旋耕机遥控驾驶与自动调平技术

沈真诚,王 甜

(大荔县农业机械化发展中心,陕西 大荔 715100)

0 引言

土壤旋耕是农业生产的重要环节,旋耕过程可打破犁底层,提高土壤蓄水保墒能力,有利于为下茬作物生长提供良好的种子萌发条件[1-2]。旋耕机是旋耕操作中的主要农业耕整地机械,能使土壤充分细碎、地面平坦、土肥掺和均匀,一项作业能达到耕、耙、平三项作业的效果,有利于抢农时、省劳力,对土壤湿度的适应范围大。旋耕机用于旱地,能使土肥掺和好,用于水田能做到泥烂起浆。旋耕机在水稻插秧前整地、稻麦两熟地打茬、蔬菜地耕耘,以及盐碱地浅耕等方面得到了广泛应用[3-5]。

目前,国内外旋耕机械主要为非调平和非遥控驾驶,在生产过程中需要操作人员进行及时调整机械相关参数,容易产生工作疲劳,耕整后地表不平整,容易出现较多的坑洼和斜坡,不能达到理想的农业生产水平与标准化作业[6-7]。在旋耕过程中,为了实现旋耕机的平衡作业,需要操作人员手动调整操纵杆保证旋耕机的平衡性,需要耗费大量精力,劳动强度较高。

针对以上问题,为了提高旋耕机田间工作质量与工作效率,实现旋耕机自动调平与遥控驾驶,本研究开展旋耕机遥控驾驶与调平研究,可以通过远距离操控旋耕机的田间作业方式,提高旋耕机耕地质量,降低劳动强度,提高田间作业效率。

1 国内外研究进展

1.1 国外遥控驾驶与调平技术研究现状

1.1.1 遥控驾驶技术

遥控驾驶技术是指通过远程控制设备来操控车辆、船只、飞机等运输工具。在国外,遥控驾驶技术已经得到广泛应用,尤其是在无人机和自动驾驶汽车方面。

在无人机方面,美国军方和航空航天领域一直是遥控驾驶技术的主要研究方向。美国空军研究实验室(AFRL)开发了一种可以在远距离操作的无人机,其控制系统采用了先进的人工智能技术和自主控制算法,能在恶劣天气和复杂环境下执行任务。此外,美国还有一些公司,如Insitu、General Atomics、Northrop Grumman等,也在无人机领域开展遥控驾驶技术的研究和开发。

在自动驾驶汽车方面,谷歌、特斯拉、Uber等公司一直在致力于研究和开发自动驾驶技术,其中遥控驾驶技术是自动驾驶技术的重要组成部分之一。特斯拉的Autopilot系统可以通过遥控驾驶技术实现自动驾驶功能,并且可以根据道路情况和交通状况进行自动导航和遥控驾驶。此外,谷歌的Waymo也在研究和开发自动驾驶汽车,其车辆配备了多个传感器和控制系统,可以实现遥控驾驶功能。

1.1.2 调平技术

遥控调平技术是指利用传感器和控制系统对车辆进行动态平衡控制,使其能在复杂的路况下保持平衡。在国外,一些公司和研究机构正在积极开展调平技术的研究和开发。例如,赛格威-纳恩博(Segway-Ninebot)公司通过多种传感器和控制系统实现车辆的自动平衡和控制。此外,调平技术也在自动驾驶汽车领域得到了广泛应用。自动驾驶汽车采用多种传感器和控制系统,可以实现对车辆的动态平衡控制和稳定性控制,从而提高安全性和驾驶舒适度。例如,特斯拉的自动驾驶系统配备了多种传感器和控制系统,可以实现车辆的自动导航和自平衡控制。

综上所述,国外的调平技术研究和开发已经取得了一定的进展,并且在无人车、自动驾驶汽车等领域得到了广泛应用。未来,随着技术的不断发展和应用场景的不断拓展,调平技术将会得到更广泛的应用和推广。

