Файл: В мире существует большое количество систем автоматизации комбайнов для зернового сельхозпроизводства.docx
Добавлен: 25.10.2023
Просмотров: 74
Скачиваний: 6
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Платы Arduino позволяют использовать большую часть I/O выводов микроконтроллера во внешних схемах. Доступно 14 цифровых входов / выходов, 6 из которых могут выдавать ШИМ сигнал, и 6 аналоговых входов. Эти сигналы доступны на плате через контактные площадки или штыревые разъемы. Также доступны несколько видов внешних плат расширения, называемых «shields» («щиты»), которые присоединяются к плате Arduino через штыревые разъёмы. Количество входов и выходов значительно увеличивается при использовании «щитов» ввода / вывода.
Интегрированная среда разработки Arduino - это кроссплатформенное приложение на Java, включающее в себя редактор кода, компилятор и модуль передачи прошивки в плату.
Среда разработки основана на языке программирования Processing и спроектирована для программирования новичками, не знакомыми близко с разработкой программного обеспечения. Язык программирования аналогичен используемому в проекте Wiring. Это C++, дополненный некоторыми библиотеками. Программы обрабатываются с помощью препроцессора, а затем компилируется с помощью AVR-GCC.
Таким образом, данная платформа сочетает в себе достаточные вычислительные мощности, размерность портов ввода / вывода, простоту и универсальность программирования. Небольшие размеры платы позволяют устанавливать ее в кабину комбайна, не отказываясь от обеспечения возможности альтернативного прямого ручного управления.
Недостатком платы является ее низкое рабочее напряжение, что исключает прямое управление исполнительными устройствами. Данная проблема решается с помощью использования контроллеров двигателей и реле.
Таким образом, функциональность данной платы достаточна для использования ее для создания системы управления зерноуборочным комбайном.
Кроме того, малые размеры платы позволяют установить ее также в масштабный макет для отладки алгоритмов управления.
Для управления движением зерноуборочного комбайна необходимо использовать подруливающие устройства, исключающие вмешательство во внутреннюю работу механизмов машины и обеспечивающие быстрый и простой монтаж / демонтаж системы, а также обеспечивающее альтернативное использование комбайна с помощью прямого ручного управления.
На данный момент ведущие производители предлагают практически идентичные устройства, отличающиеся качеством пластика в исполнении корпуса и страной изготовителем. В качестве образца производителя подруливающих устройств, можно назвать фирму Trimble. Её продукция представлена на рисунке 14:
Для сенсорной системы автоматизированной системы управления зерноуборочного комбайна используются следующие датчики:
Ультразвуковой датчик KLM-501 радарного типа, работает на отражение ультразвуковой волны от объекта, измеряемая дистанция 300..2000 мм.
Основные характеристики:
- рабочее расстояние 300..2000 мм;
- напряжение питания 10..30 В;
- ток нагрузки 200 mA;
- выходной сигнал 0..10 V;
- угол излучения 38 градусов.
Для отладки алгоритмов управления на масштабном макете используется менее мощный аналог датчика URM37 V3.2.
Оптический датчик диффузионного типа с программируемой дистанцией срабатывания в диапазоне от 0 до 50 см.
Основные характеристики:
- возможность программирования дистанции срабатывания - до 50 м;
- напряжение питания 10..30В;
- ток нагрузки 200mA;
- выходной сигнал PNP.
Ультразвуковой и инфракрасный датчики предназначены для совместной работы и корректировки данных друг друга. Ультразвуковой датчик позволяет получать данные по широкому фронту, а инфракрасный позволяет получать более точные данные, а также не подвержен ошибке при определении пустотелых объектов.
На масштабном макете аналогом данного датчика является датчик DFRobot Ambient Light Sensor:
Данный датчик обладает следующими характеристиками:
- рабочее напряжение 5 Вольт DC.
- ручная регулировка дальности от 3 до 40 см.
