CN109669428A - 一种履带式微耕机智能无线操作控制装置及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种履带式微耕机智能无线操作控制装置，包括：包括手持无线遥控发射器和无线接收控制系统，无线接收控制系统包括：无线信号接收电路，其接收手持无线遥控发射器发出的射频信号；解码识别电路，其对无线信号接收到的射频信号进行解码；微耕机启动控制电路，其包括：光耦合器，其C极控制引脚接收解码后的启动信号；PNP三极管，其基极通过电阻与光耦合器的Collector控制引脚相连，发射极连接电源；继电器，其线圈的一端与PNP三极管的集电极相连，另一端接地；继电器的公共端连接电源；发动机启动继电器，其线圈的一端与继电器的常开端相连；发动机启动继电器的公共端连接电源，发动机启动继电器的常开端连接发动机起动机控制端。

Description

一种履带式微耕机智能无线操作控制装置及其控制方法
技术领域
本发明属于微耕机无线操作控制技术领域，特别涉及一种履带式微耕机智能无线操作控制装置及其控制方法。
背景技术
微耕机一般以汽油机为动力，利用整体式变速齿轮箱或皮带离合器作传动，可直接驱动轮轴带动旋耕刀来进行旋耕作业。结构简单、操作方便，能够在田间自由行走，减轻了大型农用机械无法进入山区田块的的限制，在平原、山区、丘陵的旱地、水田、果园、菜地、烟地的应用比较多，其主要功能有旋耕、犁耕、中耕锄草、施肥培土等。
传统的微耕机进行作业时，需要在人的协助下才能完成，农民需要根据机械行走的实际路径实时地查看和调节相应的油量、运行速度、转向等状态。由于农田作业现场以及安全考虑等原因，人和微耕机若都长时间的工作，整地作业劳动强度就会加大，工作效率降低。所以无线控制微耕机来实现远程操作就显得很有必要，特别是对于某些不适合人工作业的田地还可控制其自动去作业。
随着电子和通信技术的高速发展，远程无线遥控微耕机成为了研究热点，改变了传统的“人随机走”、农民劳动强度大的局面，使劳动者减轻劳动强度、提高生产效率成为现实。
发明内容
本发明提供了一种履带式微耕机智能无线操作控制装置，其目的是通过无线信号接收电路，解码识别电路及微耕机启动控制电路实现履带式微耕机的无线控制启动，并且在微耕机启动控制电路中设置光耦合器和PNP三极管，能够有效避免信号传输过程中的电磁干扰影响，使微耕机接收到的启动信号更为精准，避免控制误差。
本发明提供了一种履带式微耕机智能无线操作控制装置的控制方法，其目的之一是根据每个信号通道内的高电平的脉冲宽度判断信号是否有效，再根据有效信号对微耕机进行相应的控制，从而提高微耕机无线操作控制过程的准确性，避免误操作。
本发明提供了一种履带式微耕机智能无线操作控制装置的控制方法，其目的之二是通过控制微耕机转向电机的动作时间来控制微耕机的转向角度，使微耕机转向控制过程更为简单，便于无线操作控制的实现。
本发明提供的技术方案为：
一种履带式微耕机智能无线操作控制装置，包括手持无线遥控发射器和无线接收控制系统，所述无线接收控制系统包括：
无线信号接收电路，其接收所述手持无线遥控发射器发出的射频信号；
解码识别电路，其连接所述无线信号接收电路，并且对所述无线信号接收到的射频信号进行解码；
微耕机启动控制电路，其接收解码后的启动信号，控制发动机启动；
油门驱动控制电路，其接收解码后的油门信号，控制微耕机加减油门；
左右转向控制电路，其接收解码后的转向信号，控制微耕机转向；
耕地深浅电机驱动控制电路，其接收解码后的耕地深浅信号，调节微耕机耕地的深度；
微耕机暂停行走电路，其接收解码后的行走信号，控制微耕机开始行走或暂停行走；
微耕机熄火控制电路，其接收解码后的熄火信号，控制发动机熄火。
