1系统硬件电路设计
1.1步进电机驱动电路设计
步进电机驱动电路(见图3)主要由细分电路、驱动控制芯片和光耦隔离电路组成。步进电机转动的角位移和输入的脉冲数目要求严格成正比。如果按照整步的工作方式，会受到步进电机振动大、噪声大等影响;运用细分，不仅可使振动和噪声减小，且可以减小步进电机误动作产生的平台倾斜度偏移，从而减小激光定位的误差;并且，细分数取得越高，在远端产生的偏移量越小。为了使步进电机工作的误差尽可能的小，本设计中驱动电路采用高细分步进电机驱动芯片THB6128。图3中，M1、M2、M3端为细分的设定端，根据这3端所提供的高低电平的不同，有1、1/2、1/4、1/8、1/16、1/32、1/64、1/128多种细分可选，当三端全为高电平时，细分为128。CW/CCW端为电机正反转控制端，CW/CCW为低电平时，电机正转;反之，电机反转。ST/VCC端为低电平时，THB6128进入待机，功耗极低。另外，为了防止对电源或对地短路，该芯片内置温度保护及过流电路。驱动芯片与单片机相连的端口均采用光耦隔离，U8、U10、U11为光耦隔离，防止电机驱动电路与单片机控制电路产生干扰;LED可以直观显示隔离控制的通断。
1.2激光旋转控制电路设计
激光发射电路主要由步进电机驱动电路、激光发射控制电路、光耦隔离电路及细分电路构成，如图4所示。激光发射器控制电路主要完成控制激光发射器发射和转动，保证其发射的激光能实时完成激光接收靶跟踪，使农田平地机被实时控制。由单片机输出的激光发射器发射信号通过光耦隔离电路后输入激光发射器控制电路。其中，JG为单片机P46端口的控制输出端，U17为电路的光耦隔离器。激光发射器的旋转由步进电机驱动电路控制，由单片机输出信号控制THB6128的使能、脉冲及方向端从而控制激光发射器的旋转。
1.3电源电路设计
电路选择采用简单高效电源芯片LM2576，该稳压器是单片集成电路，能实现热关断和电流限制保护，能驱动3A负载。控制核心的电源设计如图5所示。在直流电源输入端加入TVS瞬变电压抑制二极管PK6E22A，该二极管能在收到反向瞬态高能量冲击时，迅速将两极间的高阻抗变为低阻抗，同时吸收高达数千瓦的浪涌功率，有效地保护电子电路中的电子元器件免受浪涌脉冲的破坏［4］。为了防止功率地跟信号地之间的互相干扰，在电源电路设计中，功率地和信号地之间加入了电感L2进行隔离。
2系统软件设计
由于农田平地机激光发射平台调平控制系统的工作环境的恶劣性，易对数据的采集造成干扰，再加上倾角传感器自身存在的温度漂移等，会加大倾角数据采集的误差。因此，对倾角传感器采集的数据时，先采用基于限幅滤波法和递推算术平均值滤波算法相结合的复合滤波法算法对数据进行预处理［5］，接着采用角度偏移与温度变化的三次曲线对倾角传感器温度漂移进行补偿，提高数据采集的准确性［6］。另外，由于步进电机的非线性特征，对其非线性参数进行整定较困难，而常规的PID算法由于参数整定过程繁琐，实施起来较复杂，并且在越接近预设的目标值时，越容易产生超调而抖动，影响其控制效果的进一步提高。因此，采用基于ＲBF神经网络的PID算法控制器对步进电机进行控制，能保证步进电机控制系统的响应性能提升，响应时间缩短，动态性能、自适应性和鲁棒性更佳。系统总体流程图，如图6所示。系统初始化后，首先进行倾角数据采集，系统采集当前的平台的倾角数据后，经过滤波和补偿处理，直接交给单片机进行判断:如果到达调平的预设值，则结束。没到达预设值的话，如果是大于预设值，则电机正转，控制平台支腿进行相应的伸缩调整平台的倾斜度，再重新进行数据采集;如果小于预设值，则电机反转，控制平台支腿进行相应的伸缩调整平台的倾斜度，再重新进行数据采集。如此反复进行平台调整，直至达到预定的平台倾斜度为止。
3试验分析
本文设计的农田平地机激光发射平台调平控制系统主要是为提高农田平地机的双激光源定位系统的精度做准备，在双激光源定位系统中发挥重要的作用。而整个调平过程中，由于倾角传感器和调平电机的特性，此控制系统主要受温度影响。所以，本试验在激光发射器校准完成后，设计了在加入基于ＲBF神经网络的PID控制方法对电机控制，并在不同温度环境下的试验。将调整平台置于不同的温度环境中，同时让激光器支座处于允许的任意倾斜角度状态，分别测试支座在大倾角(20°～30°)和小倾角(10°左右)状态下系统调整的可靠性。
1)13℃时，大角度调平试验数据如图7所示。
2)13℃时，小角度调平试验数据如图8所示。由图7、图8可知，采用基于ＲBF神经网络的PID控制调平时，在农平地过程中调平过程的前期，调平速度快，当角度越接近目标角度时，速度明显减慢;若达到调平要求的预设精度值0．03°时，调平停止;而且在调平过程中很少出现超调和振荡，当倾斜角度较小时，调平完成的时间相对较短。
3)25℃，大角度调平试验数据如图9所示。
4)25℃，小角度调平试验数据如图10所示。由图9和10可知，当温度变化时，平台大倾斜角度和小倾斜角度的调平规律与图7和8相似。这说明经过加入基于ＲBF神经网络的PID控制方法后此系统受温度影响不大。
4结论
为了测试该农田平地机的调平控制系统的可靠性以及算法的有效性。将此调平控制平台分别至于不同温度环境下进行农田户外试验。试验结果表明，平台响应速度快、可靠性高、调平精度较高，可满足农田平地机双源激光定位的要求。
作者：戴宁湘 蒋蘋 罗亚辉 胡文武 单位：湖南农业大学 工学院
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