智能化水稻追肥机械的研制

袁正华

（上海世达尔现代农机有限公司，上海 200245）

0 引言

智能化水稻追肥机械实现自主驾驶的前提是机械机构能够在控制器信号的驱动下完成相应的动作。智能化水稻追肥机械通过自动控制、GPS或北斗系统导航、自主变量应用等技术，实现智能驾驶、自动电器控制、远程遥控检测的功能。

1 主要功能部件的研制

1.1 自动转向控制系统

智能农机自动转向控制有两种实现方式：液压助力转向和电动控制转向。液压助力转向系统通过一套液压助力机构，通常有两种形式：一类是通过液压缸助力来驱动转向连杆机构转动从而实现转向。对这类系统的自动化改造可以通过并联一个电磁换向阀来完成。控制器通过电信号驱动电磁换向阀换向，液压缸开始运动并驱动连杆机构，这种改造方式具有响应快、驱动力矩大的特点，但是要求液压系统提供电磁换向阀的接口。另一类是通过扭矩发生器来增大转向力矩，这类系统相当于第一类中液压系统的换向阀和液压缸集成到了一个扭矩发生器中，且这个集成的系统只提供一个进油口和一个出油口，无法通过并联电磁换向阀来实现转向系统的自动化改造。

本产品的转向助力系统采取电动控制转向，通过电机驱动方向盘实现，本机选用了上海联适导航公司的EMS1产品，产品的特点是使用驱控一体化空心电机，扭矩大，无需改装液压助力转向系统，可以实现手动转向与自动转向的无缝切换。

1.2 油门自动控制系统

油门在农机行驶过程中是速度调节的关键，油门机构自动化必须考虑以下四个因素：a.最大推力和拉力不小于90N；b.蓄电池供电电压为12V；c.具有位置反馈；d.手动油门和自动油门无冲突。

本产品的油门操作手柄使用电动推杆直接连接柴油机上的油门调节旋转轴，控制油门开度，实现油门调节，替代传统的有级调速模式。电动推杆采用上海达铁机电科技有限公司的IMD3-12-10-A50-IP65-P型，额定电压12 V，最大行程50 mm，最大负载为240 N，空载速度为30 mm/s，满载速度为24 mm/s，带位置反馈。

油门控制系统的对象是电动推杆，油门控制系统主要有下位机和控制手柄组成，下位机中带有直流电机驱动集成芯片RZ7889，对电机进行驱动并且控制其伸出和收回，电动推杆的位置反馈信号由下位机主芯片STM32F103RCT6自带的AD功能进行采集，自身形成闭环控制。下位机一方面通过CAN总线接收上位机的速度油门控制指令控制推杆，一方面通过CAN总线接收手柄的信号来控制电动推杆，实现了手动驾驶和自动驾驶的切换。

本产品下位机控制推杆伸出和收回，使用SMCFTCAN-1N-24型工业霍尔操纵杆，替代了传统的油门操作手柄，支持CAN2.0协议，操作角度为±34°。

1.3 自动驾驶控制系统

1.3.1 北斗导航及定位系统。北斗高精度差分定位系统采用上海联适导航公司北斗导航的AF300系统，由基站，移动站组成。基站包括R30接收机，一个定位天线和电台通信模块组成。安装在空旷地面上，接收北斗，GPS卫星数据，移动站包括R60接收机，两个定位天线和一个电台通信模块，通过电台接收来自基站的参考坐标信号，通过差分算法，计算得出基站定位天线的实时坐标位置，双天线的引入能够弥补单天线在低速状态下的航向角定位误差。移动站安装在本追肥机械上，双天线包括一个主天线和一个辅助定位天线，其中主天线位置为获取点的实时位置，航向角信息为从主天线指向辅助天线与正北方向的夹角。

1.3.2 自动驾驶车轮转角检测系统。在自动驾驶控制中需要通过对前轮角度的控制实现预定轨迹的跟踪，因此需要车轮转角的实时监测。车体转向通过前轮实现，但前轮转角不易直接测量，因此设计了前轮转角检测方案。通过平行四边形连杆机构进行前轮转角的间接测量。车轮角度检测采用北京天海科科技发展有限公司的DWQTRS485-G角度传感器，测量范围0～360°连续测量，分辨率0.022°，线性度0.1%～0.5%。RS485数字输出。