优选的是，手持无线遥控发射器发射的信号分别通过多个信号通道传输至所述无线接收控制系统；其中，所述多个信号通道包括：
第一信号通道，其用于传输微耕机转向控制信号；
第二信号通道，其用于传输第一耕地深度的控制信号；
第三信号通道，其用于传输微耕机加减油门控制信号；
第四信号通道，其用于传输第二耕地深度的控制信号；
第五信号通道，其用于传输微耕机开始行走或暂停行走控制信号；
第六信号通道，其用于传输微耕机启动或熄火控制信号。
优选的是，所述微耕机启动控制电路包括：
光耦合器，其C极控制引脚连接所述第六信号通道；
PNP三极管，其基极通过电阻与所述光耦合器的Collector控制引脚相连，发射极连接电源；
继电器，其线圈的一端与所述PNP三极管的集电极相连，另一端接地；所述继电器的公共端连接电源；
发动机启动继电器，其线圈的一端与所述继电器的常开端相连；所述发动机启动继电器的公共端连接电源，所述发动机启动继电器的常开端连接发动机起动机控制端。
优选的是，所述手持无线遥控发射器发射的为脉冲位置调制信号，并且采用20ms的帧频率。
优选的是，所述的履带式微耕机智能无线操作控制装置还包括电池管理控制电路，所述电池管理控制电路包括锂电池和锂电池控制板。
一种履带式微耕机智能无线操作控制装置的控制方法，用于控制所述的履带式微耕机智能无线操作控制装置，包括如下步骤：
步骤一、无线接收控制系统接收手持无线遥控发射器发射的信号，并按照采样周期确定每个信号通道出现的高电平时间；
步骤二、对每个信号通道的信号进行判断：
当所述信号通道出现的高电平脉冲宽度大于设定脉冲宽度时，根据所述信号通道传输的信号相对应的对微耕机的启动、熄火、加减油门、开始行走、暂停行走、转向或耕地深度进行控制；
当所述信号通道出现的高电平脉冲宽度不大于设定脉冲宽度时，判断该信号无效。
优选的是，在所述步骤二中，通过控制转向电机的动作时间来控制微耕机的转向角度，其中，所述微耕机的转向角度与时间的关系为：
式中，Vcenter为微耕机中轴的线速度，D为微耕机两侧履带的中心距离，t为转向电机的动作时间。
优选的是，所述微耕机中轴的线速度为：
式中，Vright为微耕机右侧履带的线速度，Vleft为微耕机左侧履带的线速度。
本发明的有益效果是：
(1)本发明提供的履带式微耕机智能无线操作控制装置，能够实现对微耕机的无线远程控制，改变了传统的“人随机走”、劳动者劳动强度大的局面，能够减轻劳动者的劳动强度、提高生产效率。
(2)本发明提供的履带式微耕机智能无线操作控制装置，通过无线信号接收电路，解码识别电路及微耕机启动控制电路实现履带式微耕机的无线控制启动，并且在微耕机启动控制电路中设置光耦合器和PNP三极管，能够有效避免信号传输过程中的电磁干扰影响，使微耕机接收到的启动信号更为精准，避免控制误差。
(3)本发明提供的履带式微耕机智能无线操作控制装置的控制方法，根据每个信号通道内的高电平的脉冲宽度判断信号是否有效，再根据有效信号对微耕机进行相应的控制，目的是提高微耕机无线操作控制过程的准确性，避免误操作。
(4)本发明提供的履带式微耕机智能无线操作控制装置的控制方法，通过控制微耕机转向电机的动作时间来控制微耕机的转向角度，使微耕机转向控制过程更为简单，便于无线操作控制的实现。
附图说明
图1为本发明所述的履带式微耕机智能无线操作控制装置总体架构框图。
图2为本发明所述的PPM信号各通道时序图。
图3为本发明所述的微耕机启动控制电路原理图。
图4为本发明所述的微耕机移转向模型原理图。
图5为本发明所述的微耕机滑移转向算法流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
