基于雙激光源的水田作業(yè)機(jī)械導(dǎo)航定位系統(tǒng)電路設(shè)計

熊中剛等

摘要：為實現(xiàn)對水田作業(yè)機(jī)械導(dǎo)航定位系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的位置坐標(biāo)、航向角、前輪轉(zhuǎn)角、行駛速度等重要信息參數(shù)，并完成相應(yīng)的控制動作，設(shè)計了一套基于雙激光源的水田作業(yè)機(jī)械導(dǎo)航定位系統(tǒng)電路。該系統(tǒng)電路主要由激光發(fā)射電路、激光接收電路和中央處理單元組成。試驗結(jié)果表明，該導(dǎo)航定位系統(tǒng)效果較好，能滿足作業(yè)速度低于1.5 m/s的水田作業(yè)機(jī)械導(dǎo)航定位系統(tǒng)的要求。

關(guān)鍵詞：雙激光源；定位；導(dǎo)航；硬件電路；作業(yè)機(jī)械

中圖分類號：S233.71；TP212 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）03-0697-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.03.050

Circuit Design of Navigation and Localization System of Paddy Field Working

Machine based on Double Laser Source

XIONG Zhong-gang， LINGHU Jin-qing， WU Ting-qiang， ZOU Jiang

（College of Engineering and Technology， Zunyi Normal College， Zunyi 563002， Guizhou， China）

Abstract：In order to provide some important information including accurate position， heading angle， front wheel steering angle and speed and to complete the corresponding control action for the navigation and localization system of the paddy field working machine， the circuit of navigation and localization system of paddy field working machine based on double laser source was designed. The circuit of the system was composed of the laser transmitter， receiver， and the central processing unit. The field experiment showed that the navigation and localization system was better able to complete the requirements of field operations， when the speed of paddy field working machine was lower than 1.5 m/s.

Key words： double laser source； location； navigation； hardware circuit； working machine

農(nóng)業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)，農(nóng)業(yè)問題是全球可持續(xù)發(fā)展的基本問題，是國際社會始終關(guān)注的焦點，是全球性的永恒主題[1]。隨著信息技術(shù)、傳感器技術(shù)、控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等的發(fā)展，將農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶入了自動化發(fā)展時代。水田作業(yè)機(jī)械的自動導(dǎo)航技術(shù)是實現(xiàn)水田作業(yè)機(jī)械自動化、智能化的基本要求，越來越受到人們的重視。國外農(nóng)業(yè)工程應(yīng)用領(lǐng)域的主流導(dǎo)航方式是GPS、機(jī)器視覺定位、慣性傳感器定位、多傳感器融合定位等[2-5]。水田作業(yè)機(jī)械自動導(dǎo)航技術(shù)的應(yīng)用可以使農(nóng)用機(jī)械保持精確的作業(yè)行距、作業(yè)方向及間距，降低人工勞動強(qiáng)度，提高經(jīng)濟(jì)效益。

1 系統(tǒng)電路總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

水田作業(yè)機(jī)械導(dǎo)航定位系統(tǒng)電路主要由激光發(fā)射電路、激光接收電路和中央處理單元三大部分組成。系統(tǒng)設(shè)計運用三角定位法，采用兩個低價位的激光發(fā)射器作為激光發(fā)射源，同時利用步進(jìn)電機(jī)控制激光發(fā)射器的旋轉(zhuǎn)，激光接收靶在主機(jī)的控制下接收兩束激光，并解算當(dāng)前的坐標(biāo)，接著經(jīng)由基于PID快速修正的卡爾曼濾波算法，計算移動目標(biāo)的速度和加速度，并實時記錄當(dāng)前的角度值，最后通過2.4 G的無線數(shù)據(jù)傳輸模塊將當(dāng)前的角度值、速度值及加速度值反饋給激光發(fā)射器，從而控制激光發(fā)射器以確定跟蹤激光接收靶標(biāo)的跟蹤角速度，經(jīng)過中央處理單元分析處理后，產(chǎn)生控制信號，通過機(jī)體控制執(zhí)行單元實現(xiàn)對激光接收靶的跟蹤以及作業(yè)機(jī)械的動作控制，并能將相關(guān)變量信息反饋到中央處理單元，最終完成系統(tǒng)跟蹤導(dǎo)航定位的閉環(huán)設(shè)計。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2 激光發(fā)射器控制電路設(shè)計

