基于gps的太阳能平移式喷灌机自主导航系统设计与试验

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 基于 GPS 的太阳能平移式喷灌机自 主导航系统设计与试验 【摘 要】本文先是阐述了基于 GPS 的太阳能平移式喷灌机自主导航系 统中机械结构、供电部分以及控制系统 的设计，然后对设计的系统进行了试验 分析，结果显示该系统具有良好的控制 精度，可以满足农业灌溉的需求。目的 是对我国农民的灌溉工作提供帮助。 中国论文网 /8/view-12933532.htm 【关键词】GPS ；喷灌机；自主 导航 0 前言 我国现在使用的平移式喷灌机基 本都是国外进口的，虽然这些喷灌机的 效率很高，但是成本和电力需求也很高， -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 在用电高峰期或者是偏远区域得不到很 好的应用。所以，我们要将太阳能作为 能源进行平移式喷灌机的设计研发，解 决喷灌设备的动力问题。 1 基于 GPS 的太阳能平移式喷 灌机自主导航系统设计 1.1 基于 GPS 的太阳能平移式喷 灌机自主导航系统的机械结构设计 机械结构作为喷灌机的硬件主体， 设计时要考虑很多方面的内容：第一， 由于农作的需要，要求喷灌机进行喷水、 喷药或者喷肥等多种农田作业，因此， 在设计喷灌机的喷头时，要注意在输水 管上将灌水器的喷头进行等间距的设计， 这样可以确保喷洒的均匀性；第二，为 了提高土地的利用率，让喷灌机占地面 积更小，从而降低对作物生长的不利影 响，要采用边梁式的方法进行底部支撑 部分的设计，另外喷灌机的两个前轮以 及两个后轮之间最好不用连接轴进行连 接；第三，为了确保喷灌机的承载力和 通过性，要将喷灌机的外形尺寸进行科 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 学合理的设计。另外，一般的喷灌机都 是采用四轮独立的驱动形式，因此，在 喷灌机的设计时，首先要根据每个轮子 行驶时需要的最大功率选择合适的直流 电机，还要为直流电机配备可以控制转 速的驱动控制装置；然后要根据直流电 机以及驱动装置的功率来选择合适规格 的蓄电池进行供电；最后要进行轮胎的 选择。 本次设计的喷灌机外形尺寸如下： 左右轮之间的距离是 3.36 米；前后轴之 间的距离是 2.7 米；车梁和地之间的距 离是 1.3 米；桁架和地之间的距离是 1.8 米。喷灌机选取四个 480V、200W 以及 1800r/min 的直流电机以及 48V 的蓄电 池进行动力的供给。轮胎选择的是 8.3- 20 的普通人字形农用轮胎。 1.2 基于 GPS 的太阳能平移式喷 灌机自主导航系统的供电部分设计 喷灌机的供电部分通常由太阳能 控制器、太阳能光伏组件以及免维护蓄 电池组成，主要为喷灌机的控制系统、 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 行走驱动部分以及各个传感器提供电能。 供电部分的结构原理如下：太阳能光伏 组件受到太阳光的照射之后，会使用光 电效应将光能转变成电能，当太阳光照 射的强度达到某一个值时，太阳能光伏 组件的输出功率就可以满足喷灌机的消 耗功率。免维护蓄电池用来存储太阳能 光伏组件转变的电能；太阳能控制器用 来控制免维护蓄电池的充、放电。本次 设计中选取金源电子公司的 CS5M32- 260 太阳能板作为太阳能光伏组件；选 取 4 块 190H52 阀控式全密封的铅酸蓄 电池进行串联形成免维护蓄电池。 1.3 控制系统的设计 控制系统通常由 GPS 接收机、 电子罗盘、导航控制器、转速传感器以 及转速控制器组成，这些组成部分通常 采用 CAN 总线的方式进行连接。如图 1 所示： 图 1 自主导航系统的结构 在进行控制系统的设计时，GPS 接收机主要用来确定喷灌机当前所在的 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 位置，需要对喷灌机的位置数据进行采 集；电子罗盘主要用来确定喷灌机的走 向，需要采集喷灌机走向的数据，还要 实现导航控制算法以及生成和输出相应 的控制命令；转速传感器主要用来采集 喷灌机轮子的速度；转速控制器主要用 来控制喷灌机的转速。本次设计中选用 32 位的 Cortex-M3 内核芯片集成作为喷 灌机自主导航系统的控制器。 2 基于 GPS 的太阳能平移式喷 灌机自主导航系统的试验 2.1 试验的过程 为了测定基于 GPS 的太阳能平 移式喷灌机自主导航系统的性能，进行 了试验研究。因为喷灌机的使用要求机 组入口的压力要大于十米水头，整机的 流量要大于 30m3/h，在使用喷灌机之 前要在田间留出半米的机行道，运行的 时候要求喷灌机可以平稳地沿着机行道 运行，行走的轨迹不能超出行道。由于 喷灌机在田间的运行状况和在水泥路面 上的运行状况类似，所以本试验选在某 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 大学的操场上进行。 在进行试验之前，在水泥路面上 制定出一条直线路径，首先要使用 GPS 接收机测定出 A、B 两点的经纬度信息； 然后要由高斯投影将经纬度信息转变成 大地平面的直角坐标，使用导航控制器 中路径规划的方法将喷灌机行走的 AB 直线路径预定好；最后将喷灌机放置在 路线的起点，让喷灌机的运行方向和预 定的导航路径保持平行。此时，启动喷 灌机的自主导航系统进行试验，喷灌机 会沿着预定的路线进行自动的路径跟踪， 使用滴水的方法进行喷灌机真实行走轨 迹的记录。等到喷灌机完成自主导航之 后，在地面上的 A、B 两点之间拉一条 白色的细线当做是导航基准线，自主导 航系统的横向误差就是喷灌机行走轨迹 和导航基准线之间的垂直距离。试验中， 每隔三十厘米就要测量一次横向误差。 2.2 试验结果分析 通过试验中的误差数据分析可知： 当喷灌机以 0.4m/min 的速度运行时， -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 喷灌机的最大横向偏差小于 17.5 厘米； 当喷灌机以 0.8m/min 的速度运行时， 喷灌机的最大横向偏差小于 18.6 厘米； 随着喷灌机速度的加大，控制调节时间 越来越小，超调越来越大。总的来说， 该喷灌机自主导航系统的误差小于 20 厘米，在此次试验中喷灌机的各个机组 运转状况良好，可以较好地跟踪预定的 路径，说明喷灌机导航自主系统具备较 好的控制精度以及稳定程度，可以满足 喷灌机在预定行道内进行工作的使用需 求。 3 结论 综上所述，基于 GPS 的太阳能 平移式喷灌机自主导航系统可以节约能 源。分析可得，通过对基于 GPS 的太 阳能平移式喷灌机自主导航系统的设计