水稻直播機自主駕駛系統(tǒng)設計研究

摘 要：水稻直播機，逐步取代了傳統(tǒng)人工的手動播種方式，是水稻種植史上的一場技術革命。目前，加強水稻直播機的自主駕駛系統(tǒng)研究，是實現(xiàn)水稻直播機的自主駕駛、精準播種以及變量施肥的關鍵技術。本論文以水稻直播機自主駕駛系統(tǒng)為基本出發(fā)點，對其自主駕駛系統(tǒng)進行了精確的研究和設計，以保證直播機的自主駕駛系統(tǒng)能夠有效滿足水田播種精度的要求。

關鍵詞：水稻直播機；自主駕駛；系統(tǒng)設計；播種

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.05.124

近年，水稻直播機在一些大規(guī)模的農場，實現(xiàn)了廣泛的應用。水稻直播機主要是利用機械將剛破胸的水稻種子直接播種在水田中，與傳統(tǒng)的手工水稻播種相比，水稻直播機不僅節(jié)省了人力、時間，還具有很大的優(yōu)勢：定行、直行和寬行，使得直播稻與移栽稻生長環(huán)境處在相似的狀態(tài)下，以達到高產、穩(wěn)產的目的。

1 水稻直播機自主駕駛系統(tǒng)功能結構

水稻直播機自主駕駛系統(tǒng)主要包括七個重要的部分，即：ARM控制器模塊、CAN總線驅動電機模塊、油門電動推桿模塊、北斗GNSS接受機模塊、角度傳感器模塊、傾角傳感器模塊、平板人機交互模塊。

ARM控制器模塊：主要用來滿足對導航控制算法的預算量，以及信號的提取速度，以實現(xiàn)對直播機各路信號的采集，并將其進行精確的運算，然后并將其發(fā)送給執(zhí)行機構。

CAN總線驅動電機模塊：是自主駕駛系統(tǒng)的執(zhí)行機構，主要是在接到控制器模塊發(fā)出的指令后，按照其具體的要求，實現(xiàn)方向盤軸轉動，以滿足水田直播過程中轉向的要求。

油門電動推桿模塊：是自主駕駛系統(tǒng)中速度控制的主要模塊，通過油門電動推桿的最大推力和拉力，以達到速度控制的目的。

北斗GNSS接受機模塊：主要是通過天線接收GPS衛(wèi)星信號對電臺發(fā)出的信號，以實現(xiàn)在水稻直播過程中的高精度定位，之后再通過串口將信息發(fā)送給控制器。

角度傳感器模塊：在測量過程中，軸通過連桿機構和拖拉機轉向相連，然后通過信號發(fā)送轉向的方式，將轉向信息送到農機的實時位置。

傾角傳感器模塊：主要是在水稻直播機自主駕駛系統(tǒng)中，通過34ms的時間進行采樣，并將采樣信息通過信號發(fā)送器，將其傳遞給自主駕駛系統(tǒng)的控制點，然后得到農機的仰俯角和橫滾角。

平板人機交互模塊：在水稻直播機自主駕駛系統(tǒng)中，主要是通過對農機參數(shù)的初始信息、作業(yè)操作管理、作業(yè)監(jiān)控和現(xiàn)實等信息進行設定，然后通過控制器和藍牙將實時信息進行交互。

2 水稻直播機自主駕駛軟件結構

在水稻直播機自主駕駛系統(tǒng)的系統(tǒng)功能結構設計基礎上，還必須要加強水稻直播機自主駕駛軟件結構設計。因為水稻直播機自主駕駛軟件結構，以及各項參數(shù)的設定，如：角度傳感器安裝的處置、天線安裝精確尺寸，從而實現(xiàn)水稻直播機自動駕駛的精確度。

3 水稻直播機自主駕駛計算法

在對水稻直播機自主駕駛功能結構，以及自主駕駛軟件結構的基礎上，還必須要通過自主駕駛計算的方式，以實現(xiàn)水稻直播機在播種過程中的精確度。

3.1 農機前輪轉角跟蹤計算方法

為保證水稻直播機在工作中精準度，必須要對其是否能快速、穩(wěn)定響應軌跡跟蹤進行計算。在具體計算過程中，首先在水稻直播機原來的方向盤上安裝了一套減速機構，并且由控制器發(fā)出的CAN信號實現(xiàn)對電機轉速進行控制。在具體的控制過程中，主要是通過1：10的比例，將減速比轉到方向盤上，并且再經由方向盤帶動農機轉向機構，以實現(xiàn)直播機車輪的轉向。接著，這種轉向信息又會被直播機上安裝的角度傳感器獲得，之后再將信號發(fā)送給控制器。

3.2 軌跡跟蹤計算法

在通過軌跡跟蹤計算時，主要是通過建立坐標的方式進行，例如：以AB為縱軸，以AB垂直線為橫軸，接著根據建立的坐標（如圖1所示）。

在具體的計算過程中，以拖拉機后輪軸的中心作為參考點，然后建立水稻直播機的運動學模式。

在公式（1）中，v是直播機后輪軸中心的線速度，θ 則表示直播機航向角，l則表示前后軸間距，δ 則表示直播機前輪轉角，且向左偏位正，向右偏為負。

之后再結合水稻直播機的直線跟蹤模型（如圖2所示）。

根據圖中的幾何關系，并結合相關的數(shù)學知識，進行精確的計算，得出以下幾個式子：

根據公式（7），可以精確計算出水稻直播機當前時刻的位置，以及確定航向角的最佳轉角，以實現(xiàn)對水稻直播機進行精準的控制。

最后，為了進一步確定水稻直播機的精準度，還必須要通過田地實驗，并進行準確的跟蹤，并作出精確的數(shù)據記錄。之后在對數(shù)據、誤區(qū)進行準確的分析，并據此對誤差進行不斷調整，以不斷完善水稻直播機的自動駕駛系統(tǒng)的控制，從而滿足水田精準的播種要求。

4 結束語

綜上所述，本論文以水稻直播機自主駕駛系統(tǒng)的設計為出發(fā)點，通過硬件改造、軟件系統(tǒng)的構建，并通過準確的計算方法，最后經過實驗的不斷完善和調整，以實現(xiàn)水稻直播機自主駕駛系統(tǒng)的精準控制，滿足水田播種精準的要求。

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項目基金：安徽省高校優(yōu)秀青年人才支持計劃重點項目《創(chuàng)新型機電一體化技術高技能人才培養(yǎng)體系與教學體系研究》項目編號：gxyqZD2016532；安徽省質量工程項目機電一體化技術特色專業(yè)建設2014tszy052；安徽省高校自然科研重點項目KJ2016A519。

作者簡介：孫亮（1983-），男，安徽池州人，碩士，講師，研究方向：機械制造、工程材料。