農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備的自動(dòng)轉(zhuǎn)向裝置集成系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

鄭志良

（莆田市荔城區(qū)拱辰街道辦事處，福建 莆田 351100）

電控轉(zhuǎn)向一般在農(nóng)機(jī)車(chē)輛方向盤(pán)或轉(zhuǎn)向柱安裝電機(jī)，該方法成本低，對(duì)車(chē)輛本身改動(dòng)不大，控制扭矩小，但對(duì)安裝精度要求高，操作過(guò)程中可能常出現(xiàn)滑移現(xiàn)象[1]。輪式農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制是在農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化設(shè)備的基礎(chǔ)上進(jìn)行改善的，可見(jiàn)自動(dòng)轉(zhuǎn)向與自動(dòng)化的關(guān)系密切，為進(jìn)一步增強(qiáng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益，滿足現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展需求，筆者設(shè)計(jì)了一款結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作性強(qiáng)、精度高且便捷的自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)。

1 機(jī)械設(shè)計(jì)制造中自動(dòng)化技術(shù)優(yōu)勢(shì)

1.1 控制生產(chǎn)成本

傳統(tǒng)農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程的設(shè)計(jì)粗放，主要依靠工作人員理念完成，一旦出現(xiàn)設(shè)計(jì)不合理、理念錯(cuò)誤現(xiàn)象，就會(huì)導(dǎo)致機(jī)械成本提高，而自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用可控制成本。通過(guò)虛擬化、智能技術(shù)、自動(dòng)化、集成應(yīng)用等多種方式減少對(duì)人力的依賴，可應(yīng)用更為科學(xué)的理念優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程，確定機(jī)械設(shè)計(jì)制造參數(shù)，在生產(chǎn)中自動(dòng)監(jiān)測(cè)與控制，使各項(xiàng)資源得到最大利用[2]。

1.2 提升生產(chǎn)效率與質(zhì)量

農(nóng)業(yè)發(fā)展離不開(kāi)機(jī)械制造，引入智能、自動(dòng)的機(jī)械是農(nóng)業(yè)發(fā)展的保障，因此設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)控制機(jī)械質(zhì)量，在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)制造過(guò)程中，需要確定機(jī)械參數(shù)，減少工作人員失誤等問(wèn)題。而自動(dòng)化技術(shù)通過(guò)數(shù)控、自動(dòng)化、虛擬等技術(shù)，會(huì)優(yōu)化設(shè)計(jì)制造流程與工藝，提高農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)質(zhì)量，因而有助于我國(guó)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展與生產(chǎn)力水平的提升。

1.3 優(yōu)化機(jī)械設(shè)計(jì)制造

農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì)一旦出現(xiàn)問(wèn)題，不僅影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展，還存在安全隱患，自動(dòng)化技術(shù)可促進(jìn)機(jī)械優(yōu)化，對(duì)設(shè)計(jì)制造過(guò)程展開(kāi)檢測(cè)、搜集并掌握設(shè)計(jì)制造相關(guān)數(shù)據(jù)信息，通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并對(duì)缺陷及不足進(jìn)行優(yōu)化，使農(nóng)機(jī)設(shè)備得到保障。

2 推進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化意義

2.1 實(shí)施自動(dòng)化選擇

推進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化，要根據(jù)農(nóng)業(yè)目前生產(chǎn)技術(shù)水平、條件、實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)計(jì)及生產(chǎn)，科學(xué)提升農(nóng)業(yè)作業(yè)精準(zhǔn)度及工作效率，在盡量節(jié)約成本的基礎(chǔ)上增強(qiáng)機(jī)械設(shè)備安全性，對(duì)不同類(lèi)型自動(dòng)化模式進(jìn)行公平、公正評(píng)價(jià)，按照一定順序選擇自動(dòng)化模式，使農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化呈現(xiàn)階梯式進(jìn)程。

2.2 開(kāi)發(fā)控制系統(tǒng)

農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化生產(chǎn)，需要以高效率、高精度為主要目標(biāo)，在控制成本的前提下，盡量節(jié)約農(nóng)業(yè)資料，實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)，提升農(nóng)產(chǎn)品的整體品質(zhì)，以便滿足人們對(duì)農(nóng)產(chǎn)品的消費(fèi)需求。若在推進(jìn)機(jī)械自動(dòng)化過(guò)程中一味地追求高度自動(dòng)化與頂端科學(xué)技術(shù)，則研制出的技術(shù)成果可能無(wú)法達(dá)到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需要，不符合農(nóng)業(yè)實(shí)際情況，而技術(shù)越高的自動(dòng)化設(shè)備價(jià)格越昂貴，不符合農(nóng)機(jī)生產(chǎn)控制成本的理念。

3 農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及性能特點(diǎn)

