技术领域
[0001] 本
发明涉及导航系统技术领域，具体涉及一种基于GPS的太阳能平移式喷灌机自主导航系统。
背景技术
[0002] 增加
灌溉面积是粮食增产的一个重要途径，灌溉机械的发展是提高灌溉效率、增进节
水增产、降低人
力成本的保障因素之一。随着全球
淡水资源危机加剧，世界范围内开始大力发展节水灌溉。在众多的灌溉机械设备中，移动式喷灌机组因其灌溉效率高、人工投入少、移动方便、保证作物快速生长和提高产量等特点，被广泛应用。然而灌溉已受到水和
能源的双重制约，如何在节水的同时节约能源进行灌溉已成为现代节水农业研究中的热点之一。与之相矛盾的是中国目前广泛使用的平移式喷灌机多为国外进口，进口喷灌机组虽然效率较高，但是结构较大，与中国目前的农业发展模式(以小农户和一些种植大户为主)不相符，更重要的是进口喷灌机成本较高且灌溉过程中需要市电或柴电进行电力供应，这在中国一些偏远缺电地区或是用电高峰期难以得到保障，使得这些缺水、缺电地区的灌溉难以进行。
[0003] 随着能源短缺危机的加剧，节能降耗也将是灌溉行业发展的必然趋势，太阳能作为清洁环保的新型能源，取之不尽用之不竭，随着光伏技术的日臻成熟，加之近年来光伏转换效率的不断提高和组件价格下降，以太阳能作为能源供应的新技术与新产品已广泛应用于各行各业，将太阳能作为
能量来源为干旱地区的农业灌溉提供可靠的电力保证，已成为解决喷灌及其附属设备动力问题的最佳选择。
[0004] 平移式喷灌机相比于中心支轴式喷灌机，是一种连续直线运行的喷灌机组，与其他型式的喷灌机(如中心支轴式、滾移式、
绞盘式)相比，无论是在土地利用率、灌溉均匀度方面或是在耕作管理方式适应性方面都具有更多优点。作为一种能够在田间自主作业的智能移动平台，喷灌机应能按照预定的作业路径在田间自动行走，即具有自主导航功能。国外关于
农业机械自主导航方面的研究较早，Gerrish等以农用
拖拉机为平台，应用
机器视觉研究了拖拉机进行自动导航的可行性，Perera等以
船舶为对象，对船舶自主导航和避障方面进行了研究，Benson等通过对
联合收割机进行改造，开发了联合收割机视觉导航系统。国内对农机导航方面的研究起步较晚，但发展很快，罗
锡文等针对农田作业特点，设计开发了一种具有自主导航功能的智能移动平台，张智刚等、胡炼等以久保田插秧机为试验平台，通过对其改造，应用差分全球
定位系统和
电子罗盘，开发了插秧机导航控制系统，吴晓鹏等研究了东方红拖拉机自动转向系统，姬长英、周俊等构建了视觉导航试验平台。除此之外，有研究应用信息融合理论进行了智能车辆的自主导航研究，研究了基于GPS导航的插秧机作业系统。以上研究虽然从不同方面对农业机械自动导航技术进行了大量研究，但大多是基于拖拉机、插秧机等传统农业机械装备或是一些用于农业方面的
机器人平台，有关将太阳能作为动力来源与喷灌机进行集成和平移式喷灌机自主导航方面的研究还鲜有报道。
发明内容
[0005] 本发明的目的在于解决上述技术问题，提供一种基于GPS的太阳能平移式喷灌机自主导航系统，将
太阳能技术、节水灌溉技术、GPS技术等进行集成，研制了一种以太阳能光伏组件和
蓄电池为电源，直流
电动机作为动力适用于中国农业经营模式的轻小型平移式喷灌机组，并在此
基础上设计开发了喷灌机导航控制系统，实现平移式喷灌机沿导航路径的自动行走。
[0006] 为解决上述技术问题，本发明采用了一种基于GPS的太阳能平移式喷灌机自主导航系统，包括机械结构部分、太阳能供电部分和导航控制系统，其中，
[0007] 所述机械结构部分包括主
机架、行走驱动，所述主机架包括设于该主机架上部的输水桁架和设于该主机架底部的