如图1所示，本发明提供了一种履带式微耕机智能无线操作控制装置，其包括手持无线遥控发射器和无线接收控制系统；采用2.GHz无线射频通信远程控制履带式微耕机发动机的启动继电器、熄火控制线、油门控制线等发动机本身控制线，实现微耕机的远程无线启动、熄火和加减油门；采用2.GHz无线射频通信远程遥控各个外部设计的电机驱动电路，进而驱动对应的执行机械机构，实现远程无线控制微耕机完成直线行走、暂停行走、滑移转向、耕地深浅调节功能。
其中，所述无线接收控制系统主要包括无线信号接收电路、解码识别电路、微耕机启动控制电路、油门驱动控制电路、左右转向控制电路、耕地深浅电机驱动控制电路、微耕机暂停行走电路、微耕机熄火控制电路和电池管理控制电路。通过手持无线遥控发射器将操控者发出的动作指令射频发出，无线接收控制系统实时接收、解码、解析操控者通过遥控器发出的命令并智能控制各个功能电路模块驱动执行机构完成微耕机的启动、熄火、加减油门、直线行走、暂停行走、滑移转向、耕地深浅调节等动作。改变了传统的“人随机走”、农民劳动强度大的局面，使劳动者减轻劳动强度、提高生产效率成为现实。
如图2所示，所述手持无线遥控发射器发射的为脉冲位置调制(PPM)信号，采用20ms(50Hz)的标准帧频率，每一个周期信号内包含6个通道的控制信息，分别定义为：
(1)第1通道控制信息：微耕机左右转向控制信息；
(2)第2通道控制信息：耕地耕深的控制信息；
(3)第3通道控制信息：微耕机加减油门控制信息；
(4)第4通道控制信息：耕地耕浅的控制信息；
(5)第5通道控制信息：微耕机暂停/重新行走控制信息；
(6)第6通道控制信息：微耕机启动/熄灭信息。
所述6个通道的控制信息分别经过所述无线信号接收电路、解码识别电路进行接收解调、解码分析后，传输到相应的控制电路，控制微耕机完成相应的动作。
如图3所示，所述微耕机启动电路包括光耦合器(U0)，U0的A极控制引脚通过电阻R0接地，U0的C极控制引脚接解码后的第6通道控制信号，U0的Collector控制引脚通过电阻R2接PNP三极管(T0)的基极(B)，T0的发射极(E)接5V电压，T0的集电极(C)接继电器D1的线圈一端，继电器D1的线圈另一端接地(GND)；D1的公共端(D1_COM)接锂电池12V电压，常开端(D1_NO)接微耕机发动机的启动继电器(D_START)线圈的一端(D_START_C)，D_START的公共端(D_START_COM)连接锂电池12V电压，D_START的常开端(D_START_NO)连接发动机起动机控制端(E_START_C)。当手持无线遥控发射器发送自定义的“微耕机启动”信号，无线接收控制系统接收、解码识别出第6通道的控制信号输出高电平，通过U0的抗电磁干扰和T0的增大电流驱动后，D1线圈接通5V电压，D1_NO动作接通D1_COM，使得D_START_C接通12V电压，D_STAR线圈通电，D_START_NO接通12V电压，使得E_START_C接通12V电压，进而完成发动机的点火启动。
通过设置光耦合器U0和PNP三极管T0能够有效避免信号传输过程中的电磁干扰影响，使微耕机接收到的启动信号更为精准，避免控制误差。
所述电池管理控制电路包括2部分：锂电池和锂电池控制板。采用体积更小、重量更轻的12V/10AH的磷酸铁锂电池组替代传统的同样电量容量、体积重量更大的铅酸蓄电池，实现了微耕机的轻量化，同时实现给无线接收控制系统各个电路模块提供电源；微耕机启动后发动机内发电机产生的电能通过调节器产生12-14V直流电压反充给锂电池组，实现锂电池组的充电。锂电池控制板主要完成检测和检测锂电池组内各个单体电池的过压、过流、欠压、短路、温度过高等功能。
