CN109937676B - 一种自走式液压挖藕机的机电控制系统和控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自走式液压挖藕机的机电控制系统和控制方法，该系统利用车载摄像头实时的获取挖藕机的作业姿态，并通过图传模块将挖藕机的作业姿态传递到可视化显示器上,人工根据从显示器获取的挖藕机的作业姿态信息，通过工控板发出操作指令，数传模块将操作指令信息传递给MCU，MCU通过PID控制算法对产生的PWM信号进行调节并输出，功率放大器对PWM信号的功率放大并通过信号电流控制电磁比例换向阀的流量大小以及液流方向，从而驱使液压转向模块执行前进、后退、转向等操作。本发明的机电控制系统在挖藕机进行采藕作业或者转场作业时，人工可以在陆地上进行操作，降低了劳动强度、提高了挖藕作业效率和莲藕的采收质量。
Description
技术领域
本发明属于挖藕机设备技术领域，涉及一种自走式液压挖藕机的机电控制系统和控制方法。
背景技术
莲藕是一种常见的经济型作物，兼具食用、药用价值；我国莲藕种植面积广,据不完全统计，我国莲藕种植面积达到400多万公顷；莲藕是一种水生农作物，浅水藕生长水深一般为25cm至30cm，入泥深度一般在30cm至40cm；根据莲藕的生长特性要求其采收作业在水中进行，莲藕采收时间在每年的10月到次年的4月，采收周期长，采收期间水温低，人工采收莲藕工作量大、体力消耗大，是一项耗时耗力的体力劳动。
传统的莲藕采收机械主要包括漂浮式采收机械以及拖拽式采收机械，这些采收机械灵活性差、机器笨重，也不适合多块藕田转场作业，在进行挖藕作业时仍需要大量人工对机器进行控制、转场等操作，人工在水中操作挖藕机械非常不方便，劳动强度很大，传统挖藕机不仅采收效率低、人工成本高而且很容易对莲藕造成损伤，影响莲藕的品相和收益。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供了一种自走式液压挖藕机的机电控制系统。
本发明是通过如下技术方案实现的，提供一种自走式液压挖藕机的机电控制系统，包括液压转向模块、基于视频采集的液压转向控制模块；所述液压转向模块包括连通液压油箱的液压泵以及分别安装于挖藕机左、右行走轮上的左行走马达、右行走马达；所述左、右行走马达分别连接左侧油路、右侧油路；左、右两侧油路汇集于所述液压泵出口的主油路上；在所述左侧油路、右侧油路的进油端均设有电磁比例换向阀。
所述基于视频采集的液压转向控制模块包括：实时摄像头，所述实时摄像头将挖藕机视频信号通过图传模块传送到可视化显示器供人工观察；工控板，所述工控板作为人工操作系统平台将人工输入指令通过数传模块传至微控制单元（MCU）；所述微控制单元（MCU）将操作指令生成PWM信号经光耦隔离单元隔离处理并经功率放大器将信号放大后控制液压转向模块运行；电源模块。
所述实时摄像头主要作用是获取挖藕机的作业姿态图像。
所述图传模块主要作用是将实时摄像头获取到的图像进行传递。
所述可视化显示器作用是显示图传模块传递的挖藕机作业姿态信息，方便人工观察。
所述工控板作为人工操作系统平台，包括CPU主板、存储设备、触摸屏和接口，作用是人工根据挖藕机作业姿态通过触摸屏输入相应的指令。
所述数传模块主要作用是对工控板上发出的指令进行传输。
所述微控制单元（MCU）主要作用是对工控板的指令进行处理，生成相应的PWM信号。
所述光耦隔离单元的作用是对PWM信号进行隔离处理，对微控单元（MCU）和功率放大电路进行隔离保护。
所述功率放大器的作用是对PWM信号的功率进行放大处理。
所述电源模块的作用是对基于视频采集的液压转向控制模块的各个部分提供电压，保证系统的稳定工作。
