CN206696705U - 基于模糊控制的农机车载导航控制器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型揭示了一种基于模糊控制的农机车载导航控制器，包括定位模块、车载终端、转向控制模块、以及CAN收发模块；其中，定位模块用于获取农机当前位置和姿态方位信息，并通过CAN收发模块传送给车载终端；车载终端包括第二微处理器，该第二微处理器内置模糊PID控制器，该模糊PID控制器接收农机当前位置信息、及姿态方位信息，通过模糊控制后输出前轮期望转角，并通过CAN收发模块传送给转向控制模块，转向控制模块与农机转向机构连接，用于检测农机前轮实际转角值以及控制农机前轮转向。本实用新型的农机车载导航控制器的系统稳定可靠，不依赖精确数学模型，具有较好的鲁棒性。
Description
技术领域
本实用新型的实施例涉及车载导航领域，具体而言，涉及基于模糊控制的农机车载导航控制器。
背景技术
近年来，“精细化农业”的概念随着计算机和信息技术的发展被广泛认可和推广。农用拖拉机被广泛应用在牵引和挂载农具实现耕地、播种、收割、施肥等日常的农田工作。农机的自动化程度是实现精细化农业的关键技术之一。
如果将自动导航驾驶技术应用在农机设备上，一方面可以让生产工人从单一、重复而繁重的劳动中解放出来，另一方面可以有效降低生产过程中人为造成的重复作业及漏作业等现象，提高农业施工精度。但是农用机(如拖拉机)系统本身是一个非线性的时变复杂系统，农田地况复杂，加之轮胎与地面相互作用的高度非线性，难以建立精确的数学模型，因此目前尚未有行之有效的农机车载导航装置。
实用新型内容
本实用新型的目的在于针对现有技术中的上述缺陷，提供一种具有较好鲁棒性的基于模糊控制的农机车载导航控制器。
为实现上述实用新型目的，本实用新型采用了如下技术方案：一种基于模糊控制的农机车载导航控制器，其包括定位模块、车载终端、转向控制模块、以及CAN收发模块；其中，定位模块用于获取农机当前位置和姿态方位信息，并通过CAN收发模块传送给车载终端；车载终端包括第二微处理器，该第二微处理器内置模糊PID控制器，该模糊PID控制器接收农机当前位置信息、及姿态方位信息，通过模糊控制后输出前轮期望转角，并通过CAN收发模块传送给转向控制模块，转向控制模块与农机转向机构连接，用于检测农机前轮实际转角值，并将前轮实际转角值与前轮期望转角比对，根据比对差值控制农机前轮转向。
此外，本实用新型还提供如下附属技术方案：
优选地，定位模块包括第二微处理器、北斗导航接收器和电子罗盘；第二微处理器的型号为STM32F1032ZET6；北斗导航接收器用于获取农机当前位置信息，其包括S1216F8-BD北斗/GPS双模接收器及其外围电路，接收器的IPX端用于外接有源天线，RXD端和TXD端各通过一120Ω电阻后接入第二微处理器；电子罗盘用于获取农机姿态方位信息。
优选地，车载终端还包括工控触摸屏和按键电路，用于信息显示，路径预设和功能设置。
优选地，转向控制模块包括第三微处理器、角度传感器和转向执行器；第三微处理器的型号为STM32F1032ZET6；角度传感器用于实时采集前轮转动的转角值，其型号为WYT-AT-3-360无触点角度传感器；转向执行器用于控制农机转向机构。
优选地，转向执行器包括步进电机、全液压转向器、和电磁换向阀；步进电机与所述第三微处理器耦合，通过脉冲个数和脉冲频率改变转角和转速；全液压转向器连接在步进电机与农机方向轮之间；电磁换向阀连接在液压油泵与全液压转向器之间。
优选地，CAN收发模块包括CAN-BUS、和连接在该CAN-BUS上的若干个监控节点，每个监控节点均包括总线驱动芯片及其外围抗干扰电路，总线驱动芯片的型号为TJA1050T，其RXD端耦合第一光耦，TXD端耦合第二光耦，该第一光耦和该第二光耦的VA、VB通过DC-DC模块或者带有多个隔离输出的开关电源进行隔离。
