面向果園的手柄操作拖拉機(jī)轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)研究

高鵬飛，李 航

（河南科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河南 洛陽 471003）

1 引言

農(nóng)業(yè)是我國的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，對(duì)國家的發(fā)展有至關(guān)重要的作用，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率保障糧食安全是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的首要任務(wù)。提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率的有效方法就是采用機(jī)械化耕作，對(duì)于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)來說不僅要求機(jī)械化普及，而且要推廣智能化農(nóng)機(jī)。智能化農(nóng)機(jī)的應(yīng)用不僅能夠提高作業(yè)效率，改變傳統(tǒng)的作業(yè)方式，而且對(duì)我國農(nóng)業(yè)的發(fā)展也起著推動(dòng)作用。目前智能化農(nóng)機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)是以現(xiàn)有的農(nóng)機(jī)為基礎(chǔ)，將電子控制技術(shù)、人工智能技術(shù)、新制造技術(shù)等融入到現(xiàn)有的設(shè)備中，增加設(shè)備的功能，提高作業(yè)精度及效率。目前我國農(nóng)業(yè)機(jī)械的主要還是手扶式拖拉機(jī)以及小四輪輪式拖拉機(jī)，現(xiàn)有的農(nóng)業(yè)設(shè)備主要是運(yùn)輸，以及作為動(dòng)力源進(jìn)行農(nóng)業(yè)作業(yè)[1]。因此設(shè)計(jì)一套綜合智能化操作系統(tǒng)將傳統(tǒng)的拖拉機(jī)升級(jí)為智能化農(nóng)機(jī)對(duì)于我國果園機(jī)械發(fā)展具有重要意義。果園用智能化拖拉機(jī)是以普通拖拉機(jī)為研究對(duì)象，在不影響原車操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了三種操作模式，分別為遠(yuǎn)程遙控操作模式、GPS導(dǎo)航無人駕駛操作模式和手柄操作模式。三套操作系統(tǒng)最終要通過一套運(yùn)動(dòng)執(zhí)行系統(tǒng)完成對(duì)拖拉機(jī)的控制，運(yùn)動(dòng)執(zhí)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。研究的重點(diǎn)是在手柄操作模式下轉(zhuǎn)向執(zhí)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，該機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)多模式操作的基礎(chǔ)。該轉(zhuǎn)向系統(tǒng)不影響原車手動(dòng)操作，在手柄模式出現(xiàn)故障時(shí)，能夠快速的切換到人工模式下繼續(xù)作業(yè)，提升了拖拉機(jī)的可靠性、作業(yè)效率。果園環(huán)境低矮，作業(yè)環(huán)境惡劣，駕駛員可以根據(jù)實(shí)際工況選擇駕駛模式。面向果園耕作的多系統(tǒng)拖拉機(jī)轉(zhuǎn)向構(gòu)造，如圖2所示。

圖1 運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure Diagram of Motion Mechanism

圖2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)布局圖Fig.2 Structure Layout of Steering System

2 設(shè)計(jì)方案

課題的拖拉機(jī)轉(zhuǎn)向方式是通過前輪相對(duì)車身偏轉(zhuǎn)一個(gè)角度實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。偏轉(zhuǎn)車輪式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由方向盤、轉(zhuǎn)向閥、傳動(dòng)部件等組成[2]。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)是通過對(duì)原車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)加裝比例換向閥、液壓油管、TCU控制系統(tǒng)、操作臺(tái)、控制手柄等元件，使其改造成能通過操作手柄控制轉(zhuǎn)向的智能拖拉機(jī)。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)，如圖3所示。拖拉機(jī)作業(yè)環(huán)境比較惡劣，經(jīng)常面臨揚(yáng)塵、潮濕等環(huán)境，裝有智能操作系統(tǒng)的拖拉機(jī)電子控制系統(tǒng)、電液操控系統(tǒng)在惡劣環(huán)境下沒有原車機(jī)械式操作可靠性高。在惡劣環(huán)境下作業(yè)時(shí)，智能操作拖拉機(jī)并不能滿足所有作業(yè)需求，因此仍需保留原車人工操控系統(tǒng)，提高拖拉機(jī)的可靠性及實(shí)用性。對(duì)拖拉機(jī)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)需要對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行改造，一般對(duì)轉(zhuǎn)向改造采用電氣控制、電液控制或者電機(jī)控制[3-4]。對(duì)該型號(hào)拖拉機(jī)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行分析，并參考前人對(duì)拖拉機(jī)的設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)出適合該型號(hào)拖拉機(jī)的改造方案，設(shè)計(jì)原理，如圖4所示。

