毕业设计-插秧机导航控制单元系统设计.doc
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1、【精品文档】如有侵权,请联系网站删除,仅供学习与交流毕业设计-插秧机导航控制单元系统设计.精品文档.毕业论文(设计) 题 目 插秧机导航控制单元系统设计姓 名 符 冰 学 号 3060611084 专业班级 06机制3班 指导教师 张 方 明 分 院 机电与能源工程分院 完成日期 2010年 6 月 13 日 摘 要农业机械化,使机械装置代替了人的劳动,把人从繁重的体力劳动中解脱出来,极大的推动了农业生产的发展。进入21世纪,信息技术、传感器技术、控制技术、网络技术等的发展,将农业生产带入了自动化发展时代。本文介绍的是用一台25W的直流电动机,16F873A单片机构成的数字化直流调速系统。目的
2、在于通过单片机控制电机的转向及转速单元,实现插秧机自动导航功能的操作。同时辅助同组同学设计了微电机控制电路,实现其对编码器转角的测量。本控制单元通过PWM模式的编程及调试,最后通过实验测得最佳的输出电压,确定其速度,保证自动导航系统的稳定工作。关键词: 单片机 自动导航 电机控制 PWM模式ABSTRACTMechanization of farming makes the mechanical equipments instead of the labor and frees the human beings out of the heavy work, which improve the
3、blooming of the agriculture production. Stepping into the 21st century, the developments of information technology, the sensor technology, control technology, network technology bring the agriculture production into the Age of automatic development. This article introduces the continuous current ele
4、ctromotor with 25w and the digital speed control system made up by 16F873A SCM. The purpose of this machine is making the operating of Automatic navigation in transplanter come true. And after combining with the auxiliary control circuit designed by the group mate, the measure from the electromotor
5、to the angle of encoder can be realized. This control unit via the programming and debugging of the mode of PWM and ensures the speed by examine the best output voltage it can be done after many experiments, so that we can guarantee the stability working of automatic navigation system.key words: SCM
6、, automatic navigation,the control of electromotor ,the mode of PWM目 录摘 要2ABSTRACT3第一章 引言51.1选题背景51.1.1农业背景51.1.2 农机自动导航研究现状61.2 设计目标和意义131.2.1 设计目标131.2.2 设计意义131.3 设计内容13第二章 插秧机导航控制单元系统设计142.1 框图142.2 程序步骤及实现142.2 程序步骤及实现152.2.1 中断程序152.2.2 初始化程序162.2.3 循环程序172.2.4 子程序18第三章 测控单元硬件电路及软件设计213.1 主电路2
7、13.2直流电机转向控制模块223.2.1 实验方案223.2.2 所用芯片及其模块概述223.3 油门刹车控制323.4 微电机控制333.4.1 控制电机电路图333.4.2 各部件参数333.4.3 控制程序35第四章 实 验364.1 实验原理364.2 实验程序37结束语39参考文献40致 谢44附 录45附录一:实验电机的运转状况45附录二:实验结果的处理50第一章 引言1.1选题背景1.1.1农业背景农业生产是人类社会存在和发展的基础,为了不断提高生产效率,改善农业生产环境,人类从诞生之日起,对农业生产方式的研究就从来没有停止过。农业机械化,使机械装置代替了人的劳动,把人从繁重的
