一种对射式激光拖拉机辅助导航控制系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种对射式激光拖拉机辅助导航控制系统，由激光传感器发射端、激光传感器接收端、导航指示终端以及控制核心组成。激光传感器发射端和接收端所使用的激光发射器和激光接收器安装在同一水平面上，激光接收器指向激光发射器，发射端随拖拉机前轮同步偏转，同时激光发射器随步进电机转轴匀速旋转。导航指示终端用于指示拖拉机偏航信息。控制核心以STM32为主控芯片，通过获取激光接收器两次电平信号变化的时间间隔来判断拖拉机偏航信息，并控制导航指示终端以指针偏转的形式显示偏航角度。本发明基于激光传感器和单片机控制技术，实现拖拉机行驶过程中直线导航辅助控制，比GPS等导航控制系统成本低，能有效提高拖拉机作业精度和效率。
【专利说明】一种对射式激光拖拉机辅助导航控制系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及控制系统领域，具体为一种对射式激光拖拉机辅助导航控制系统。
【背景技术】
[0002]现如今，探索建立符合我国国情的精准农业运作模式已经成为我国农业走可持续发展的必由之路。精准农业机械化技术涉及到耕地、播种、施肥、灌溉及收获等各个环节，而农机作业过中能否直线行驶对以上各环节实施的效果有直接的影响。拖拉机直线行驶可减少土地重耕、漏耕，保证播种时作物各行之间保持平行，并为作物中期机械追肥和除草提供先决条件。拖拉机田间作业过程中，作业机组的行驶路径绝大部分由拖拉机驾驶员的驾驶技术决定，传统采用划印器或通过插标杆划地头线等方式作为驾驶员作业导航的依据在复杂工作环境下指示效果较差，很难达到引导驾驶员驾驶拖拉机走直线的目的；而国内近几年开发的包括由GPS和计算机等组成的农机导航指示系统由于系统复杂，成本高等问题使得此类导航系统也因此迟迟未能大面积推广应用。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是提供一种对射式激光拖拉机辅助导航控制系统，以解决传统导航方式指示效果差，适应性弱等问题，同时提供一种低成本高精度的拖拉机辅助导航控制系统方案。
[0004]为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为:
一种对射式激光拖拉机辅助导航控制系统，其特征在于，该系统由激光传感器发射端、激光传感器接收端、导航指示终端以及控制核心组成；所述激光传感器发射端安装在拖拉机前轮的转向主销上，由对射式激光发射器、激光发射器支架、独立电源、步进电机、步进电机驱动器以及安装支架组成，所述激光传感器接收端安装在拖拉机前轴上方的车身上，由对射式激光接收器以及接收器支架组成，接收器信号线接入控制核心，所述导航指示终端由吸盘固定在拖拉机驾驶室前挡风玻璃上，由角度刻度盘、安装有指针的小型步进电机、步进电机驱动器、液晶显示屏、独立按键以及带有吸盘的安装架组成，导航指示终端通过导线接入控制核心，所述控制核心以STM32为主控芯片，通过采集接入控制核心的激光接收器信号，将拖拉机偏航信息输出到导航指示终端上。
[0005]所述激光发射器由12V独立电源供电，激光发射器和独立电源由激光发射器支架固定在步进电机转轴上，并由所述步进电机驱动器驱动步进电机以恒定速度旋转。
[0006]所述激光发射器和激光接收器安装在同一水平面上，激光接收器固定指向激光发射器，当激光发射器旋转到与激光接收器水平对置的位置时，激光接收器产生电平变化信号，主控核心通过记录激光接收器接收到两次电平变化信号的时间差，就可以计算出拖拉机偏航的角度信息。
[0007]所述控制核心将偏航角度信息转换成对应数量的脉冲信号，通过步进电机驱动器控制小型步进电机朝对应方向旋转相应的角度。所述独立按键和液晶显示屏用于调节和显示作业灵敏度信息。
[0008]本发明的优点是:
本发明以低成本、高性能的STM32微控制器为控制核心，搭载工业级激光传感器以及人性化的导航指示终端，实现拖拉机作业过程中的直线行驶辅助控制功能，给拖拉机驾驶员简单直观的直线行驶辅助引导，减轻驾驶员的劳动强度，以此提高农业机械的生产效率、作业精度和安全可靠性，同时取代采用划印器和插标杆等精确度低、受作业环境限制较大的传统导航指示方式，并可取代以GPS等为控制基础的高成本导航方式。所设计的导航指示终端简单易读，易于驾驶员实时观察拖拉机作业过程中的偏航角度信息并及时做出修正，具有成本低，精度高，易于推广等优势。
【专利附图】
【附图说明】
[0009]图1为本发明的结构图。
[0010]图2为本发明的控制系统结构框图。
[0011]图3为本发明的控制原理示意图。
[0012]图4为本发明的控制流程图。
[0013]
【具体实施方式】
[0014]参见图1和图2，本发明所涉及的对射式激光拖拉机辅助导航控制系统，主要包括激光传感器发射端1、激光传感器接收端2、导航指示终端4以及控制核心3。
