摘   要: 为解决农业车在不同地形( 尤其是在山地) 的作业问题，设计了一款基于 STM 32 F103 ZET6 单片机的多功能遥控农业车，可配套作为运输车、割草机及打药机等设备的动力底盘。智能遥控农业车采用遥控履带底盘，主要包括底盘机架、控制两侧行走的第一驱动电机和第二驱动电机。农业车通过内部程序和外部接收器进行遥控操控运动，保证在不同地形实现车的多角度运动。遥控农业车以 STM 32 F103 ZET6 为核心处理器，将遥控器接收机与单片机相连，通过输入捕获程序获取 PWM 脉宽值，再进行计算获取输入电机的电压，最后通过 DAC 转换成模拟量输出。电机油门线在输入电压为 0.8 V 时启动，3 V 时达到设定最大速度，控制器处理实现了数模转换，输出对应电压值。通过实地测试，水泥、泥泞和碎石道路均可正常通过，坡度角度可控制在 30 ° 以内。
关键词: 遥控农业车; 电机控制; 履带底盘; STM32 单片机; PWM
引言：随着科技飞速发展，智能农业机械发展也势不可挡，传统农业迎来新发展空间。智能化农业的改革、提高了农业生产效率，将是未来很长一段时间要努力发展的方向［1－3］。在国外，尤其是美国和德国，有关人工智能移动机械的研究经验和成果已经相对成熟: 一是研究起步早，二是各方面支持资金充裕。反观我国的农业机械，由于地域复杂、缺少核心技术、盲目引 进、市场不完善等原因，导致我国农业机械智能化水 平较低［4］。在移动机械设备中，农业车辆作为当代农 民基础的农业机械化应用，其智能化具有更广泛的应 用前景。针对上述问题，设计了一款操作简单并具有 遥控功能的智能农业车，可通过遥控完成前进、后退、左转、右转、原地转圈及在某处制动作业的要求。该农业车可配套作为运输车、割草机、打药机等多种设 备的动力底盘，满足山地、丘陵等困难地形的作业要求，具有很高的经济效益和社会效益。
一、农业车总体结构与主要功能
1、样机结构
      遥控农业车主要分为机械部分和遥控部分，如图1 所示。








1.       驱动电机    2．底盘机架    3．履带    4．负重轮
5．拓展机架    6．电瓶    7．电气控制箱    8．驱动轮。
图 1 农业车结构图
2、主要功能要求
      多功能遥控农业车要求作业范围较广，可适应多种地形，且具有一定的爬坡越障能力，还要求动作迅速平稳。因此，设计要满足以下要求:
（1）利用遥控操控多功能农业车的运动轨迹，考虑到使用者的知识水平有限，要保证操作简单易行。
（2）采用履带底盘，令田间或山地作业更加便利， 在斜坡工作时稳固，不易翻车，便于工作。
（3）使用闭环元件，并将工作的状态随时反馈给控制系统，从而使电气系统从一定程度上满足其可操作性与稳定性，为操纵系统的一系列指令提供数据基础，使农用车的动作满足一定的精度要求，避免死机现象。
二、控制系统硬件设计
1、主控制器
      本设计主控制器选择 AＲM 公司生产的 M 系列意法半导体芯片 STM32F103ZET6，32 位微控制器，储存空间和内存较大，72M 频率令 CPU 运行速度最大化，多个定时器确保信号通道的独立性，使农业车接收信 号顺畅无卡顿，高速、低成本且可保证小车各个动作 的可控性［5］。
2、电源及中间继电模块
      为减小误差，实现控制器与农业车共地，选择农业车内电瓶为主控制器提供 24V 电源，设置两组电源输入/ 输出接口，其中两组 5V 输出口分别为接收机和继电器供应电压［6］。为防止传输过程中电流过高及更直观检测到信号的切换，将继电器与控制器数字量引脚连接。5V 电源输入输出如图 2 所示。








图 2 电源输入输出接口
3、启动模块
      设计采用一键式下载电路，提前设置好  BOOT0 =0，通过串口的信号自动配置。启动模块电路如图 3所示。








图3 启动模块
4、数模转化模块
      设计采用 12 位数字输入数模转换模块，通过该模块输出模拟量电压，且数据设置为向左对齐。数模转换模块设有 2 个输出通道，且每个输出通道配有独立的转换器。在双数模转换的方式下，所有通道既可单独工作，也可共同工作，且能够同步更新通道的输出。数模转化模块电路图如图 4 所示。








图 4  DAC 模 块
5、无线数传模块
      将 32 单片机与无线数据接收机相连，选用Ｒ12DS 型号接收机作为 2.4G 混合双扩频技术十二通道接收机，支持 SBUS 和PWM 信号同时输出。每个遥控器都拥有独立 ID 编码，使用设备前接收机必须与遥控对码; 对码完成后，接收机会贮存遥控器 ID 编码，且对码仅一次即可。无线接收机如图 5 所示［7］。