圖3 轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure Diagram of Steering Control System

圖4 手柄操作拖拉機(jī)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)原理圖Fig.4 Schematic Diagram of Handle Tractor Steering System

手柄操作模式下轉(zhuǎn)向的工作原理為：拖拉機(jī)的手柄駕駛模式與人工駕駛模式通過電磁閥S1控制。電磁閥S1得電時(shí)處于手柄駕駛模式，從液壓泵出來的液壓油經(jīng)過電磁閥S1流向電磁閥S3、S4控制轉(zhuǎn)向油缸。電磁閥S3與S4為聯(lián)動(dòng)設(shè)計(jì)，操作手柄無操作時(shí)，電磁閥S3、S4處于斷電狀態(tài)，液壓油直接回油箱，減少能量損失，同時(shí)降低液壓系統(tǒng)發(fā)熱量。當(dāng)轉(zhuǎn)向手柄運(yùn)動(dòng)時(shí)，電磁閥S3、S4得電，液壓油經(jīng)過電磁閥S1、S3、S4流入轉(zhuǎn)向油缸推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)，活塞桿帶動(dòng)前輪轉(zhuǎn)動(dòng)完成轉(zhuǎn)向動(dòng)作。當(dāng)電磁閥S1斷電時(shí)，手柄操作系統(tǒng)失效，此時(shí)為人工方向盤操作，液壓油經(jīng)過電磁閥S1流入到原車的轉(zhuǎn)向油路中，通過方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)液壓轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使液壓油流向轉(zhuǎn)向油缸推動(dòng)活塞桿運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)拖拉機(jī)的轉(zhuǎn)向。該系統(tǒng)同時(shí)還設(shè)計(jì)有手動(dòng)換向閥S2，當(dāng)電磁換向閥因油液污染、雜質(zhì)堵塞出現(xiàn)故障導(dǎo)致切換開關(guān)S1失靈時(shí)，可以通過S2手動(dòng)切換操作模式，提高了該裝置的可靠性。轉(zhuǎn)向油缸進(jìn)油油路與回油油路之間設(shè)計(jì)有雙向溢流閥，當(dāng)換向閥處于中位狀態(tài)時(shí)，液壓缸兩端油路均處于斷路狀態(tài)。拖拉機(jī)行駛過程中遇到突變載荷時(shí)，液壓油能通過雙向溢流閥從液壓缸壓力高的一側(cè)流入壓力低的一側(cè)，均衡轉(zhuǎn)向油缸兩腔壓力，有效保護(hù)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，提高可靠性。

3 模型建立

3.1 閥的特性分析

設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的原理是用電磁閥控制液壓缸位置，通過控制輸入電流的大小，把電信號(hào)的大小轉(zhuǎn)化成電磁比例閥閥芯的位移方向及位移量，實(shí)現(xiàn)液壓油流向和流量的控制，達(dá)到液壓缸活塞桿運(yùn)動(dòng)方向的切換和位置控制的目的[5]。轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)的核心是電磁比例閥，它是以電流變化量ΔI作為輸入量，以空載時(shí)的流量qL作為輸出量。在實(shí)際應(yīng)用中，一般是將液壓系統(tǒng)的傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化成二階震蕩環(huán)節(jié)。電磁閥的傳遞函數(shù)可表示為：

