丘陵山地小型田间搬运机遥控系统设计

许洪斌+王智强+杨长辉

摘要：针对某款使用拉线方式控制的田间搬运机，设计了1种手动与遥控一体化的控制系统。该系统主要由发射控制模块、接收控制模块和电机执行装置3大部分组成，以STC15W4K32S4中控单元为核心的接收控制模块，配合无线通信协议，完成了对发射控制模块无线信号的分析处理和电机执行装置动作的实时控制，实现了搬运机的启停、转向、油门调节等遥控功能。结果表明，该系统遥控动作准确，遥控距离大于50 m，适合搬运机进行田间搬运工作。

关键词：单片机；步进电机；搬运机；遥控

中图分类号： TP271+.4；S229+.1

文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2016）04-0398-03

重庆威马公司生产的某田间搬运机主要用于山地农田中农作物、农药和肥料等的搬运。该搬运机采用履带式底盘，最大载质量320 kg，发动机功率3.6 kW，行走速度小于 1.4 m/s，最小回转半径1.15 m，爬坡能力15°。

该搬运机工作环境较差，导致农民在手扶驾驶过程中存在操作难度高、工作强度大和安全隐患等问题。因此，开发1款遥控系统，大量地减少农民手扶操作搬运机时间，不仅能降低农民的劳动强度，而且能提高驾驶的安全性[1-3]。本研究基于该搬运机的操控特性，开发了1套手动控制和遥控功能一体化的控制系统，不仅实现了搬运机无人驾驶的目的，而且在遥控装置失控的情况下能实现手动控制，进一步提高搬运机驾驶安全性。

1 系统总方案

在不改变该搬运机原有机械传动结构的基础上，对其遥控系统进行开发，通过加装由STC15W4K32S4控制的步进电机遥控系统，实现搬运机启停、转向和油门调节的遥控功能[4-9]。

控制系统结构如图1所示，控制系统结构由发射控制模块、接收控制模块和执行装置3个部分组成。工作过程：单片机中控单元接收到遥控信号，发送相应的遥控指令作用于步进电机驱动模块和继电器驱动模块；步进电机驱动模块根据相应的遥控信号控制步进电机正反转，最后由拉线伸缩来完成离合与制动、转向、油门的规定动作；继电器模块作用于步进电机制动器，在步进电机脱离工作状态时断电，控制制动器抱闸制动，保证执行机构动作的稳定性，反之继电器通电，制动器闸瓦分离，步进电机进入工作状态。

2 系统硬件设计

2.1 发射控制模块

发射控制模块为编码芯片PT2262、工作频率为 315 MHz 的6键遥控器。该模块采用的PT2262是1款成本低廉且具有CMOS工艺、外围电气元件少以及耗能极低等特点的编码芯片[10]。但该编码芯片只有4个独立的数据编码通道（D0-D3），不能满足6通道遥控器独立按键操作的要求。为此采用组合电路的方式将PT2262编码芯片的数据编码通道扩展至6个，具体编码组合见表1。根据我国无线电频率划分规定，315MHz载波频率属于开放频段，在这一频段内，用户在发射功率小于10 mW、覆盖范围小于100 m或不超过本单位范围内可自由使用[11]。

2.2 接收控制模块

接收控制模块包括HS2272-M6无线接收模块、TB6560AHQ步进电机驱动模块、5V常开继电器模块、STC15W4K32S4单片机中控单元和电源模块。

HS2272-M6无线接收模块与PT2262配套使用。在使用过程中采用焊锡搭焊方式，将编码/解码芯片PT2272/PT2262的地址码管脚A0、A5均焊接至高电平，其余管脚悬空。通过该方法的应用可提高无线遥控模块在数据传输过程中的抗干扰能力。

TB6560AHQ步进电机驱动器作为步进电机驱动模块，采用6N137高速光耦，额定最大输出3A，最大细分数1/16，具有性能稳定、宽调速和低价位等特点。

继电器模块为光耦隔离继电器模块，主要由松乐5V继电器、1N4732二极管、光电耦合器、晶体管和限流电阻组成。

控制模块选用8位单片机STC15W4K32S4作为中控单元。P2.0-P2.5作为遥控信号输入I/O口，与无线接收模块的D0-D5引脚相连接。通过软件查询I/O状态，单片机输出相应的控制信号至步进电机驱动模块控制接口和继电器驱动模块控制接口，进而控制驱动电路工作。

由于proteus中元器件较少，因此以AT89C52、L297与L298、lamp分别代替控制模块中的STC15W4K32S4、TB6560AHQ、步进电机制动器进行仿真，离合器控制模块仿真见图2。

电源模块包括24 V直流电源、LM2596电源降压调整器。24 V直流电源与步进电机驱动器连接，作为步进电机的正常工作电源；直流电源通过LM2596降压电路降压至5 V，为单片机中控单元工作供电，降压原理见图3。

2.3 执行装置

根据系统方案设计的执行装置，通过拉线控制各个机构实现了以下功能：（1）离合与制动联动机构的离合与制动；（2）转向器的转向操作（左转向和右转向）；（3）油门大小的调节。