支撑部件构成，所述输水桁架由主输水管、横支撑、斜支撑组成V型倒三
角架结构
焊接而成，主输水管上，等间距布设有用于喷灌的灌水器；所述行走驱动包括四个轮胎，所述行走驱动包括分别驱动四个轮胎行驶的四个直流
电机，所述直流电机连接有减速器，所述减速器连接有电磁
离合器，所述电磁离合器与所述轮胎连接，所述电机
输出轴、所述减速器、所述电磁离合器均采用紧凑的平键联接，同时四个直流电机均连接有用于控制转速的驱动
控制器，所述驱动控制器通过脉冲宽度调制技术输入不同占空比的调节
电压控制所述直流电机的转速；
[0008] 所述太阳能供电部分由太阳能光伏组件、
蓄电池、太阳能控制器组成，所述太阳能光伏组件与所述太阳能控制器连接，所述太阳能控制器与所述蓄电池连接，所述太阳能控制器负责对所述光伏组件的发电状态和所述蓄电池的充、放电状态进行监控；
[0009] 所述导航控制系统包括导航控制器、GPS接收机、
电子罗盘、转速
传感器、转速控制器，所述GPS接收机、所述电子罗盘的输出端与所述导航控制器连接，所述导向控制器通过CAN总线与所述转速控制器之间进行通讯，所述转速控制器的输出端连接有电机
驱动器，所述电机驱动器与所述直流电机连接，所述直流电机与所述
转速传感器连接，所述转速传感器的输出端与所述转速控制器连接。
[0010] 作为优选方案，底部支撑部分采用边梁式，用断面为120mm×60mm的矩形槽
钢焊接而成。
[0011] 作为优选方案，所述喷灌机外形尺寸设计为左右
轮距3.36m，前后
轴距2.7m，车梁离地间隙1.3m，桁架离地间隙1.8m。
[0012] 作为优选方案，所述直流电机为48V200W1800r/min直流电机分，所述直流电机的输出
扭矩经减速比i＝36的行星
齿轮减速器后再经
传动比为1∶25的蜗轮
蜗杆减速器传递给电磁离合器进而传送给轮胎。
[0013] 作为优选方案，所述直流电机及驱动控制器的连接有48V蓄电池。
[0014] 作为优选方案，所述轮胎选用型号为8.3-20的普通人字形农用轮。
[0015] 作为优选方案，所述导航控制器采用32位ARM
微控制器STM32F103芯片。
[0016] 本发明所具有的有益效果：整个机组以太阳能光伏组件和蓄电池为电源，直流电动机作为动力，采用四轮差速转向。以喷灌机横向偏差和航向偏差作为控制输入变量，直流电机脉冲调制转速调节电压增量作为输出变量，构建基于线性比例控制的导航控制器，实现了对喷灌机两侧
车轮转速的调节控制。导航控制系统以32位先进精简指令集机器微控制器STM32F103芯片为核心，集成导航控制器、转速操纵控制器、GPS、电子罗盘和转速传感器，采用
控制器局域网总线结构进行通讯，实现喷灌机的自主导航控制。喷灌机自动导航控制系统能满足喷灌作业要求，并能较好地实现路线
跟踪，系统可靠性较高。
附图说明
[0017] 图1是本发明中太阳能供电部分结构
框图；
[0018] 图2是本发明中导航控制系统结构框图。
具体实施方式
[0019] 下面结合附图对本发明作进一步的说明。
[0020] 如图1、图2所示，本发明提供一种基于GPS的太阳能平移式喷灌机自主导航系统，包括机械结构部分、太阳能供电部分和导航控制系统，其中，
[0021] 机械结构部分包括主机架、行走驱动，主机架包括设于该主机架上部的输水桁架和设于该主机架底部的支撑部件构成，输水桁架由主输水管、横支撑、斜支撑组成V型倒三角架结构焊接而成，主输水管上，等间距布设有用于喷灌的灌水器；行走驱动包括四个轮胎，行走驱动包括分别驱动四个轮胎行驶的四个直流电机，直流电机连接有减速器，减速器连接有电磁离合器，电磁离合器与轮胎连接，电机输出轴、减速器、电磁离合器均采用紧凑的平键联接，同时四个直流电机均连接有用于控制转速的驱动控制器，驱动控制器通过脉冲宽度调制技术输入不同占空比的调节电压控制直流电机的转速；
