遥控水田旋耕机控制系统开发

周彦春，李红阳，魏灿苗，熊永森

（1.金华市婺城区九峰职业学校，2.浙江四方集团公司，3.金华职业技术学院，浙江 金华 321000）

为实现水田作业机械的遥控操作，采用无线数据收发模块和数据采集处理模块，配合无线通讯协议，设计了一套基于DSPF2812控制芯片的水田作业机械无线遥控驾驶与耕作系统。通过野外作业实验表明，该系统遥控无障碍距离达到1000m，无线数据传输稳定，能满足水田作业机械的遥控要求；同时耕作系统通过闭环控制可以实现对耕地深度的控制，满足农艺要求。

旋耕机控制系统主要有电源系统、控制主板、无线遥控器、耕深检测模块、档位控制模块、油门控制模块、HST控制模块和耕具控制模块等。控制系统框图见图1。

图1 系统框图

1 电源系统

考虑到耕机工作时来自工作环境的干扰（发动机转动产生的干扰，拖拉机启动电机的开启和关闭瞬间的电源波动）会通过电源串入到系统中，从而不影响系统的正常工作，必须对电源模块进行必要的抗干扰措施。在电源的输入级加入电源滤波器，滤除来自电源的干扰。采用多个DC-DC隔离电源，分别对主控CPU部分、信号接收和控制信息采集部分、执行机构的驱动部分进行供电。

2 控制主板

系统采用CPU核心板与母板直插的形式——DSP核心板插在母板上。如图2所示，信号输出和输出采用光耦隔离，可以避免外部电磁干扰串入到主控单元中而影响DSP的正常工作。

为了满足系统的控制要求，采用双CPU工作模式。分别用于耕作控制和拖拉机行走控制。行走控制部分的控制信号来源于无线遥控模块。通过DSP的捕获单元，读取遥控无线接收模块传出的PPM信号的脉宽。通过DSP调整，满足拖拉机的换挡、变换油门、转向、以及熄火等功能。对于耕作控制单元，通过耕作控制核心板来完成。此CPU主要负责耕具的提升和放下及耕深控制。耕具的提升与放下，通过DSP的捕获单元捕获无线遥控模块接收器的PPM信号的宽度，决定耕具的上升和下降。对于耕深的控制是通过基于485接口的数字编码器的回传耕具托板上扬角度来实现PID控制。其中编码器如图3所示。

图2 控制主板图

图3 编码器

3 无线遥控模块

无线遥控有两部分组成，手持遥控器见图4，本地信号接收模块见图5。

图4 遥控器

图5 信号接收模块

接收到遥控器上对应的各个开关的位置状态后，分别输出对应状态的PPM信号。这些PPM信号接入到主控制单元后，通过DSP的捕捉单元采集并通过计算得出对应的开关位置状态，从而可以实现遥控器的操作控制。

DSP主控制单元和手持显示控制模块之间的通信主要通过Zigbee模块进行，由5V隔离电源供电，Zigbee模块通过RS232与DSP控制单元进行通信，DSP可向手持显示模块发送状态、档位、油门、转速、温度、耕具位置等信息，将这些信息显示在液晶屏幕上，方便操作者实时了解耕机的具体情况和数据。接近开关有8个，主要包括5个档位位置，3个耕具位置以及压轮位置，电源为12V。当执行机构接近相应位置上的开关时，由DSP控制单元检测到相应开关状态，并执行对应的操作。

4 软件系统概述及其主要模块介绍

软件使用C语言在CCStudio3.3环境下编写并进行调试，程序主要包括2.4G无线通信模块、耕深检测模块、档位控制模块、油门控制模块、HST控制模块以及耕具控制模块，其中2.4G无线通信模块包括无线主控监视器和无线辅助遥控器。

无线主控监视器有启动和停止的开关按钮，用于启动和停止整个系统的运行，同时监视器的屏幕上能实时显示机组状态，档位，油门，转速，温度，耕具位置等信息。无线辅助遥控器通过遥控上的各个按钮开关调节档位、油门、HST、耕具位置等，使控制机组按操作者指令进行动作。软件组织构架图6。

图6 软件组织构架图

4.1 主要模块软件流程介绍

系统总体软件流程框图如图7所示，开机启动后需检测机组各开关位置状态，确保机组处于安全状态下方可启动。

图7 系统总体软件流程

4.2 换挡子程序

耕机运动控制单元主要负责旋耕机的运动控制，主要包括换挡，HST，油门等操作控制耕机的前进和后退等。

换挡子程序的框图如下所示，在换挡之前需先将油门和HST归零，若操作人员按操作规则在换挡之前已将油门和HST归零则归零操作不执行，以防操作时没有将油门和HST归零，则系统自动先确定油门和HST处于零位再执行换挡的操作。换挡后，若档位对应的接近开关没有置位，则说明换挡不成功，这时先在一定范围内晃动HST位置以及档位位置直至换挡到位。若不是空挡则恢复当前油门和HST的位置，空挡则不执行操作，结束换挡操作。换挡程序流程，见图8。

图8 换挡程序流程

4.3 耕深PID控制子程序框图

系统先读取编码器角度从而获得耕深，经PID控制器确保耕具的准确位置。关于PID的软件控制流程，见图9。

图9 PID的软件控制流程

5 整机展示与结语

智能遥控拖拉机系统组成如图10智能拖拉机实物图所示。控制柜、液压阀及舵机、数字编码器构成。

图10 智能拖拉机实物图

整体系统可以实现稳定运行，包括前行，倒退，转弯，以及对耕作深度的控制。可以实现拖拉机在车载无人驾驶的初步设计理念。满足中国南方水田的工作要求。