式中：KSV—電磁比例閥的流量增益；ωSV—電磁比例閥的固有頻率（Hz）；ξSV—電磁比例閥的阻尼比；TSV—電磁比例閥的時(shí)間常數(shù)[6]。

3.2 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性分析

根據(jù)以上關(guān)系式可得到轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，如圖5所示。

圖5 控制系統(tǒng)模型方框圖Fig 5 Diagram of System Model

4 控制器設(shè)計(jì)及仿真

4.1 控制器設(shè)計(jì)

控制器是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的大腦，它的作用是調(diào)整參數(shù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最佳控制效果。模糊PID控制不僅有PID控制的優(yōu)點(diǎn)，而且還能根據(jù)工況實(shí)時(shí)調(diào)整參數(shù)，控制效果更好。普通PID控制器是直接控制KP、KI、KD三個(gè)參數(shù)，轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)使用的模糊控制器是對(duì) KP、KI、KD三個(gè)參數(shù)的增量 ΔKP、ΔKI、ΔKD進(jìn)行控制，增量的變換范圍比較小，計(jì)算速度比較快，能提高系統(tǒng)的運(yùn)算速度[8]。該控制器邏輯正定表達(dá)式為：

式中：KP—比例系數(shù)；KI—積分系數(shù)；KD—微分系數(shù)；KPO—比例系數(shù)初值；KIO—積分系數(shù)初值；KDO—微分系數(shù)初值；ΔKP—比例系數(shù)增量；ΔKI—積分系數(shù)增量；ΔKD—微分系數(shù)增量。

圖6 隸屬度函數(shù)圖Fig.6 Diagram of Membership Function

表 1 ΔKp、ΔKI、ΔKD 的模糊規(guī)則Tab.1 Fuzzy Control Rules of ΔKp、ΔKI、ΔKD

4.2 仿真分析

根據(jù)前面章節(jié)得到的數(shù)學(xué)模型，建立了在SIMULINK工作界面下的結(jié)構(gòu)框圖。手柄轉(zhuǎn)向系統(tǒng)需要轉(zhuǎn)向時(shí)，駕駛員推動(dòng)手柄進(jìn)行轉(zhuǎn)向，此時(shí)可看作是一個(gè)階躍信號(hào)輸入。拖拉機(jī)需要調(diào)頭時(shí)，轉(zhuǎn)向輪需要不停轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)方向，此時(shí)可看作是一個(gè)正弦信號(hào)，因此仿真信號(hào)源選擇階躍信號(hào)和正弦信號(hào)進(jìn)行分析[10]。在拖拉機(jī)駕駛時(shí)，轉(zhuǎn)向輪從中位轉(zhuǎn)到一側(cè)極限位置用時(shí)大概1.5s，因此仿真時(shí)正弦信號(hào)采用與日常駕駛接近的頻率0.16Hz。階躍信號(hào)是為了評(píng)價(jià)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性與拖拉機(jī)轉(zhuǎn)角無關(guān)。根據(jù)設(shè)計(jì)的模糊控制器建立的仿真模型，如圖7所示。建立的仿真模型中Ge、Gec為誤差以及誤差變化率的量化因子。GKp、GKI、GKD為 ΔKP、ΔKI、ΔKD的量化因子，模糊規(guī)則如前文所示，加入模糊PID控制器后的仿真結(jié)果，如圖8所示。從圖8的結(jié)果可以看到，階躍信號(hào)的響應(yīng)速度很快，上升時(shí)間為0.38s，超調(diào)量為11.2%，系統(tǒng)能夠快速穩(wěn)定，達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間為0.86s。從圖9的仿真結(jié)果可以看出，輸入信號(hào)的頻率為0.16Hz，輸出信號(hào)跟蹤效果良好，信號(hào)延遲時(shí)間為0.14s，幅值誤差降為3%。從以上的仿真結(jié)果看出輸出信號(hào)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)效果良好，但還存在一定的延遲，延時(shí)較小，基本滿足使用要求。