优选地，总线驱动芯片的CANH端和CANL端各通过一个5Ω电阻后接入CAN-BUS。
优选地，总线驱动芯片的CANH端和CANL端与地之间并联2个30P电容。
优选地，总线驱动芯片的CANH端、CANL端与地之间并联2个防雷击管D1和D2。
优选地，第一光耦和所述第二光耦的型号为高速光耦6N137。
相比于现有技术，本实用新型的农机车载导航控制器的优势在于：具有多个功能模块，分别是：车载终端、CAN收发模块、定位模块、以及转向控制模块，其中的定位模块用于获取农机当前位置和姿态方位信息，转向控制模块用于检测农机前轮实际转角值，CAN收发模块将其他各个模块连接起来形成一个分布式控制结构，车载终端运用模糊控制有效实现农机自动导航控制。本实用新型的农机车载导航控制器的系统结构稳定可靠，不依赖精确数学模型，具有较好的鲁棒性。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例或相关技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本实用新型的一些实施例，并非对本实用新型的限制。
图1是农机车载导航控制器的结构框图。
图2是CAN收发模块的电路原理图。
图3是北斗接收器及其外围电路的电路图。
图4是角度传感器及其外围电路的电路图。
图5是电磁换向阀的驱动电路的电路图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本实用新型的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型技术方案作进一步非限制性的详细描述。
见图1，本实用新型的农机车载导航控制器包括车载终端、CAN收发模块、定位模块、以及转向控制模块，定位模块和转向控制模块分别通过CAN收发模块与车载终端耦合，并且定位模块用于获取农机当前位置和姿态方位信息，转向控制模块用于检测农机前轮实际转角值，车载终端运用模糊控制实现农机自动导航控制。
本实施例是应用基于ISO11783标准的CAN总线技术构建农机自动导航的通信网络。见图2，CAN收发模块包括CAN-BUS和若干个外接的监控节点。每个监控节点都包括PHILIP公司的TJA1050TCAN总线驱动芯片和外围抗干扰电路。总线驱动芯片的RXD端耦合第一光耦，TXD端耦合第二光耦；该第一光耦和该第二光耦的VA、VB通过DC-DC模块或者带有多个隔离输出的开关电源进行隔离；为防止过流冲击，驱动芯片的CANH端和CANL端各通过一个5Ω电阻后接入CAN-BUS；为滤除CAN-BUS上高频干扰，CANH端和CANL端与地之间并联2个30P电容；为起到发生瞬变干扰时的保护作用，CANH端、CANL端与地之间还并联2个防雷击管D1和D2。
定位模块包括第二微处理器、北斗导航接收器和电子罗盘。
第二微处理器的型号为STM32F1032ZET6，其内置有CAN总线协议控制器。
北斗导航接收器用于获取农机当前位置信息，其采用SkyTrap公司的S1216F8-BD北斗/GPS双模接收器及其外围电路，该接收器具备167追踪频道，跟踪灵敏度为-165dbm，冷启动定位时间为29秒，热启动定位时间为1秒，具有2.5米圆概率误差精度等优良特点。见图3，接收器的IPX端口用来外接有源天线，有源天线放在农机车辆顶端，更好地利于接收北斗信号；接收器的RXD和TXD端口分别接一个120欧姆电阻，主要用于输出电平兼容处理，然后再分别与第二微处理器串口3的TX1和RX1端口连接。外围电路中的BAT可充电后备电池可以维持半小时的北斗/GPS星历数据的保存，支持热启动，从而实现快速定位。当外围电路中的PPS_LED指示灯常亮时，表示模块未定位；当PPS_LED指示灯闪烁时(500ms亮，500ms灭)，表示定位成功。
