農(nóng)林用履帶式動力平臺液壓控制系統(tǒng)設計

張興財，王 霜，2*，羅 龍

（1.西華大學 機械工程學院，四川成都 610039；2.西華大學現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究院，四川成都 610039）

0 引言

隨著竹產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對農(nóng)林業(yè)作業(yè)機械的需求越來越高。四川全省的竹產(chǎn)區(qū)大部分處于丘陵山地地區(qū)，地形起伏較大、復雜多變。針對竹采伐的機械自動化程度低、效率低的情況，配合竹采伐的機械相對較少?，F(xiàn)階段竹采伐絕大部分是人工采伐，采伐效率不高，且人工成本昂貴，采伐工人的勞動強度大，使得竹產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟效益低，發(fā)展落后。因此，研究開發(fā)一種針對丘陵山地的遙控竹采伐動力平臺具有重要的現(xiàn)實意義。

作業(yè)平臺以行進方式來區(qū)分，輪式作業(yè)平臺和履帶式作業(yè)平臺運用最為廣泛。輪式作業(yè)平臺結(jié)構(gòu)簡單，行走靈活且控制簡單，但在地形較為復雜的地區(qū)適應性不高[1]。履帶式作業(yè)平臺能適應復雜地形，更適合山區(qū)作業(yè)，且能夠原地進行轉(zhuǎn)彎，但結(jié)構(gòu)較為復雜，控制要求更高[2-3]。履帶式作業(yè)平臺集“作業(yè)”、“運輸物料”等功能為一體，能適應復雜地形環(huán)境的多功能移動平臺。

1 系統(tǒng)控制方案

動力平臺通過控制液壓系統(tǒng)達到控制動力平臺行駛的目的，液壓系統(tǒng)比較與機械式傳動更易控制，控制元件更小、更易維護。本動力平臺的主控使用的是STM32F103系列單片機，控制包括5個三位四通電磁換向閥、1個二位三通電磁換向閥，2個電磁溢流閥和1個比例流量閥，由以上的器件便可實現(xiàn)動力平臺的運動和動力輸出。受控器件及其控制的具體功能見表1。

表1 受控器件及其具體功能

基于受控器件的作用和控制所需要的方法特性設計的控制系統(tǒng)示意圖如圖1所示。同時圖中用虛線表示系統(tǒng)能量供應關系。

圖1 控制系統(tǒng)示意圖

2 硬件系統(tǒng)設計

在對本控制系統(tǒng)的硬件設計最主是對液壓回路中的各種電磁換向閥，比例流量閥的控制。受控元件的電壓需滿足在DC12V。硬件設計框圖如圖2。

圖2 硬件設計框圖

2.1 遙控裝置驅(qū)動模塊

動力平臺行走控制系統(tǒng)的遙控裝置選擇的是禹鼎F24-60工業(yè)用無線電搖桿式遙控器，可防止摔落及強力碰撞所造成的損壞，IP65防水防塵等級和低耗電等特點，適合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實際的場景要求。

禹鼎F24-60遙控器接收端輸出的開關量信號是DC12V的電壓，而STM32控制板的引腳所能接收的電平信號最大為3.3 V，因此必須使用中間繼電器模塊傳遞遙控器接收端的輸出信號，使單片機能夠接收處理。圖3為單路中間繼電器模塊、F24-60遙控器接收端和STM32控制板的連接示意圖。

圖3 中間繼電器模塊連接示意圖

2.2 電磁閥驅(qū)動模塊

圖4 電磁閥驅(qū)動模塊連接示意圖

2.3 比例閥驅(qū)動模塊

動力平臺行走系統(tǒng)的比例流量閥的型號為華益DAPV72-30。比例閥驅(qū)動模塊包括比例輸出模塊和放大器模塊。比例輸出模塊的作用是將STM32控制板的GPI0引腳輸出的比例信號（0～3.3 V）轉(zhuǎn)換成比例流量閥輸入電流控制信號（0～20 mA）。本文的比例輸出模塊選用的是淮北華電HDH-21直流隔離變送器，此模塊輸入輸出成線性比例關系。而放大器模塊選用的是華益USDAS1放大器，該模塊支持控制信號為0～20 mA的直流電流信號和0～5 V的直流電壓信號用以匹配華益DAPV72-30比例流量閥。圖5為比例閥驅(qū)動模塊與STM32控制板和比例調(diào)速閥的連接示意圖。

