集成電路技術在拖拉機系統優化中的應用研究

張萃珍,王 娟

(江西機電職業技術學院,南昌 330013)

0 引言

拖拉機是農業種植生產機械的主要動力源,可掛載不同的農機具實現耕種和收獲等多種生產過程,在精準化農業生產過程中具有重要作用[1]。拖拉機要面對多種復雜的農業生產環境,且農業機械設備操作人員技能水平差異性較大,這些因素均會對拖拉機的使用工況造成影響[2]。拖拉機自動駕駛技術能夠有效提升作業過程中的精準度,降低生產過程中出現的漏作業和重復作業現象,改善農業生產中的機械化耕作效率,且能夠將操作者進行解放出來,從而提高農業生產中的自動化程度[3-5]。拖拉機導航控制模塊較多,導航控制終端作為拖拉機導航控制的中樞系統,是實現農業拖拉機自動駕駛的關鍵技術[6]。為此,基于導航控制終端,將拖拉機導航模塊數據進行集中處理與分析,以改善農業拖拉機的使用效率。

1 拖拉機導航控制系統總體設計

拖拉機導航控制系統模塊包含轉向控制、提升以及導航終端3個不同的功能模塊。其中,轉向控制模塊主要用于對導航過程中的GPS定位和前輪轉向角度等數據信息進行采集分析,導航算法能夠根據轉向控制模塊數據進行路徑信息的分析計算,同時生成下一時刻的目標點坐標信息,采用脈沖控制的方式驅動步進電機,從而帶動導航控制模塊中的轉向機構進行動作。轉向控制模塊主要包含轉向器和換向閥等執行機構[7]。導航控制終端是導航控制系統的中樞系統,可用于對拖拉機作業過程中的人機交互和作業傳感數據采集分析、通信及存儲,更重要的是可用于進行農用拖拉機的作業路徑規劃[8]。圖1為農用拖拉機導航控制系統結構框圖。

圖1 農用拖拉機導航控制系統結構框圖Fig.1 Structure block diagram of agricultural tractor navigation control system

導航控制終端采用CAN總線通信的方式進行數據交互,獲取導航控制模塊當中的位置信息數據和執行機構動作數據,同時能夠對運行過程中各種信息數據進行分析和保存,將各種狀態信息數據進行實時顯示,根據位置信息數據進行作業路徑規劃[9]。CAN總線要求具有實時數據交互功能,能夠在拖拉機運行過程中進行通信數據的有效傳輸,并將數據信息與圖形進行有效處理,保證數據交互過程中的實時性;導航控制終端在作業過程中要求能夠有效抵抗外界環境的干擾,保證導航控制終端能夠在不同的環境條件下正常工作[10]。

2 拖拉機導航控制系統硬件設計

拖拉機導航控制終端硬件電路主要包含最小工作系統、擴展電路以及通信電路,如圖2所示。

圖2 導航控制系統終端硬件結構圖Fig.2 Hardware structure diagram of navigation control system terminal

其中,最小工作系統包含電源、時鐘、復位以及微處理器等功能模塊,擴展電路主要包含顯示、存儲以及人機交互等電路,通信接口電路包含CAN總線接口以及串口通信接口電路[11-12]。在此,主要進行CAN通信接口電路、數據存儲電路以及人機交互電路設計。

拖拉機導航控制系統要求能夠實現節點控制平衡,無主從關系,擺正導航控制終端和轉向控制器能夠進行分布式控制[13]。因此,采用CAN總線通信的方式,保證各控制節點之間的數據有效傳輸。CAN總線主要包含控制器、收發器、MCU以及外圍控制功能電路,如圖3所示。

圖3 農用拖拉機CAN總線硬件結構圖Fig.3 Hardware structure diagram of agricultural tractor can bus

CAN通訊集成電路包含數據通信過程全部功能模塊,能夠對拖拉機作業過程中的數據信息進行濾波處理,在數據收發過程中包含收發緩沖和通訊接口邏輯判斷,能夠對數據信息流進行處理,收發緩沖過程中主要用于對信息數據進行臨時存儲。CAN通訊集成電路需要進行功能電路擴展,從而達到使用過程中的功能需求。拖拉機作業環境復雜,工作過程中易受到外界環境干擾,故CAN總線集成電路需包含收發隔離電路。本文選用CTM8251收發器,采用灌封工藝,適應不同工作環境需求,保證農用拖拉機作業過程中的通信有效性[14-15]。圖4為CAN收發器集成電路。

圖4 CAN收發器集成電路Fig.4 Can transceiver integrated circuit

3 拖拉機導航控制系統軟件設計

拖拉機導航控制終端軟件要求能夠與控制器之間進行有效數據傳輸,實現導航控制終端與轉向控制模塊之間的數據接收與傳輸,同時能夠對轉向過程狀態進行實時監測,對過程數據進行提取與分析和顯示;導航控制終端要求能夠將相關數據信息進行可靠保存,并根據作業需求進行作業路徑規劃,將路徑規劃信息發送至控制器模塊[16]。圖5為農用拖拉機導航控制系統功能框圖。

圖5 農用拖拉機導航控制系統功能框圖Fig.5 Functional block diagram of agricultural tractor navigation control system

拖拉機導航控制系統CAN總線進行數據傳輸過程中,能夠將不同的節點信息進行同時發送,其他節點可同時進行數據的接收,并保證節點與上位機之間能夠有效進行數據的發送與接收。為此,在設計實時數據交互軟件過程中,通過將拖拉機運行數據進行節點共享,保證了節點機構之間的有效數據傳輸與共享。圖6為農用拖拉機導航控制系統通訊節點分布圖。

圖6 導航控制系統通訊節點分布圖Fig.6 Distribution diagram of communication nodes of navigation control system

4 系統測試與試驗分析

為了驗證拖拉機導航控制終端的控制響應性能,采用試驗驗證的方式,利用導航控制終端與導航控制器進行實時通信和拖拉機作業路徑規劃。拖拉機導航GPS和電子羅盤與轉向控制器之間通過串口連接,將轉型控制器與導航控制終端CAN通訊總線連接,運行導航控制終端,控制農用拖拉機從A點運動至B點,記錄農用拖拉機運行過程中的GPS實時數據。在路徑規劃過程中,為避免數據誤差,將100組實時記錄數據進行平均,對拖拉機的GPS數據進行轉化,生成A點至B點運行過程的坐標值。圖7為利用GPS轉換數據擬合出的運行路徑。

圖7 農用拖拉機運行路徑對比曲線Fig.7 Comparison curve of running path of agricultural tractor

由圖7可以看出:拖拉機運行過程中, 利用GPS獲取到的數據轉換所得坐標值,X方向與理論路徑偏差值為1m,Y方向產生2m偏差,拖拉機實際運行距離為99.02m,與理論規劃路徑總偏差值為0.98m,運行距離誤差比例為0.98%,運行方向偏差1.16°。

5 結論

拖拉機導航控制系統能夠有效保證農業生產過程的精準化作業,不斷提升農業生產種植效率,使粗放型農業生產種植逐漸轉向精細化種植。