丘陵山地智能混動割草機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計

摘要：

針對我國高原和丘陵山地果園、茶園等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中，生草制管理所面臨的割草機(jī)械作業(yè)效率低、時間短及自動化程度低的問題，結(jié)合自主設(shè)計的丘陵山地智能混動割草機(jī)，設(shè)計一種可實時識別工況并自動完成能量管理的割草機(jī)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以割草機(jī)實時接收的行駛工況識別信號為切入點，采用實時工況識別算法程序，依據(jù)不同類別工況的特點采取相應(yīng)的能量管理控制策略。通過搭建控制系統(tǒng)并結(jié)合作業(yè)工況，進(jìn)行該控制系統(tǒng)的性能試驗。試驗結(jié)果表明：該控制系統(tǒng)能夠快速、準(zhǔn)確的響應(yīng)割草機(jī)動力性與割草性能要求，且相比于同耗油量下無能量管理的油電混合割草機(jī)，其單次作業(yè)時間約增加18%。同時驗證該工況識別系統(tǒng)的合理性，工況正確識別時長精度達(dá)到90%以上。

關(guān)鍵詞：智能混動割草機(jī)；控制系統(tǒng)；實時工況識別；能量管理

中圖分類號：S817.11+1

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：2095-5553 （2024） 04-0123-09

收稿日期：2022年7月3日" 修回日期：2022年10月20日

基金項目：工業(yè)和信息化部2021年產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)再造和制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展重點項目（TC210H02V）

第一作者：趙鵬飛，男，1994年生，陜西渭南人，碩士研究生；研究方向為智能農(nóng)機(jī)裝備控制系統(tǒng)設(shè)計。E-mail： 472437686@qq.com

通訊作者：高巧明，男，1975年生，廣西柳州人，博士，教授級高級工程師；研究方向為農(nóng)業(yè)機(jī)械化關(guān)鍵技術(shù)與裝備。E-mail： walkergao@163.com

Design of control system for intelligent hybrid lawn mower in hills and mountains

Zhao Pengfei1， Gao Qiaoming1， 2， Zeng Junhao1， Xiang Hao1， Xu Peng1， Wei Zengjian1

（1. School of Mechanical and Automotive Engineering， Guangxi University of Science and Technology， Liuzhou，

545006， China； 2. Huilaibao Machinery Manufacturing Co.， Ltd.， Hepu County， Beihai， 536100， China）

Abstract：

In view of the problems of low operation efficiency， short time and low degree of automation of mowing machinery faced by grass control management in agricultural production activities such as orchards and tea gardens in plateaus and hills in China， based on the self-designed intelligent hybrid lawn mower for hills and mountains， a lawn mower control system that can identify working conditions in real time and automatically complete energy management is designed. The system takes the driving condition identification signal received by the lawn mower in real time as the breakthrough point， adopts the real-time working condition identification algorithm program， and adopts the corresponding energy management control strategy according to the characteristics of different types of working conditions. The performance test of the control system is carried out by building the control system and combining with the working conditions. The test results show that the control system can quickly and accurately respond to the power and mowing performance requirements of the lawn mower， and its single operating time is approximately increased by 18%， compared with the hybrid lawn mower without energy management under the same fuel consumption. At the same time， the rationality of the working condition identification system is verified， and the accuracy of the correct identification duration of working conditions has reached more than 90%.

Keywords：

smart hybrid lawn mower； control system； working condition identification； energy management

0 引言

我國高原和丘陵山地面積廣袤，丘陵山地農(nóng)業(yè)資源豐富，但農(nóng)業(yè)機(jī)械化率卻遠(yuǎn)低于平原地區(qū)。且隨著丘陵山地農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們對果園、茶園等生草制管理要求的不斷提高，割草已成為其中的重要環(huán)節(jié)。目前，國內(nèi)外學(xué)者對割草機(jī)及其應(yīng)用已進(jìn)行了一定的研究，如方策［1］針對河岸坡面草皮修剪工作的難題，研發(fā)出一款適用于河岸坡面的履帶式割草機(jī)，解決了河岸斜坡、陡坡上割草作業(yè)的難題。荊龍龍［2］設(shè)計了一款電動割草機(jī)，并創(chuàng)新性的在割草機(jī)機(jī)身上安裝了一款小型發(fā)動機(jī)，為其提供電能，提高了該割草機(jī)的續(xù)航時間。王軍洋［3］針對太陽能類型的割草機(jī)進(jìn)行了研究，并設(shè)計了太陽能割草機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)及光伏發(fā)電系統(tǒng)的控制策略。美國俄亥俄大學(xué)運用陀螺儀和導(dǎo)航技術(shù)研發(fā)出了一款智能割草機(jī)，該割草機(jī)可以很好地實現(xiàn)定位導(dǎo)航和路徑規(guī)劃功能［4］。但目前針對智能混動式割草機(jī)的研究還較少。