[0015]为更清晰地描述本发明的实施过程，这里以东方红一 LX754型拖拉机为例。激光传感器发射端I安装在拖拉机前轮的转向主销上，由对射式激光发射器、激光发射器支架、独立电源、步进电机、步进电机驱动器以及安装支架组成，激光发射器由12V独立电源供电，独立电源和激光发射器经激光发射器支架固定在步进电机的转轴上，步进电机由安装支架与拖拉机前轮转向主销连接。激光传感器接收端2安装在拖拉机前轴上方的车身上，由对射式激光接收器以及接收器支架组成，激光接收器与激光发射器安装在同一水平面上，接收器信号线接入控制核心。导航指示终端4由吸盘固定在拖拉机驾驶室前挡风玻璃上，由角度刻度盘、安装有指针的小型步进电机、步进电机驱动器、液晶显示屏、独立按键以及带有吸盘的安装架组成，导航指示终端4通过导线接入控制核心3，控制核心3以STM32为主控芯片，通过采集接入控制核心3的激光接收器信号，将拖拉机偏航信息输出到导航指示终端4上。
[0016]为实现激光传感器发射端能够匀速精准地旋转，这里使用某款速度闭环带细分功能的步进电机驱动器驱动步进电机，带动激光发射器以恒定转速旋转，步进电机驱动器接入控制核心，由控制核心控制其旋转速度等级，并可使用导航指示终端上的独立按键设置步进电机为150rpm、300rpm、450rpm、600rpm等不同速度等级，并且由控制核心3将旋转速度显示在液晶显示屏上。
[0017]为直观显示拖拉机行驶过程中的偏航信息，本发明将导航指示终端4设计成指针显示的形式，指针安装在某款高精度的小型步进电机转轴上，步进电机同样由高精度带细分功能的步进电机驱动器驱动，以某款步距角为0.9度的步进电机为例，将步进电机驱动器细分等级设置为100时，则每个脉冲信号将使电机旋转0.009度，细分等级可通过步进电机驱动器上的拨码开关控制。
[0018]下面结合图3和图4详细说明本发明实现拖拉机辅助导航的控制原理，NPN型对射式激光发射器和激光接收器安装在同一水平面上，激光发射器随步进电机以恒定速度旋转，当激光发射器旋转到与激光接收器水平相对位置时，激光接收器接收到激光信号，并产生高电平。控制核心中断模块接收到电平变化信号立即产生中断，并在中断服务函数中读取实时时钟模块中计数寄存器的计数值，通过计算两次计数值的差值，就可推算出拖拉机前轮偏航角度的大小。
[0019]如图3中(I)所示，在理想情况下，假定拖拉机行驶时前轮不偏转，则接收端将以固定时间间隔接收到发射端发出的激光信号，该时间间隔即为步进电机转轴旋转一周的时间。当拖拉机前轮在行驶过程中发生偏转时，如图3中(2)所示，激光传感器发射端会跟随拖拉机前轮偏转同样的角度，此时激光传感器发射端在固定时间内旋转一周时到达图示位置1，当发射端再经过一小段时间后到达位置2时，激光发射器接收端接收到激光信号，产生电平变化。此时绕过的Θ角即为拖拉机偏航的角度。当拖拉机前轮偏向左侧时，激光发射端旋转到与激光接收端对齐位置的时间将比固定时间短，通过计算缩短的时间差就可知拖拉机前轮向左偏转的角度。同样，当拖拉机前轮偏向右侧时，激光发射端旋转到与激光接收端对齐位置的时间将比固定时间长，此时拖拉机前轮向右偏转的角度也可计算出。
[0020]对射式激光拖拉机辅助导航控制系统正常工作时，导航指示终端4实时接收控制核心3发来的偏航角度信息，并通过指针偏转的形式表现出来，拖拉机驾驶员可根据指针向左或向右偏转的情况来判断拖拉机行驶过程中的偏航信息，以此调整方向盘以达到拖拉机直线行走的目的，驾驶员还可以根据不同作业环境设置控制系统的灵敏度，并将灵敏度信息显示在导航控制终端的液晶显示屏上。
【权利要求】
1.一种对射式激光拖拉机辅助导航控制系统,其特征在于，该系统由激光传感器发射端、激光传感器接收端、导航指示终端以及控制核心组成；所述激光传感器发射端安装在拖拉机前轮的转向主销上，由对射式激光发射器、激光发射器支架、独立电源、步进电机、步进电机驱动器以及安装支架组成，所述激光传感器接收端安装在拖拉机前轴上方的车身上，由对射式激光接收器以及接收器支架组成，接收器信号线接入控制核心，所述导航指示终端由吸盘固定在拖拉机驾驶室前挡风玻璃上，由角度刻度盘、安装有指针的小型步进电机、步进电机驱动器、液晶显示屏、独立按键以及带有吸盘的安装架组成，导航指示终端通过导线接入控制核心，所述控制核心以STM32为主控芯片，通过采集接入控制核心的激光接收器信号，将拖拉机偏航信息输出到导航指示终端上。
2.根据权利要求1所述的一种对射式激光拖拉机辅助导航控制系统，其特征在于:所述激光发射器由12V独立电源供电，激光发射器和独立电源由激光发射器支架固定在步进电机转轴上，并由所述步进电机驱动器驱动步进电机以恒定速度旋转。
3.根据权利要求1所述的一种对射式激光拖拉机辅助导航控制系统，其特征在于:所述激光发射器和激光接收器安装在同一水平面上，激光接收器固定指向激光发射器，当激光发射器旋转到与激光接收器水平对置的位置时，激光接收器产生电平变化信号，主控核心通过记录激光接收器接收到两次电平变化信号的时间差，就可以计算出拖拉机偏航的角度?目息。
4.根据权利要求1所述的一种对射式激光拖拉机辅助导航控制系统，其特征在于:所述控制核心将偏航角度信息转换成对应数量的脉冲信号，通过步进电机驱动器控制小型步进电机朝对应方向旋转相应的角度；所述独立按键和液晶显示屏用于调节和显示作业灵敏度信息。
【文档编号】G05D1/02GK103955219SQ201410175144
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2014年4月26日 优先权日:2014年4月26日
【发明者】陈黎卿, 刘立超, 张健美, 郑泉, 钱梵梵, 王韦韦 申请人:安徽农业大学