文章是一篇農業類論文，主要講述了播種作業導航控制系統優化和終端設計事項等等。本文選自：《農業工程技術(新能源產業)》,《農業工程技術(新能源產業)》特別突出“為政府服務，為新農村建設服務”的特色，為循環農業、節能減排行動提供支持，為可再生能源在農村的普及推廣助力。

　　摘要：隨著技術的發展, 電氣與液壓控制相結合的電液控制將會逐步取代單純的液壓控制,實現控制更為精準、系統更加穩定安全的同時也可以減少農機操作時的人力投入,提高農機作業的效率。

　　關鍵詞：播種作業,農業科技,農業發展,農業論文

　　1.1 論文研究的背景和意義

　　隨著科技的不斷進步,科學技術在各個領域都給人們帶來了技術成果。科技的發展與創新在農業生產中不但帶動了農業自身發展,而且逐步替代了傳統的生產方式,使其朝著自動化和智能信息化方向發展。無論從中國的自身國情出發,還是著眼于國際視野,大力發展與提高我國農業機械化以及自動化水平是我國農業發展的必然之路,也是對我國農業走可持續發展策略的有力保障[1]。中國是農業大國,也是人口大國,農業的發展直接關系到民生等問題,我國很早就開始對農業生產進行科學研究,但是土地利用率較低、資源浪費、環境污染等問題依然沒有得到很好的解決。

　　近年來隨著電子、信息科學技術的發展“精細農業”的概念得到了廣泛的認可與推廣。“精細農業”在國外已經得到很好的應用,其主要內容是以信息技術為基礎,利用定位系統、遙感系統、地理信息系統、決策系統、信息采集與處理系統、智能農業裝備等關鍵技術,實現農業的低投入高產出,對節約資源,保護環境具有重要意義[2]。在農業生產中拖拉機是不可缺少的農業機械,其通過掛載、牽引農具實現耕地、播種、收獲等大多數的農田工作,所以能否充分利用拖拉機在精準農業中起著非常重要的作用。

　　由于拖拉機的工作環境較差,工作的多樣性以及復雜性,以及操作者的技能水平不一,這些都影響著農田耕種、收獲的效率與經濟效益[2-4]。將自動駕駛技術應用于拖拉機可以有效提高耕地、播種、收獲等過程中的行間精度,有效降低生產過程中的重復作業、漏作業等現象的產生,從而提高了農耕效率,降低成本。最重要的是拖拉機自動駕駛可以將拖拉機的操作者從繁重、單一、重復的生產過程中解放出來。目前國外公司研制的拖拉機導航系統已經在國內農業生產中進行了推廣使用,但其成本較高,而且由于技術問題大部分產品在國內無法進行維修,不利于拖拉機導航系統在國內進行長期的使用。

　　另一方面,由于目前針對我國農業生產中的導航控制科研成果較少,科研成果與產品的轉化率較低,目前在國內導航控制系統仍處于理論與科研探索階段。加強拖拉機導航系統的研究有利于減少我國對國外產品和技術的依賴,降低產品成本、開發出針對我國自身的地塊情況的導航系統。

　　1.2 拖拉機導航控制系統發展現狀

　　1.2.1 國外發展趨現狀

　　國外的導航控制技術研究起步較早,其先進的電子、計算機技術使得農機的導航控制技術得以在很多農業生產過程中得到應用。從 20 世紀 90 年代開始美國、日本等國家就針對精細農業理念開始研發適用于農機使用的自動駕駛系統。在農機導航控制系統中,導航定位系統與多傳感器相互融合技術和機器視覺技術應用最為廣泛,由于導航定位系統與多傳感器融合技術為核心的導航技術中的導航路徑是以地面為研究對象,所以更適合于農業中的播種、施肥過程,而機器視覺技術更加適合于收獲、莖葉噴藥等過程。導航定位系統與多傳感器融合技術為核心的導航控制技術研究較早,目前已經有很多公司推出了各自特點的導航控制系統產品,如由美國約翰迪爾(John Deere)公司推出的 AutoTrac 自動駕駛系統、由美國天寶(Trimble)公司推出的 Trimble Autopilot 自主導航系統、由日本拓普康(Topcon)公司推出的 System150 高精度自動控制系統以及美國凱斯公司推出的 AFS Accu Guide 導航控制系統。

　　2、 拖拉機導航控制系統電液提升模塊設計

　　2.1 電液提升模塊總體設計

　　目前在本設計中導航控制系統如圖 2-1 所示,包括導航終端、轉向控制器、電液提升機構三個部分。在播種作業中通過拖拉機懸掛提升系統對播種器進行提升與下降操作是必不可少的,所以電液提升機構是導航控制系統重要模塊之一,該模塊由導航終端實現控制功能。

　　傳統的農機提升機構, 通常采用變化手柄檔位來控制農機的提升機構, 操控者通過控制手柄使多路閥連接的油道發生改變,從而實現上升與下降的功能,但是這種液壓控制方式在控制過當或長期處于上升或下降狀態的情況下,容易造成提升機構系統的壓力升高,油溫升高,損壞液壓件、掛桿件或農具。

　　機械部件的摩擦,手柄的漲縮,以及彈性元件的遲滯都會影響到操作反應時間,而且一般需要在與他人的配合下才能準確的實現提升與下降,這也提高了勞動成本。電液提升機構是導航控制系統中的重要組成部分,在實現導航控制過程中出現懸掛設備故障、地頭轉彎等情況需要操作拖拉機的提升機構。

　　本文的研究是在鐵牛 654 拖拉機手動提升機構的基礎上進行的。鐵牛654 的液壓提升機構主要是由提升手柄、多路閥、提升油缸、齒輪油泵組成。為了實現電液控制需要在原有提升機構的基礎上改造液壓控制部分,并增加電路控制模塊對提升動作實現電氣控制。

　　2.2 提升控制器設計

　　控制部分采用基于 ARMv7-M 架構的 Cortex-M3 內核的主控芯片 LM3S5749,控制信號采用 PWM 脈沖輸出信號,該控制器可以提供 3 個 PWM 發生器,每個發生器有 2個可以獨立控制的 PWM 輸出信號,2 個比較器,1 個 16 位的遞增/遞減計數器。軟件使用 IAR 開發工具對 ARM Cortex-M3 控制器進行開發,ARM 控制器可以實現GPIO 推挽輸出、PWM 輸出功能。差動放大電路的穩定性受共模干擾信號和零點漂移現象的影響很大,并且本身設計較為復雜,本設計采用較為成熟、簡單、較為穩定的共射極三極管放大電路。三極管放大電路對于交流電放大效果較為理想,所以采用 ARM控制器 PWM 輸出信號。軟件的開發平臺采用的是 IAR 開發工具,在 C 語言開發環境下對 GPIO 口實現 PWM 輸出控制[15][16]。開發流程如圖 2-3 所示。