基于双激光源的水田作业机械导航定位系统电路设计
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。
关键词：双激光源；定位；导航；硬件电路；作业机械
Circuit Design of Navigation and Localization System of Paddy Field Working
Machine based on Double Laser Source
XIONG Zhong-gang， LINGHU Jin-qing， WU Ting-qiang， ZOU Jiang
（College of Engineering and Technology， Zunyi Normal College， Zunyi 563002， Guizhou， China）
Abstract：In order to provide some important information including accurate position， heading angle， front wheel steering angle and speed and to complete the corresponding control action for the navigation and localization system of the paddy field working machine， the circuit of navigation and localization system of paddy field working machine based on double laser source was designed. The circuit of the system was composed of the laser transmitter， receiver， and the central processing unit. The field experiment showed that the navigation and localization system was better able to complete the requirements of field operations， when the speed of paddy field working machine was lower than 1.5 m/s.
Key words： double laser source； location； navigation； hardware circuit； working machine
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。
3 激光接收靶电路设计
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。
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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