[0022] 太阳能供电部分由太阳能光伏组件、蓄电池、太阳能控制器组成，太阳能光伏组件与太阳能控制器连接，太阳能控制器与蓄电池连接，太阳能控制器负责对光伏组件的发电状态和蓄电池的充、放电状态进行监控；太阳能光伏组件中的太阳能板采用CS5M32-260太阳能板，
峰值功率260W、峰值电压49.71V，峰值
电流5.25A，开路电压60.49V，
短路电流5.57A；蓄
电池组选用4
块190H52
阀控式全密封
铅酸蓄电池串联而成，电池规格12V/120Ah；
太阳能控制器选用SS48V50A型最大功率跟踪太阳能控制器。
[0023] 导航控制系统包括导航控制器、GPS接收机、电子罗盘、转速传感器、转速控制器，GPS接收机、电子罗盘的输出端与导航控制器连接，导向控制器通过CAN总线与转速控制器之间进行通讯，转速控制器的输出端连接有电机驱动器，电机驱动器与直流电机连接，直流电机与转速传感器连接，转速传感器的输出端与转速控制器连接；导航控制器主要完成GPS对喷灌机
位置数据的采集、电子罗盘对航向数据的采集、导航控制
算法的实现，控制命令的生成和输出。转速控制器也采用一片STM32F103芯片作为下位机，主要实现通过转速传感器完成对喷灌机左右轮速的采集、接收及执行导航控制器的控制指令。导航控制器与转速控制器间通过CAN总线进行通讯，实时发送控制指令给转速控制器，转速控制器根据接收到的数据，将调速电压
信号经D/A转换后输送到电机驱动器上，从而控制电机的转速来实现路径跟踪。采用CAN总线的目的是为了保证导航、控制等模块数据通信的实时性、完整性和可靠性，并为以后的功能扩展留有足够的余地。
[0024] 底部支撑部分采用边梁式，用断面为120mm×60mm的矩形槽钢焊接而成，同时为了提高土地利用率，不影响作物生长，两前轮间与两后轮之间均无连接轴。
[0025] 为了保持喷灌机具有较好的通过性和承载能力，喷灌机外形尺寸设计为左右轮距3.36m，前后轴距2.7m，车梁离地间隙1.3m，桁架离地间隙1.8m。
[0026] 直流电机为48V200W1800r/min直流电机分，直流电机的输出扭矩经减速比i＝36的行星齿轮减速器后再经传动比为1∶25的
蜗轮蜗杆减速器传递给电磁离合器进而传送给轮胎。
[0027] 直流电机及驱动控制器的连接有48V蓄电池。
[0028] 轮胎选用型号为8.3-20的普通人字形农用轮。
[0029] 导航控制器采用32位ARM微控制器STM32F103芯片。
[0030] 整个机组以太阳能光伏组件和蓄电池为电源，直流电动机作为动力，采用四轮差速转向。以喷灌机横向偏差和航向偏差作为控制输入变量，直流电机脉冲调制转速调节电压增量作为输出变量，构建基于线性比例控制的导航控制器，实现了对喷灌机两侧车轮转速的调节控制。导航控制系统以32位先进精简指令集机器微控制器STM32F103芯片为核心，集成导航控制器、转速操纵控制器、GPS、电子罗盘和转速传感器，采用控制器局域网总线结构进行通讯，实现喷灌机的自主导航控制。喷灌机自动导航控制系统能满足喷灌作业要求，并能较好地实现路线跟踪，系统可靠性较高。
[0031] 本发明的
说明书和附图被认为是说明性的而非限制性的，在本发明基础上，本领域技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中一些技术特征作出一些替换和
变形，均在本发明的保护范围内。
