(广东利元亨智能装备股份有限公司)
摘要：移动机械设备的关键作业系统都需要实时采集地速数据作为控制系统的输入量，本文以拖拉机测速系统设计为例，对比了基于雷达测速、GPS定位、旋转编码器、霍尔传感器、五轮仪的五种常用的移动机械设备测速传系统的优缺点，最终选用基于霍尔传感器的测速系统来实现拖拉机的测速。本文对测速系统的硬件设计和软件设计进行了详细介绍，对测速系统的测速精度进行了测试，结果表明，在0.5 m/s～2.0 m/s速度范围内，拖拉机测速系统的测速数据方差值较小，测速误差小于2%，说明测速稳定，满足移动机械设备对测速精度和测速稳定性的要求。
关键词：移动机械；测速；霍尔传感；精细作业
引言
精准农业智能作业系统包括联合收割机智能测产系统、变量施肥施药系统、农田作业机械导航系统等，这些精准农业关键作业系统都需要实时采集地速数据作为控制系统的输入量，进行实时产量计算或调整肥料、农药等物料的排放率[1]。在农业智能作业测速系统的研究领域中，张宾等结合高速时高精度的M法测速和低速时高精度的T法测速，实现了对轮式拖拉机瞬态滑转率的高精度测量。付卫强等等开发了一种具有CAN总线接口的农用低成本轮速测量系统[3]，该系统通过测量安装在车轮附近的霍尔接近开关产生的脉冲信号来计算轮速，为变量作业设备提供实时可靠的速度信息。孟志军等等对比多种不同测速设备，其试验和分析表明，低成本单点定位GPS和霍尔元件在正常旱田作业条件下，可以作为精准农业智能装备有效的测速手段。本文设计的测速系统通过获取一定时间段内霍尔传感器检测到脉冲数来测量行驶速度，为拖拉机的精准作业系统提供参考地速。
1拖拉机测速系统硬件设计
1.1测速传感器方案选择
（1）低速雷达测速仪：测速雷达是一种基于多普勒原理的测速仪器，相关研究文献也多认为这种测速方法精确度较高，国外许多商品化智能农业装备中多采用多普勒雷达测速的方法[4]。测速雷达测速范围可达到0～300 km/h，在不同测速范围，其测量误差不相同。
（2）GPS测速系统：GPS 定位设备是精准农业变量作业系统的重要组成部分，GPS除了具有定位功能外，还能输出作业机械的对地速度。
（3）旋转编码器：将旋转编码器安装在轮子中心，通过计算单位时间编码器输出的脉冲数来计算行驶速度。
（4）霍尔传感器：在轮毂边缘等间隔放置强磁钢，使用霍尔传感器能够检测轮毂边缘磁性的强弱变化而输出脉冲信号，通过计算单位时间的脉冲数来计算行驶速度。
（5）五轮仪：五轮仪分接触式和非接触式两种，用于汽车道路试验的一种常用仪器，它可以准确地测定汽车行驶的距离并计算出车速。
由于雷达测速在农田有作物生长的状况下其累积误差较大[1]，GPS测速系统存在稳定性低和延迟明显等问题，旋转编码器安装难度大等问题，五轮仪测速系统成本高，本文选用基于霍尔传感器的测速系统。
1.2 测速系统构成
基于霍尔传感器的拖拉机测速系统包括用于分析数据的ATmega16处理器、霍尔传感器、磁钢、ZigBee无线通信模块。
（1）霍尔传感器参数分析
霍尔传感器由电压调整器、霍尔电压发生器、差分放大器、施密特触发器和集电极开路的输出接口组成的磁敏传感器，其输入为磁感应强度，输出是一个数字电压信号。本文选用型号为CHE18-15N11-H710的霍尔传感器。
（2）磁钢选型与布局
由于轮毂边缘较平整部分的宽度20 mm，为了增强磁场，选用了长宽高尺寸为20 mm×15 mm×5 mm钕铁硼磁铁。为提高测速精度，将每相隔30mm距离安装一个磁铁，则共需安装63个磁铁。磁铁与霍尔传感器的具体安装位置如图1所示，其中霍尔传感器探头固定于离磁钢N极表面5 mm～10 mm的位置上。
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图1 测速系统中磁铁与霍尔传感器安装图
1.3 测速系统电路设计
（1）测速系统电源模块