8、体力劳动中解脱出来,极大的推动了农业生产的发展。进入21世纪,信息技术、传感器技术、控制技术、网络技术等的发展,将农业生产带入了自动化发展时代 1。农用车辆自动导航技术作为农业生产自动化、智能化的一项重要内容,逐渐受到人们的重视。早在上世纪20年代,就出现一种能够沿着犁沟自动行驶的拖拉机;到了40年代,出现了能够在缆绳引导下在田间做圆周运动的自动行驶拖拉机。70年代,人们又通过在田间铺设电缆来引导拖拉机自动行驶;80年代,诞生了基于图像传感器的自动引导车辆,随后又出现了基于GPS、多传感器融合等多种导航方式的自动行驶车辆 2,农业自动导航控制技术的研究不断取得重大进展。该项技术的应用把驾驶员从
9、频繁的方向操作中解脱出来,实现车辆的无人驾驶,让机器代替人在户外工作,或进行如喷洒农药等对人体有害的操作,极大的改善了工作环境。进入90年代,精细农业的问世,又为农用车辆自动导航提出了新的要求。精细农业将遥感地理信息系统、全球定位系统、计算机技术、通讯和网络技术、自动化技术等高科技与地理学、农业、生态学、植物生理学、土壤等基础学科有机结合,实现在农业生产过程中对农作物、土地、土壤从宏观到微观的实时监控,以实现对作物生长、发育状况、病虫害、水肥状况以及相应的环境状况进行定期信息获取和动态分析,通过诊断和决策制定实施计划,并在全球定位系统GPS与GIS集成系统支持下进行田间作业的信息化农业 35。
10、精细农业技术的应用,可以在很大程度上提高作业精度,减少重复作业,节约能源,保护环境,维持农业生产的可持续发展。由于精细农业是建立在“空间差异”数据采集与实时处理的信息化技术上,需要精确的位置信息和环境信息,这就为自动导航控制技术提供了广阔的发展前景。1.1.2 农机自动导航研究现状国外对农用车辆自动导航控制技术的研究相对较早,美国、日本和欧洲一些国家在导航定位,导航控制等方面都有较为深入的研究,国内对该项技术的研究则相对落后,还处于初期研究阶段 614。车辆自动导航主要是通过传感器对车辆自身位姿信息进行检测,进而根据检测获得的信息自主的进行控制决策,并通过转向控制使车辆沿规划路径自动行驶来实现
11、的 15。问题的关键就在于车辆位姿信息的获取和车辆方向控制。1.1.2.1 农用车辆导航定位技术研究现状根据导航系统中使用传感器的不同,农用车辆导航定位方法主要有视觉导航、激光导航、GPS导航、电磁诱导导航、机械触觉导航、多传感器融合、惯性导航、超声波、声纳导航等 16,17。1.1.2.1.1 视觉导航视觉导航是指机器人通过CCD摄像机对周围环境进行实时探测,并对获得的图像信息进行分析处理,做出行动路径规划,在无人干涉的情况下,自动移动到预定的目标。农业移动机器人视觉导航方式中,一种比较简单的方法是,基于视觉距离检测技术的导航方式。在地面上人为的敷设标记线,机器人通过两只视觉传感器在行走过程
12、中不断检测相对于标记线的距离,通过方向控制,使机器人与标记线的距离偏差最小,从而达到自动导航的目的。这种方法具有路径标记简单,可靠,成本低,柔性好,图象处理易于实现的优点,但同时对机器人作业环境有很高要求,所以一般用于地面条件良好的温室内。另一种方法是基于田间作物空间排列特征的导航方式。机器人根据田间作物的图象,利用一定的算法,提取图像边缘信息,判断作物排列行与机器人的相对位置,进而规划出移动基准线,实现自动导航。图像边缘信息的提取,一般都是根据景物明暗,亮度,颜色等的变化实现的,但是由于田间景物图像受光照条件,摄取角度,距离等因素的影响,加之图像中的田埂,农作物等物体大部分失去了细节轮廓特征
13、,边缘并不理想,所以很难得到准确的轮廓边缘。但是研究人员发现,图像中不同区域的纹理存在着较大差异,根据这一现象,应用纹理分析方法,可以从农田景物纹理差异中提取边缘信息。另外,利用小波变换这种新的数学分析方法对图像进行分析处理,能够得到图像信号的时域和频域信息,从而对图像不同结构边界的性质进行定量描述。因此,能十分有效地对农田图像各种边缘进行检测定位,近年来在图像处理中应用较多。视觉导航易受外界光线影响,对图像处理算法和处理速度的要求较高,但是视觉导航具有信息探测范围宽,目标信息完整等优点。一些新的图像算法的提出和高速图像采集设备的不断引入,以及成本上较之GPS导航的优势,使得视觉导航成为国内外
14、研究最多的一种导航方式,可以将其广泛应用与农药喷洒,耕作,收获机器人的导航系统中 1827。周俊对农用轮式移动机器人导航跟踪路径的视觉检测方法进行了探讨,利用Hough变换把图像空间里的直线映射成导航参数空间中的点,获取导航参数。将基于横向偏差,航向偏差及前轮转角的三个轮式移动机器人运动状态分量,运用直接状态反馈的方法进行了导航控制 28。赵颖对农业自主行走机器人视觉导航技术进行了研究,提出了基于扫描线上像素分布的条带状目标对象图像分割方法,并对传统Hough变换进行了改进,提出基于一点的改进Hough变换算法,在保留Hough变换抗干扰能力强优点的基础上,简化了计算过程,极大的提高了处理速度