國外特殊的城市規(guī)劃環(huán)境及農(nóng)業(yè)地形，大多數(shù)主要以平原為主，割草機(jī)的動力性能夠得到保證，故主要針對割草機(jī)的智能化進(jìn)行了廣泛的研究及應(yīng)用［5， 6］。而我國由于丘陵地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，傳統(tǒng)的燃油手推式割草機(jī)作業(yè)不僅勞動強(qiáng)度大，且有著不確定的危險性，一般只適用于地面比較平坦和坡度較小的工況。電動割草機(jī)受制于動力電池技術(shù)，其續(xù)航時間短、作業(yè)效率低，且在丘陵山地雜草密度大及小型灌木等作業(yè)條件下動力性欠缺。太陽能割草機(jī)通過太陽能發(fā)電并結(jié)合動力電池來作為能源驅(qū)動割草機(jī)工作，其功率較小，對于坡地和一些復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境動力性較差。因此，需開發(fā)適用于丘陵山地作業(yè)的割草機(jī)，本文基于課題組自主研發(fā)的丘陵山地智能混動割草機(jī)工作特點，主要針對該割草機(jī)的動力匹配及控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計與試驗，實現(xiàn)對割草機(jī)作業(yè)的有效控制。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

丘陵山地智能混動割草機(jī)的動力系統(tǒng)與傳統(tǒng)類型的電動系統(tǒng)不同，它是在割草機(jī)機(jī)身上布置多個動力源，可在割草作業(yè)過程中提供電能補(bǔ)給的混合動力割草機(jī)［7， 8］。該機(jī)由履帶機(jī)構(gòu)、驅(qū)動電機(jī)、動力電池、割刀、發(fā)動機(jī)及發(fā)電機(jī)等組成，如圖1所示。

割草機(jī)割刀與發(fā)動機(jī)機(jī)械連接，由動力電池與增程裝置為驅(qū)動電機(jī)供電，整車控制器與發(fā)動機(jī)控制器、發(fā)電機(jī)控制器及動力電池管理系統(tǒng)信號連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的讀寫和控制指令的發(fā)送，來控制增程裝置各部件的執(zhí)行，并實現(xiàn)驅(qū)動電機(jī)、動力電池、割刀與增程裝置之間的能量分配。

1.2 工作原理

丘陵山地智能混動割草機(jī)根據(jù)作業(yè)對象及工況的不同，通過設(shè)計的控制系統(tǒng)進(jìn)行實時識別工況，依據(jù)不同類別工況的特點采取相應(yīng)的能量管理控制策略。工作原理主要分為4種工作模式，如圖2所示。純電動模式下僅由動力電池為驅(qū)動電機(jī)提供能量，發(fā)動機(jī)僅為割刀提供所需的切割功率。電量保持模式下，發(fā)動機(jī)在為割刀提供所需切割功率的同時，還帶動發(fā)電機(jī)為動力電池充能及為驅(qū)動電機(jī)提供所需能量。增程補(bǔ)償模式下由動力電池和增程裝置共同為驅(qū)動電機(jī)提供所需的功率。再生制動模式下部分機(jī)械能會經(jīng)驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)為電能儲存在動力電池中。

2 動力系統(tǒng)參數(shù)匹配

動力系統(tǒng)參數(shù)的合理匹配直接關(guān)系到整機(jī)的動力性及控制性能，匹配出合理的整機(jī)動力系統(tǒng)參數(shù)是整機(jī)工況識別系統(tǒng)設(shè)計及控制策略設(shè)計的前提。丘陵山地智能混動割草機(jī)動力系統(tǒng)配置包括：驅(qū)動電機(jī)的選擇、動力電池組的選擇、增程裝置的選擇與匹配［9］。