圖5 比例閥驅(qū)動模塊連接示意圖

2.4 電源模塊

動力平臺行走控制系統(tǒng)的電源來自發(fā)動機的蓄電池（DC12V），控制系統(tǒng)的所有零部件需滿足DC12V。本文的供電電源選用的是天威動力DC12V7AH蓄電池，用于控制測試系統(tǒng)供電。本文電源分線端子選用了辰川FM02-12D-42，可以分成12個并聯(lián)輸出電源。而DC12V電源不能直接給STM32控制板供電，需穩(wěn)壓模塊將蓄電池的電壓降壓才能給STM32開發(fā)板供電。

3 軟件系統(tǒng)設計

控制系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)是骨架，軟件系統(tǒng)則是大腦。軟件系統(tǒng)指導硬件完成相應的功能，這些功能在不同的或者相同的時間空間之中執(zhí)行，用以完成設計者給定的預定功能。本文的軟件系統(tǒng)開發(fā)基于C0rtex-M3內(nèi)核。所用到的GPI0引腳以及其對應的功能如表2所示。

表2 STM32控制板引腳功能分配

續(xù)表2 STM32控制板引腳功能分配

本系統(tǒng)實現(xiàn)的人機交互是用戶對遙控器上相應的按鍵和搖桿的操作，使動力平臺實現(xiàn)相應的動作。遙控的按鍵、搖桿的編號和它們對應的功能如表3。

表3 STM32控制板引腳功能分配

3.1 軟件思路

行走控制系統(tǒng)上電后先進行系統(tǒng)初始化設置，初始化完成后行走控制系統(tǒng)進入正常工作狀態(tài)，等待當遙控器發(fā)射端的搖桿或按鍵按下，遙控器接收端輸出開關量信號給STM32控制板，經(jīng)過STM32控制板的分析運算，輸出相應的開關量信號和比例量信號，通過驅(qū)動模塊放大來控制對應的電磁閥和比例閥，從而實現(xiàn)對動力平臺的行走控制。系統(tǒng)的執(zhí)行流程如圖6。

圖6 軟件流程圖

3.2 主程序設計

主程序流程如圖7所示。STM32控制板上電后，進行系統(tǒng)初始化，對所用到的GPI0引腳進行初始化設置，最后設定好初始參數(shù)，系統(tǒng)將進入正常工作的循環(huán)。

系統(tǒng)在正常工作循環(huán)時，表3所示的PE0～PE4、PE11～PE12和PF0～PF9引腳接收遙控器接收端輸出的開關量信號，接收到信號后執(zhí)行對應的子程序，子程序控制表2所示的PB11～PB14、PD9～PD15和PC6～PC8輸出開關量信號，PA0～PA3輸出比例量信號。

圖7 主程序流程圖

3.3 行走控制程序

動力平臺行走控制程序包括：低速和高速模式子程序、駐車子程序、遙控器掉電保護子程序、剎車子程序、加檔子程序、減檔子程序、左轉(zhuǎn)彎子程序、右轉(zhuǎn)彎子程序和油門加減檔子程序。行走控制程序流程如圖8所示。

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其中，掉電保護子程序的實現(xiàn)是通過將禹鼎F24-60遙控器右搖桿的左1檔和右1檔設定為常閉輸出，當遙控器接收端上電后，PF8和PF9接地，掉電保護子程序不會觸發(fā)，當遙控器接收端意外斷電或是故障斷電時，PF8和PF9懸空，此時就觸發(fā)掉電保護子程序。

圖8 行走控制程序流程圖

低速模式與高速模式的切換是通過遙控器的2位置開關（A）來控制，當2位置開關（A）斷開時PF0懸空，執(zhí)行低速模式子程序；當2位置開關（A）閉合時PF0接地，執(zhí)行高速模式子程序。

駐車是通過遙控器的2位置開關（D）來控制，當2位置開關（D）斷開時PF7懸空，未執(zhí)行駐車子程序；當2位置開關（D）閉合時PF7接地，執(zhí)行駐車子程序。駐車子程序的作用是在動力平臺停車時防止操作者誤觸搖桿，只有當2位置開關（D）斷開時加減檔子程序才能執(zhí)行。

