拖拉機(jī)自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要：通過對早期拖拉機(jī)進(jìn)行油路的改造，增加使用電控的比例液壓閥，并且合理的增設(shè)電控單元，從而實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化的轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)。通過分析油路改變以及安裝電控比例液壓閥、設(shè)計(jì)電控單元等，自動(dòng)轉(zhuǎn)向經(jīng)過試驗(yàn)結(jié)果的證明具備良好的響應(yīng)性能，實(shí)現(xiàn)對于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)基本要求和需要。

關(guān)鍵詞：拖拉機(jī) 自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng) 設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：S219 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-3973（2013）010-121-02

本文通過對自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)重點(diǎn)分析，應(yīng)用PD算法，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)和田間實(shí)驗(yàn)的手段，獲得試驗(yàn)的結(jié)果。自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)包括：電控液壓下的比例換向閥、改裝油路、實(shí)現(xiàn)電控單元、安裝和使用無觸式的磁阻角度傳感器、SD卡存儲(chǔ)系統(tǒng)的應(yīng)用、搭建CAN總線的通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。

1 拖拉機(jī)自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)是現(xiàn)階段實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械化、自動(dòng)化導(dǎo)航的核心技術(shù)之一。國內(nèi)、國外對于自動(dòng)轉(zhuǎn)向技術(shù)的革新及發(fā)展進(jìn)行諸多技術(shù)理論等方面的研究。目前，最常用的方法是電動(dòng)機(jī)和電液的控制兩種方式。

在國外，自動(dòng)轉(zhuǎn)向經(jīng)過不斷的鉆研以及實(shí)踐的積累，自動(dòng)轉(zhuǎn)向技術(shù)已經(jīng)日趨成熟，如QiuH、ZhangQ提出了拖拉機(jī)的電液操控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，有液壓泵、轉(zhuǎn)向控制器（EUD）、比例轉(zhuǎn)向閥等零件構(gòu)成。

在國內(nèi)的發(fā)展，電動(dòng)機(jī)的控制方式最為常見，應(yīng)用存在彈力的張緊帶和同步進(jìn)行的齒輪帶，通過兩種傳送帶將電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩傳向方向盤轉(zhuǎn)換軸上，幫助插秧機(jī)最終實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化、機(jī)械化的轉(zhuǎn)向控制；另一種模式為，采用直流的小功率電動(dòng)機(jī)，通過對摩擦輪的驅(qū)動(dòng)作用，最終實(shí)現(xiàn)插秧機(jī)的機(jī)械化、自動(dòng)化轉(zhuǎn)向控制；還可以通過對全液壓的轉(zhuǎn)向器、驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、電磁的換向閥以及液壓的其它連接零件進(jìn)行加裝，最終實(shí)現(xiàn)拖拉機(jī)的自動(dòng)轉(zhuǎn)向技術(shù)的應(yīng)用。

電液的控制轉(zhuǎn)向系統(tǒng)方法的優(yōu)勢在于，具備對設(shè)備擁有較大的功率、響應(yīng)速度較快的有效控制等特點(diǎn)，應(yīng)用在大中型的農(nóng)田作業(yè)的機(jī)械導(dǎo)航中最佳。

2 自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

拖拉機(jī)的自動(dòng)轉(zhuǎn)向的控制系統(tǒng)有兩個(gè)部分組成，第一部分：液壓部分，包括比例電控閥、改裝油路組成；第二部分，控制單元部分，由MCU以及周圍的電路、具備ARM9嵌入式系統(tǒng)的上位機(jī)、角度傳感器組成。輸入輸出的控制量是幫助上機(jī)起決策作用，車輪目前位于的位置作為角度傳感器的測量的反饋量。

3 硬件系統(tǒng)部分

3.1 建立電控液壓的轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)

