履帶式打捆機(jī)的無(wú)線遙控實(shí)現(xiàn)

蘇建國(guó) 王文卿 謝洪德

摘? 要：該設(shè)計(jì)的目的是改善履帶式草捆打捆機(jī)駕駛?cè)藛T的勞動(dòng)環(huán)境。強(qiáng)光、高溫、揚(yáng)塵、噪聲、植物廢屑等惡劣條件并存的工作環(huán)境，會(huì)加快駕駛?cè)藛T疲勞感的出現(xiàn)，甚至?xí)斐砂踩鹿?。改用遙控駕駛，可使駕駛?cè)藛T遠(yuǎn)離惡劣作業(yè)環(huán)境，使操作人員借助車身四周攝像頭無(wú)線傳輸?shù)娇刂泼姘宓膶?shí)時(shí)畫(huà)面，操控安裝在便攜式控制面板上的手柄，控制車輛的前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向以及割臺(tái)升降、撿拾器翻轉(zhuǎn)、吐捆等操縱動(dòng)作，有效地避開(kāi)惡劣的作業(yè)環(huán)境，將更多精力集中在生產(chǎn)勞動(dòng)本身上。

關(guān)鍵詞：履帶式打捆機(jī);無(wú)線遙控;農(nóng)用車

中圖分類號(hào)：TP242? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2020）17-0047-03

Abstract：The purpose of this design is to improve the working environment of crawler baler drivers. Strong light，high temperature，dust，noise，plant waste and other adverse working environment，will accelerate the drivers fatigue，and even cause safety accidents. By using remote control driving，the operator can be far away from the bad working environment. With the help of the camera around the car body，the operator can wirelessly transmit the real-time picture of the control panel，control the handle installed on the portable control panel，control the vehicles forward，backward，steering，header lifting，pickup overturning，baling，etc.，effectively avoid the harsh working environment and concentrate more energy in the production of labor itself.

Keywords：crawler baler;wireless remote control;agricultural vehicle

0? 引? 言

本文設(shè)計(jì)的履帶式打捆機(jī)是在作者工作單位立項(xiàng)的項(xiàng)目。文章以目前市場(chǎng)上尚未發(fā)現(xiàn)有實(shí)際投產(chǎn)的履帶式打捆機(jī)為基礎(chǔ)，闡述了其無(wú)線遙控實(shí)施方案的選擇、實(shí)施過(guò)程及實(shí)施效果。主要研究?jī)?nèi)容是對(duì)機(jī)車前進(jìn)后退的控制、轉(zhuǎn)向的實(shí)現(xiàn)、直接控制、遠(yuǎn)程遙控、遠(yuǎn)程四畫(huà)面監(jiān)控和其他運(yùn)動(dòng)部分控制的實(shí)現(xiàn)。面對(duì)的讀者人群為農(nóng)機(jī)自動(dòng)控制研發(fā)者、農(nóng)機(jī)企業(yè)技術(shù)人員等。

1? 市場(chǎng)需求

本設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)基于農(nóng)用機(jī)車生產(chǎn)企業(yè)在與客戶溝通中獲得頻次很高的信息。鑒于當(dāng)前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)勞動(dòng)中，規(guī)?；a(chǎn)越來(lái)越多，務(wù)農(nóng)人員越來(lái)越少，耕作人員年齡普遍較高，社會(huì)對(duì)如何提高自動(dòng)化、降低對(duì)操作人員技術(shù)要求、改善生產(chǎn)條件的期待越來(lái)越高。在這種情況下，我們對(duì)履帶式打捆機(jī)進(jìn)行了無(wú)線遙控改造。

2? 技術(shù)要求

按照國(guó)家相應(yīng)規(guī)范，根據(jù)廠家提出的要求，比對(duì)車體原有控制系統(tǒng)，技術(shù)上要完成以下指標(biāo)：

（1）一千米無(wú)視距障礙下，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定遙控機(jī)車的前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向、剎車、急停及打捆機(jī)割臺(tái)升降、彈齒撿拾器的翻轉(zhuǎn)、打捆、吐捆等操作;

（2）打捆機(jī)車體本身也要配有直接控制部分，功能同遙控，為了安全只有車體本身可以點(diǎn)火啟動(dòng);

（3）一千米無(wú)視距障礙下，機(jī)車前后左右四方向?qū)崟r(shí)畫(huà)面在自建網(wǎng)絡(luò)下無(wú)線傳輸?shù)讲僮髅姘?

