水稻直播机自主驾驶系统设计研究

摘 要：水稻直播机，逐步取代了传统人工的手动播种方式，是水稻种植史上的一场技术革命。目前，加强水稻直播机的自主驾驶系统研究，是实现水稻直播机的自主驾驶、精准播种以及变量施肥的关键技术。本论文以水稻直播机自主驾驶系统为基本出发点，对其自主驾驶系统进行了精确的研究和设计，以保证直播机的自主驾驶系统能够有效满足水田播种精度的要求。

关键词：水稻直播机；自主驾驶；系统设计；播种

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.05.124

近年，水稻直播机在一些大规模的农场，实现了广泛的应用。水稻直播机主要是利用机械将刚破胸的水稻种子直接播种在水田中，与传统的手工水稻播種相比，水稻直播机不仅节省了人力、时间，还具有很大的优势：定行、直行和宽行，使得直播稻与移栽稻生长环境处在相似的状态下，以达到高产、稳产的目的。

1 水稻直播机自主驾驶系统功能结构

水稻直播机自主驾驶系统主要包括七个重要的部分，即：ARM控制器模块、CAN总线驱动电机模块、油门电动推杆模块、北斗GNSS接受机模块、角度传感器模块、倾角传感器模块、平板人机交互模块。

ARM控制器模块：主要用来满足对导航控制算法的预算量，以及信号的提取速度，以实现对直播机各路信号的采集，并将其进行精确的运算，然后并将其发送给执行机构。

CAN总线驱动电机模块：是自主驾驶系统的执行机构，主要是在接到控制器模块发出的指令后，按照其具体的要求，实现方向盘轴转动，以满足水田直播过程中转向的要求。

油门电动推杆模块：是自主驾驶系统中速度控制的主要模块，通过油门电动推杆的最大推力和拉力，以达到速度控制的目的。

北斗GNSS接受机模块：主要是通过天线接收GPS卫星信号对电台发出的信号，以实现在水稻直播过程中的高精度定位，之后再通过串口将信息发送给控制器。

角度传感器模块：在测量过程中，轴通过连杆机构和拖拉机转向相连，然后通过信号发送转向的方式，将转向信息送到农机的实时位置。

倾角传感器模块：主要是在水稻直播机自主驾驶系统中，通过34ms的时间进行采样，并将采样信息通过信号发送器，将其传递给自主驾驶系统的控制点，然后得到农机的仰俯角和横滚角。

平板人机交互模块：在水稻直播机自主驾驶系统中，主要是通过对农机参数的初始信息、作业操作管理、作业监控和现实等信息进行设定，然后通过控制器和蓝牙将实时信息进行交互。

2 水稻直播机自主驾驶软件结构

在水稻直播机自主驾驶系统的系统功能结构设计基础上，还必须要加强水稻直播机自主驾驶软件结构设计。因为水稻直播机自主驾驶软件结构，以及各项参数的设定，如：角度传感器安装的处置、天线安装精确尺寸，从而实现水稻直播机自动驾驶的精确度。

3 水稻直播机自主驾驶计算法

在对水稻直播机自主驾驶功能结构，以及自主驾驶软件结构的基础上，还必须要通过自主驾驶计算的方式，以实现水稻直播机在播种过程中的精确度。

3.1 农机前轮转角跟踪计算方法

为保证水稻直播机在工作中精准度，必须要对其是否能快速、稳定响应轨迹跟踪进行计算。在具体计算过程中，首先在水稻直播机原来的方向盘上安装了一套减速机构，并且由控制器发出的CAN信号实现对电机转速进行控制。在具体的控制过程中，主要是通过1：10的比例，将减速比转到方向盘上，并且再经由方向盘带动农机转向机构，以实现直播机车轮的转向。接着，这种转向信息又会被直播机上安装的角度传感器获得，之后再将信号发送给控制器。

3.2 轨迹跟踪计算法

在通过轨迹跟踪计算时，主要是通过建立坐标的方式进行，例如：以AB为纵轴，以AB垂直线为横轴，接着根据建立的坐标（如图1所示）。

在具体的计算过程中，以拖拉机后轮轴的中心作为参考点，然后建立水稻直播机的运动学模式。

在公式（1）中，v是直播机后轮轴中心的线速度，θ 则表示直播机航向角，l则表示前后轴间距，δ 则表示直播机前轮转角，且向左偏位正，向右偏为负。

之后再结合水稻直播机的直线跟踪模型（如图2所示）。

根据图中的几何关系，并结合相关的数学知识，进行精确的计算，得出以下几个式子：

根据公式（7），可以精确计算出水稻直播机当前时刻的位置，以及确定航向角的最佳转角，以实现对水稻直播机进行精准的控制。

最后，为了进一步确定水稻直播机的精准度，还必须要通过田地实验，并进行准确的跟踪，并作出精确的数据记录。之后在对数据、误区进行准确的分析，并据此对误差进行不断调整，以不断完善水稻直播机的自动驾驶系统的控制，从而满足水田精准的播种要求。

4 结束语

综上所述，本论文以水稻直播机自主驾驶系统的设计为出发点，通过硬件改造、软件系统的构建，并通过准确的计算方法，最后经过实验的不断完善和调整，以实现水稻直播机自主驾驶系统的精准控制，满足水田播种精准的要求。

参考文献：

[1]苗峻齐，罗锡文，张智刚等.无人驾驶水稻精量穴直播机的自动控制系统设计[C].中国农业工程学会2011年学术年会论文集，2011：1-5.

[2]孙红梅，张洪.机械化直播：我国水稻种植的一场技术革命？[J].农村·农业·农民B，2016（06）：42-44.

[3]吴鹏，李彦明，刘成良.水稻直播机自主驾驶系统设计[J].机电一体化，2017（06）：59-63.

项目基金：安徽省高校优秀青年人才支持计划重点项目《创新型机电一体化技术高技能人才培养体系与教学体系研究》项目编号：gxyqZD2016532；安徽省质量工程项目机电一体化技术特色专业建设2014tszy052；安徽省高校自然科研重点项目KJ2016A519。

作者简介：孙亮（1983-），男，安徽池州人，硕士，讲师，研究方向：机械制造、工程材料。