本方案工作过程：在挖藕机进行挖藕作业时，实时摄像头获取挖藕机的作业姿态信息，利用图传模块进行传输，将挖藕机的作业姿态显示在可视化显示器上；人工可以实时的根据观察到的可视化显示器上挖藕机的作业姿态，通过工控板对挖藕机的作业姿态发出控制指令信息；指令信息通过数传模块发送到微控制单元（MCU）；微控制单元收到指令信息后，对指令信息计算生成相应的PWM信号，用PID算法控制器对PWM信号进行稳定性调节；光耦隔离单元对PWM信号进行隔离处理，对微控制单元（MCU）和功率放大电路进行隔离保护；功率放大器对PWM信号的功率进行放大处理形成大功率信号电流；PWM信号电流控制电磁比例换向阀动作，以使左、右两侧油路获得液压马达驱动行走轮所需的液压油的液流大小和方向，使挖藕机完成前进、后退、停止和转向等操作。
本发明的有益效果：本发明的一种自走式液压挖藕机的机电控制系统能够在对挖藕机的作业姿态进行提取观察的基础上，通过工控板控制其转向、前进、后退和停止等操作，增强了挖藕机的操作灵活性和动作准确性，在采藕作业或者挖藕机转场作业时，人工可以在陆地上对挖藕机进行操作，摆脱了在水中对挖藕机进行操作的传统方式，大大提高了作业效率、降低了劳动强度和人工成本、提高了莲藕的采收质量，有利于促进挖藕机械精准作业以及智能化农业装备的发展。
附图说明
图1为本发明液压转向模块原理图；
图2为基于视频采集的液压转向控制模块原理图；
图中：1、左行走马达， 2、右行走马达 ，3、高压油管，4、电磁比例换向阀， 5、溢流阀，6、油箱， 7、液压泵， 8、柴油机， 9、液压油箱。
具体实施方式
为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，对本方案进行阐述。
查询图1、图2，一种自走式液压挖藕机的机电控制系统，包括液压转向模块、基于视频采集的液压转向控制模块。
图1所示，液压转向模块包括连通液压油箱9的液压泵7，以及分别安装于挖藕机左、右行走轮上的左行走马达1、右行走马达2；所述左、右行走马达分别连接左侧油路、右侧油路；左、右两侧油路汇集于所述液压泵7出口的主油路上；在所述左侧油路、右侧油路的进油端均设有电磁比例换向阀4。
通过调节电磁比例换向阀的流量大小可以控制液压马达的转速，通过调节电磁比例换向阀的液流方向可以控制液压马达的转动方向。当挖藕机需要前进时，调节两侧油路的电磁比例换向阀的液流流量大小和方向，使两侧电磁比例换向阀的液流流量大小、方向保持一致。当挖藕机需要转弯时，通过调节两侧的电磁比例换向阀的液流流量大小控制左、右两端的液压马达转速，利用两端液压马达的速度差可实现转弯。当挖藕机需要后退时，调节两侧的电磁比例换向阀的液流方向，改变两端液压马达的转向，实现挖藕机后退行走。
所述电磁比例换向阀，选用4WRA10W40-13型三位四通电磁比例换向阀，其两端装有比例电磁铁，控制减压阀阀芯的位移。如果左端比例电磁铁输入电流，则产生电磁吸力使减压阀阀芯右移，右边阀口开启，调节输入电流大小，可控制减压阀阀芯的位移大小，从而控制液流流量的大小。当右端比例电磁铁输入电流，减压阀阀芯将向左移，左边阀口开启，从而改变液流方向，改变比例电磁铁的输入电流，可以改变液流流量的大小。采用脉冲宽度调制PWM控制技术来调节电流大小，可实现挖藕机的各种行走操作，完成挖藕作业。
基于视频采集的液压转向控制模块主要包括实时摄像头、图传模块、可视化显示器、工控板、数传模块、微控制单元（MCU）、光耦隔离单元、功率放大器以及电源模块。
所述实时摄像头选用型号为kc-6760拖拉机车载摄像头，用于实时的获取挖藕机的作业姿态。该摄像头观察角度范围大，可视化效果好，适用于人工观察挖藕机作业姿态。
所述图传模块选用型号为TS832的图传模块，具有传输稳定、传输距离远、抗干扰性强等优点，可实现对挖藕机作业姿态视频的稳定传输。
所述可视化显示器选用型号为GPC-121T的工业型显示器，图传模块接收来自摄像头的图像信息并传递到显示器上。该显示器灰阶响应时间短，适用于人工实时的观察挖藕机的作业姿态信息。
所述工控板选用昆仑通态工控板，人工根据挖藕机的作业姿态信息用工控板发出前进、转向、后退、停止等操作指令。
所述数传模块选用型号为E32-DTU-1W的数传模块，该型号的数传模块传输效果稳定，抗干扰性强。