（4）便攜式操作面板必須集成顯示監(jiān)控畫(huà)面和車體遙控部分;

（5）便攜式操作面板使用可充電鋰電池組;

（6）由于顯示部分耗電較大，為防止遙控部分低電量后車體失控，便攜式操作平臺(tái)的顯示和控制部分由各自完全獨(dú)立的電源供電;

（7）車身移動(dòng)中有人體紅外感應(yīng)剎車功能;

（8）打捆機(jī)落捆計(jì)數(shù)在便攜式操作面板顯示。

3? 過(guò)程實(shí)現(xiàn)

3.1? 監(jiān)控畫(huà)面無(wú)線實(shí)時(shí)傳輸部分

按照技術(shù)要求，本部分分為畫(huà)面采集部分、畫(huà)面?zhèn)鬏敳糠?、?huà)面轉(zhuǎn)碼部分和畫(huà)面顯示部分。本過(guò)程用到的所有數(shù)字?jǐn)z像頭、交換機(jī)、無(wú)線網(wǎng)橋、解碼器、顯示器全部采用12 V直流電統(tǒng)一供電。整個(gè)畫(huà)面監(jiān)控框圖如圖1所示。

3.1.1? 畫(huà)面采集部分

在車體四周的合適位置各設(shè)置了一個(gè)有網(wǎng)線接頭的數(shù)字?jǐn)z像頭，本部分的攝像頭需要設(shè)置IP地址，盡量保持銷往同一個(gè)地區(qū)所有的攝像頭都有唯一IP地址，防止多臺(tái)設(shè)備同場(chǎng)工作時(shí)產(chǎn)生干擾。另外，需要做好記錄，一個(gè)車身的四個(gè)攝像頭必須和顯示部分的解碼器嚴(yán)格對(duì)應(yīng)。

3.1.2? 畫(huà)面?zhèn)鬏敳糠?/p>

所有數(shù)字?jǐn)z像頭通過(guò)網(wǎng)線連接到交換機(jī)，交換機(jī)信號(hào)再連接到無(wú)線子網(wǎng)橋，通過(guò)無(wú)線子網(wǎng)橋再傳遞到無(wú)線主網(wǎng)橋。本部分涉及的網(wǎng)線全部使用超六類純銅有金屬屏蔽帶耐磨棉網(wǎng)編織的成品網(wǎng)線，所有接頭處均進(jìn)行了防水、防塵、防松動(dòng)處理。而且留有一定緩沖長(zhǎng)度。網(wǎng)線在布線過(guò)程中避開(kāi)了震動(dòng)強(qiáng)、可移動(dòng)的部分以及油路等，盡可能防止所有安全隱患。

3.1.3? 畫(huà)面轉(zhuǎn)碼部分

無(wú)線主網(wǎng)橋接收到無(wú)線子網(wǎng)橋信號(hào)后傳輸?shù)浇獯a器網(wǎng)絡(luò)接口，由解碼器將四通道實(shí)時(shí)視頻信號(hào)處理為一個(gè)畫(huà)面顯示。解碼器輸出接口選用有HDMI的型號(hào)，方便后端顯示部分的選型以及中間調(diào)試。本部分需要設(shè)置通道參數(shù)及IP地址等，必須和攝像頭部分嚴(yán)格對(duì)應(yīng)。同時(shí)保證所有車臺(tái)通道設(shè)置的一致性。比如前方攝像頭固定到左上角，后方在右上角，左邊攝像頭在左下，右邊攝像頭在右下。

3.1.4? 畫(huà)面顯示部分

集中顯示在12寸液晶彩色顯示器上。因?yàn)榻獯a器和顯示器耗電量較大，本部分的供電采用了16 800 mAh的可充電鋰電池組單獨(dú)為其供電。考慮到大部分打捆機(jī)是在高光照的野外工作，所以顯示器必須選用高亮度型液晶顯示器，并將亮度設(shè)置在最高亮度。