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

輪式農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)是我國(guó)一直應(yīng)用的系統(tǒng)，具有良好的工作效益，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)產(chǎn)品的增值與質(zhì)量的提升。該系統(tǒng)包括方向盤(pán)、執(zhí)行系統(tǒng)、主控設(shè)備等部分，雖然每個(gè)部位作用不同，但結(jié)合在一起具有系統(tǒng)作用，主要控制車(chē)輛轉(zhuǎn)向，保障車(chē)輛正常運(yùn)作。自動(dòng)轉(zhuǎn)向?qū)⑥D(zhuǎn)向意圖轉(zhuǎn)化成數(shù)字貫穿于控制系統(tǒng)中，通過(guò)執(zhí)行命令完成轉(zhuǎn)向，滿足駕駛員操作意圖，保障了農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)轉(zhuǎn)向，如圖1所示。其中，主控制器需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集、分析，判斷設(shè)備運(yùn)行情況，向方向盤(pán)、轉(zhuǎn)向電機(jī)等部位發(fā)出指令，控制電機(jī)在安全、理想的情況下進(jìn)行轉(zhuǎn)向響應(yīng)，減少駕駛員的機(jī)械轉(zhuǎn)向，為駕駛員助力，減輕其駕駛負(fù)擔(dān)。同時(shí)可對(duì)駕駛員操作指令進(jìn)行識(shí)別，判斷轉(zhuǎn)向是否合理，一旦駕駛員有錯(cuò)誤轉(zhuǎn)向意圖，系統(tǒng)可自動(dòng)屏蔽，保證機(jī)械及駕駛員安全。

圖1 農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.2 性能特點(diǎn)

自動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)擁有自動(dòng)防故障能力，包括監(jiān)控及實(shí)施算法，可根據(jù)不同故障形式、等級(jí)進(jìn)行處理，保證機(jī)械正常行駛[3]，其主要性能特點(diǎn)如下：1）自動(dòng)防故障功能包括故障自動(dòng)監(jiān)測(cè)與自動(dòng)處理，擁有自身的處理邏輯，提高了機(jī)械安全性。2）電源系統(tǒng)承擔(dān)著控制器、兩個(gè)執(zhí)行馬達(dá)及其他車(chē)用電器任務(wù)，負(fù)擔(dān)較為繁重，若加入地動(dòng)轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)，需增大電源。3）自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)由液壓部分及控制單元部分組成，液壓包括改裝油路、電控閥，控制單元部分由MCU及周?chē)娐?、基于ARM9的嵌入式系統(tǒng)傳感器、上位機(jī)組成，輸入、輸出的控制量為上機(jī)作用，通過(guò)角度傳感反饋確定車(chē)輪位置。

4 農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備的自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制方法

4.1 PID校正環(huán)節(jié)選擇

PID是一種線性控制，操作簡(jiǎn)單，廣泛應(yīng)用于自動(dòng)轉(zhuǎn)向中，該控制器由比例、積分、微分三個(gè)環(huán)節(jié)組成。其中比例環(huán)節(jié)反映系統(tǒng)信號(hào)可能出現(xiàn)的偏差，一旦出現(xiàn)偏差比例環(huán)節(jié)可對(duì)控制器進(jìn)行控制，降低偏差[4]；積分環(huán)節(jié)控制系統(tǒng)的強(qiáng)弱，對(duì)自控系統(tǒng)穩(wěn)定性低、震蕩等現(xiàn)象進(jìn)行改善，加快系統(tǒng)循行速度，減少調(diào)節(jié)時(shí)間；微分環(huán)節(jié)控制系統(tǒng)運(yùn)行，消除系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的誤差，增加系統(tǒng)穩(wěn)定性，提高安全性。

4.2 PD控制原理

以插秧機(jī)為例，插秧機(jī)在工作中需要不斷變化速度，同時(shí)速度應(yīng)在規(guī)定范圍內(nèi)，如：轉(zhuǎn)彎時(shí)需降低速度、曲線行駛時(shí)需隨路徑變化不斷變化速度、直線行駛時(shí)保證勻速，且插秧過(guò)程中，工作速度需要通過(guò)轉(zhuǎn)向能力決定。因此在插秧機(jī)工作中，需要適當(dāng)?shù)目刂破鞲鶕?jù)速度變化趨勢(shì)進(jìn)行控制，計(jì)算工作與實(shí)際的目標(biāo)偏差，以此作為自適應(yīng)PD控制器輸入，通過(guò)對(duì)速度進(jìn)行在線整合，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的獲取，輸出轉(zhuǎn)向輪數(shù)據(jù)偏角。因?qū)嶋H偏角與期望偏角有一定差距，可作為操縱控制器輸入，通過(guò)操作控制器控制轉(zhuǎn)向，使其執(zhí)行一定動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)角，進(jìn)而達(dá)到控制效果[5]。