系統(tǒng)雙激光源導(dǎo)航定位系統(tǒng)的激光發(fā)射源控制單元電路的整體結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。主要由兩個裝有635 nm激光發(fā)射器的基站和一個裝有激光接收器的移動站組成。兩個基站固定在工作地面上，發(fā)射激光到移動站，移動站是安裝在作業(yè)機(jī)械上的，隨作業(yè)機(jī)械移動。基站的CPU單元根據(jù)移動站傳來的運行信息預(yù)估作業(yè)機(jī)械的運行趨勢，以無線通訊形式發(fā)送激光偏轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)到移動站，實現(xiàn)基站水平回轉(zhuǎn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動方向與速度的控制，使安裝在水平回轉(zhuǎn)平臺上的激光發(fā)射器實時追蹤作業(yè)機(jī)械上的激光接收器，從而實現(xiàn)了移動站上的激光接收器能可靠地接收到基站發(fā)送的激光信號。移動站由激光接收裝置構(gòu)成。激光接收靶接收到激光信號后，基于CCD原理對信號進(jìn)行卡爾曼濾波處理后傳遞給移動站控制器的CPU單元。

系統(tǒng)中央控制中心將當(dāng)前步進(jìn)角度、位置坐標(biāo)、航向角、前輪轉(zhuǎn)角、行駛速度等參數(shù)，通過2.4 G無線數(shù)傳模塊完成數(shù)據(jù)的環(huán)形交換。同時根據(jù)運動目標(biāo)狀態(tài)，通過相應(yīng)的跟蹤控制算法實現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)控制，以及控制激光發(fā)射器發(fā)出38 kHz的紅外激光來完成激光接收靶的可靠識別。

激光發(fā)射部分的原理圖如圖3所示。該部分電路設(shè)計主要采用+12 V的電源供電，同時經(jīng)過ZA3020開關(guān)電源芯片進(jìn)行+5 V的電壓轉(zhuǎn)換，進(jìn)而由REG1117-3.3將電路中電源降到3.3 V，然后采用有源濾波器降低電源對無線數(shù)傳的干擾，使系統(tǒng)的無線通信更加可靠。接著經(jīng)由SPI模擬接口與2.4 G無線數(shù)傳模塊完成數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，最后系統(tǒng)經(jīng)過單片機(jī)定時器產(chǎn)生的38 kHz載波信號調(diào)制激光，能夠使激光發(fā)射器在不同電壓下實現(xiàn)工作，體現(xiàn)了硬件設(shè)計的通用性。電路中通過兩個按鍵完成啟停動作，并采用PCA記錄步進(jìn)電機(jī)脈沖個數(shù)，從而完成激光的發(fā)射與調(diào)制工作。

3 激光接收靶電路設(shè)計

系統(tǒng)激光接收靶的接收電路設(shè)計是整個系統(tǒng)的“眼睛”。為了使系統(tǒng)能夠在不確定的復(fù)雜環(huán)境下工作，首先需要較好的硬件電路設(shè)計，同時結(jié)合可靠的軟件設(shè)計，從而得到可靠的激光信號，達(dá)到整個系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的工作要求[6-9]。電路系統(tǒng)采用特殊定制的高抗干擾、高集成度635 nm激光接收管，并通過并入串出高速采集芯片74LS166實現(xiàn)接收管信號的高速采集，能夠有效實現(xiàn)接收靶的級聯(lián)，降低了對單片機(jī)I/O口的要求。該部分電路通過5 V的直流電壓供電，經(jīng)過高速移位時鐘的驅(qū)動作用，同時根據(jù)激光接收靶上的接收管數(shù)量采集I/O口的激光接收管信息，并實時通過2.4 G無線模塊傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)內(nèi)。單片機(jī)根據(jù)接收管的狀態(tài)情況完成數(shù)據(jù)分析與處理，得到準(zhǔn)確的激光著靶位置，通過并口直接傳輸給中央定位解算主控電路，從而減少串口傳輸所占用的延時，提高系統(tǒng)的響應(yīng)性能。

試驗測試表明，采用74LS166方便信號電路中多接收管的接入，實現(xiàn)了電路的通用性以及高速響應(yīng)性能，對于提高整個系統(tǒng)的性能有著重要的作用。接收靶電路設(shè)計如圖4所示。

4 海量數(shù)據(jù)存儲電路設(shè)計

系統(tǒng)運行時，由于需要的有效數(shù)據(jù)量比較大，故為方便定位邊界等大量定位數(shù)據(jù)的存儲，系統(tǒng)采用了單片機(jī)U盤讀寫模塊電路。模塊采用CH375單片機(jī)U盤讀寫芯片完成U盤到單片機(jī)的銜接，通過大容量RAM（32 k）完成大容量數(shù)據(jù)緩存和傳輸，減少設(shè)備數(shù)據(jù)讀寫總時間，延長U盤壽命。電路設(shè)計原理圖如圖5所示。