所述的履带式微耕机智能无线操作控制装置，还包括系统嵌入式软件程序，所述嵌入式软件程序包括：无线信号接收和解码识别模块、微耕机启动控制模块、油门驱动控制模块、左右转向控制模块、耕地深浅电机驱动控制模块、微耕机暂停行走模块、微耕机熄火控制模块、电池管理控制模块等。
其具体控制过程为：
ECU时钟初始化，直流电机、转向电机、锂电池组等外设初始化；
ECU实时接收手持无线遥控发射器无线发送的PPM无线载波调制信号，并进行载波解调、协议解码解析等取得各个功能模块的控制参数。
依据解析的各个模块控制参数，完成微耕机的启动、油门大小控制、左右转向、耕地深浅调节、暂停行走、熄火、电池管理等一系列的功能。
本发明还提供了一种履带式微耕机智能无线操作控制装置的控制方法，用于控制所述的履带式微耕机智能无线操作控制装置，具体包括如下步骤：
步骤一、启动微耕机的微控制器(ECU)定时器，中断接收手持无线遥控发射器发出的PPM信号，并采集一个周期内各个信息通道的高电平时间；
如果连续100us检测到所有通道都是低电平，则认为当前所有通道采集完成，一个周期信号结束；
步骤二、对采集到的一个周期内的各个通道信号进行判断：如果高电平脉冲宽度大于500us，则认为数据有效，进入主程序进行各个功能分支进行操作控制，对微耕机的启动、熄火、加减油门、开始行走、暂停行走、转向或耕地深度进行控制；若否，则认为无效数据，微耕机维持当前状态。
步骤三、本周期信号解码分析结束，接收下一周期信号，循环执行步骤一到步骤三。
如图4所示，所述履带式微耕机的左右转向过程采用的是滑移转向(差速转向)，以左右侧履带作为固定支撑点，进行定向左右转向。
如图5所示，以履带式微耕机向左转向为例，具体转向控制过程为：
步骤一、履带式微耕机收到向左转向信号后，开始向左转弯，取得微耕机中轴的线速度为：
其中，Vright为微耕机右侧履带的线速度，Vleft为微耕机左侧履带的线速度，Vcenter为微耕机中轴的线速度。
步骤二、依据三角形相似定理得履带式微耕机的转向角速度为：
其中，D为微耕机左右侧履带的中心距离，Rturn为微耕机左转弯的转向半径。
步骤三、依据公式(2)计算微耕机的转向半径为：
步骤四、依据公式(2)计算微耕机的右侧履带和左侧履带的线速度分别为：
其中，Vright为微耕机右侧履带的线速度，Vleft为微耕机左侧履带的线速度，Vcenter为微耕机中轴的线速度，D为微耕机左右侧履带的中心距离，Rturn为微耕机左转弯的转向半径。
当微耕机左侧履带作为转向中心(左侧履带线速度为Vleft＝0)时，也就是左侧履带作为固定支撑点静止不动，则此时依据公式(3)，得：
Rturn＝D/2 (6)
微耕机左转弯半径为左右侧履带中心距离的一半，依据公式(4)，得：
Vright＝2·Vcenter (7)
进而依据公式(6)和(7)对公式(2)进行积分，求得转向角度α，得：
由公式(8)可知，在Vcenter一定的前提下，通过ECU控制转向电机的动作时间，来实现微耕机左侧履带固定不动进行滑移左转向功能，微耕机右转向同理依据以上步骤进行右侧履带固定不动滑移右转向功能。通过控制转向电机的动作时间，来实现微耕机左侧履带固定不动进行滑移左转向功能，使微耕机的转向控制过程更为简单，更适于远程无线控制。
耕地深浅电机驱动控制的原理为：耕地深浅电机驱动控制电路板和行程推杆电机(MOTOR_LINE)电气连接，MOTOR_LINE按照45°倾斜度直立安装在微耕机底盘左侧支架上，当耕地深浅超过设定的范围时，控制电路板驱动MOTOR_LINE进行工作，驱动行程推杆进行斜上下伸缩，进而推动微耕机挂载的刀具进入土壤的深浅，完成耕地深浅调节。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (9)

