1KPZ-250型开沟铺管机GPS自动导航系统设计

　　摘要：以1KPZ-250型开沟铺管机为试验平台，采用RTK-GPS定位技术，进行农业机械自动导航试验。针对开沟铺管机液压驱动，履带式行走机构的特点，设计了左右履带行走速度控制与监测系统，实现了开沟铺管机行走自动控制。根据GPS接收机与车载传感器获取车辆姿态信息，采用PID控制方法，构建转向闭环控制系统，实现开沟铺管机的自动对行导航，并进行了开沟铺管机田间导航跟踪试验。试验结果表明，在开沟铺管机对行导航作业中，车辆行进速度不大于0.5m/s时，对行跟踪误差小于10cm，完全可以满足开沟铺管作业精度要求。

　　引言

　　我国北方以及沿海地区有着相当数量的盐碱地需要治理和改造，依靠人工开沟、铺管，不仅效率低，劳动强度大，作业成本高，而且工程质量难以保证。1KPZ-250型开沟铺管机是专用于暗管排碱技术的大型工程机械，可将渗管以精确的高程和坡度埋入地下，同时在渗管周围包上一定厚度的沙砾料。渗管的高程和坡度由激光制导系统来控制，而渗管铺设的直线度，需要人为在地头两端竖立标志杆，用于指引开沟铺管机上的驾驶员直线行驶。由于田间作业风沙大，驾驶员的驾驶水平及长时间枯燥乏味的跟踪驾驶，对开沟铺管作业的直线度有很大影响，并且需要专人竖立标杆，存在不安全因素。开沟铺管机实现GPS自动对行行走将有效地减轻驾驶员的劳动强度，减少劳动力，提高渗管铺设直线度精度。本文以1KPZ-250型开沟铺管机为平台，对其履带式行走机构进行电控设计，结合GPS技术与智能控制策略，使开沟铺管机能跟踪预设直线路径行走，实现开沟铺管自动导航作业。

　　开沟铺管机行走机构电控设计

　　1KPZ-250型开沟铺管机采用液压驱动，履带式行走机构，左右履带各有一套液压驱动装置，通过调节伺服阀开度来改变驱动马达上的液压流量，从而控制左右履带行走速度。驱动马达上安装有测速编码器，通过采集编码器数字脉冲信号，可推算出左右履带行走速度。行走机构电控系统结构如图1所示。　　

 

　　开沟铺管机行走控制器是硬件设计的核心部分，它由传感器信号采集、D/A转换、电压跟随驱动电路、微控制器和串行总线接口组成。主要控制电路设计如图2所示。微控制器采用Microchip公司的PIC18F2580。通过CAN总线与车载计算机进行数据通讯，布线简单，通讯可靠性高。通过数模D/A转换器将数字信号转换成电压模拟信号，D/A转换器采用TLC5615，与微控制器采用3线串行输入，10位数模转换输出，其参考电压源3V由芯片AD780提供，D/A转换分辨率为3mV/bit，使系统具有较高的转换输出精度。U10运算放大器与电阻R101、R102组成电压放大电路，Q10三极管提高驱动电路带负载的能力，输出信号通过限流电阻R106加载到电磁阀线圈上，可实现对电磁阀开度的控制，从而达到调节驱动马达转速的目的。微控制器采用定时计数方式对测速编码器信号进行采集，通过行走动力传动比，推算出左右履带的行走速度。整个系统采用24V工作电压，低功耗设计，与外部设备的接口进行光电隔离，降低外部干扰，提高系统工作可靠性。