基于双激光源的水田作业机械导航定位系统电路设计

熊中刚，令狐金卿，吴廷强，邹 江

（遵义师范学院工学院，贵州 遵义５６３００２）

摘要：为实现对水田作业机械导航定位系统提供准确的位置坐标、航向角、前轮转角、行驶速度等重要信息参数，并完成相应的控制动作，设计了一套基于双激光源的水田作业机械导航定位系统电路。该系统电路主要由激光发射电路、激光接收电路和中央处理单元组成。试验结果表明，该导航定位系统效果较好，能满足作业速度低于１．５ ｍ／ｓ的水田作业机械导航定位系统的要求。

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关键词 ：双激光源；定位；导航；硬件电路；作业机械

中图分类号：Ｓ２３３．７１；ＴＰ２１２文献标识码：A文章编号：0439－８114（２０15）03－0697-03

农业是国民经济的基础，农业问题是全球可持续发展的基本问题，是国际社会始终关注的焦点，是全球性的永恒主题［１］。随着信息技术、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。水田作业机械的自动导航技术是实现水田作业机械自动化、智能化的基本要求，越来越受到人们的重视。国外农业工程应用领域的主流导航方式是ＧＰＳ、机器视觉定位、惯性传感器定位、多传感器融合定位等［２－５］。水田作业机械自动导航技术的应用可以使农用机械保持精确的作业行距、作业方向及间距，降低人工劳动强度，提高经济效益。

１系统电路总体结构设计

水田作业机械导航定位系统电路主要由激光发射电路、激光接收电路和中央处理单元三大部分组成。系统设计运用三角定位法，采用两个低价位的激光发射器作为激光发射源，同时利用步进电机控制激光发射器的旋转，激光接收靶在主机的控制下接收两束激光，并解算当前的坐标，接着经由基于ＰＩＤ快速修正的卡尔曼滤波算法，计算移动目标的速度和加速度，并实时记录当前的角度值，最后通过２．４ Ｇ的无线数据传输模块将当前的角度值、速度值及加速度值反馈给激光发射器，从而控制激光发射器以确定跟踪激光接收靶标的跟踪角速度，经过中央处理单元分析处理后，产生控制信号，通过机体控制执行单元实现对激光接收靶的跟踪以及作业机械的动作控制，并能将相关变量信息反馈到中央处理单元，最终完成系统跟踪导航定位的闭环设计。系统总体结构框图如图１所示。

２激光发射器控制电路设计

系统双激光源导航定位系统的激光发射源控制单元电路的整体结构图如图２所示。主要由两个装有６３５ ｎｍ激光发射器的基站和一个装有激光接收器的移动站组成。两个基站固定在工作地面上，发射激光到移动站，移动站是安装在作业机械上的，随作业机械移动。基站的ＣＰＵ单元根据移动站传来的运行信息预估作业机械的运行趋势，以无线通讯形式发送激光偏转角数据到移动站，实现基站水平回转电机的转动方向与速度的控制，使安装在水平回转平台上的激光发射器实时追踪作业机械上的激光接收器，从而实现了移动站上的激光接收器能可靠地接收到基站发送的激光信号。移动站由激光接收装置构成。激光接收靶接收到激光信号后，基于ＣＣＤ原理对信号进行卡尔曼滤波处理后传递给移动站控制器的ＣＰＵ单元。

系统中央控制中心将当前步进角度、位置坐标、航向角、前轮转角、行驶速度等参数，通过２．４ Ｇ无线数传模块完成数据的环形交换。同时根据运动目标状态，通过相应的跟踪控制算法实现对步进电机的旋转控制，以及控制激光发射器发出３８ ｋＨｚ的红外激光来完成激光接收靶的可靠识别。

激光发射部分的原理图如图３所示。该部分电路设计主要采用＋１２ Ｖ的电源供电，同时经过ＺＡ３０２０开关电源芯片进行＋５ Ｖ的电压转换，进而由ＲＥＧ１１１７－３．３将电路中电源降到３．３ Ｖ，然后采用有源滤波器降低电源对无线数传的干扰，使系统的无线通信更加可靠。接着经由ＳＰＩ模拟接口与２．４ Ｇ无线数传模块完成数据的发送和接收，最后系统经过单片机定时器产生的３８ ｋＨｚ载波信号调制激光，能够使激光发射器在不同电压下实现工作，体现了硬件设计的通用性。电路中通过两个按键完成启停动作，并采用ＰＣＡ记录步进电机脉冲个数，从而完成激光的发射与调制工作。

