智能装备 | 基于TTcontrol移动式程控单元的设施移动智能装备关键技术
温室智能装备系列之一百一十二
基于TTcontrol移动式程控单元的设施移动智能装备关键技术
设施移动智能装备技术是指在设施温室环境中，能精确按照预定轨迹移动到指定位置进行作业，并基于传感器采集外界信息进行决策，实现变量精准田间作业。该技术的关键点是移动模式下的控制处理系统，控制处理系统一是要满足在恶劣农田环境下的移动控制，二是要对各种信息进行精准决策判断，很重要的一点是遇到控制错误要及时地消除错误，避免出现田间作业事故。对设施智能作业装备技术而言，要满足上述要求，电控单元（ECU）是关键的决定因素。
基于TTcontrol移动程控单元是TTTech Computertechnik AG 和 HYDAC International GmbH的合资公司的创新技术，该技术目前成为国际主流农机装备行业的主流技术之一。由于中国对该技术研究应用较晚，相关的技术普及程度较低，因此在设施移动智能装备领域，相关技术人员及企业主对该技术的发展趋势认识不够清楚。文章重点从设施智能作业装备应用角度总结。
该技术的优点包括硬件和软件两个方面，硬件方面，该技术具有高性能的ARM Cortex®双核锁步系统处理器，同时配备了紧凑坚固的金属外挂外壳，非常适合温室移动作业装备使用；软件方面，具有非常灵活的可自由编程的代码，兼容功能强大的PLC软件编程工具。由于该技术研制的出发点是装备作业时控制系统的安全性，避免因受到外界电磁干扰而发生控制错误，因此对于温室环境空间相对有限，作物经济价值较高的实际情况，该技术能有效的避免作业装备在自动控制作业过程中，发生的对温室墙壁的碰撞和温室作物的碾压。
设施智能作业装备首先要解决移动作业时对操作人员、农作物及温室结构的安全问题，稳定和可靠的控制技术将是设施作业装备关键技术发展新趋势。
作为一种农业装备上应用的新技术，基于TTcontrol移动式程控单元包括三部分：内置ECU、I/O接口和金属壳（图1）。其中内置ECU具有内存保护机制，这对设施智能作业装备的研究开发者来说，编写的代码即使存在一定程度的缺陷，如果程序运行过程中出现执行错误或其他干扰因素，控制器自身能及时快速的消除这种错误。解决这一问题的具体技术原理如下：如果由于程序编写时存在不安全的地方，在程序运行时出现问题，系统可自动关闭三组输出并开启陂行返回功能。
I/O接口是该系统的一大特色，采用套件方式的接口具有多种配置选项，对一组I/O接口可配置为电压输出，数位输出或模拟输入，根据控制的需要通过设置很快就能完成，这对物理电路的搭建来说，节省了大量的时间。同时接口还具有网络接口，可以通过网络接口下载和调试程序，这对于处于中试阶段的装备来说，具有很好的适用性。
基于TTcontrol移动式程控单元采用一个核心来控制外围的执行器和传感器，通过强大的控制逻辑和兼容性构建一个超级中央式架构。这种技术路线最大的好处是减少配线和研发工作，将成本最小化。对于温室作业装备，采用尽可能少的线束不仅能简化装备的结构，也可以节约成本并提高使用寿命。通过软件程序的升级，使得系统具有一些特殊的功能，例如将精准施药装备改造为精准土壤消毒装备。
基于TTcontrol移动式程控单元还具有诸多的外围扩展模块，设施智能作业装备研制时可以根据需要，将一些通用的功能（如农药流量检测、肥料排量检测、拖拉机轮子速度等装置）通过外围扩展模块连接，为系统的简化设计提供更多技术方案。
应用多样化
关于移动式程控单元的应用研究，国内目前是起步阶段，设施智能作业装备上的技术应用模式可见图2所示。基于人机终端的在线监控，可以对多个作业装备的参数进行同时调控。由于移动式程控单元采用标准化的CANopen协议与从属模块通信，因此温室的作业装备可实现一个大脑的集中控制。
成本降低化
设施智能作业装备的成本包括研发成本、维护成本和购置成本。研发成本是其中的最大一部分，精准可靠的设施智能作业装备研发需要多轮的磨合和熟化。移动式程控单元的应用可以加快研发进程，并降低研发成本。维护成本也是设施智能作业装备的一个难题，由于移动式程控单元在物理封装、接口电路贺处理算法上的多重可靠性保证措施，设备运行过程中，故障率会明显的下降直到无故障率，因此，移动式程控单元的规模应用能有效的降低控制系统的维护成本。随着该技术在中国的逐步普及，进一步通过在设施农业中的规模化推广和应用，购置成本会不断下降，该技术未来的发展趋势是在温室装备领域完全替代复杂的嵌入式系统，成为智能装备开发的重要平台。
作者：马伟（北京农业智能装备技术研究中心）
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