图5 Ｒ12DS 无线接收机
6、定时计数模块
      定时计数模块用于测量接收到的信号脉宽。计时器均设为独立运行，相互之间无资源共享，每个计数器设有 4 个独立通道，计数器时钟分频系数设定为1 ～ 65 535 之间的一个值。
三、控制系统软件设计
1、软件设计基本思路
     软件部分设计可通过库函数进行编程，也可直接利用寄存器。库函数就是封装寄存器的底层操作，两者操作大同小异。
2、姿态控制系统原理及设计设计
      主要针对多功能遥控农业车姿态控制系统。遥控接收器将遥控 PWM 信号发给 32 单片机，STM32F103 微控制器根据不同的 PWM 脉宽进行不同判断。为适应在不同地形行走，利用姿态控制算法对电机转速进行调整，依据公式输出不同电压给控制 器，进而控制电机运动方向及转速，实现前进、后退、左转、右转、原地转弯等功能［8－10］。
        图 6 为基于 STM32 多功能遥控农业车的前进后退流程图。当遥控接收机一个信号之后，接收机 CM3 通道接收到后传至单片机，判断其 PWM 脉宽是否在1550 ～ 1900μs 之间; 若接收到的 PWM 值位于此区间则执行下一步，通过( pwm － 1550)  × 8． 4 + 1000 进行计算，得出应输出的电压，并通过 DAC 数模转换传送出去，分别通过两个管脚供应给直流电机控制器，控制 器再传送至直流电机，电机正转、前进。如果此时接 收机接收到的 PWM 值不属于 1550 ～ 1900μs 之间，接着判断其是否属于 1080 ～ 1450μs 之间; 如果此时满足条件，则再利用姿态控制算法进行分析，通过公式得 出电压值。在输出电压之前，首先需要控制继电器开 关闭合，此时接通电机的反向线;  同前进一样，此时电机通过控制器控制反转，农业车后退。最后，如果输 入的值均不在这两个范围内，则农业车应处于制动状态。














图 6    前进后退流程图
       图 7 为基于 STM32 多功能遥控农业车的左右转流程图。此转向借鉴阿克曼转向原理，利用左右轮差 速进行转向。接收机 CM4 通道接收到 PWM 值后先进行判断，看脉宽是否小于 1 400μs; 满足条件后进行下一步，判断 PWM 脉宽是否在 1 100 ～ 1 200μs 之间。如果满足条件，需要继电器接收低电平信号开关闭合转接反向线，电机反转，PA4 输出电压上升，PA5 电压保持原输入不变，此时快速左转; 若不满足 PWM 脉宽在 1 100 ～ 1 200μs 之间，再一次判断，是否 PWM 位于 1 200 ～ 1 400μs 之间，此时令 PA4 电压输出降低， 而 PA5 电压输出保持不变，亦可进行缓速左转。当脉宽不小于 1 400μs 时，进行另一判断，看 PWM 信号是否位于 1 500 ～ 1 700μs。若满足这个范围，继电器开关闭合，接电机反向线，此时 PA5 输出电压上升，PA4电压保持原输入不变，农业车加速右转。接着进行判断，若此时 PWM 信号位于 1 500μs 到 1 700μs 之间，PA5 电压输出降低，而 PA4 电压输出保持不变，小车慢速右转。最后，若以上范围都不满足，小车应该选择制动［11－13］。













图 7   左转右转流程图
3、输入捕获配置步骤
（1）初始化定时器和通道对应的时钟;
（2）初始化 IO 口、定时器、输入捕获通道［14］;
（3）开启捕获中断，使能定时器，设置中断服务函数。
4、数模转换设计
（1）开启 PA 口时钟;
（2）使能 DAC1 时钟;
（3）初始化 DAC 并设置 DAC 的工作模式;
（4）使能 DAC 转换通道;
（5）设置数模转换的输出值。
四、样机性能试验
       多功能遥控农业车样机如图 8 所示。通过对样机实地测试，测得不同情况下电机的最大转速和爬坡 角度、平均运行速度、遥控距离等参数，分别如表 1 和表 2 所示。由表 1 和表 2 可以看出: 遥控农业车在悬空状态下、水泥路、田间泥土地下行走时均可以保持 电机转速在 200r / min 左右。这说明，该车稳定可靠， 满足各种情况下的作业。在性能测试上，无论泥泞还 是水泥亦或多石路面，均可保证 30°爬坡能力; 平均运行速度保持 15km / h，速度均衡，便于作业; 可操控距离较长，操作人员可远距离跟随。








图 8 多功能遥控农业车样机

表2 电机转速测试
五、结论
       针对农业车在不同地形作业的问题，设计了一款多功能遥控农业车。以 STM32F103ZET6 微处理器为核心，通过相应算法对遥控信号进行一系列处理，最终以模拟量输出到电机，对农业车进行操作。试验表明: 农业车不仅操作简单，而且适用于山地、丘陵、公路、多石泥泞道路等多地形，可满足 30° 爬坡需求，具有驻车再启动等功能。与其它农业作业车相比较，该车除适用人群广、操作简单外，还具有较大的负载能力和更强的配套性，可以与割草机、打药机、旋耕机及施肥机等相搭配，使农业作业更加方便快捷，具有很高的经济和社会效益。
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