上述存儲電路設(shè)計中，采用5 V電壓工作，為了內(nèi)部電源節(jié)點有效退耦，改善USB傳輸過程中的電磁干擾，故在V3引腳外接0.01 UF電容。直接將CH375的TXD引腳接地可使CH375實行并口方式工作，設(shè)計中在RSTI引腳與VCC之間跨接了一個0.47 UF的電容，是為了在電源上電時，系統(tǒng)電路能夠完成可靠復(fù)位并且有效減少外部產(chǎn)生的干擾。在U盤插入過程中，為了避免CMOS電路CH375出現(xiàn)大電流閂鎖效應(yīng)而損壞芯片，故在USB插座的電源上并聯(lián)了儲能電容C31緩解瞬時壓降。

5 中央主控電路設(shè)計

系統(tǒng)設(shè)計中的中央主控電路的主要完成工作包括隨動步進(jìn)電機(jī)的控制、人機(jī)界面交換、無線數(shù)據(jù)收發(fā)、激光接收靶信息接收與處理、定位數(shù)據(jù)的輸出以及執(zhí)行命令的下發(fā)工作等。該部分主要的電路設(shè)計圖如圖6所示。

主控中心硬件電路的核心處理器采用的是STC12C5A32S2單片機(jī)[10]，其主要任務(wù)是對接收到的信號作出及時準(zhǔn)確的分析處理，并與傳感器反饋回來的信號進(jìn)行比較，作出相對應(yīng)的響應(yīng)動作，控制作業(yè)機(jī)械各個執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動作，使其能按相應(yīng)控制指令完成工作，最終達(dá)到導(dǎo)航跟蹤定位的要求。

主控電路采用ZA3020開關(guān)電源芯片作為DC-DC降壓轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)了大電流、高效率供電，滿足眾多外設(shè)對電源的要求，并通過REG1117-3.3為2.4 G無線數(shù)據(jù)傳輸模塊提供3.3 V電源。電路設(shè)計中采用的微型處理器擁有三個通信串口，通過MAX232芯片實現(xiàn)與PC端的通信與程序下載，并可以與海量存儲設(shè)備直接連接，實現(xiàn)定位數(shù)據(jù)的存儲。同時電路中設(shè)計了步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的接口及激光接收靶的接口，能夠?qū)崿F(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的控制與激光接收靶的數(shù)據(jù)接收。通過四個按鍵，實現(xiàn)系統(tǒng)的啟動與停止，并可以手動控制隨動步進(jìn)電機(jī)的初始角度。為獲得良好的系統(tǒng)硬件兼容性，預(yù)留一個串口用于系統(tǒng)硬件的擴(kuò)展。

6 電路抗干擾優(yōu)化設(shè)計

電路設(shè)計中，為提高電路可靠性，有效完成工作任務(wù)，通常必須考慮電路的抗干擾能力。在電路抗干擾優(yōu)化設(shè)計中，主要考慮的是單片機(jī)與無線數(shù)傳信號之間可能產(chǎn)生的干擾，以及電路板本身設(shè)計上可能存在的一些干擾因素。

進(jìn)行電路板的原理圖設(shè)計時，通常在電源和地之間連接去耦電容，通過電容濾波消除干擾；同時在PCB板制作時也會盡量使地線達(dá)到最寬，電源線次寬，信號線最窄，采用敷銅、淚滴以及過孔等方式，保證線路的可靠連接。

7 小結(jié)

設(shè)計了水田作業(yè)機(jī)械導(dǎo)航定位系統(tǒng)激光發(fā)射器控制電路、激光接收靶電路、海量數(shù)據(jù)存儲電路、中央主控電路等單元電路，為后期進(jìn)一步的研究奠定了硬件基礎(chǔ)。試驗研究表明，在無突發(fā)性抖動時，激光接收管對應(yīng)檢測偏差小于四個激光接收管，即掃描變化弧長小于±3 cm，滿足系統(tǒng)定位需要；在出現(xiàn)突發(fā)性抖動時，系統(tǒng)仍然可以使激光在短時間內(nèi)鎖定到激光接收靶中心位置。該定位系統(tǒng)的控制精度較高，控制性能良好，能滿足作業(yè)速度低于1.5 m/s水田作業(yè)機(jī)械導(dǎo)航定位系統(tǒng)的要求。

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