結(jié)合拖拉機(jī)具備的具體的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，構(gòu)建一種可以直接實(shí)行電液控制的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，在未改裝之前的油路并聯(lián)安裝一個(gè)轉(zhuǎn)向的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，即并聯(lián)的轉(zhuǎn)向器在電路控制下發(fā)揮作用，也成為一個(gè)電路控制下的液壓閥門，即在初期的手動(dòng)控制轉(zhuǎn)向的方向盤和液壓控制下的轉(zhuǎn)向器，通過改造組成一個(gè)電路控制下的液壓電磁閥結(jié)構(gòu)。通過并聯(lián)安裝比例電控閥、O型三位四通液壓電磁閥。同時(shí)安裝安全溢流閥門保證油路面油壓的正常。

油路面上，添加了油管以及油路轉(zhuǎn)換切換的閥門進(jìn)行安裝。并聯(lián)電流控制下的液壓閥單元以后，在自動(dòng)系統(tǒng)控制系統(tǒng)實(shí)施操作時(shí)，換向閥從初期的通過對方向盤進(jìn)行手動(dòng)轉(zhuǎn)向到自動(dòng)化控制油路。電流控制液壓閥門的部分實(shí)現(xiàn)有效的控制流量，最終的目的是實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)向速度的控制；換向的電磁閥門最終的目的是，對油路的方向?qū)崿F(xiàn)自由的切換和控制，從而控制對前輪子左、右方向的切換和控制，溢流閥門的設(shè)置是為了更好地保護(hù)整個(gè)油路的路面。

3.2 自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制單元的硬件電路

自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制單元的硬件電路設(shè)備主要是采用單片機(jī)的型號(hào)為C8051F040作為整個(gè)電動(dòng)機(jī)自動(dòng)化轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制器，聯(lián)系單片機(jī)的周圍的電路，更好的發(fā)揮對電流控制下液壓閥門的驅(qū)動(dòng)功能、對轉(zhuǎn)向角度進(jìn)行有效的測量以及上位機(jī)器的通信等功能。

采用ARM9嵌入式系統(tǒng)的上位機(jī)通過對外界RTK-DGPS信號(hào)的接受，進(jìn)行合理的線路規(guī)劃以及算法，作出決策，實(shí)施轉(zhuǎn)向控制的指令。主控型號(hào)為C8051F040單片機(jī)，進(jìn)過CAN總線同上位機(jī)進(jìn)行通信聯(lián)絡(luò)，從而找到上位機(jī)的整個(gè)轉(zhuǎn)向的控制信。型號(hào)為KMA199的角度傳感器實(shí)際測量得到目前車輪的轉(zhuǎn)向角，進(jìn)過ADC死亡接口傳輸給單片機(jī)器。再經(jīng)過單片機(jī)的分析、運(yùn)算以及決策，將外圍的電路進(jìn)行輸出給單片機(jī)，通過周圍的電路連接比例的換向閥線圈實(shí)現(xiàn)對前輪動(dòng)作的有效控制。前輪動(dòng)作以后，經(jīng)過KMA199型號(hào)的角度傳感器再次進(jìn)行實(shí)際測量和進(jìn)一步的反饋給單片機(jī)，單片機(jī)進(jìn)過CAN的總線再次反饋給上位機(jī)，反復(fù)循環(huán)成為一個(gè)密閉式的閉環(huán)控制系統(tǒng)。

3.3 磁敏電阻式的角度傳感器

一般常采用傳感器的測量轉(zhuǎn)向角度的模式為連桿裝置，常用的OMRON的日本公司研發(fā)的一種光學(xué)編碼器就是以后總連桿結(jié)構(gòu)的傳感器。現(xiàn)階段，在測量農(nóng)機(jī)的轉(zhuǎn)向角時(shí)仍然使用電位器，如在插秧機(jī)的電流控制操作結(jié)構(gòu)下，應(yīng)用高精度帶的連桿結(jié)構(gòu)的電位器。連桿結(jié)構(gòu)的傳感器較容易受到外界因素的干擾，如機(jī)械的轉(zhuǎn)動(dòng)以及車輛發(fā)出的振動(dòng)聲均對傳感器造成影響或者是損壞，而且在振動(dòng)的過程中產(chǎn)生測量噪音。KMA199是一種磁敏電阻式角度傳感器，測量形式為非接觸式的測量，受振動(dòng)的干擾能力強(qiáng)，若是拖拉機(jī)處在惡劣且污染嚴(yán)重的環(huán)境下，同時(shí)受到機(jī)械的損傷，磁敏電阻式的角度傳感器仍然可以繼續(xù)進(jìn)行工作，可以預(yù)防連桿結(jié)構(gòu)的傳感器由于發(fā)生撞擊等原因?qū)嵌葴y量造成誤差，甚至是對角度傳感器造成破壞。

