1KPZ-250型開(kāi)溝鋪管機(jī)GPS自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　摘要：以1KPZ-250型開(kāi)溝鋪管機(jī)為試驗(yàn)平臺(tái)，采用RTK-GPS定位技術(shù)，進(jìn)行農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)導(dǎo)航試驗(yàn)。針對(duì)開(kāi)溝鋪管機(jī)液壓驅(qū)動(dòng)，履帶式行走機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了左右履帶行走速度控制與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了開(kāi)溝鋪管機(jī)行走自動(dòng)控制。根據(jù)GPS接收機(jī)與車(chē)載傳感器獲取車(chē)輛姿態(tài)信息，采用PID控制方法，構(gòu)建轉(zhuǎn)向閉環(huán)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)開(kāi)溝鋪管機(jī)的自動(dòng)對(duì)行導(dǎo)航，并進(jìn)行了開(kāi)溝鋪管機(jī)田間導(dǎo)航跟蹤試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，在開(kāi)溝鋪管機(jī)對(duì)行導(dǎo)航作業(yè)中，車(chē)輛行進(jìn)速度不大于0.5m/s時(shí)，對(duì)行跟蹤誤差小于10cm，完全可以滿(mǎn)足開(kāi)溝鋪管作業(yè)精度要求。

　　引言

　　我國(guó)北方以及沿海地區(qū)有著相當(dāng)數(shù)量的鹽堿地需要治理和改造，依靠人工開(kāi)溝、鋪管，不僅效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，作業(yè)成本高，而且工程質(zhì)量難以保證。1KPZ-250型開(kāi)溝鋪管機(jī)是專(zhuān)用于暗管排堿技術(shù)的大型工程機(jī)械，可將滲管以精確的高程和坡度埋入地下，同時(shí)在滲管周?chē)弦欢ê穸鹊纳车[料。滲管的高程和坡度由激光制導(dǎo)系統(tǒng)來(lái)控制，而滲管鋪設(shè)的直線(xiàn)度，需要人為在地頭兩端豎立標(biāo)志桿，用于指引開(kāi)溝鋪管機(jī)上的駕駛員直線(xiàn)行駛。由于田間作業(yè)風(fēng)沙大，駕駛員的駕駛水平及長(zhǎng)時(shí)間枯燥乏味的跟蹤駕駛，對(duì)開(kāi)溝鋪管作業(yè)的直線(xiàn)度有很大影響，并且需要專(zhuān)人豎立標(biāo)桿，存在不安全因素。開(kāi)溝鋪管機(jī)實(shí)現(xiàn)GPS自動(dòng)對(duì)行行走將有效地減輕駕駛員的勞動(dòng)強(qiáng)度，減少勞動(dòng)力，提高滲管鋪設(shè)直線(xiàn)度精度。本文以1KPZ-250型開(kāi)溝鋪管機(jī)為平臺(tái)，對(duì)其履帶式行走機(jī)構(gòu)進(jìn)行電控設(shè)計(jì)，結(jié)合GPS技術(shù)與智能控制策略，使開(kāi)溝鋪管機(jī)能跟蹤預(yù)設(shè)直線(xiàn)路徑行走，實(shí)現(xiàn)開(kāi)溝鋪管自動(dòng)導(dǎo)航作業(yè)。

　　開(kāi)溝鋪管機(jī)行走機(jī)構(gòu)電控設(shè)計(jì)

　　1KPZ-250型開(kāi)溝鋪管機(jī)采用液壓驅(qū)動(dòng)，履帶式行走機(jī)構(gòu)，左右履帶各有一套液壓驅(qū)動(dòng)裝置，通過(guò)調(diào)節(jié)伺服閥開(kāi)度來(lái)改變驅(qū)動(dòng)馬達(dá)上的液壓流量，從而控制左右履帶行走速度。驅(qū)動(dòng)馬達(dá)上安裝有測(cè)速編碼器，通過(guò)采集編碼器數(shù)字脈沖信號(hào)，可推算出左右履帶行走速度。行走機(jī)構(gòu)電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。　　

 

　　開(kāi)溝鋪管機(jī)行走控制器是硬件設(shè)計(jì)的核心部分，它由傳感器信號(hào)采集、D/A轉(zhuǎn)換、電壓跟隨驅(qū)動(dòng)電路、微控制器和串行總線(xiàn)接口組成。主要控制電路設(shè)計(jì)如圖2所示。微控制器采用Microchip公司的PIC18F2580。通過(guò)CAN總線(xiàn)與車(chē)載計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，布線(xiàn)簡(jiǎn)單，通訊可靠性高。通過(guò)數(shù)模D/A轉(zhuǎn)換器將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓模擬信號(hào)，D/A轉(zhuǎn)換器采用TLC5615，與微控制器采用3線(xiàn)串行輸入，10位數(shù)模轉(zhuǎn)換輸出，其參考電壓源3V由芯片AD780提供，D/A轉(zhuǎn)換分辨率為3mV/bit，使系統(tǒng)具有較高的轉(zhuǎn)換輸出精度。U10運(yùn)算放大器與電阻R101、R102組成電壓放大電路，Q10三極管提高驅(qū)動(dòng)電路帶負(fù)載的能力，輸出信號(hào)通過(guò)限流電阻R106加載到電磁閥線(xiàn)圈上，可實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁閥開(kāi)度的控制，從而達(dá)到調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)轉(zhuǎn)速的目的。微控制器采用定時(shí)計(jì)數(shù)方式對(duì)測(cè)速編碼器信號(hào)進(jìn)行采集，通過(guò)行走動(dòng)力傳動(dòng)比，推算出左右履帶的行走速度。整個(gè)系統(tǒng)采用24V工作電壓，低功耗設(shè)計(jì)，與外部設(shè)備的接口進(jìn)行光電隔離，降低外部干擾，提高系統(tǒng)工作可靠性。