３激光接收靶电路设计

系统激光接收靶的接收电路设计是整个系统的“眼睛”。为了使系统能够在不确定的复杂环境下工作，首先需要较好的硬件电路设计，同时结合可靠的软件设计，从而得到可靠的激光信号，达到整个系统稳定可靠的工作要求［６－９］。电路系统采用特殊定制的高抗干扰、高集成度６３５ ｎｍ激光接收管，并通过并入串出高速采集芯片７４ＬＳ１６６实现接收管信号的高速采集，能够有效实现接收靶的级联，降低了对单片机Ｉ/Ｏ口的要求。该部分电路通过５ Ｖ的直流电压供电，经过高速移位时钟的驱动作用，同时根据激光接收靶上的接收管数量采集Ｉ/Ｏ口的激光接收管信息，并实时通过２．４ Ｇ无线模块传输到单片机内。单片机根据接收管的状态情况完成数据分析与处理，得到准确的激光着靶位置，通过并口直接传输给中央定位解算主控电路，从而减少串口传输所占用的延时，提高系统的响应性能。

试验测试表明，采用７４ＬＳ１６６方便信号电路中多接收管的接入，实现了电路的通用性以及高速响应性能，对于提高整个系统的性能有着重要的作用。接收靶电路设计如图４所示。

４海量数据存储电路设计

系统运行时，由于需要的有效数据量比较大，故为方便定位边界等大量定位数据的存储，系统采用了单片机Ｕ盘读写模块电路。模块采用ＣＨ３７５单片机Ｕ盘读写芯片完成Ｕ盘到单片机的衔接，通过大容量ＲＡＭ（３２ ｋ）完成大容量数据缓存和传输，减少设备数据读写总时间，延长Ｕ盘寿命。电路设计原理图如图５所示。

上述存储电路设计中，采用５ Ｖ电压工作，为了内部电源节点有效退耦，改善ＵＳＢ传输过程中的电磁干扰，故在Ｖ３引脚外接０．０１ ＵＦ电容。直接将ＣＨ３７５的ＴＸＤ引脚接地可使ＣＨ３７５实行并口方式工作，设计中在ＲＳＴＩ引脚与ＶＣＣ之间跨接了一个０．４７ ＵＦ的电容，是为了在电源上电时，系统电路能够完成可靠复位并且有效减少外部产生的干扰。在Ｕ盘插入过程中，为了避免ＣＭＯＳ电路ＣＨ３７５出现大电流闩锁效应而损坏芯片，故在ＵＳＢ插座的电源上并联了储能电容Ｃ３１缓解瞬时压降。

５中央主控电路设计

系统设计中的中央主控电路的主要完成工作包括随动步进电机的控制、人机界面交换、无线数据收发、激光接收靶信息接收与处理、定位数据的输出以及执行命令的下发工作等。该部分主要的电路设计图如图６所示。

主控中心硬件电路的核心处理器采用的是ＳＴＣ１２Ｃ５Ａ３２Ｓ２单片机［１０］，其主要任务是对接收到的信号作出及时准确的分析处理，并与传感器反馈回来的信号进行比较，作出相对应的响应动作，控制作业机械各个执行机构的动作，使其能按相应控制指令完成工作，最终达到导航跟踪定位的要求。

主控电路采用ＺＡ３０２０开关电源芯片作为ＤＣ－ＤＣ降压转换，实现了大电流、高效率供电，满足众多外设对电源的要求，并通过ＲＥＧ１１１７－３．３为２．４ Ｇ无线数据传输模块提供３．３ Ｖ电源。电路设计中采用的微型处理器拥有三个通信串口，通过ＭＡＸ２３２芯片实现与ＰＣ端的通信与程序下载，并可以与海量存储设备直接连接，实现定位数据的存储。同时电路中设计了步进电机驱动器的接口及激光接收靶的接口，能够实现步进电机的控制与激光接收靶的数据接收。通过四个按键，实现系统的启动与停止，并可以手动控制随动步进电机的初始角度。为获得良好的系统硬件兼容性，预留一个串口用于系统硬件的扩展。

６电路抗干扰优化设计

电路设计中，为提高电路可靠性，有效完成工作任务，通常必须考虑电路的抗干扰能力。在电路抗干扰优化设计中，主要考虑的是单片机与无线数传信号之间可能产生的干扰，以及电路板本身设计上可能存在的一些干扰因素。

进行电路板的原理图设计时，通常在电源和地之间连接去耦电容，通过电容滤波消除干扰；同时在ＰＣＢ板制作时也会尽量使地线达到最宽，电源线次宽，信号线最窄，采用敷铜、泪滴以及过孔等方式，保证线路的可靠连接。

７小结

设计了水田作业机械导航定位系统激光发射器控制电路、激光接收靶电路、海量数据存储电路、中央主控电路等单元电路，为后期进一步的研究奠定了硬件基础。试验研究表明，在无突发性抖动时，激光接收管对应检测偏差小于四个激光接收管，即扫描变化弧长小于±３ ｃｍ，满足系统定位需要；在出现突发性抖动时，系统仍然可以使激光在短时间内锁定到激光接收靶中心位置。该定位系统的控制精度较高，控制性能良好，能满足作业速度低于１．５ ｍ/ｓ水田作业机械导航定位系统的要求。

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