1.一种履带式微耕机智能无线操作控制装置，包括手持无线遥控发射器和无线接收控制系统，其特征在于，所述无线接收控制系统包括：
无线信号接收电路，其接收所述手持无线遥控发射器发出的射频信号；
解码识别电路，其连接所述无线信号接收电路，并且对所述无线信号接收到的射频信号进行解码；
微耕机启动控制电路，其包括：
光耦合器，其C极控制引脚接收解码后的启动信号；
PNP三极管，其基极通过电阻与所述光耦合器的Collector控制引脚相连，发射极连接电源；
继电器，其线圈的一端与所述PNP三极管的集电极相连，另一端接地；所述继电器的公共端连接电源；
发动机启动继电器，其线圈的一端与所述继电器的常开端相连；所述发动机启动继电器的公共端连接电源，所述发动机启动继电器的常开端连接发动机起动机控制端。
2.根据权利要求1述的履带式微耕机智能无线操作控制装置，其特征在于，所述无线接收控制系统还包括：
油门驱动控制电路，其接收解码后的油门信号，控制微耕机加减油门；
左右转向控制电路，其接收解码后的转向信号，控制微耕机转向；
耕地深浅电机驱动控制电路，其接收解码后的耕地深浅信号，调节微耕机耕地的深度；
微耕机暂停行走电路，其接收解码后的行走信号，控制微耕机开始行走或暂停行走；
微耕机熄火控制电路，其接收解码后的熄火信号，控制发动机熄火。
3.根据权利要求2所述的履带式微耕机智能无线操作控制装置，其特征在于，手持无线遥控发射器发射的信号分别通过多个信号通道传输至所述无线接收控制系统；其中，所述多个信号通道包括：
第一信号通道，其用于传输微耕机转向控制信号；
第二信号通道，其用于传输第一耕地深度的控制信号；
第三信号通道，其用于传输微耕机加减油门控制信号；
第四信号通道，其用于传输第二耕地深度的控制信号；
第五信号通道，其用于传输微耕机开始行走或暂停行走控制信号；
第六信号通道，其用于传输微耕机启动或熄火控制信号。
4.根据权利要求3所述的履带式微耕机智能无线操作控制装置，其特征在于，所述手持无线遥控发射器发射的为脉冲位置调制信号，并且采用20ms的帧频率。
5.根据权利要求2-4任意一项所述的履带式微耕机智能无线操作控制装置，其特征在于，还包括电池管理控制电路，所述电池管理控制电路包括锂电池和锂电池控制板。
6.一种履带式微耕机智能无线操作控制装置的控制方法，用于控制如权利要求5所述的履带式微耕机智能无线操作控制装置，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、无线接收控制系统接收手持无线遥控发射器发射的信号，并按照采样周期确定每个信号通道出现的高电平时间；
步骤二、对每个信号通道的信号进行判断：
当所述信号通道出现的高电平脉冲宽度大于设定脉冲宽度时，根据所述信号通道传输的信号相对应的对微耕机的启动、熄火、加减油门、开始行走、暂停行走、转向或耕地深度进行控制；
当所述信号通道出现的高电平脉冲宽度不大于设定脉冲宽度时，判断该信号无效。
7.根据权利要求6所述的履带式微耕机智能无线操作控制装置的控制方法，其特征在于，在所述步骤二中，通过控制转向电机的动作时间来控制微耕机的转向角度，其中，所述微耕机的转向角度与时间的关系为：
式中，Vcenter为微耕机中轴的线速度，D为微耕机两侧履带的中心距离，t为转向电机的动作时间。
8.根据权利要求7所述的履带式微耕机智能无线操作控制装置的控制方法，其特征在于，所述微耕机中轴的线速度为：
式中，Vright为微耕机右侧履带的线速度，Vleft为微耕机左侧履带的线速度。
9.根据权利要求6所述的履带式微耕机智能无线操作控制装置的控制方法，其特征在于，所述设定脉冲宽度为500us。
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