所述微控制单元（MCU）选用型号为STM32F103C8T6增强型系列的ARM处理器芯片MCU，接收由数传模块传递的指令信息，并输出相应的PWM信号。
所述光耦隔离单元其作用是对微控制单元(MCU)的STM32芯片处理器和功率放大电路进行隔离保护。
所述功率放大器其作用是对PWM信号的功率进行放大处理，对电流信号进行放大处理后对电磁比例换向阀两端的比例电磁铁供电。
所述电源模块分为车载电源模块、人工地面控制挖藕机电源模块，分别为系统提供稳定的电压，包括车载摄像头电压、微控制单元(MCU)电压、数传模块接收端电压、图传模块发送端电压，以及数传模块发送端电压、工控板电压、图传模块接收端电压、显示器电压。
本发明实施例一种自走式液压挖藕机的机电控制系统的控制方法：
（1）实时摄像头获取挖藕机在挖藕作业时的姿态信息，通过图传模块发送端发送获取到的实时作业姿态，图传模块接收端接收挖藕机的作业姿态信息，将挖藕机的作业姿态显示在可视化显示器上。
（2）人工根据观测可视化显示器上挖藕机的作业姿态，通过昆仑通态工控板对挖藕机的作业姿态发出控制指令信息。
（3）昆仑通态工控板的控制指令信息通过串口通信方式发送到数传模块发送端。
（4）数传模块接收端接收来自数传模块发送端的指令信息，并将指令信息通过串口通信发送到微控制单元(MCU)。
（5）微控制单元(MCU)收到指令信息后，对指令信息计算生成相应的PWM信号，用PID算法控制器对PWM信号进行稳定性调节。PWM信号先通过光耦隔离单元进行隔离处理，然后通过功率放大器对电流信号进行放大处理，通过输出PWM信号电流控制电磁比例换向阀输出液流流量的大小以及液流方向。
（6）挖藕机进行前进操作时，将两侧油路的电磁比例换向阀导通，并分别给予电磁比例换向阀左端的比例电磁铁相同大小的电流，使两侧油路的电磁比例换向阀保持相同的液流流量大小，驱使左侧油路、右侧油路中的液压马达以相同的速率转动，使挖藕机保持直线行驶状态进行挖藕作业。同时，调整两侧油路的电磁比例换向阀输出的液流流量大小，可以调节挖藕机的行驶速度。
（7）挖藕机进行转向操作时，对两侧油路电磁比例换向阀的比例电磁铁的输入电流进行调节，从而调节两侧油路的电磁比例换向阀的液流流量大小，根据左侧油路、右侧油路中液压马达的差速，实现挖藕机转向行驶。
（8）挖藕机进行后退行驶操作时，对两侧油路电磁比例换向阀右端的比例电磁铁输入电流，使电磁比例换向阀的液流换向，驱使两端液压马达改变转向，实现挖藕机后退行驶。
（9）当两侧油路的三位四通电磁比例换向阀的阀芯均在中间位置时，挖藕机将保持停止运行状态。
本实施例机电控制系统的基于视频采集的液压转向控制模块中，微控制单元（MCU）的STM32处理器根据人工操作的工控板发出的指令信息计算生成PWM信号，用PID算法对生成的PWM信号进行稳定性调节。采用增量型PID算法可以提高液压系统的稳定性，控制挖藕机在挖藕作业中进行转弯以及速度改变时能平稳的运行，PID（比例、积分、微分）控制器能够减少系统在工作中产生的误差；调节PWM信号的PID算法公式如下：
其中，KP为比例项系数、KI为积分项系数、KD为微分项系数，样周期T、采样时间点t（0,1,2,3...）、u(t)与u（t-1）为第t次和t-1次采样时的采样偏差，w（t）为第t次采样时的输出值。
本实施例的有益效果：本发明实施例的一种自走式液压挖藕机的机电控制系统，在挖藕机进行采藕作业或者转场作业时，操作人员在陆地上就能够对挖藕机的行走实施转向、前进、后退和停止等操作，增强了挖藕机的操作灵活性，提高了挖藕作业效率、降低了劳动强度和人工成本，提高了莲藕采收质量。
Claims (9)
1.一种自走式液压挖藕机的机电控制系统，其特征在于：包括液压转向模块、基于视频采集的液压转向控制模块；所述液压转向模块包括连通液压油箱的液压泵以及分别安装于挖藕机左、右行走轮上的左行走马达、右行走马达；所述左、右行走马达分别连接左侧油路、右侧油路；左、右两侧油路汇集于所述液压泵出口的主油路上；在所述左侧油路、右侧油路的进油端均设有电磁比例换向阀；