- выход: PNP
Для приёма сигналов GPS используется навигационный модуль Геос-1. Аналогов данного модуля на масштабном макете не предусмотрено, ввиду нехватки точности GPS для отслеживания отклонений от маршрута в масштабе макета. На масштабном макете точки для опорной траектории жёстко заданы при программировании. Отклонения от маршрута определяются лишь по данным ультразвукового и инфракрасного датчиков. Внешний вид навигационного модуля Геос-1 представлен на рисунке 18:
Основные характеристики навигационного модуля Геос-1:
- Сигналы: L1 GPS C/A, L1 ГЛОНАСС ПТ;
- Количество каналов: 24;
- Время первого определения, с: (холодный / теплый / горячий старт) 36/32/4;
- Основное питание, В: 3,3;
- Резервное питание: внутренняя батарея;
- Порты: 2*RS-232 или RS-232 +USB;
- Протоколы: NMEA 0183 v3.01 + собственный бинарный;
- Темп выдачи данных: 1 или 5 Гц (программируется);
3.Разработка технической и информационной структуры системы управления зерноуборочным комбайном
Эффективное выполнение функций АСУ зерноуборочного комбайна на примере масштабного макета возможно только на основе интегрированного применения технологий управления на аппаратном и программном уровне. Пробная интеграция этих технологий проводится в рамках масштабного макета.
В качестве основы для макета выбрана модель комбайна компании John Deere. Компания John Deere является мировым лидером на рынке сельскохозяйственной техники. Модель комбайна John Deere T670i позволяет продемонстрировать особенности современных комбайнов. В модели реализованы реалистичные детали, такие как открывающиеся двери кабины, многочисленные открывающиеся крышки, подвесная жатка с выравниванием, высокая маневренность комбайна, возможность перегрузки «зерна» из бункера выгрузным шнеком.
Модель комбайна John Deere T670i изготовлена из высококачественного пластика в масштабе 1:16 Она состоит из комбайна, съемной жатки и прицепа для перевозки жатки.
Внутреннее устройство макета комбайна:
1) Мотор-редуктор Tamiya 70110
2) Серводвигатель для открытия / закрытия шнека
3) Плата управления Arduino Uno R3
4) Плата управления двигателями Arduino Motor Shield Rev3
5) Bluetooth модуль Bee
6) Аккамулятор GP6120
7) Мотор постоянного тока для вращения шнека
8) Серводвигатель для поднятия / опускания жатки
9) Серводвигатель для управления поворотом макета
В макете использованы серводвигатели SM-S2309B. Данная модель серводвигателя выбрана ввиду ее высокой надежности и достаточного угла поворота (±60°). Всего для изготовления макета было использовано 3 серводвигателя. Серводвигатель SM-S2309B и его параметры изображены на рисунке:
Данный серводвигатель имеет следующее устройство:
В качестве управляющего сигнала служит импульсный сигнал с периодом 20 мс и с длительностью от 0,8 до 2,2 мс. Это общепринятый стандарт управления сервомашинок. Чем длиннее пришел импульс, тем на больший угол повернется вал сервомашинки. Форма сигнала представлена на рисунке:
Управляющий сигнал подается на серву по сигнальному проводу S. В данной сервомашинке он белого цвета. Помимо сигнального провода из сервомашинки выходят два провода - линии питания - земля (черный) и питание (красный):
Для движения макетов используется мотор-редуктор Tamiya 70110 с передаточным отношением 441:1, что обеспечивает достаточный для движения макета крутящий момент. Внешний вид мотор-редуктора представлен на рисунке:
В качестве источника питания был использован аккумулятор GP6120 с напряжением 6В. Данный аккумулятор обеспечивает надёжную бесперебойную работу макета в течение, как минимум тридцати минут. В качестве программируемого логического контроллера была использована плата Arduino Uno R3 с расширениями Arduino Motor Shield Rev3 и Bluetooth Bee.