2.1 驅(qū)動電機(jī)配置

驅(qū)動電機(jī)的選擇需要考慮驅(qū)動電機(jī)的額定功率和峰值功率，驅(qū)動電機(jī)峰值功率需滿足行駛工況下最大需求功率。丘陵山地智能混動割草機(jī)的極限工況為爬坡和原地轉(zhuǎn)彎，本文綜合兩種極限工況并結(jié)合實際將極限工況確定為草地作業(yè)時的原地轉(zhuǎn)彎工況，按式（1）～式（5）采取直接相加的方法確定最大牽引力。

3 工況識別系統(tǒng)設(shè)計

丘陵山地果園、茶園等作業(yè)條件較為復(fù)雜，為提高割草機(jī)作業(yè)時間及降低油耗，需要割草機(jī)能夠依據(jù)不同作業(yè)對象及工況的特點，在作業(yè)過程中實現(xiàn)驅(qū)動電機(jī)、動力電池、割刀與增程裝置之間的能量合理分配。因此工況識別系統(tǒng)是丘陵山地智能混動割草機(jī)控制系統(tǒng)研發(fā)的基礎(chǔ)［11］。

3.1 作業(yè)對象及工況分析

割草機(jī)在丘陵山地果園、茶園等實際作業(yè)中，作業(yè)對象主要分為兩類，其中一類是稀疏或局部密集型草本植物，另一類是以小型灌木為主。草本植物根莖細(xì)小，只需保證割刀具有足夠的切割速度即可；與草本植物相比，小型灌木植物根莖粗、韌性低，這就要求在保證割刀具有足夠切割速度的同時，割草機(jī)本身能夠提供一定的切割力度。同時丘陵山地果園、茶園等主要是平地與斜坡相結(jié)合的復(fù)合作業(yè)地形，其坡度主要為25°以下的緩坡和小于40°的陡坡。故本文將主要研究稀疏草地和密集草地/小型灌木下的平地和小于40°的坡地，兩種作業(yè)環(huán)境下的平地作業(yè)、縱坡作業(yè)、橫坡作業(yè)三類典型工況如圖3所示。同時選取割草機(jī)辨識度最高的最高速度vmax、最低速度vmin、俯仰角γ、偏航角ψ、橫滾角θ工況特征參數(shù)，結(jié)合設(shè)計及作業(yè)要求得出本機(jī)各工況類別的特征參數(shù)范圍如表2所示。

3.2 工況特征參數(shù)的提取與識別

本設(shè)計基于以上工況分類，搭建實時工況數(shù)據(jù)采集及工況識別系統(tǒng)如圖4所示，該系統(tǒng)由整車控制器、無線遙控器及九軸高精度陀螺儀HWT901B-TTL模塊組成。為實現(xiàn)實時工況識別，需實時采集無線遙控器及九軸高精度陀螺儀HWT901B-TTL模塊數(shù)據(jù)，并按一定的時間周期反饋至整車控制器，解算實時工況特征參數(shù)并判別工況。特征參數(shù)的提取周期應(yīng)主要考慮兩方面，一方面是提取周期不應(yīng)過短，以消除割草機(jī)跨越臺階、壕溝等少數(shù)階躍變化時對工況識別的影響；另一方面提取周期過長將滯后割草機(jī)的工況識別。

vmax、vmin的特征參數(shù)可由無線遙控器端提取。本文以某款遙控器按鍵值（圖5）與割草機(jī)運動狀態(tài)預(yù)先在程序中一一對應(yīng)的設(shè)定好，按鍵值64511、61439、63487、57343、65527、65533、65534、65531分別對應(yīng)前進(jìn)、后退、差速左轉(zhuǎn)、差速右轉(zhuǎn)、最高速度vmax、最低速度vmin、原地左轉(zhuǎn)、原地右轉(zhuǎn)的運動狀態(tài)。整車控制器接收到遙控端發(fā)來的信號后，按預(yù)先寫入的程序處理讀取到的數(shù)據(jù)，由按鍵值65527、65533即可對應(yīng)出最高速度vmax、最低速度vmin的特征參數(shù)。

圖5 遙控器按鍵值圖

Fig. 5 Remote control key value map

γ、ψ、θ三個特征參數(shù)（圖6）計算的快速性和精確性，對于制定本機(jī)的工況識別系統(tǒng)控制策略非常重要［12， 13］。整車控制器通過九軸高精度陀螺儀HWT901B-TTL模塊采集到加速度計的X軸分量ACC_X，Y軸分量ACC_Y，Z軸分量ACC_Z，以及分別繞X，Y，Z軸旋轉(zhuǎn)的角速度GYR_X，GYR_Y，GYR_Z的6個原始數(shù)據(jù)后通過模塊四元數(shù)算法解算后可得到四元數(shù)q0，q1，q2，q3。取計算姿態(tài)矩陣的旋轉(zhuǎn)順序為Z-Y-X，則姿態(tài)角的求解可按式（15）～式（17）確定。