所述基于视频采集的液压转向控制模块包括实时摄像头，所述实时摄像头将挖藕机视频信号通过图传模块传送到可视化显示器供人工观察；工控板，所述工控板作为人工操作系统平台将人工输入指令通过数传模块传至微控制单元（MCU）；所述微控制单元（MCU）将操作指令生成PWM信号经光耦隔离单元隔离处理并经功率放大器将信号放大后控制液压转向模块运行；电源模块；其中，
所述实时摄像头作用是获取挖藕机的作业姿态图像；
所述图传模块作用是将实时摄像头获取到的图像进行传递；
所述可视化显示器作用是显示图传模块传递的挖藕机作业姿态信息，方便人工观察；
所述工控板作为人工操作系统平台，包括CPU主板、存储设备、触摸屏和接口，作用是人工根据挖藕机作业姿态通过触摸屏输入相应的指令；
所述数传模块作用是对工控板上发出的指令进行传输；
所述微控制单元（MCU）作用是对工控板的指令进行处理，生成相应的PWM信号；
所述光耦隔离单元作用是对PWM信号进行隔离处理，对微控制单元（MCU）和功率放大电路进行隔离保护；
所述功率放大器作用是对PWM信号的功率进行放大处理；
所述电源模块作用是对视频采集以及液压转向模块的各个部分提供电压，保证系统的稳定工作；
微控制单元MCU的STM32处理器根据人工操作的工控板发出的指令信息计算生成PWM信号，用PID算法对生成的PWM信号进行稳定性调节，采用增量型PID算法可以提高液压系统的稳定性，控制挖藕机在挖藕作业中进行转弯以及速度改变时能平稳的运行，PID控制器能够减少系统在工作中产生的误差，调节PWM信号的PID算法公式如下：
；
其中，KP为比例项系数、KI为积分项系数、KD为微分项系数，样周期T、采样时间点t（0,1,2,3...）、u(t)与u（t-1）为第t次和t-1次采样时的采样偏差，w（t）为第t次采样时的输出值。
2.根据权利要求1所述的一种自走式液压挖藕机的机电控制系统，其特征在于：所述电磁比例换向阀选用4WRA10W40-13型三位四通电磁比例换向阀。
3.根据权利要求1所述的一种自走式液压挖藕机的机电控制系统，其特征在于：所述实时摄像头选用型号为kc-6760拖拉机车载摄像头。
4.根据权利要求1所述的一种自走式液压挖藕机的机电控制系统，其特征在于：所述图传模块选用型号为TS832的图传模块。
5.根据权利要求1所述的一种自走式液压挖藕机的机电控制系统，其特征在于：所述可视化显示器选用型号为GPC-121T的工业型显示器。
6.根据权利要求1所述的一种自走式液压挖藕机的机电控制系统，其特征在于：所述工控板选用昆仑通态工控板。
7.根据权利要求1所述的一种自走式液压挖藕机的机电控制系统，其特征在于：所述数传模块选用型号为E32-DTU-1W的数传模块。
8.根据权利要求1所述的一种自走式液压挖藕机的机电控制系统，其特征在于：所述微控制单元（MCU）选用型号为STM32F103C8T6增强型系列的ARM处理器芯片MCU。
9.一种自走式液压挖藕机的控制方法，其特征在于：基于权利要求1所述的自走式液压挖藕机的机电控制系统，采用如下的步骤：
（1）实时摄像头获取挖藕机在挖藕作业时的姿态信息，通过图传模块进行传输，将挖藕机的作业姿态显示在可视化显示器上；
（2）人工根据观察到的可视化显示器上挖藕机的作业姿态，通过工控板上的触摸屏对挖藕机的行走状态发出控制指令信息；
（3）工控板的控制指令信息经数传模块发送到微控制单元（MCU）；
（4）微控制单元（MCU）收到指令信息后，对指令信息计算生成相应的PWM信号，用PID算法控制器对PWM信号进行稳定性调节；
（5）PWM信号先通过光耦隔离单元进行隔离处理，然后通过功率放大器进行功率放大处理形成大功率信号电流；
（6）PWM信号电流控制电磁比例换向阀动作，以使左、右两侧油路获得液压马达驱动行走轮所需的液压油的液流大小和方向，使挖藕机完成前进、后退、停止和转向操作。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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