Датчики установлены на внешней стороне жатки макета и соединены с контроллером посредством разъёма. В макете использованы следующие датчики: световой датчик - DFRobot Ambient Light Sensor, магнитный датчик Холла - DFR0033, ультразвуковой датчик расстояния - URM37 V3.2 Ultrasonic Sensor.
Размещение датчиков в жатке:
1) Жгут проводов для питания датчиков и передачи информации
2) Внешний монтаж ультразвукового датчика расстояния
Световой датчик расположен на внутренней части жатки, а датчик Холла - внутри ее корпуса. Информационные провода и провода питания собраны в единый разъём, подключаемый к макету комбайна.
Программирование платы Arduino производится через USB-B удлинитель, соединенный с разъёмом на самой плате. также на корпусе комбайна находится кнопка включения / выключения питания макета.
К плате Arduino можно подключиться к через разъем USB-B под боковой панелью для изменения программы управления, также можно получить доступ к модулю связи, для этого надо: подключиться к беспроводной сети комбайна.
4.Разработка информационной структуры АСУ зерноуборочного комбайна на примере масштабного макета
Для разработки системы необходимо сначала провести её объектное моделирование. Для этого используется язык UML. Необходимо построить объектную диаграмму, диаграмму использования и структурную диаграмму. С помощью них можно определить количество и тип информационных связей между компонентами системы, а также между ней и её потребителями. После этого необходимо провести анализ надёжности системы, основанный на вероятностях отказа элементов системы. Для этого используется программный комплекс «Арбитр». в нём строится Структурно-функциональная схема разрабатываемого комплекса и проводится расчёт. По результатам вычислений определяются наиболее узкие места системы и наиболее предпочтительные для резервирования элементы. После этого производится разработка схемы электрических подключений макетов сельскохозяйственной техники. После получения схемы электрических подключений производится разработка компоновки макетов. Окончательная компоновка производится во время сборки макетов для более тщательной подгонки компонентов.
После этого начинается этап разработки программного обеспечения комплекса. Сначала производится разработка программы управления макетами для микроконтроллера Arduino. Данная программа должна интерпретировать управляющие команды программы - центра управления и передавать ему данные с датчиков макетов. После этого проводится разработка программного обеспечения центра управления комплекса и системы навигации на основе технического зрения. Программное обеспечение центра управления на основе данных системы навигации и собственного алгоритма, а также настроек пользователя создает маршрут движения для макетов трактора и комбайна. Навигация на основе технического зрения строится на алгоритмах контурного анализа и использует видеокамеру для распознавания контуров, нанесённых на корпуса машин и передаёт данные о местонахождении макета относительно краёв поля программе центра управления.
После разработки всех программных продуктов производится их отладка и интеграция, а после этого - отладка и интеграция всех систем программно-аппаратного комплекса.
Unified Modeling Language (UML) - язык объектного моделирования третьего поколения, стандарт которого разработан консорциумом Object Management Group (OMG). Язык UML может использоваться для разработки систем и программного обеспечения, предназначенных для применения в самых разных областях. В настоящее время UML используется для проектирования различных информационных систем - начиная с ПО систем инвентаризации и заканчивая ПО систем управления летательными аппаратами. Всякий поддерживаемый стандарт со временем изменяется: в нем исправляются ошибки, реализуются новые идеи и исключаются неудачные элементы. В настоящее время UML используется в проектах по моделированию и созданию систем, весьма значительно различающихся по своему масштабу - от проектов, в которых участвует группа разработчиков из нескольких человек, до систем, в разработке которых участвует несколько тысяч человек. UML обладает всем необходимым для моделирования, своевременной обработки событий и управления ресурсами, которые характеризуют современные встраиваемые системы и системы реального времени.
В качестве средства разработки на UML был выбран Rhapsody Modeler ввиду его функциональности и открытой лицензии. В данной программе были разработаны объектная диаграмма, диаграмма использования макета внутри всей системы и структурная диаграмма макета.