國內(nèi)農(nóng)用拖拉機自動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

黃春香，陸鳳祥

（1.鹽城工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院，江蘇 鹽城 224005；2.江蘇悅達智能農(nóng)業(yè)裝備有限公司，江蘇 鹽城 224007）

隨著農(nóng)用拖拉機自動控制技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，自動導(dǎo)航技術(shù)和無人駕駛技術(shù)取得了很大進步。自動轉(zhuǎn)向技術(shù)是實現(xiàn)自動導(dǎo)航控制的核心技術(shù)，它可以自動控制轉(zhuǎn)向輪完成轉(zhuǎn)向指令，實現(xiàn)對農(nóng)用拖拉機的橫向控制。一般拖拉機的工作環(huán)境都比較惡劣，田地路況比較差，而目前農(nóng)用拖拉機應(yīng)用自動轉(zhuǎn)向技術(shù)的還較少，仍需要人工操作完成農(nóng)用拖拉機的換行轉(zhuǎn)彎，機械式轉(zhuǎn)向要耗費駕駛員大量體力，增加駕駛員工作負荷。因此，研制應(yīng)用于農(nóng)用拖拉機的自動轉(zhuǎn)向技術(shù)具有十分重要的意義[1]。

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的作用是控制轉(zhuǎn)向輪相對于農(nóng)用拖拉機機體縱軸產(chǎn)生一定的偏轉(zhuǎn)，然后通過車輪與地面的相互作用，產(chǎn)生驅(qū)動拖拉機偏離行駛方向的向心力，使得行駛方向發(fā)生變化。自動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由兩部分組成，分別為自動轉(zhuǎn)向執(zhí)行機構(gòu)和自動轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)。其中自動轉(zhuǎn)向執(zhí)行機構(gòu)主要通過控制指令驅(qū)動農(nóng)用拖拉機轉(zhuǎn)向輪完成相應(yīng)的轉(zhuǎn)向角轉(zhuǎn)動，使農(nóng)用拖拉機能夠?qū)崟r跟蹤規(guī)劃路徑以一定精度完成轉(zhuǎn)向任務(wù)；自動轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)主要用于控制執(zhí)行機構(gòu)以一定速度和精度完成轉(zhuǎn)向任務(wù)。

1 自動轉(zhuǎn)向執(zhí)行機構(gòu)的研究情況

目前，農(nóng)用拖拉機的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)大致分為兩種，第一種是在原有轉(zhuǎn)向系統(tǒng)基礎(chǔ)上并聯(lián)轉(zhuǎn)向控制閥組，通過對閥組的控制實現(xiàn)拖拉機的自動轉(zhuǎn)向控制；第二種是控制電動機驅(qū)動方向盤或者驅(qū)動并聯(lián)的轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)動實現(xiàn)轉(zhuǎn)向操作[1]。

燕山大學的韓創(chuàng)世碩士采用在原有液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)基礎(chǔ)上并聯(lián)以比例方向閥為核心的自動轉(zhuǎn)向控制閥組的方案來實現(xiàn)拖拉機轉(zhuǎn)向的自動控制。即在現(xiàn)有單獨并聯(lián)比例閥進行拖拉機自動轉(zhuǎn)向改造的基礎(chǔ)上，設(shè)計了自動轉(zhuǎn)向改造核心部件自動轉(zhuǎn)向控制閥組，創(chuàng)新使用壓力補償器補償負載壓力變化，使系統(tǒng)壓力實時與負載壓力相適應(yīng)，減少能源損耗，提高轉(zhuǎn)向系統(tǒng)抵抗負載變化的能力，提高轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的速度剛度[2]。

李世超等設(shè)計開發(fā)了基于步進電機、伺服電機和步進伺服電機的3種不同類型電機驅(qū)動的自動轉(zhuǎn)向執(zhí)行機構(gòu)，并對比分析了這3種自動轉(zhuǎn)向執(zhí)行機構(gòu)性能，結(jié)果表明步進伺服電機轉(zhuǎn)向系統(tǒng)定位準確，運行穩(wěn)定，不失步，混凝土路面與田間自動導(dǎo)航精度都較好[3]。

