无人驾驶拖拉机底层控制系统设计

郝帅红，武志明，郭韦韬，余科松，温鑫伟

(山西农业大学农业工程学院，山西 晋中030801)

0 引言

农田作业的现代化技术离不开机械化、自动化[1]。中国是农业大国，也是全球农机制造大国，2019年，全国规模以上农机企业主营业务收入实现2 464.67亿元[2]。拖拉机是我国保有量较大的农机产品之一，但是目前大部分拖拉机依旧由人工驾驶，驾驶员操作技术水平参差不齐，很难满足高精度作业的要求[3]。发展拖拉机无人驾驶技术迫在眉睫，该技术可提高作业效率与作业精度，同时降低驾驶员劳动强度。

国外农业发达国家完成了对农田作业机械智能导航控制技术及相关产品的研究，并将相关技术应用于农业生产，生产效益得到显著提高[4]。我国在农机自动化、信息化和智能化等技术方面的研究还处于起步阶段，但发展速度很快，尤其是拖拉机自动导航驾驶技术，如东方红X-804型拖拉机配备的载波相位差分全球定位系统(DGPS)，实现了对拖拉机的无人驾驶控制[1]。

目前，国内对无人驾驶拖拉机的研究大多都是基于全新的机械设计基础之上的一次开发，很少有在传统的农机基础之上进行无人驾驶技术的二次开发。如果能在已有农机上通过加装底层执行机构并与智能决策系统相结合，将保有量较大的传统农机改造成无人驾驶拖拉机，则意义重大。

本研究以Q/CR01-2015型山地拖拉机为载体，通过设计电子系统、液压系统等，实现对无人驾驶拖拉机的底层控制，设计方案易于施行，方便对传统农机进行无人驾驶改造。

1 底层控制系统组成

无人驾驶拖拉机底层控制系统结构示意如图1所示，底层控制系统主要由负责指令发送的SBUS发射器、负责指令接收的SBUS接收机、主控芯片、电子系统、液压伺服系统及拖拉机机械硬件等部分组成。工作流程：SBUS发射器发送操作指令→SBUS接收机接收发射器指令→主控芯片解码发射器指令→电子系统执行主控芯片程序完成拖拉机相应的电子电路功能→液压伺服系统执行主控芯片程序完成拖拉机相应的机械构件功能。

图1 无人驾驶拖拉机底层控制系统示意Fig.1 Bottom control system schematic of unmanned tractor

2 硬件设计

无人驾驶拖拉机底层控制系统包括硬件电路和软件系统，硬件电路的性能直接决定整个系统的综合性能，好的硬件支持对于软件系统开发具有重要意义[5-6]。本研究主要从控制系统芯片的选型、最小系统、SBUS接收机连接电路、驱动执行部分和电源管理模块等部分进行硬件电路设计。

2.1 芯片选型与资源分配

主控芯片是控制系统的关键核心部件，合适的主控芯片对发挥控制系统的性能具有重要作用。芯片选择往往需要考虑系统各方面的要求，如工作主频、运算能力、外设资源、易于开发、集成等。STM32系列高速处理器是ST公司近年来推出的新型处理器，其内置资源丰富，内部集成的定时器多达7个，包括基本定时器、通用定时器和高级定时器等；同时拥有丰富的通信接口，如USART、CAN和SPI等，可以完成通信功能[7-8]。

无人驾驶拖拉机底层控制系统对芯片的响应速度要求较高，同时需要多达12路的PWM外设、1个USART接口，故选择高性能的STM32单片机作为主控芯片。本底层控制系统配备1个串行接口用于SBUS通信，12路PWM信号用于控制数字舵机与伺服换向阀，3个通用GPIO口对开关设备进行控制。底层控制系统资源分配方案如表1所示。

表1 底层控制系统资源分配方案

2.2 STM32单片机的最小系统

STM32 F103系列单片机的最小系统主要由电源、晶振和复位电路3部分组成，供电电压3.3 V。STM32单片机内部电路集成度高，芯片内部电源线比较细，为使单片机稳定工作，设计供电模块由4组供电电源组成，同时电源正极与地之间均加入0.1uF的去耦电容，保证系统工作的稳定性[9]。复位电路主要由电阻、电容和按键组成，使用RC充放电电路主要实现芯片的上电复位，同时保证在按键弹起的状态下，单片机NRST脚始终处于高电平，芯片正常工作；该芯片外接了一个8 MHz的晶振，为其工作产生稳定的频率，STM32单片机内部设计了倍频电路，可将该晶振频率倍频到72 MHz，从而指挥单片机快速、有序地工作。

2.3 接收机接收指令部分

SBUS接收机功能是实现拖拉机的遥控驾驶，由SBUS通信协议可知，该设备低电平为0，高电平为3.3 V，采用负逻辑，解码该类接收机时需在数据线上加入一个取反电路，取反电路由1个S9013NPN型三极管与限流电阻、上拉电阻组成。