1.2 国内遥控驾驶与调平技术研究进展

1.2.1 遥控驾驶技术

我国遥控驾驶技术研究起步较晚,技术和发展规模相对较为落后,但是近年来随着各大研究院所及高校之间的努力也取得了一系列研究成果。我国遥控驾驶技术的研究进展概述如表1所示。我国遥控驾驶技术生产中存在价格昂贵,结构较为复杂,工作人员需要经过培训才可以使用,不适宜于进行大面积的推广应用,因此有必要研制一款生产成本低、操作简单和易于推广的遥控驾驶系统。

表1 我国车辆遥控驾驶技术研究进展

1.2.2 调平技术

国内调平技术的研究主要针对车载雷达、船舶制造和航空航天领域,研究进展如表2所示。由表2可知,目前我国主要采用比例阀和换向阀实现农业机械的自动调平,其响应时间和响应精度较低。

2 旋耕机遥控驾驶与自动调平系统结构设计

2.1 系统结构

旋耕机遥控驾驶和自动调平系统主要包括机械结构、液压控制系统和电子控制系统组成。机械系统包括悬挂装置、安装装置和控制器安装箱等。液压控制系统主要包括油箱、齿轮泵、电磁阀、全液压转向机等,电子控制系统主要包括电磁阀驱动电路、控制器、位移传感器、倾角传感器和遥控装置等。位移传感器主要用于检测油缸位移,倾角传感器安装在与机具平行的平面上。

2.2 调平系统

2.2.1 基本要求

调平系统主要包括传感器与算法程序等,应满足以下设计要求:

1)倾角传感器能精准地检测机具的水平倾斜角度,在田间复杂环境使用过程中可以保证具有一定的抗干扰能力和良好的数据通信能力;

2)系统数据处理中心能稳定地进行数据采集、数据处理和数据传输,保证对机具各个执行机构的精准控制,防止出现执行机构卡顿、超调和回调等现象;

3)控制中心通过串口定时实现数据传输及执行机构的控制,稳定地控制整个机具的不同动作。

2.2.2 硬件选型

控制系统的芯片是保证系统数据正常运行的关键部件,实现数据的传输、运算和执行,本研究中选取STC公司研制的STC8A8K64S4A12 单片机作为控制核心。驱动电路主要功能是控制电磁阀的开关,为了提高系统推广便捷性与田间应用,应选取价格低廉、体积小且控制程序相对便捷的电路模块,在本研究中选取BTS5215 芯片,在使用过程中具有过载保护和过温自检的应用优势,通过遥控器实现无线通信。通信模块主要是实现数据的远程传输,为了提高数据传输的稳定性和田间使用过程中的抗干扰性,本研究选取MAX公司的 MAX232CSE 芯片作为通信模块的主要控制芯片。

2.3 遥控驾驶系统

2.3.1 基本要求

遥控驾驶系统是实现旋耕机远程控制和遥控驾驶的核心,主要包括遥控软件部分和执行机构,在设计过程中应满足以下基本要求:

1)基于多传感器实现旋耕机执行机构的精准控制,完成旋耕机的升起、下降和调平动作;

2)可以满足大多数旋耕机的控制要求,使用无线信号通信系统,实现远程控制。

2.3.2 硬件设计与选型

遥控驾驶系统的硬件设计核心为遥控器,主要为单片机最小应用单元、无线通信系统、电池系统等。单片机最小控制单元应满足外设功能丰富、引脚数量充足和生产成本较低等特点,在本研究中选用STC 公司的 STC12C5A32S2 单片机;无线通信模块主要应具有远程遥控稳定、灵敏度较高和功耗低等特点,在本研究中选用LoRaTM 调制技术,具有田间使用过程中抗干扰性能强、功耗低和超远距离通信等优势。

3 结论与展望

3.1 结论

为了提高旋耕机田间工作质量与工作效率,实现旋耕机自动调平与遥控驾驶,本研究基于国内外遥控驾驶与调平技术研究现状,提出一种旋耕机遥控驾驶与自动调平系统,并阐述基本设计要求与关键部件的设计与选型,研究结果对于提高旋耕机工作质量,降低农业生产成本提供参考和借鉴。

3.2 展望

未来应进一步提升旋耕机遥控驾驶中远程无线通信功能,提高相关传感器及电路的抗干扰能力,进一步提高系统的响应速度和控制精度。