基于雙激光源的水田作業(yè)機械導航定位系統(tǒng)電路設計

1、基于雙激光源的水田作業(yè)機械導航定位系統(tǒng)電路設計摘要：為實現(xiàn)對水田作業(yè)機械導航定位系統(tǒng)提供準確的位置坐標、航向角、前輪轉角、行駛速度等重要信息參數(shù)，并完成相應的控制動作，設計了一套基于雙激光源的水田作業(yè)機械導航定位系統(tǒng)電路。該系統(tǒng)電路主要由激光發(fā)射電路、激光接收電路和中央處理單元組成。試驗結果說明，該導航定位系統(tǒng)效果較好，能滿足作業(yè)速度低于1.5 m/s的水田作業(yè)機械導航定位系統(tǒng)的要求。關鍵詞：雙激光源；定位；導航；硬件電路；作業(yè)機械Circuit Design of Navigation and Localization System of Paddy Field WorkingMachine

2、 based on Double Laser SourceXIONG Zhong-gang， LINGHU Jin-qing， WU Ting-qiang， ZOU JiangCollege of Engineering and Technology， Zunyi Normal College， Zunyi 563002， Guizhou， ChinaAbstract：In order to provide some important information including accurate position， heading angle， front wheel steering an

3、gle and speed and to complete the corresponding control action for the navigation and localization system of the paddy field working machine， the circuit of navigation and localization system of paddy field working machine based on double laser source was designed. The circuit of the system was comp

4、osed of the laser transmitter， receiver， and the central processing unit. The field experiment showed that the navigation and localization system was better able to complete the requirements of field operations， when the speed of paddy field working machine was lower than 1.5 m/s.Key words： double l

5、aser source； location； navigation； hardware circuit； working machine1 系統(tǒng)電路總體構造設計水田作業(yè)機械導航定位系統(tǒng)電路主要由激光發(fā)射電路、激光接收電路和中央處理單元三大部分組成。系統(tǒng)設計運用三角定位法，采用兩個低價位的激光發(fā)射器作為激光發(fā)射源，同時利用步進電機控制激光發(fā)射器的旋轉，激光接收靶在主機的控制下接收兩束激光，并解算當前的坐標，接著經(jīng)由基于PID快速修正的卡爾曼濾波算法，計算挪動目的的速度和加速度，并實時記錄當前的角度值，最后通過2.4 G的無線數(shù)據(jù)傳輸模塊將當前的角度值、速度值及加速度值反響給激光發(fā)射器，從而控制激

6、光發(fā)射器以確定跟蹤激光接收靶標的跟蹤角速度，經(jīng)過中央處理單元分析處理后，產生控制信號，通過機體控制執(zhí)行單元實現(xiàn)對激光接收靶的跟蹤以及作業(yè)機械的動作控制，并能將相關變量信息反響到中央處理單元，最終完成系統(tǒng)跟蹤導航定位的閉環(huán)設計。系統(tǒng)總體構造框圖如圖1所示。2 激光發(fā)射器控制電路設計系統(tǒng)雙激光源導航定位系統(tǒng)的激光發(fā)射源控制單元電路的整體構造圖如圖2所示。主要由兩個裝有635 nm激光發(fā)射器的基站和一個裝有激光接收器的挪動站組成。兩個基站固定在工作地面上，發(fā)射激光到挪動站，挪動站是安裝在作業(yè)機械上的，隨作業(yè)機械挪動?；镜腃PU單元根據(jù)挪動站傳來的運行信息預估作業(yè)機械的運行趨勢，以無線通訊形式發(fā)送激