圖7 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模糊控制仿真框圖Fig.7 Simulation Diagram of Fuzzy Control for Steering System

圖8 模糊控制下階躍信號(hào)響應(yīng)曲線Fig.8 Response Curve of the Step Signal Under Fuzzy Control

圖9 模糊控制下正弦信號(hào)響應(yīng)曲線Fig.9 Response Curve of the Sine Signal Under Fuzzy Control

5 試驗(yàn)

基于已經(jīng)研制成功的面向果園耕作的多操作系統(tǒng)拖拉機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和離合器控制系統(tǒng)的試驗(yàn)分析。試驗(yàn)的目的是為了驗(yàn)證系統(tǒng)的跟隨效果，在實(shí)際作業(yè)時(shí)轉(zhuǎn)向時(shí)機(jī)，轉(zhuǎn)角大小是駕駛員根據(jù)環(huán)境判斷。試驗(yàn)裝置，如圖10、圖11所示。

圖10 面向果園耕作的輪式拖拉機(jī)Fig.10 Wheeled Tractor for Orchard Cultivation

拖拉機(jī)作業(yè)時(shí)大多是時(shí)間是直線行駛，駕駛員只需要小角度對(duì)拖拉機(jī)位姿進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整角度比較小，一般在±10°之間，因此實(shí)驗(yàn)采用小角度方波進(jìn)行跟蹤試驗(yàn)，方波的幅值為±10°。拖拉機(jī)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最大轉(zhuǎn)角為±38°，在地頭進(jìn)行調(diào)頭時(shí)會(huì)大角度轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)向時(shí)很少出現(xiàn)打死現(xiàn)象，因此本實(shí)驗(yàn)用正弦信號(hào)模擬大角度轉(zhuǎn)向，正弦信號(hào)幅值為±30°。試驗(yàn)結(jié)果，如圖12、圖13所示。從圖12的試驗(yàn)結(jié)果的跟蹤曲線可以看出轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在方波信號(hào)的情況下響應(yīng)快，轉(zhuǎn)到指定角度用時(shí)0.46s，最大誤差為1.68°，控制過程平穩(wěn)沒有大的波動(dòng)。從圖13的試驗(yàn)結(jié)果看出轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在正弦信號(hào)輸入的情況下響應(yīng)快，轉(zhuǎn)角跟蹤效果比較好，期望角度與實(shí)驗(yàn)結(jié)果最大誤差為2.63°，控制過程比較平穩(wěn)沒有出現(xiàn)較大波動(dòng)。根據(jù)上圖的試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果相比較可以看出，試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果有一定的差距，這是由于仿真將模型簡(jiǎn)化，與實(shí)際應(yīng)用條件有一定誤差，總體而言試驗(yàn)結(jié)果達(dá)到預(yù)期結(jié)果，滿足轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的要求，轉(zhuǎn)向輪對(duì)信號(hào)有較好的跟隨性。

圖11 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)安裝的角度傳感器及TCUFig.11 Steering Angle Sensor and TCU

圖12 ±10°方波信號(hào)轉(zhuǎn)角跟蹤效果Fig.12 Steering Angle Tracking Curve of±10°Square Wave

圖13 ±30°正弦信號(hào)轉(zhuǎn)角跟蹤效果Fig.13 Steering Angle Tracking Curve of ±30°Sine Wave

6 結(jié)論

以普通拖拉機(jī)為基礎(chǔ)，根據(jù)使用要求設(shè)計(jì)了一套轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)。拖拉機(jī)的智能操控系統(tǒng)可通過該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)拖拉機(jī)轉(zhuǎn)向的控制。通過對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的理論及仿真分析驗(yàn)證了控制策略的正確性。試驗(yàn)結(jié)果表明該轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制效果良好，可滿足智能農(nóng)機(jī)的使用。

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