目前，大部分拖拉機采用全液壓系統(tǒng)控制其轉(zhuǎn)向執(zhí)行機構(gòu)工作，其在工作過程中通過控制液壓執(zhí)行機構(gòu)克服轉(zhuǎn)向輪與地面間的摩擦力完成拖拉機的正常轉(zhuǎn)向。但由于傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)方向盤與轉(zhuǎn)向輪之間通過轉(zhuǎn)向柱相連，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，方向盤與轉(zhuǎn)向車輪的角傳動比固定，系統(tǒng)的靈敏度較差，轉(zhuǎn)向過于沉重、控制精度較差。隨著線控轉(zhuǎn)向技術(shù)及電液控制技術(shù)的快速發(fā)展，全液壓系統(tǒng)逐漸被電液轉(zhuǎn)向系統(tǒng)取代，同時方向盤與轉(zhuǎn)向車輪之間的機械結(jié)構(gòu)也逐漸被取消，系統(tǒng)工作時通過電子信號控制電液比例閥驅(qū)動液壓執(zhí)行機構(gòu)工作，從而完成拖拉機的正常轉(zhuǎn)向。

李忠利等基于全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計了拖拉機線控電液轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。系統(tǒng)正常工作時，工作人員控制方向盤轉(zhuǎn)動合適的角度，方向盤轉(zhuǎn)角傳感器將檢測到的轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)傳給ECU，ECU經(jīng)過計算處理后輸出相應(yīng)的電流，控制電液比例控制閥產(chǎn)生合適的開度，從而輸出相應(yīng)大小的流量控制轉(zhuǎn)向油缸驅(qū)動轉(zhuǎn)向車輪轉(zhuǎn)動合適的角度[4]。

2 自動轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)研究

轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)控制方法的選擇及控制系統(tǒng)性能的優(yōu)劣對整個自動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)起著重要的作用。而轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)的核心是轉(zhuǎn)向控制算法，轉(zhuǎn)向控制算法主要用于轉(zhuǎn)向控制信號的修正、控制性能的優(yōu)化，使得轉(zhuǎn)向命令能準確、迅速地被執(zhí)行，從而提高自動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制精度和響應(yīng)速度。因此，國內(nèi)多位學者對不同的轉(zhuǎn)向控制算法進行了研究。

目前PID控制及模糊控制是常用的控制方法。

李世超等設(shè)計了工控機車載終端軟件，轉(zhuǎn)向控制程序中采用嵌套雙閉環(huán)PID，能夠保證轉(zhuǎn)向系統(tǒng)平穩(wěn)、快速地響應(yīng)[3]。

李忠利等提出了基于變論域模糊PID控制的拖拉機電控液壓轉(zhuǎn)向控制方法。在變論域模糊PID的控制作用下，轉(zhuǎn)向油缸的位移偏差僅為2.1 mm，系統(tǒng)的跟隨特性遠遠優(yōu)于常規(guī)PID控制。方向盤固定轉(zhuǎn)角仿真試驗結(jié)果表明，在變論域模糊PID的控制作用下，系統(tǒng)的響應(yīng)速度相對于模糊PID較快，拖拉機電液轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的超調(diào)量僅為1.5%，而模糊PID的超調(diào)量為6.5%，系統(tǒng)表現(xiàn)出較優(yōu)的穩(wěn)定性和控制精度[4]。

王守瑞等以拖拉機轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為研究對象，以控制電壓信號作為控制輸入，以前輪轉(zhuǎn)角位置作為控制輸出，提出了基于內(nèi)模的PID控制器調(diào)整方法。仿真和實車試驗結(jié)果驗證了所提出控制算法的有效性，轉(zhuǎn)向前輪能夠按照轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)發(fā)出的轉(zhuǎn)向指令實施轉(zhuǎn)向，響應(yīng)速度快，不超過0.2 s；穩(wěn)定性好、控制精度高，跟蹤平均誤差為0.4°，受到干擾后可在1 s內(nèi)追蹤到指定角度，能滿足田間作業(yè)要求[5]。

3 結(jié)論

執(zhí)行機構(gòu)和控制方式的選擇是農(nóng)用拖拉機自動轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)研究的兩個關(guān)鍵問題。目前國內(nèi)農(nóng)用拖拉機自動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)大部分屬于后裝系統(tǒng)，增加了精確跟蹤及作業(yè)控制參數(shù)調(diào)整匹配的復(fù)雜性。因此提高通適性、降低改造成本、簡化執(zhí)行機構(gòu)是今后需要研究的重點。自動轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)的控制算法是整個自動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的核心，使得轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)智能化是今后發(fā)展的趨勢，需要進一步進行研究，開發(fā)出適合我國農(nóng)用拖拉機的自動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。