在保证搬运机整体结构完整性的基础上，设计的步进电机执行装置见图4。转向执行机构包括依次连接的步进电机制动器、转向步进电机、联轴器和输出轴；步进电机制动器位于步进电机尾部，步进电机安装在“U”形电机支架的一侧板上，输出轴通过另一侧板上的通孔穿出电机支架与转向杆连接以使转向杆与输出轴同步转动；在转向杆上设有2根相对转动中心对称的转向拉线，2根转向拉线穿过安装板与农机的转向机构相连；电机支架安装在控制箱底板上并在二者之间设有弹性缓冲垫；通孔和输出轴之间设有轴承及轴承座。

与转向执行机构对比，油门、离合与制动联动执行机构的差别在于输出轴与绕线把手连接，分别通过拉线与农机上的油门机构、离合机构连接。

3 系统软件开发

系统的软件开发即是对中控单元STC15W4K32S4的程序开发。Keil C51作为程序开发软件，对程序进行了模块化设计，包括转向子程序、油门调节子程序和启停子程序等。遥控器6个按键对应功能为启动、停车、加大油门、减小油门、左转向、右转向。以实现搬运机启动为例，启动子程序流程见图5。

4 场地试验

在室外进行测试试验，试验内容主要有接收控制模块的接收信号距离测试和遥控执行装置的稳定性测试。先后试验共6次，每次试验的时间单位为1 h，试验流程：保持搬运机直线行驶10 m，按下转向遥控按键转弯90°后继续沿直线行驶 5 m，如此反复操作按键保证搬运机沿10 m×5 m的矩形路线行走，直至每次试验结束。在此过程中，当每次转弯成功时控制搬运机的启停和油门。性能测试结果见表2，试验场地场景见图6。

从表2可看出，在第1次试验时离合器打滑，搬运机不能正常行驶，原因是离合执行机构转动角度较小，导致汽油机与减速箱之间的皮带轮出现打滑；增大转角进行第2次试验时发现，经过1 h反复操作，执行机构部分不能正常工作，原因为执行装置中步进电机失步；改进步进电机算法后进行第3次试验，在加大遥控操作距离时，偶尔出现控制失效情况，主要原因是发动机干扰无线模块通信，导致通信距离短，后调整无线模块的安装位置，通信条件得到明显改善，在50 m范围内可靠遥控驾驶搬运机。

5 结论

经过试验验证，由发射控制模块、接收控制模块和执行装置组成的手自一体化控制系统，实现了对该搬运机离合与制动、转向和油门的准确控制。该系统具有以下特点：（1）遥控系统安全可靠，在一定程度上提高了工作效率、改善了操作环境；（2）尽可能保持了现有机构的可用性，且遥控系统具有良好的可移植性；（3）遥控系统的操作简单易学，适合大部分农民的操作要求；（4）在遥控装置失控的情况下可实现手动控制，进一步保障了农民的人身和财产安全。

参考文献：

[1]胡 洁，张吉兵，赵占军，等. 基于nRF905的遥控棚室作业机控制系统设计[J]. 中国农机化学报，2015，36（3）：118-122.

[2]徐秀栋，杨福增，姚 垚，等. 微型果园机械远程控制系统的研究与实现[J]. 农机化研究，2010，32（3）：111-114.

[3]郭建昌，李 丰. 智能农田灌溉潜水泵无线控制器设计[J]. 中国农机化学报，2014，35（4）：278-282.

[4]许洪斌，王智强，杨长辉，等. 一种拉线式农机遥控机构：中国，201520360296.8[P]. 2015-09-09.

[5]汤晓磊，张衍林，李学杰.7YGD-45型电动遥控式单轨果园运输机[J]. 湖北农业科学，2013，52（2）：443-447.

[6]蒋 蘋，胡文武，罗亚辉，等. 机滚船遥控驾驶系统设计[J]. 农业工程学报，2009，25（6）：120-124.

[7]蒋 蘋，胡文武，孙松林，等. 水田作业机械无线遥控系统设计[J]. 农机化研究，2009，31（6）：62-64，68.

[8]杨 锴. 基于ARM9的林果运输单轨车车况远程监测系统设计[J]. 湖北农业科学，2012，51（10）：2108-2110，2123.

[9]张俊峰，张衍林，张唐娟，等. 自走式山地单轨运输机遥控系统的设计[J]. 华中农业大学学报，2012，31（6）：792-796.

[10]林金阳，黄世震，林 伟，等. PT2262编码芯片的内部电路分析及仿真[J]. 现代电子技术，2006，29（17）：133-134，137.

[11]张俊峰. 山地果园单轨运输机遥控关键技术与装置的研究[D]. 武汉：华中农业大学，2012.万 爽，何俊仕，付玉娟，等. 基于人工降水模拟的不同灌溉方式下土壤水分入渗[J]. 江苏农业科学，2016，44（4）：401-405.