本实施例的北斗导航接收器接受卫星信号后，将所接收到的信号处理成字段头为＄BD的NMEA-0183标准报文格式后，通过串口发送给第二微处理器。该第二微处理器接收到串口数据后，将数据分割成以导航语句为基本单元的多个片段，然后在相应的数据域的对应字段中提取导航的定位参数，并对一部分数据进行数据转换，完成导航数据的解析，然后通过CAN收发模块传送给车载终端。
电子罗盘计算农机当前姿态方位信息，即农机行走方向与中原地区中央子午线正北方的夹角，然后通过CAN收发模块传送给车载终端。
车载终端包括第一微处理器、工控触摸屏和按键电路。
第一微处理器的型号为STM32F1032ZET6，其内置有模糊PID控制器和CAN总线协议控制器。该模糊PID控制器接收农机当前位置信息、及姿态角方位信息，通过模糊控制后输出前轮期望转角，并通过CAN收发模块传送给转向控制模块。模糊控制技术已经非常成熟，本实施例为简化运算，模糊控制器为解析式的模糊控制器，输入输出量的隶属函数均采用三角形隶属函数，避免常规模糊控制的繁琐查表法，提高输出量精度。
工控触摸屏采用广州大彩电子有限公司的10.4吋工控串口触摸屏，用于信息显示，并与按键电路配合进行路径预设和功能设置。信息显示包括：定位精度、纬度、高度、速度、用于定位的卫星数量、可见卫星数、UTC时间等。
转向控制模块包括第三微处理器、角度传感器和转向执行器。
第三微处理器的型号为STM32F1032ZET6，其内置有CAN总线协议控制器。
角度传感器用于实时采集前轮转动的转角值，其型号为北京通磁伟业公司的WYT-AT-3-360无触点角度传感器，该传感器可以将机械转动化为标准电信号输出，可全量程无触点地测量转角的角度变化，并具有耐水、耐油、抗震动和寿命长的特点，非常合适农业场地的作业环境。安装时，应保证该角度传感器的轴与前轮转动轴同轴心，并保证工作电源电压稳定在要求范围内。见图4，由于本实施例的角度传感器是电流输出型传感器，输出信号为4～20mA，采用电流环接收芯片RCV420将传感器产生的电流信号直接转换成电压信号，再经过OP07放大电路将电压按比例转换成0～3.3V后送入第三微处理器的AD采集端口。第三微处理器自带8路10位分辨率的AD，满足精度要求。
转向执行器主要通过油缸推动活塞杆来驱动农机方向轮，从而达到控制农机转向。本实施例的转向执行器包括与所述第三微处理器耦合的步进电机、连接在步进电机与农机方向轮之间的全液压转向器、以及连接在农机液压油泵与全液压转向器之间的电磁换向阀。
通过安装两位三通电磁换向阀实现手动和自动转向控制。人工驾驶模式下，电磁换向阀断电不动作，液压油由液压泵流出进入方向盘联动的转向器，实现人工转向；当自动导航模式下，电磁换向阀通电动作，液压油由液压泵流出进入并联的全液压转向器。见图5，本实施例的两位三通电磁换向阀的型号为JHC-4H，其供电参数为DC24V，额定功率30W，最大流量为50L/min，并且采用光耦6N137为信号隔离保护电路，三极管Q1和电阻R2组成光信号放大电路，二极管D2防止继电器线圈反向感应电压击穿三极管Q1。
全液压转向器的型号为BZZ1-100转向器，步进电机的型号为TEC1115三相步进电机。全液压转向器的转动由步进电机驱动，第三微处理器不断地将前轮期望转角和角度传感器测得的实际转角进行对比，得出两者之间的偏差值，根据偏差值计算出给定步进电机驱动器的脉冲个数和频率来调节步进电机的转角和转速，从而控制前轮的转角与转速，实现自动转向。