15、 29。1.12.1.2 激光导航激光导航是根据激光三角测距原理,测量出周边环境与传感器之间的距离信息,进行路径规划,进而实现自动导航的。Chateau等人在联合收割机上安装激光传感器,根据已收和未收谷物与传感器距离的不同,得到未收谷物边缘信息,实现联合收割机的自动导航 30。Oscar等利用二维激光扫描器获得的距离信息,计算出传感器距离两边果树行的最短距离,规划出移动基准线,通过方向控制,使拖拉机沿着道路中心线自动行驶 31。激光导航不受光线影响,且激光光束集中,平行性好,散射小,测距方向分辨率高,将其与视觉导航相结合,可以弥补视觉导航在夜间或光线不足时进行谷物收获中的不足。但是激光导航受环
16、境因素干扰比较大,如灰尘,雾等的影响,会使测量距离发生较大误差。因此,对采集到的信号进行去噪及消除灰尘,雾等的影响,也是激光导航需要解决的主要问题。1.1.2.1.3 GPS导航GPS全球定位系统是利用环绕地球的24颗卫星,准确计算使用者所在位置的庞大卫星网络定位系统。每颗卫星连续的向地面发射一定频率的无线电信号,机器人在地球的任意点均能接收到至少4颗卫星发射来的信号,对这些信号进行分析计算,就能确定机器人的绝对位置坐标,如果对该位置坐标的田间作物信息进行采集,又可为精细农业研究提供可靠的数据信息,因此,这是一种全天候,实时性的导航定位系统 32。GPS主要分为两类,DGPS(差分GPS定位技
17、术)和RTK-GPS(实时动态GPS定位技术),可根据精度需要选择合适的GPS 3335。在移动导航中,GPS定位精度受到卫星信号状况和道路环境的影响,如温室大蓬,树冠对信号的阻挡等,同时还受到时钟误差,传播误差,接受机噪声等诸多因素的影响。因此单纯利用GPS导航存在定位精度比较低,可靠性不高的问题,所以在机器人导航中通常还辅以磁罗盘,FOG(光纤陀螺仪)等传感器,或者与其它到导航方式相结合来提高定位精度。GPS导航的另一不足是,需要在环境已知的情况下,花时间预先输入车辆跟踪路线。同时由于GPS导航系统的成本较高,使得其在农业工程中的应用受到一定限制。1.1.2.1.4 电磁诱导导航电磁诱导导
18、航,是指机器人以铺设在作业路径上的感应电缆为引导线,在无人干涉的情况下,沿着引导线自动行走的一种导航方式。其工作原理是:在地下或高空中沿着作业路径铺设感应电缆,并通以高频交变信号电流,机器人通过电磁感应传感器,感测电磁信号,其接收到的电磁信号强弱可以反映机器人偏离引导线的程度,机器人根据这种变化来调节行走路线,实现自动导航。日本的Tosika等人研制了果树喷雾机器人,由埋设在地下30cm处的电缆诱导,利用模糊控制算法完成自动导航。宋健等人研制了一种自动电磁诱导式喷雾机器人,机器人行走轨迹的诱导信号由埋设在田间的通有高频电流的导线产生,利用一对电磁感应传感器的信号电压差判断机器人位置,然后利用左
19、右轮转速差调整机器人转向,使机器人沿导线自动行走。该机器人直线位置误差仅为1cm,转弯半径0.5m时的导航精度为2.5cm 36。电磁诱导导航,不必进行复杂数据运算,容易实现,导航精度高,但是需要提前铺设电缆,且在大型农田中应用的成本太大,所以比较适合小范围内田间操作的应用。1.1.2.1.5 机器触觉导航机械触觉是一种相对位置传感器,它可以提供车辆与接触物之间的相对位置关系,机器人通过对相对位置变化进行检测,实现自动导航。德国的KTBL开发了一种旋耕机器人,通过传感器与垄的接触,可以使拖拉机沿着垄的一侧自动行驶。德国研制的Claas自动驾驶仪系统,可以跟踪能形成固体引导线的作物行(如玉米,谷
20、物行等),进行田间作业。何卿设计了一种由半椭圆形触杆构成的机械式导航传感器,并将其与电子罗盘,里程计相组合,综合利用机械式导航和罗盘导航的优势,开发出多传感器融合导航控制算法,弥补了机械式导航在秸秆缺失情况下丢失信号的缺陷,以及罗盘定位在长距离导航中积累误差的缺陷。在拖拉机转向控制部分,采用带非线性补偿的PID控制,实现了拖拉机在田间秸秆复杂排列环境中的自动导航 37。这种导航方式的不足是传感器对作物之间的距离,作物连续性有一定要求。作物间距过大,作物局部缺失,均会导致检测信号不连续。因此只适合于部分农作物的田间操作。1.1.2.1.6 无传感器导航无传感器导航能够充分利用地理环境对车辆实现自
21、动导航。日本爱媛大学研制了一种不用传感器导航的自校正运输车,该运输车可以在两条相距一定距离的地垄中间直线行走。这种导航方式不用传感器,利用机械装置实现方向的自动调节,但是,却需要专门的地垄作为轨道,灵活性差。荷兰农业环境工程研究所(MAG)研制了一种温室黄瓜收获机器人,同样不用传感器导航,而是以温室内的加热管道作物轨道,合理的利用了周围的环境条件。该机器人可以以0.8m/s的速度在两条平行的加热管道上自由行驶 38。1.1.2.1.7 多传感器融合由于农业生产环境的复杂性,易变性,以及恶劣的开放式结构,单一传感器很难胜任导航作业。同时,传感器本身存在的一些不足,使得导航系统的稳定性和精度受到很
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