基于GPS的太阳能平移式喷灌机自主导航系统设计与试验

王俊野+刘玉燕+杜连营

【摘 要】本文先是阐述了基于GPS的太阳能平移式喷灌机自主导航系统中机械结构、供电部分以及控制系统的设计，然后对设计的系统进行了试验分析，结果显示该系统具有良好的控制精度，可以满足农业灌溉的需求。目的是对我国农民的灌溉工作提供帮助。

【关键词】GPS；喷灌机；自主导航

0 前言

我国现在使用的平移式喷灌机基本都是国外进口的，虽然这些喷灌机的效率很高，但是成本和电力需求也很高，在用电高峰期或者是偏远区域得不到很好的应用。所以，我们要将太阳能作为能源进行平移式喷灌机的设计研发，解决喷灌设备的动力问题。

1 基于GPS的太阳能平移式喷灌机自主导航系统设计

1.1 基于GPS的太阳能平移式喷灌机自主导航系统的机械结构设计

机械结构作为喷灌机的硬件主体，设计时要考虑很多方面的内容：第一，由于农作的需要，要求喷灌机进行喷水、喷药或者喷肥等多种农田作业，因此，在设计喷灌机的喷头时，要注意在输水管上将灌水器的喷头进行等间距的设计，这样可以确保喷洒的均匀性；第二，为了提高土地的利用率，让喷灌机占地面积更小，从而降低对作物生长的不利影响，要采用边梁式的方法进行底部支撑部分的设计，另外喷灌机的两个前轮以及两个后轮之间最好不用连接轴进行连接；第三，为了确保喷灌机的承载力和通过性，要将喷灌机的外形尺寸进行科学合理的设计。另外，一般的喷灌机都是采用四轮独立的驱动形式，因此，在喷灌机的设计时，首先要根据每个轮子行驶时需要的最大功率选择合适的直流电机，还要为直流电机配备可以控制转速的驱动控制装置；然后要根据直流电机以及驱动装置的功率来选择合适规格的蓄电池进行供电；最后要进行轮胎的选择。

本次设计的喷灌机外形尺寸如下：左右轮之间的距离是3.36米；前后轴之间的距离是2.7米；车梁和地之间的距离是1.3米；桁架和地之间的距离是1.8米。喷灌机选取四个480V、200W以及1800r/min的直流电机以及48V的蓄电池进行动力的供给。轮胎选择的是8.3-20的普通人字形农用轮胎。

1.2 基于GPS的太阳能平移式喷灌机自主导航系统的供电部分设计

喷灌机的供电部分通常由太阳能控制器、太阳能光伏组件以及免维护蓄电池组成，主要为喷灌机的控制系统、行走驱动部分以及各个传感器提供电能。供电部分的结构原理如下：太阳能光伏组件受到太阳光的照射之后，会使用光电效应将光能转变成电能，当太阳光照射的强度达到某一个值时，太阳能光伏组件的输出功率就可以满足喷灌机的消耗功率。免维护蓄电池用来存储太阳能光伏组件转变的电能；太阳能控制器用来控制免维护蓄电池的充、放电。本次设计中选取金源电子公司的CS5M32-260太阳能板作为太阳能光伏组件；选取4块190H52阀控式全密封的铅酸蓄电池进行串联形成免维护蓄电池。

1.3 控制系统的设计

控制系统通常由GPS接收机、电子罗盘、导航控制器、转速传感器以及转速控制器组成，这些组成部分通常采用CAN总线的方式进行连接。如图1所示：

图1 自主导航系统的结构

在进行控制系统的设计时，GPS接收机主要用来确定喷灌机当前所在的位置，需要对喷灌机的位置数据进行采集；电子罗盘主要用来确定喷灌机的走向，需要采集喷灌机走向的数据，还要实现导航控制算法以及生成和输出相应的控制命令；转速传感器主要用来采集喷灌机轮子的速度；转速控制器主要用来控制喷灌机的转速。本次设计中选用32位的Cortex-M3内核芯片集成作为喷灌机自主导航系统的控制器。

2 基于GPS的太阳能平移式喷灌机自主导航系统的试验

2.1 试验的过程

为了测定基于GPS的太阳能平移式喷灌机自主导航系统的性能，进行了试验研究。因为喷灌机的使用要求机组入口的压力要大于十米水头，整机的流量要大于30m3/h，在使用喷灌机之前要在田间留出半米的机行道，运行的时候要求喷灌机可以平稳地沿着机行道运行，行走的轨迹不能超出行道。由于喷灌机在田间的运行状况和在水泥路面上的运行状况类似，所以本试验选在某大学的操场上进行。

在进行试验之前，在水泥路面上制定出一条直线路径，首先要使用GPS接收机测定出A、B两点的经纬度信息；然后要由高斯投影将经纬度信息转变成大地平面的直角坐标，使用导航控制器中路径规划的方法将喷灌机行走的AB直线路径预定好；最后将喷灌机放置在路线的起点，让喷灌机的运行方向和预定的导航路径保持平行。此时，启动喷灌机的自主导航系统进行试验，喷灌机会沿着预定的路线进行自动的路径跟踪，使用滴水的方法进行喷灌机真实行走轨迹的记录。等到喷灌机完成自主导航之后，在地面上的A、B两点之间拉一条白色的细线当做是导航基准线，自主导航系统的横向误差就是喷灌机行走轨迹和导航基准线之间的垂直距离。试验中，每隔三十厘米就要测量一次横向误差。

2.2 试验结果分析

通过试验中的误差数据分析可知：当喷灌机以0.4m/min的速度运行时，喷灌机的最大横向偏差小于17.5厘米；当喷灌机以0.8m/min的速度运行时，喷灌机的最大横向偏差小于18.6厘米；随着喷灌机速度的加大，控制调节时间越来越小，超调越来越大。总的来说，该喷灌机自主导航系统的误差小于20厘米，在此次试验中喷灌机的各个机组运转状况良好，可以较好地跟踪预定的路径，说明喷灌机导航自主系统具备较好的控制精度以及稳定程度，可以满足喷灌机在预定行道内进行工作的使用需求。

3 结论

综上所述，基于GPS的太阳能平移式喷灌机自主导航系统可以节约能源。分析可得，通过对基于GPS的太阳能平移式喷灌机自主导航系统的设计与试验可知，将太阳能技术、GPS技术、自动控制技术以及节水灌溉技術有机结合，可以设计出满足我国目前农业发展模式需求的喷灌机，还可以节约能源，节省人力。希望本文的研究可以为相关人员进行喷灌机的开发研究提供参考。