剎車子程序、加檔子程序、減檔子程序、左轉(zhuǎn)彎子程序、右轉(zhuǎn)彎子程序和油門加減檔子程序由中斷來觸發(fā)執(zhí)行。剎車的中斷搶占優(yōu)先級最高，其次是油門加減檔，加檔、減檔、左轉(zhuǎn)彎和右轉(zhuǎn)彎的搶占優(yōu)先級最低且相同。

剎車是通過遙控器的備用按鍵F1來控制，當備用按鍵F1未按下時PE0懸空，未觸發(fā)中斷；當備用按鍵F1按下時PE0接地，執(zhí)行剎車子程序。

油門加減檔是通過遙控器右搖桿上1和下1的輸出來控制，右搖桿上1和下1都未接通時，PE11和PE12都懸空，未觸發(fā)中斷；當右搖桿上1接通時PE11接地，當右搖桿下1接通時PE12接地，都會觸發(fā)中斷EXTI15_10，執(zhí)行油門加減檔子程序。

加檔、減檔、左轉(zhuǎn)彎和右轉(zhuǎn)彎是通過遙控器左搖桿上1、下1、左1和右1的輸出來控制，左搖桿上1、下1、左1和右1都未接通時，PE1、PE2、PE3和PE4都懸空，未觸發(fā)中斷；當左搖桿上1接通時PE1接地，觸發(fā)中斷EXTI1，執(zhí)行加檔子程序；當左搖桿下1接通時PE2接地，觸發(fā)中斷EXTI2，執(zhí)行減檔子程序7；當左搖桿左1接通時PE3接地，觸發(fā)中斷EXTI3，執(zhí)行左轉(zhuǎn)彎子程序；當左搖桿右1接通時PE4接地，觸發(fā)中斷EXTI4，執(zhí)行右轉(zhuǎn)彎子程序。

3.4 動力輸出控制程序

動力輸出控制程序包括：后置動力輸出馬達動作子程序、后置動力輸出舉升液壓缸動作子程序、前置絞盤馬達動作子程序。動力輸出控制程序流程如圖9所示。

由于后置動力輸出馬達、后置動力輸出舉升缸和前置絞盤馬達都是接在液壓泵的7出油口回路中的，所以后置動力輸出馬達的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)、后置動力輸出舉升缸的舉升和下降、前置絞盤馬達的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)這六個動作同時只能一個在進行。這六個動作分別是通過遙控器的3位置開關（C）的左位和右位、備用按鍵2和備用按鍵4、3位置開關（B）的左位和右位來控制且這六個動作在動力平臺行駛時和駐車時都能進行，來完成不同的作業(yè)要求。

4 控制系統(tǒng)測試

本章將對第三章設計的履帶式動力平臺行走控制系統(tǒng)進行相關的測試，來驗證設計的行走控制系統(tǒng)能否完成對履帶式動力平臺所有動作的控制。

4.1 行走控制測試系統(tǒng)搭建

將第三章的各個硬件模塊按照表2和表3進行連線，搭建行走控制測試系統(tǒng)，如圖10所示。

圖9 動力輸出控制程序流程圖

圖10 行走控制系統(tǒng)

4.2 行走控制測試

行走系統(tǒng)測試由遙控輸入信號，檢測各電磁閥、比例閥的驅(qū)動模塊輸出信號是滿足設計要求為標準，測試了包括：低速、高速模式切換；加檔、減檔動作；油門加、減檔動作；行駛過程中的轉(zhuǎn)彎；原地轉(zhuǎn)彎；剎車；駐車和掉電保護等動作所需的信號。

4.3 動力輸出控制測試

動力輸出控制測試則與行走系統(tǒng)的測試同理，測試了包括：前置絞盤馬達；后置動力輸出馬達；后置動力輸出舉升液壓缸等動力輸出模塊的驅(qū)動信號能否滿足驅(qū)動要求。

5 結(jié)語

對竹采伐履帶式動力平臺進行分析與模擬測試，結(jié)果表明了以STM32F103單片機為核心的行走控制硬件系統(tǒng)能夠完成對動力平臺行走與作業(yè)所有動作的控制。