3.4 SD卡存儲(chǔ)電路

智能導(dǎo)航系統(tǒng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)中，需要保存大量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。在采用室內(nèi)和田間試驗(yàn)兩種試驗(yàn)方法中，數(shù)據(jù)在進(jìn)行采集以及存儲(chǔ)的過程中，經(jīng)過串口連接計(jì)算機(jī)進(jìn)一步采集數(shù)據(jù)。在長期通過串口線對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集的試驗(yàn)中，由于存在諸多不穩(wěn)定因素導(dǎo)致數(shù)據(jù)發(fā)生丟失，如電磁對串口線采集數(shù)據(jù)的干擾、串口線發(fā)生斷裂現(xiàn)象等因素。串口線對數(shù)據(jù)采集的方式無法滿足監(jiān)控方面的需求。自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)中的SD卡存儲(chǔ)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)功能且避免數(shù)據(jù)發(fā)生丟失的現(xiàn)象。

將SD存儲(chǔ)卡同單片機(jī)的SPI總線連接在一起，實(shí)現(xiàn)了最終的通信功能。單片機(jī)的時(shí)鐘設(shè)置在11.0592MHz，運(yùn)用Fat32格式，系統(tǒng)單純的設(shè)置成為存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的功能，系統(tǒng)經(jīng)過測驗(yàn)結(jié)果顯示系統(tǒng)最快的存儲(chǔ)速度是128Kb/s。試驗(yàn)過程中，對次序的不同試驗(yàn)數(shù)據(jù)獨(dú)立的進(jìn)行文件的有效存儲(chǔ)。

3.5 CAN的總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

CAN總線的功能優(yōu)勢在于，具備啟動(dòng)的成本較低、較高的通訊速率最高可以達(dá)到1Mb/s、較穩(wěn)定的可靠性等特點(diǎn)，能夠在農(nóng)業(yè)的機(jī)械控制中發(fā)揮巨大的作用。設(shè)計(jì)中，將CAN總線的整體通訊信息網(wǎng)絡(luò)合理的應(yīng)用在拖拉機(jī)的自動(dòng)導(dǎo)航控制系統(tǒng)中。將全部的導(dǎo)航系統(tǒng)建立在CAN總線的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上。CAN的總線進(jìn)行掛接或者是卸載其它的節(jié)點(diǎn)，對于導(dǎo)航的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)沒有任何影響。在轉(zhuǎn)向控制節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)以后，試驗(yàn)又再次對應(yīng)的掛接了整個(gè)檔位、剎車的控制單元等其它相關(guān)的可以進(jìn)行控制的有效節(jié)點(diǎn)。

4 自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制的PD算法

為了確保自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的時(shí)設(shè)計(jì)了帶死區(qū)域的PD算法實(shí)現(xiàn)控制。在死區(qū)域的范圍內(nèi)，盲目的認(rèn)定車輪的轉(zhuǎn)向已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的目標(biāo)。多設(shè)立死區(qū)域的范圍可以提升系統(tǒng)的整體對抗外界干擾的能力。雖然有些時(shí)候無法實(shí)現(xiàn)對于目標(biāo)自身精確度的控制，但是幫助系統(tǒng)提升整體的穩(wěn)定性能。在車輛向控制轉(zhuǎn)向時(shí)，出現(xiàn)角度較小的死區(qū)域。將死區(qū)域的相對的目標(biāo)數(shù)值區(qū)間設(shè)置在[D1，D2]，絕對值的區(qū)間控制在[D1- 1，D2+ 1]， 1是設(shè)定的目標(biāo)值。若是車輪發(fā)生轉(zhuǎn)向的角度區(qū)間范圍是[D1- 1，D2+ 2]以內(nèi)，認(rèn)定自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)已經(jīng)符合目標(biāo)；如果在該區(qū)間之外，則對當(dāng)前的角度數(shù)值 2同目標(biāo)數(shù)值 1進(jìn)行計(jì)算算出相差數(shù)值，從而獲得轉(zhuǎn)向控制的指令、比例閥門的開度值。在PD算法下決定了最終DA的輸出數(shù)值OPD和差值，PD算法中各個(gè)參數(shù)之間的關(guān)系如下：

