一定的進展,并且在無人車、自動駕駛汽車等領域得到了廣泛應用。未來,隨著技術的不斷發展和應用場景的不斷拓展,調平技術將會得到更廣泛的應用和推廣。

1.2 國內遙控駕駛與調平技術研究進展

1.2.1 遙控駕駛技術

我國遙控駕駛技術研究起步較晚,技術和發展規模相對較為落后,但是近年來隨著各大研究院所及高校之間的努力也取得了一系列研究成果。我國遙控駕駛技術的研究進展概述如表1所示。我國遙控駕駛技術生產中存在價格昂貴,結構較為復雜,工作人員需要經過培訓才可以使用,不適宜于進行大面積的推廣應用,因此有必要研制一款生產成本低、操作簡單和易于推廣的遙控駕駛系統。

表1 我國車輛遙控駕駛技術研究進展

1.2.2 調平技術

國內調平技術的研究主要針對車載雷達、船舶制造和航空航天領域,研究進展如表2所示。由表2可知,目前我國主要采用比例閥和換向閥實現農業機械的自動調平,其響應時間和響應精度較低。

2 旋耕機遙控駕駛與自動調平系統結構設計

2.1 系統結構

旋耕機遙控駕駛和自動調平系統主要包括機械結構、液壓控制系統和電子控制系統組成。機械系統包括懸掛裝置、安裝裝置和控制器安裝箱等。液壓控制系統主要包括油箱、齒輪泵、電磁閥、全液壓轉向機等,電子控制系統主要包括電磁閥驅動電路、控制器、位移傳感器、傾角傳感器和遙控裝置等。位移傳感器主要用于檢測油缸位移,傾角傳感器安裝在與機具平行的平面上。

2.2 調平系統

2.2.1 基本要求

調平系統主要包括傳感器與算法程序等,應滿足以下設計要求:

1)傾角傳感器能精準地檢測機具的水平傾斜角度,在田間復雜環境使用過程中可以保證具有一定的抗干擾能力和良好的數據通信能力;

2)系統數據處理中心能穩定地進行數據采集、數據處理和數據傳輸,保證對機具各個執行機構的精準控制,防止出現執行機構卡頓、超調和回調等現象;

3)控制中心通過串口定時實現數據傳輸及執行機構的控制,穩定地控制整個機具的不同動作。

2.2.2 硬件選型

控制系統的芯片是保證系統數據正常運行的關鍵部件,實現數據的傳輸、運算和執行,本研究中選取STC公司研制的STC8A8K64S4A12 單片機作為控制核心。驅動電路主要功能是控制電磁閥的開關,為了提高系統推廣便捷性與田間應用,應選取價格低廉、體積小且控制程序相對便捷的電路模塊,在本研究中選取BTS5215 芯片,在使用過程中具有過載保護和過溫自檢的應用優勢,通過遙控器實現無線通信。通信模塊主要是實現數據的遠程傳輸,為了提高數據傳輸的穩定性和田間使用過程中的抗干擾性,本研究選取MAX公司的 MAX232CSE 芯片作為通信模塊的主要控制芯片。

2.3 遙控駕駛系統

2.3.1 基本要求

遙控駕駛系統是實現旋耕機遠程控制和遙控駕駛的核心,主要包括遙控軟件部分和執行機構,在設計過程中應滿足以下基本要求:

1)基于多傳感器實現旋耕機執行機構的精準控制,完成旋耕機的升起、下降和調平動作;

2)可以滿足大多數旋耕機的控制要求,使用無線信號通信系統,實現遠程控制。

2.3.2 硬件設計與選型

遙控駕駛系統的硬件設計核心為遙控器,主要為單片機最小應用單元、無線通信系統、電池系統等。單片機最小控制單元應滿足外設功能豐富、引腳數量充足和生產成本較低等特點,在本研究中選用STC 公司的 STC12C5A32S2 單片機;無線通信模塊主要應具有遠程遙控穩定、靈敏度較高和功耗低等特點,在本研究中選用LoRaTM 調制技術,具有田間使用過程中抗干擾性能強、功耗低和超遠距離通信等優勢。

3 結論與展望

3.1 結論

為了提高旋耕機田間工作質量與工作效率,實現旋耕機自動調平與遙控駕駛,本研究基于國內外遙控駕駛與調平技術研究現狀,提出一種旋耕機遙控駕駛與自動調平系統,并闡述基本設計要求與關鍵部件的設計與選型,研究結果對于提高旋耕機工作質量,降低農業生產成本提供參考和借鑒。

3.2 展望

未來應進一步提升旋耕機遙控駕駛中遠程無線通信功能,提高相關傳感器及電路的抗干擾能力,進一步提高系統的響應速度和控制精度。