1.3.3 车身姿态检测系统。在自动驾驶的过程中，车身本身的姿态倾角会对自动驾驶直线跟踪的精度产生影响，为了对车身姿态进行动态补偿，需要选用传感器来测量车身的各个方向的倾角。本产品选用的车身姿态传感器是北微传感公司的BW-VG525超高精度CAN动态倾角传感器，BW-VG525采用高质量和可靠性的MEMS加速度计和陀螺仪，并通过算法保证测量精度，同时密封设计以及严格工艺保证产品在恶劣的环境下仍能精密地测量载体的横滚角及俯仰角姿态参数。通过非线性补偿、正交补偿、温度补偿和漂移补偿等多种补偿，可以大大消除干扰产生的误差，提高产品精度水平，通过CAN总线方式输出信号。

1.3.4 上位机。上位机选用的是微嵌公司的微嵌Linux 7英寸工业平板电脑，配备Cortex A9单核1GHz处理器，内存512MB DDR3，由4路232串口，其中两路可以复用为485串口，由两路CAN总线，使用12～24 V宽电压供电，上位机主要是负责人机交互和自动驾驶相关运算，通过串口连接北斗导航定位系统，读取当前位置和速度信息。通过串口控制电动方向盘。通过CAN总线读取前轮转角信息和车身姿态信息。通过CAN总线与下位机通信，控制油门和速度，以及自主变量作业。

1.3.5 下位机。下位机的控制器，主芯片使用STM32F103RCT6，通过编程实现CAN功能，与上位机进行通信。自带AD采集功能，实现采集点推杆的位置反馈信号。通过RZ7889芯片驱动控制电推杆，通过VNLD5160-E芯片控制多路开关阀，实现喷杆自动伸展收缩和提升下降。预留出多个GPIO接口，实现变量喷液。

1.4 喷杆升降系统

喷杆喷雾机的喷杆是可收缩的，要实现完全的自主作业需要自动控制喷杆的伸展收缩和提升下降等功能。本产品通过下位机的VNLD5160-E芯片来对其进行控制。

1.5 变量喷施系统

为了实现液体肥料的变量喷液功能，本产品选用了意大利生产的ATOS电磁流量控制阀DHQ-013/C/1-I 21，通过下位机实现其流量控制。

1.6 遥控监测系统

遥控系统由安卓系统平板、JY-MCU RS232电平蓝牙无线串口透传模块、亿佰特433 m全双工无线数传电台DTU模块三部分组成。

安卓系统通过JY-MCU RS232电平蓝牙无线串口透传模块连接亿佰特433 m全双工无线数传电台DTU模块，无线数传电台的另一端连接上位机，实现了遥控监测功能。

1.7 障碍检测系统

在自动驾驶的过程中，田间的人员、树木、电线杆、井台等都会对作业安全造成影响，需要选用传感器来测量车辆作业路径前方的障碍物，保证作业过程安全。

本产品选用的障碍检测传感器是纳雷科技公司的SR73Fmm波雷达传感器，SR73F是一款高性价比的短距V 波段毫米波雷达传感器系统，监测距离40 m，精度0.2 m。SR73F传感器的CAN通信网络接口遵循ISO11898-2规范，通信速率250 Kb/s。

本产品可以实时监测车辆前方4 m×40 m范围内的障碍物，距离障碍物1 m时停车并且停止机具作业，障碍物消失后自动启动前进并且继续作业。

2 产品技术规格和性能参数

经过两年研制，完成智能液体肥喷施肥机样机，并按照项目测试大纲要求进行技术性能检测鉴定。

2.1 产品主要技术规格

1）名称：智能液体肥喷施肥机；

2）肥箱容量：500 L；

3）喷洒宽幅：5.7 m；

4）配套动力：17.65 kW；

5）配套泵型式：活塞泵；

6）配套泵流量：62 L/min；

7）轴距：1800 mm；

8）轮距：1620 mm。

2.2 主要性能参数（见表1）

表1 主要性能参数

3 结语

通过以上数据和检测结果，可以推断得到：水稻追肥机械的试验检测结果，满足项目考核指标。

1）追肥机械的总排肥量稳定性变异系数为1.4%，达到性能参数≤6%的要求。

2）作业时追肥量实测0.31 kg/hm2，满足0.13～0.4 kg/hm2性能参数要求范围。

3）追肥机械的作业效率为0.86 hm2/h，大于0.4 hm2/h，符合项目性能参数要求。