电动履带式喷药车运动与作业控制系统的制作方法

本实用新型涉及一种适用于无人驾驶电动履带式喷药车的运动与作业控制系统属于农业智能装备领域。

背景技术：

果园植保作业是农业植保领域的重要组成部分，由于果园路况具有较为复杂、行距小等特点，果园植保作业主要以手持式植保设备和履带式喷药车为主。

手持式植保设备无法避免植保员与农药接触，且作业效率较低。履带式喷药车作业效率较高，在果园植保作业中应用地较为广泛，但是由于作业空间的限制，履带式喷药车体积较小，不能有效地增加驾驶员防护措施，仍然难以避免植保作业过程中农药扩散对驾驶员身体伤害。

因此，研制与使用相应的无人驾驶植保机械、以促进植保机械驾驶员远离农药侵害、实现自我防护作用，是目前植保领域技术发展的主要趋势之一。

有鉴于此特提出本专利申请。

技术实现要素：

本实用新型所述的电动履带式喷药车运动与作业控制系统，其设计目的在于解决上述现有技术存在的问题而提供适用于无人驾驶的电动履带式喷药车，通过运动与作业控制系统的改进以实现无线传递/接收指令模式，在灵活控制电动履带式喷药车运动轨迹的基础上，同时具有喷药启停与药液余量检测、报警等功能。

为实现上述设计目的，所述电动履带式喷药车运动与作业控制系统包括有，管理与动作控制单元、左履带运动控制单元和右履带运动控制单元。具体地，

所述的管理与动作控制单元，具有中央处理器，以及与中央处理器连接的喷药电磁阀驱动模块，串口通信模块，第三CAN总线模块和第三信号调理电路；

所述的左履带运动控制单元，具有与第三CAN总线模块通讯连接的第一CAN总线模块，第一运动处理器；第一运动处理器分别控制连接第一信号调理电路，第一逆变模块和第一电流检测模块；

所述的右履带运动控制单元，具有与第三CAN总线模块通讯连接的第二CAN总线模块，第二运动处理器；第二运动处理器分别控制连接第二信号调理电路，第二逆变模块和第二电流检测模块。

如上述基本技术方案，是针对以三相无刷直流电动机为动力的履带式果园喷药车，通过所述的运动与作业控制系统辅助完成无人驾驶。即通过有线(或增加无线)模式接收外部设备的控制指令，以完成对电动履带式喷雾机的运动控制、喷药启停控制，并将药箱剩余药液质量信息传递至外部设备。

进一步的优选方案是，所述的管理与动作控制单元，包括有与串口通信模块连接的4G通信模块，从而实现无线接收外部控制指令，和以无线数据方式将余液质量信息传递至外部设备。

所述的第三信号调理电路，接收并处理的可以是电阻型液位传感器输出的信号。该电路包括有串联的电阻-电压转换电路、低通滤波电路、反相比例放大电路。的是电阻型液位传感器输出的信号，

所述的第一逆变模块、第二逆变模块，均具有IR2131芯片构成的三相桥式逆变电路。

所述的第一电流检测模块、第二电流检测模块均为直流电流互感器，并且分别地安装于左、右履带无刷直流电机的母线侧。

综上，本申请电动履带式喷药车运动与作业控制系统具有的优点有：

1、以采用无刷直流电动机作为动力的履带式果园喷药机为适用对象，相比于油动力装置，无人自主驾驶直线控制度更高，可控性更强；

2、外部通信接口预留232通信与4G通信，方便外部设备采用车载有线控制与远距离遥控或云控制，使用更灵活；

3、基于剩余药液质量的检测，实现了喷药启停控制。实时传递剩余药量信息，更便于施药管理；

4、基于三核CPU模式，同时实现左、右履带的运动控制，更利于模块化的实现，更便于产业化推广，同时为系统后续扩展留足余地。

附图说明

图1为本申请运动与作业控制系统的结构示意图；

图2为所述第三信号处理器的电路图；

图3为所述中央处理器的程序执行流程图；

图4为所述第一逆变模块的电路图；

图5为本申请的左履带无刷直流电机的双闭环速度控制算法示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

实施例1，如图1所示，所述的电动履带式喷药车运动与作业控制系统，包括有管理与动作控制单元、左履带运动控制单元和右履带运动控制单元。其中，

所述的管理与动作控制单元，完成与外部设备和左、右履带运动控制单元的信息交互，药箱剩余药量的检测，喷雾机的喷雾启停控制。具有中央处理器，以及与中央处理器连接的喷药电磁阀驱动模块，串口通信模块，第三CAN总线模块和第三信号调理电路；以及，与串口通信模块连接的4G通信模块。

所述的左履带运动控制单元，具有与第三CAN总线模块通讯连接的第一CAN总线模块，第一运动处理器；第一运动处理器分别控制连接第一信号调理电路，第一逆变模块和第一电流检测模块；

所述的右履带运动控制单元，具有与第三CAN总线模块通讯连接的第二CAN总线模块，第二运动处理器；第二运动处理器分别控制连接第二信号调理电路，第二逆变模块和第二电流检测模块。