OPD= Kpe+kD（e-eb）

式中，OPD表示為DA的輸出數(shù)值，Kp表示為比例的系數(shù)，kD表示為微分系數(shù)，e，eb表示為當(dāng)前的誤差數(shù)值同上一次的誤差數(shù)值，通過試驗(yàn)，結(jié)果顯示，死區(qū)域D1-D2中數(shù)值為1·，KP數(shù)值為22.1，kD數(shù)值為0.7。

5 分析試驗(yàn)結(jié)果

為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)的測定的響應(yīng)特性，用拖拉機(jī)的前輪作為地面的支點(diǎn)，支起地面，將方波以及正弦波作為輸入控制信號(hào)的兩種標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)，信號(hào)發(fā)出的頻率控制在0.1Hz，角度幅的數(shù)值為10度。

自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)可以有效的顯示信號(hào)的完整程度以及信號(hào)跟蹤任務(wù)。正弦信號(hào)的跟蹤存在延時(shí)較小，在極限的區(qū)域€？0度處存在振蕩。通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的統(tǒng)計(jì)，可以顯示正弦的信號(hào)跟蹤可以允許的最大誤差為1.1·，存在的平均誤差是0.5·，可以允許的平均延時(shí)的時(shí)間為0.2s。

方波的信號(hào)在追蹤過程中存在不穩(wěn)定狀態(tài)，在0度上下發(fā)生振蕩表示處在穩(wěn)定的狀態(tài)，方波信號(hào)跟蹤的過程中，追蹤一個(gè)20度的階躍跟蹤需要用時(shí)為1.2-2.0s，處在穩(wěn)定的狀態(tài)下也會(huì)發(fā)生振蕩。通過對數(shù)據(jù)的計(jì)算以及統(tǒng)計(jì)顯示，方波的整體信號(hào)追蹤的最大跨度的上升、下降的時(shí)間是2s，而允許的最小上升、下降的時(shí)間為1.2s，其中平均的上升、下降的時(shí)間控制在1.3s。達(dá)到穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下的最大允許誤差為0.7·，允許的最小誤差僅為0.2·。

綜上所述，通過改造電控液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，更好的彌補(bǔ)電動(dòng)機(jī)手動(dòng)轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)對大型機(jī)器實(shí)現(xiàn)有效控制的不足之處，從根本上幫助機(jī)器設(shè)備解決動(dòng)力轉(zhuǎn)向的問題；減低了信號(hào)跟蹤系統(tǒng)的誤差，使得自動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具備更強(qiáng)的響應(yīng)能力；KMA199角度傳感器同CAN總線遭受較為惡劣的環(huán)境，工作仍然具備穩(wěn)定的性能，SD卡發(fā)揮存儲(chǔ)功能，防止在應(yīng)用傳統(tǒng)PC機(jī)和串口線的數(shù)據(jù)采集時(shí)，由于操作的頻繁次數(shù)及繁雜程度，速度較為緩慢等問題，試驗(yàn)中得到的數(shù)據(jù)在采集數(shù)據(jù)時(shí)則更為快速且便捷，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)量較大的存儲(chǔ)，避免數(shù)據(jù)發(fā)生中途丟失的現(xiàn)象。因此，在拖拉機(jī)的使用中應(yīng)該全面推廣自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，發(fā)揮更大的優(yōu)勢。

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