测速系统中的霍尔传感器供电电压范围为5~30V，本文使用5V；测速系统处理器和ZigBee无线通信模块电源电压为DC-3.3V，本文采用AMS1117-3.3降压稳压后提供3.3 V电压。
（2）霍尔传感器测速电路
本文使用ATmega16的16位计数器T1采集霍尔传感器输出的脉冲数，霍尔传感器有两路集电极开路输出接口，需要在传感器输出引脚2和引脚3上接上拉电阻才能输出数字信号，为防止单片机I/O口的灌电流过大，使用了电阻限流。
2 拖拉机测速系统测速准确率试验
2.1 测速准确率试验方案设计
1）速度计算方法
若已知后轮转一圈所行驶的距离L，后轮转一圈对应的脉冲数P，实时测量脉冲数N和扫描频率ƒ，还可以利用下列公式计算速度v。
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2）后轮转一圈的行驶距离标定
由于机具工作环境、轮胎渗漏等影响，轮胎充气量会产生变化，后轮转一圈所行驶的距离会有一定变化。因此需要对后轮转一圈的行驶距离进行测量标定，此距离将对应63个霍尔传感器输出的脉冲数。
试验时，在后轮的某一位置贴上定位胶带，并在地面用石灰标记起点位置，当拖拉机向前行驶，定位胶带转回原来的位置时，制动拖拉机，并标记为终点位置，用皮尺测量起点位置与终点位置之间的距离，则此距离为后轮转了一圈做经过的距离。
3）试验方法
试验时，用电脑接收速测系统实时传回的速度值，并将速度值存储excel表格中；每次测速试验均用秒表记录该次拖拉机行驶30 m距离所用时间t，进而计算出速度平均值作为本次试验的速度真值，将测速系统的测量值与此速度真值进行对比，得出测速系统的准确性和稳定性。
为验证测速系统低速行驶时的测速准确性，分别在0.5 m/s、1.0 m/s、1.5m/s、2.0m/s共4个速度段对拖拉机进行测速试验，每个速度段各试验3次，一共记录12组试验数据。
2.2 测速准确率试验结果与分析
1）后轮转一圈的行驶距离标定
后轮转一圈的行驶距离3次标定结果分别为3340mm、3270mm、3300mm，由数据可知后轮转一圈所行驶的平均距离约为3303 mm。
2）测速准确率试验结果与分析
分别对4个速度段的3次试验结果求平均值，取10个数据点，得到如图2所示的不同速度段下的速度散点图，图中虚线为对应速度段的速度平均值。观察可发现，采样点的速度测量值与平均值接近，0.5 m/s、1.0 m/s、1.5 m/s、2.0 m/s速度段对应方差分别为0.01、0.01、0.03、0.06，4个方差值均较小，说明测速系统比较稳定，测速误差在小于2%
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图2 测速系统不同速度段下的速度散点图
3结束语
本文对比了5种常用的拖拉机测速传感器的优缺点，最终选用霍尔传感器作为测速系统的测速传感器，试验结果表明，在0.5 m/s～2.0 m/s速度范围内，测速试验的数据方差值较小，测速误差小于2%，说明测速稳定，满足移动机械设备对测速精度和测速稳定性的要求。机械作业时，可能存在由于地面松软不平整、轮胎充气量变化、地面湿滑等原因造成车轮滑转等情况，从而造成测速的不准确性，建议今后将车轮滑转问题考虑紧拖拉机测速系统中，以提高测速的准确性。
参考文献：
[1]孟志军，刘卉，付卫强，等．农田作业机械测速方法试验[J]．农业工程学报，2010，26（6）：141－145．
[2]张宾，余群． 轮式拖拉机瞬态滑转率的测量装置[J]． 中国农业大学学报，1997，2（4）：48－52．
[3]付卫强，黄文倩，孟志军，等．具有CAN接口的低成本农用测速模块开发[J]．微计算机信息，2008，24（22）：171－172．
[4]周慧，鲁植雄，白学峰，等．四轮驱动拖拉机滑转率的测量与特性分析[J]．山东农业大学学报（自然科学版），2013，44（3）：423－427．