5 自動(dòng)轉(zhuǎn)向集成裝置控制器設(shè)計(jì)

5.1 電控系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

自動(dòng)轉(zhuǎn)向集成電控系統(tǒng)由核心處理器、電路模塊等部分組成，核心處理器為飛思卡爾MC9S12系列單片機(jī)，外部電路根據(jù)農(nóng)機(jī)自動(dòng)轉(zhuǎn)向功能分為最小系統(tǒng)電力、電源電路、數(shù)字量傳感器采集電路等模塊。其中MC9S12對(duì)主要數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，對(duì)相應(yīng)內(nèi)置外設(shè)進(jìn)行通信及電機(jī)控制，為單片機(jī)提供正常工作基本條件，電源電路為整個(gè)系統(tǒng)提供不同的電壓，保證系統(tǒng)正常工作[6]。采集車(chē)輪轉(zhuǎn)向傳感器的電壓信號(hào)應(yīng)用模擬量傳感器；車(chē)輪轉(zhuǎn)速傳感器應(yīng)用數(shù)字量傳感器；電機(jī)控制電路根據(jù)單片機(jī)發(fā)出的PWM控制電機(jī)轉(zhuǎn)向，CAN對(duì)上下位機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行交換；在保護(hù)系統(tǒng)中，應(yīng)用保護(hù)電路預(yù)防電路板過(guò)熱、過(guò)流，提升控制系統(tǒng)可靠度。整體設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 自動(dòng)轉(zhuǎn)向集成裝置電控系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)架構(gòu)

5.2 電源設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)農(nóng)機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)不發(fā)動(dòng)，液壓系統(tǒng)不工作，自動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)若在此時(shí)提供電源，會(huì)損壞電機(jī)與控制器[7]。為預(yù)防發(fā)動(dòng)機(jī)未啟動(dòng)狀況下自動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)操作失誤，可通過(guò)設(shè)計(jì)點(diǎn)火開(kāi)關(guān)信號(hào)觸發(fā)控制器電源開(kāi)啟電路，設(shè)備熄火時(shí)點(diǎn)火開(kāi)關(guān)無(wú)信號(hào)[8]；點(diǎn)火開(kāi)關(guān)輸入時(shí)電壓輸入后端傳給單片機(jī)，轉(zhuǎn)向電機(jī)開(kāi)始工作，提高了系統(tǒng)可靠性。

5.3 電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通過(guò)單片機(jī)輸出PWM和高低電平對(duì)控制端進(jìn)行控制，完成對(duì)電機(jī)位置及速度的控制[9]。為防止電機(jī)低速工作時(shí)因堵轉(zhuǎn)造成電流過(guò)大而燒壞電機(jī)，可通過(guò)電流檢測(cè)電路進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。在下橋臂串聯(lián)一個(gè)0.05 R的采樣電阻，反饋到單片機(jī)進(jìn)行分析檢測(cè)，當(dāng)檢測(cè)值超出電流閾值，自動(dòng)退出駕駛模式，避免因電流過(guò)大而燒壞電路與電機(jī)。

6 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)自動(dòng)轉(zhuǎn)向集成裝置進(jìn)行驗(yàn)證，將其裝在一臺(tái)高地隙噴霧機(jī)上，安裝過(guò)程中，因該裝置體積較小，具有一定便捷性，分析在不同的目標(biāo)、車(chē)輪角度、速度時(shí)該設(shè)備的應(yīng)用效果[10]。首先發(fā)動(dòng)噴藥機(jī)，保證轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)正常工作，為自動(dòng)轉(zhuǎn)向裝置供電，啟動(dòng)系統(tǒng)，通過(guò)電腦下發(fā)指令，令控制器測(cè)試角度及目標(biāo)，初始角度為-20°，轉(zhuǎn)向20°，觀察效果。結(jié)果顯示當(dāng)上位機(jī)發(fā)送一個(gè)目標(biāo)角度時(shí)，轉(zhuǎn)向裝置可控制車(chē)輪進(jìn)行平穩(wěn)、可靠轉(zhuǎn)向，有較好的執(zhí)行效果。其次測(cè)試速度，在角度一致情況下，測(cè)試低、中、高三種轉(zhuǎn)向角速度方式下控制系統(tǒng)的控制效果，結(jié)果顯示噴霧機(jī)可達(dá)到平穩(wěn)、可靠的效果，且速度合理科學(xué)，具有一定準(zhǔn)確性。

7 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要自動(dòng)化、集成、智能等多種技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，提高設(shè)計(jì)效率，優(yōu)化設(shè)計(jì)與制造工藝流程。在控制成本、保證安全的基礎(chǔ)上提升農(nóng)業(yè)機(jī)械工作效率，有助于農(nóng)業(yè)發(fā)展，提升自動(dòng)化技術(shù)水平。