综上所述，本实用新型的农机车载导航控制器运用CAN总线技术作为通信网络，集车载终端、定位模块和转向控制模块于一体，利用模糊PID控制器进行模糊自适应控制策略，实现对期望转角的实时稳态跟踪，从而达到自动导航目的。该农机车载导航控制器系统结构可靠，鲁棒性好，可快速、准确跟踪预设路径。
需要指出的是，上述较佳实施例仅为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡根据本实用新型精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于模糊控制的农机车载导航控制器，其特征在于：其包括定位模块、车载终端、转向控制模块、以及CAN收发模块；其中，
定位模块用于获取农机当前位置和姿态方位信息，并通过CAN收发模块传送给车载终端；
车载终端包括第二微处理器，该第二微处理器内置模糊PID控制器，该模糊PID控制器接收农机当前位置信息、及姿态方位信息，通过模糊控制后输出前轮期望转角，并通过CAN收发模块传送给转向控制模块，
转向控制模块与农机转向机构连接，用于检测农机前轮实际转角值，并将前轮实际转角值与前轮期望转角比对，根据比对差值控制农机前轮转向。
2.根据权利要求1所述的基于模糊控制的农机车载导航控制器，其特征在于：所述定位模块包括第一微处理器、北斗导航接收器和电子罗盘；
第一微处理器的型号为STM32F1032ZET6；
北斗导航接收器用于获取农机当前位置信息，其包括S1216F8-BD北斗/GPS双模接收器及其外围电路，接收器的IPX端用于外接有源天线，RXD端和TXD端各通过一120Ω电阻后接入第二微处理器；
电子罗盘用于获取农机姿态方位信息。
3.根据权利要求1所述的基于模糊控制的农机车载导航控制器，其特征在于：所述车载终端还包括工控触摸屏和按键电路，用于信息显示，路径预设和功能设置。
4.根据权利要求1所述的基于模糊控制的农机车载导航控制器，其特征在于：所述转向控制模块包括第三微处理器、角度传感器和转向执行器；
第三微处理器的型号为STM32F1032ZET6；
角度传感器用于实时采集前轮转动的转角值，其型号为WYT-AT-3-360无触点角度传感器；
转向执行器用于控制农机转向机构。
5.根据权利要求4所述的基于模糊控制的农机车载导航控制器，其特征在于：所述转向执行器包括步进电机、全液压转向器、和电磁换向阀；步进电机与所述第三微处理器耦合，通过脉冲个数和脉冲频率改变转角和转速；全液压转向器连接在步进电机与农机方向轮之间；电磁换向阀连接在液压油泵与全液压转向器之间。
6.根据权利要求1所述的基于模糊控制的农机车载导航控制器，其特征在于：所述CAN收发模块包括CAN-BUS、和连接在该CAN-BUS上的若干个监控节点，每个监控节点均包括总线驱动芯片及其外围抗干扰电路，总线驱动芯片的型号为TJA1050T，其RXD端耦合第一光耦，TXD端耦合第二光耦，该第一光耦和该第二光耦的VA、VB通过DC-DC模块或者带有多个隔离输出的开关电源进行隔离。
7.根据权利要求6所述的基于模糊控制的农机车载导航控制器，其特征在于：所述总线驱动芯片的CANH端和CANL端各通过一个5Ω电阻后接入CAN-BUS。
8.根据权利要求6所述的基于模糊控制的农机车载导航控制器，其特征在于：所述总线驱动芯片的CANH端和CANL端与地之间并联2个30P电容。
9.根据权利要求6所述的基于模糊控制的农机车载导航控制器，其特征在于：所述总线驱动芯片的CANH端、CANL端与地之间并联2个防雷击管D1和D2。
10.根据权利要求6所述的基于模糊控制的农机车载导航控制器，其特征在于：所述第一光耦和所述第二光耦的型号为高速光耦6N137。
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