2.4 驱动执行部分

2.4.1继电器

无人驾驶拖拉机电子系统多是大功率电子元件，普通电子开关管难以承受持续的大电流，因此采用继电器控制大功率元件，实现电子驱动功能。将大功率元件的正极串联于继电器的常开触点间，每路继电器的控制端分别与单片机的GPIO口相联，同时单独为继电器的控制侧提供3.3 V电源。继电器及负载电路如图2所示。

图2 继电器及负载电路Fig.2 Relay and load circuit

2.4.2舵机

为实现拖拉机油门的精确控制，并且任意时刻油门的位置都保持在当前的油门量上，选择大扭力伺服舵机作为油门的驱动执行装置。大扭力伺服舵机内部有角度传感器和控制芯片，控制芯片可实时采集当前的转角并与控制信号实时比较，形成闭环系统，实现精准响应。油门控制电路如图3所示。

图3 油门控制电路Fig.3 Throttle control circuit

2.4.3伺服换向阀

为实现油路转换，需要使用换向阀装置，选用伺服换向阀进行精准的流量控制与方向控制。本设计中底层控制系统的强阻力执行机构有11个，因此配置11路伺服换向阀。伺服换向阀采用PWM信号控制，其内部有角度传感器，实时形成闭环控制，使得控制更稳定、可靠。伺服换向阀电路如图4所示。

图4 伺服换向阀电路Fig.4 Servo directional valve circuit

2.5 电源管理模块

底层控制电路使用的电源电压等级主要有3.3、5和24 V，由于拖拉机能够提供24 V的车载铅蓄电池电源，所以选择可调压的直流调压模块2个，将24 V的车载电源分别降为5 V与3.3 V给相应模块供电。该直流降压模块的最大输出电流可达5 A，由于小电压等级模块的电流总和不会超过3 A，故该供电模块完全满足设计要求。电源管理模块电路如图5所示。

图5 电源管理模块电路Fig.5 Power management module circuit

2.6 硬件电路连接

底层控制系统的总体硬件连接如图6所示。以主芯片为中心，将底层硬件电路分为3大部分：输入部分、数据处理与逻辑控制部分、指令执行部分。输入部分主要由SBUS接收机组成，SBUS接收机将SBUS发射器的指令传给主控芯片。数据处理与逻辑控制部分主要由主控芯片组成，主控芯片将SBUS接收机的数据进行解码并根据指令产生相应的逻辑控制指令。指令执行部分主要由继电器、舵机和伺服换向阀组成，分别接收主控芯片的控制指令，完成相应的底层执行功能。电源模块为整个系统提供稳定的电压与电流，保证系统的稳定运行。

图6 底层控制系统硬件连接电路Fig.6 Hardware connection circuit of bottom control system

3 软件设计

软件设计主要内容包括划分功能模块及安排程序结构，画出各程序模块流程图，选择合适的语言编写程序，将各个模块连接成完整的程序等[10]。本设计中将软件系统分为接收数据、处理数据和控制逻辑3部分。

3.1 接收数据

主控芯片对数据的接收主要通过SBUS协议完成，SBUS通信协议为串口通信，只需正确配置串口的工作模式与通信协议即可[11]。当主控芯片接收到SBUS接收机发出的数据后，其串口接收中断将被触发，中断处理函数(图7)对接收到的数据进行处理并正确保存。

图7 中断处理函数流程Fig.7 Interrupt handling function flow

3.2 处理数据

当主控芯片成功接收到SBUS接收机的数据后，需根据SBUS协议对原始数据进行一次解码，将SBUS接收机内各个通道的数据分离出来并标准化，供逻辑控制部分使用[12]。主要流程包括判断是否正确接收数据、对数据解码、判断解码是否完成及转化成标准化数据。

3.3 控制逻辑

数据正确解码后需要进行二次解码，然后根据解码指令对电子系统与液压系统进行逻辑控制。对于电子系统的控制，以引擎控制为例进行介绍，如图8所示；对于液压系统的控制，以制动执行为例进行介绍，如图9所示。

图8 引擎模块控制流程Fig.8 Engine module control flow

图9 制动执行模块控制流程Fig.9 Brake execution module control process

4 试验验证

依据上述硬件设计及软件设计方案，搭建实际系统开发平台，如图10所示。在实际开发平台上对相关代码进行调试，以控制制动的踩放为例，利用程序通过控制换向阀，进而控制液压缸的伸缩，实现制动，液压缸的伸出和收缩效果如图11和图12所示。试验证明，使用发射器发送油缸的伸缩指令，换向阀能够快速、准确地响应，基本满足底层控制系统的性能要求，故该底层控制系统具备与智能决策系统对接的条件。

图10 系统开发平台Fig.10 System development platform

图11 油缸伸出效果Fig.11 Effect of cylinder extension

图12 油缸缩回效果Fig.12 Effect of cylinder retraction

5 结束语

以Q/CR01-2015型山地拖拉机为载体对其进行改造，设计出底层控制系统，实现对无人驾驶拖拉机的底层控制。试验证明该底层控制系统各项性能满足设计要求，具备与智能决策系统对接的条件，为社会上保有量较大的传统拖拉机进行无人驾驶改造升级提供了系统支撑。