所述的第一电流检测模块、第二电流检测模块均为直流电流互感器，并且分别地安装于左、右履带无刷直流电机的母线侧。

如图2所示，所述的第三信号调理电路，包括有串联的电阻-电压转换电路、低通滤波电路、反相比例放大电路。

第三信号处理器通过电压跟随将传感器输出的电阻信号转变为电压信号；通过二阶低通滤波电路滤除传感器信号噪声，滤波电路的原理实际是L、c元件基本特性的组合利用。因为电容器的容抗xc＝2nfc又1会随信号频率升高而变小，而电感器的感抗xl＝2f会随信号频率升高而增大，如果把电容、电感进行串联、并联或混联应用，它们组合的阻抗也会随信号频率不同而发生很人变化口这表明，不同滤波电路会对某种频率信号呈现很小或很大的电抗，以致能让该频率信号顺利通过或阻碍它通过，从而起到选取某种频率信号和滤除某种频率信号的作用；通过反相比例放大电路将信号调理至适当的AD转换输入范围，反相放大器电路具有放大输入信号并反相输出的功能。“反相”的意思是正、负号颠倒。这个放大器应用了负反馈技术。所谓负反馈，即将输出信号的一部分返回到输入，在电路中，把输出Vout经由R2连接(返回)到反相输入端(-)的连接方法就是负反馈，当反相输入端(-)的输入电压上升时，输出会被反相，向负方向大幅度放大；在本发明实施例中，电压跟随采用芯片OPA4350实现,滤波与放大电路采用运放AD712实现；

如图4所示，所述的第一逆变模块、第二逆变模块，均具有IR2131芯片构成的三相桥式逆变电路，驱动电压为48V，可驱动功率为1500W；

如图5所示，左履带运动控制单元和右履带运动控制单元电路及程序完全相同，分别完成对左履带无刷直流电动机和右履带无刷直流电动机的速度闭环控制。

优选地，所述的中央处理器为意法半导体(ST)公司32位ARM微处理器STM32F103RCT6；

所述的喷药电磁阀驱动模块为ULN2003组成的达林顿晶体管阵列电路；喷药电磁阀驱动模块接收中央处理器I/O端口输出的3.3V开关控制指令，输出12V电磁阀开关控制信号，控制喷药电磁阀的开关，中央处理器CPU通过高低电平控制电磁阀驱动开关，当给电磁阀驱动开关打开指令时，电磁阀驱动给电磁阀信号，将电磁阀打开,进而开始喷药。反之亦然。

所述的串口通信模块为232通信模块，外部设备可通过串口通信模块与本发明中央处理器进行数据传输；

所述的4G通信模块为选装模块，当需要无线模式与外部设备通信时，4G通信模块接收232串口输出的数据，以4G通信协议传递至外部设备；

所述的第一运动处理器和第二运动处理器，均为DSP处理芯片TMS320F28335；

所述的第一信号调理电路和第二信号调理电路，分别对第一电流检测模块和第二电流检测模块输出的电流互感器信号调理，调理过程包括滤波和放大。

如图3所示，中央处理器是管理与动作控制单元的核心，具体流程如下：

S1：接收左右履带运动控制器发送的左右履带控制器信息，包括：最大转速，最大功率，这些信息用于判断外部设备发送的控制指令是否可实现；

S2：将剩余药量信息发送至外部设备；

S3:判断是否接收到外部设备的指令信息，若有则进入S4，否则进入S2；

S4:判断外部设备发送的指令信息是否有效，若有效进入S5，否则进入S6；接收的外部设备命令信号包含左履带速度信息，右履带速度信息，满占空比所代表的满速速度值和喷药动作指令；速度信息以占空比形式表示，50％表示速度为0，100％表示满速前进，0％表示满速后退；判断的依据不仅局限于命令的格式，也包含给定的左右履带转速信息是否在合适范围内；

S5：根据接收到的外部设备指令信息控制喷药电磁阀动作，计算左右履带速度值，发送至左、右履带运动控制器；假定满占空比转速为vm，设定的占空比为a，则左右履带速度值v的计算方法为：

v＝vm*(a-50％) (公式1)

S6：传递至外部设备信息包括：当前剩余药量和命令格式错误信息，进入S2。

如图5所示，左履带运动控制单元通过第一CAN总线模块接收管理与动作控制单元发送的左履带速度信息，完成对左履带无刷直流电动机的速度闭环控制；第一运动处理器是左履带运动控制单元的核心，第一运动处理器接收左履带测速码盘输出的左履带无刷直流电动机转速信息，第一信号调理电路输出的左履带无刷直流电动机母线电流信息，完成速度闭环控制算法。第一运动处理器1为DSP芯片TMS320F28335。

如图4所示，第一逆变模块接收根据第一运动处理器输出的PWM信息，输出端连接左履带无刷直流电动机的三相引出线，实现对左履带无刷直流电动机转动控制；第一电流检测模块为直流电流互感器，完成对左履带无刷直流电动机母线电流的检测。

图中，PWM1-6为TMS320F28335引脚；U,V,W为左履带无刷直流电动机三相引出线。本实施例中，MOSFET驱动芯片为IR2131,MOSFET型号为IRFR3910，支持驱动功率为1500W；

第一运动处理器实现的速度控制算法为双闭环控制算法，即内环为电流闭环，外环为速度闭环，就是采用两个控制器串联工作，外环控制器的输出作为内环控制器的设定值，由内环控制器的输出去操纵控制阀，从而对外环被控量具有更好的控制效果。这样的控制系统被称为串级系统。PID串级控制就是串级控制中的两个控制器均为PID控制器，它增强了系统的抗干扰性(也就是增强稳定性)。双闭环可以减小电流的超调和过饱和现象，得到更加良好的控制效果。

v为左履带运动控制单元接收到的左履带速度信息；本实施例中，电流环控制器和速度环控制器均为PID控制器。

基于本实施例的运动与作业控制系统，能够适用于以无刷直流电动机为动力的果园履带式喷雾机，采用双闭环速度控制，控制精度高，通过有线或无线方式接收外部设备的控制指令，完成喷雾机的喷雾控制和运动控制，并传递剩余液位信息至外部设备，方便灵活，为果园履带式喷雾机自主驾驶不可缺少的必需执行器。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围。