3.2? 直接控制及無(wú)線遙控部分

3.2.1? 便攜式操作平臺(tái)車體遙控部分

遙控部分基于STM32F1xx系列32位微控制器開(kāi)發(fā)，其具有響應(yīng)速度快、計(jì)算能力強(qiáng)的特點(diǎn)。方向控制使用類似玩具車式的遙控手柄，操作人員經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單培訓(xùn)即可上手。無(wú)線數(shù)傳模塊采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信方式，確保一個(gè)遙控裝置只能控制一臺(tái)機(jī)車，防止多臺(tái)同型號(hào)車同場(chǎng)工作時(shí)帶來(lái)干擾。操作人員對(duì)設(shè)備的操作通過(guò)STM32F1xx系列微控制器轉(zhuǎn)換后經(jīng)過(guò)無(wú)線數(shù)傳模塊由天線發(fā)出。

本部分的供電采用完全獨(dú)立的可充電的較大容量的鋰電池組供電。同時(shí)設(shè)計(jì)有低電量聲光報(bào)警裝置，確保在遙控過(guò)程中不會(huì)因遙控器電量不足引起機(jī)車失控問(wèn)題。

整個(gè)遙控部分的防護(hù)方面，為確保在一般陰雨沙塵天氣或塵土飛揚(yáng)的農(nóng)地作業(yè)條件下不影響正常操作，我們采取了以下措施：

（1）開(kāi)關(guān)均采用IP67防護(hù)安全級(jí)別的金屬開(kāi)關(guān);

（2）充電口用橡膠塞全覆蓋;

（3）所有外表定位螺絲全部用熱熔膠覆蓋;

（4）內(nèi)部線路板、天線和電池均有減緩震動(dòng)帶來(lái)?yè)p傷的措施;

（5）天線在遙控器內(nèi)部隱藏，防止意外觸碰。

整個(gè)遙控操作平臺(tái)框圖如圖2所示。

3.2.2? 車身控制部分

遙控信號(hào)經(jīng)過(guò)天線接收后由無(wú)線數(shù)傳模塊解析，然后經(jīng)串口傳送給PLC，PLC處理后由下級(jí)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)執(zhí)行。

3.2.2.1? 前進(jìn)、后退及速度控制部分

原機(jī)這兩個(gè)方向是單拉桿拉動(dòng)方式控制前進(jìn)、后退及速度快慢。前進(jìn)和后退的控制由拉桿處于中位前或中位后決定（中位提前標(biāo)定出來(lái)）。速度由拉桿離中位的遠(yuǎn)近決定，距離中位越遠(yuǎn)速度越快。改進(jìn)后的設(shè)計(jì)為，使用12 V短行程、大扭矩電動(dòng)推桿代替原先拉桿控制前進(jìn)后退。其中前進(jìn)和后退之間的中位是通過(guò)運(yùn)動(dòng)調(diào)試的方式最終確定。

3.2.2.2? 左右轉(zhuǎn)向控制部分

直接控制兩個(gè)轉(zhuǎn)向電磁閥：正向行駛時(shí)，兩個(gè)閥全開(kāi)通;轉(zhuǎn)向時(shí)，一個(gè)開(kāi)通、一個(gè)關(guān)閉，比如左轉(zhuǎn)時(shí)左轉(zhuǎn)向閥關(guān)閉、右轉(zhuǎn)向閥開(kāi)通，剎車時(shí)兩個(gè)閥全關(guān)閉。本部分需要說(shuō)明的是轉(zhuǎn)彎的有效性和最小轉(zhuǎn)彎半徑問(wèn)題，由于這種轉(zhuǎn)彎系統(tǒng)必須在車體已經(jīng)移動(dòng)的情況下才能工作。機(jī)身如果靜止，轉(zhuǎn)向不能實(shí)現(xiàn)，機(jī)身行進(jìn)速度過(guò)慢，轉(zhuǎn)向也不能實(shí)現(xiàn)，機(jī)身行進(jìn)速度過(guò)快，則轉(zhuǎn)彎半徑太大，而且容易引起很大安全事故。