7、光偏轉角數(shù)據(jù)到挪動站，實現(xiàn)基站程度回轉電機的轉動方向與速度的控制，使安裝在程度回轉平臺上的激光發(fā)射器實時追蹤作業(yè)機械上的激光接收器，從而實現(xiàn)了挪動站上的激光接收器能可靠地接收到基站發(fā)送的激光信號。挪動站由激光接收裝置構成。激光接收靶接收到激光信號后，基于CCD原理對信號進展卡爾曼濾波處理后傳遞給挪動站控制器的CPU單元。3 激光接收靶電路設計試驗測試說明，采用74LS166方便信號電路中多接收管的接入，實現(xiàn)了電路的通用性以及高速響應性能，對于進步整個系統(tǒng)的性能有著重要的作用。接收靶電路設計如圖4所示。4 海量數(shù)據(jù)存儲電路設計系統(tǒng)運行時，由于需要的有效數(shù)據(jù)量比較大，故為方便定位邊界等大量定位數(shù)據(jù)

8、的存儲，系統(tǒng)采用了單片機U盤讀寫模塊電路。模塊采用CH375單片機U盤讀寫芯片完成U盤到單片機的銜接，通過大容量RAM32 k完成大容量數(shù)據(jù)緩存和傳輸，減少設備數(shù)據(jù)讀寫總時間，延長U盤壽命。電路設計原理圖如圖5所示。上述存儲電路設計中，采用5 V電壓工作，為了內部電源節(jié)點有效退耦，改善USB傳輸過程中的電磁干擾，故在V3引腳外接0.01 UF電容。直接將CH375的TXD引腳接地可使CH375實行并口方式工作，設計中在RSTI引腳與VCC之間跨接了一個0.47 UF的電容，是為了在電源上電時，系統(tǒng)電路可以完成可靠復位并且有效減少外部產生的干擾。在U盤插入過程中，為了防止CMOS電路CH375出

9、現(xiàn)大電流閂鎖效應而損壞芯片，故在USB插座的電源上并聯(lián)了儲能電容C31緩解瞬時壓降。5 中央主控電路設計系統(tǒng)設計中的中央主控電路的主要完成工作包括隨動步進電機的控制、人機界面交換、無線數(shù)據(jù)收發(fā)、激光接收靶信息接收與處理、定位數(shù)據(jù)的輸出以及執(zhí)行命令的下發(fā)工作等。該部分主要的電路設計圖如圖6所示。6 電路抗干擾優(yōu)化設計電路設計中，為進步電路可靠性，有效完成工作任務，通常必須考慮電路的抗干擾才能。在電路抗干擾優(yōu)化設計中，主要考慮的是單片機與無線數(shù)傳信號之間可能產生的干擾，以及電路板本身設計上可能存在的一些干擾因素。進展電路板的原理圖設計時，通常在電源和地之間連接去耦電容，通過電容濾波消除干擾；同時在

10、PCB板制作時也會盡量使地線到達最寬，電源線次寬，信號線最窄，采用敷銅、淚滴以及過孔等方式，保證線路的可靠連接。7 小結設計了水田作業(yè)機械導航定位系統(tǒng)激光發(fā)射器控制電路、激光接收靶電路、海量數(shù)據(jù)存儲電路、中央主控電路等單元電路，為后期進一步的研究奠定了硬件根底。試驗研究說明，在無突發(fā)性抖動時，激光接收管對應檢測偏向小于四個激光接收管，即掃描變化弧長小于±3 cm，滿足系統(tǒng)定位需要；在出現(xiàn)突發(fā)性抖動時，系統(tǒng)仍然可以使激光在短時間內鎖定到激光接收靶中心位置。該定位系統(tǒng)的控制精度較高，控制性能良好，能滿足作業(yè)速度低于1.5 m/s水田作業(yè)機械導航定位系統(tǒng)的要求。參考文獻：3 YOSHISADA N，NAONOBU U， YUTAKA K， et al. Automated rice transplanters using global positioning and gyroscopesJ puters and Electronics in Agricultrure，2004，433：223-234.4 韓金玉，盧博友，郭愛榮，等.我國農業(yè)自動化現(xiàn)狀與開