3.2.2.3? 直接控制部分

打捆機(jī)雖然大部分時(shí)間工作在田間，但從存放地點(diǎn)和工作地點(diǎn)間移動(dòng)過(guò)程中，難免有進(jìn)入公路的情況。為確保車輛行進(jìn)過(guò)程中完全受控，所以在設(shè)計(jì)中將原駕駛室的直接控制系統(tǒng)部分保留，但完全改造成和遙控系統(tǒng)完全融合的直接控制系統(tǒng)。本部分所用的按鈕、手柄等設(shè)備的防護(hù)方面采用了和遙控器相同規(guī)格的防濺水、防沙塵措施。

3.2.2.4? 車載部分的供電

采用的方法是：將車載電平經(jīng)逆變器逆變成交流220 V，再供給PLC，直流12 V由逆變出來(lái)的交流220 V經(jīng)開(kāi)關(guān)電源變成直流12 V后再供給無(wú)線網(wǎng)橋、數(shù)字?jǐn)z像頭、交換機(jī)等使用。此處需要說(shuō)明，機(jī)車發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)電機(jī)功率要跟得上，車載電平最好選用100 Ah以上大容量型號(hào)。否則，因其轉(zhuǎn)向、割臺(tái)升降、打捆的液壓控制部分大量頻繁使用電磁閥，耗電量較大，如果電量不能得到及時(shí)補(bǔ)充，會(huì)導(dǎo)致機(jī)車無(wú)法正常工作。

3.2.2.5? 其他部分

割臺(tái)升降、彈齒撿拾器、打捆機(jī)后蓋均通過(guò)用PLC控制相應(yīng)電磁閥以液壓驅(qū)動(dòng)的方式工作。落捆部分在原落捆擋板處添加限位開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)信號(hào)由PLC按打捆機(jī)工作流程統(tǒng)一處理。

機(jī)車整體控制部分框圖如圖3所示。

3.3? 整車安裝及布線

整車由于改裝和加裝了較多的電氣設(shè)備，其安裝布局采取安全及就近原則：

（1）安全方面全面按國(guó)家安規(guī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，所有線束的敷設(shè)、控制箱的接口等均采取相應(yīng)電氣安全保護(hù)措施和防水防塵設(shè)計(jì);

（2）布局方面，在原駕駛儀表臺(tái)下方集中放置整車電磁閥系統(tǒng)。為節(jié)省空間及便于線下裝配，將多路電磁閥整合在一個(gè)閥體上，由于是油路和電路的交接處，為防止意外碰觸等原因，在控制閥外面增加可移動(dòng)的護(hù)板?？刂葡鋬?nèi)包括PLC及相應(yīng)接線、逆變器、開(kāi)關(guān)電源、交換機(jī)、濾波器等，對(duì)控制線束進(jìn)行了規(guī)范布置。

4? 結(jié)? 論

本設(shè)計(jì)在山東省濰坊市的農(nóng)地里進(jìn)行了多次樣機(jī)實(shí)驗(yàn)。對(duì)其液壓與電控之間的配合做了多次調(diào)試;對(duì)其前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎的速度控制方面的參數(shù)多次修正;對(duì)電動(dòng)推桿的選型進(jìn)行了多次嘗試。經(jīng)過(guò)多方面調(diào)整后，最終廠家提出的技術(shù)要求全部實(shí)現(xiàn)，另外，車輛行進(jìn)的加減速過(guò)程流暢，轉(zhuǎn)彎半徑理想，控制距離在無(wú)視距障礙下一千米穩(wěn)定可靠。

企業(yè)對(duì)遙控效果非常滿意，準(zhǔn)備推向市場(chǎng)以及將其他類型的農(nóng)用機(jī)車也升級(jí)成可遙控操作。同時(shí)也提出了更高要求：機(jī)車的最小制動(dòng)距離仍然較大，最好再進(jìn)行優(yōu)化;為便攜式遙控面板添加更好的人機(jī)交互界面：遙控面板剩余電量的實(shí)時(shí)顯示、操作人員與車體實(shí)時(shí)距離、遙控信號(hào)強(qiáng)度、油量表等;遙控面板合理安裝在便攜式箱體內(nèi)，并配置折疊式三角支架，以減輕操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度。

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作者簡(jiǎn)介：蘇建國(guó)（1967.11—），男，漢族，山東肥城人，副教授，工學(xué)碩士，本科，主要研究方向：現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備的研發(fā)。