γ=-sin-12（q1q3-q0q2）

（15）

θ=tan-12（q2q3+q0q1）q02-q12-q22+q32

（16）

ψ=tan-12（q1q2+q0q3）q02+q12-q22-q32

（17）

將提取到的工況特征參數(shù)與表2的特征區(qū)間匹配，判斷丘陵山地智能混動割草機(jī)行駛的工況類別并輸出其代號。整車控制器基于表2特征參數(shù)區(qū)間值，每隔2s與提取的5個特征參數(shù)相匹配，判斷割草機(jī)所處的工況類別：當(dāng)特征參數(shù)處于平地作業(yè)的特征參數(shù)區(qū)間，則輸出平地作業(yè)的工況類別代號1；當(dāng)特征參數(shù)處于縱坡作業(yè)的特征參數(shù)區(qū)間，則輸出縱坡作業(yè)的工況類別代號2，當(dāng)特征參數(shù)處于橫坡作業(yè)的特征參數(shù)區(qū)間，則輸出橫坡作業(yè)的工況類別代號3，否則將保持輸出上一個工況類別代號。

3.3 工況識別系統(tǒng)控制策略設(shè)計

工況識別系統(tǒng)控制策略是整機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計的中心環(huán)節(jié)，具體控制策略是：由工況識別系統(tǒng)進(jìn)行工況特征參數(shù)的提取與識別后，根據(jù)作業(yè)工況類別代號，執(zhí)行相應(yīng)工況的控制策略，將整車動力電池和增程裝置提供的功率合理分配給驅(qū)動電機(jī)和割刀。通常情況下，割草機(jī)作業(yè)開始前動力電池組已充滿電，其SOC值較高，故設(shè)定割草機(jī)運行初始狀態(tài)為低速平地作業(yè)工況。丘陵山地智能混動割草機(jī)的工況識別系統(tǒng)控制策略如圖7所示。

圖7中，SOCmin_P，SOCmin_H，SOCmin_Z分別為平地作業(yè)工況、橫坡作業(yè)工況與縱坡作業(yè)工況下設(shè)定的動力電池組SOC下限值；Pbat_lim為電池的最大持續(xù)放電功率；Pgen為選取的發(fā)電機(jī)定點工作功率；Preq為割草機(jī)的需求功率，計算如式（18）所示。

Preq=TMotωMot

（18）

式中：

TMot——驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)矩；

ωMot——驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)速。

4 整機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計

4.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

丘陵山地智能混動割草機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖8所示?？刂葡到y(tǒng)主要包括24V、48V高電壓總線、5V低電壓總線、輸入信號線、控制信號線以及主控制處理器、驅(qū)動電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動器、直線推桿電機(jī)、直線推桿電機(jī)驅(qū)動板、DC-DC升壓模塊、8路繼電器模塊、九軸高精度陀螺儀模塊、無線接收模塊、BMS模塊、多路電源模塊、動力電池組、其他輔助件等部分。24V、48V高電壓總線通過配電盒將增程裝置和動力電池組能量進(jìn)行分配，保證整機(jī)運動控制部件的能量供應(yīng)，驅(qū)動整機(jī)工作。5V低電壓總線保證各控制器、檢測模塊及收發(fā)模塊的正常運轉(zhuǎn)。輸入信號線和控制信號線主要完成對割草機(jī)數(shù)據(jù)信息的讀寫和控制指令的發(fā)送，實現(xiàn)割草機(jī)各部分功能正常運轉(zhuǎn)。

控制系統(tǒng)硬件［14］組成如圖9所示。整機(jī)控制系統(tǒng)以STM32F407ZGT6主控制器為處理核心，進(jìn)行HW901B-TTL陀螺儀傳感器、HC-12 SI4463無線接收模塊等輸入信號的實時檢測、處理，完成割草機(jī)的工況識別與運動控制［15-17］。由STM32F103C8T6控制板K1控制發(fā)電機(jī)的工作狀態(tài)、STM32F103C8T6控制板K2控制發(fā)動機(jī)油門大小、BMS集成模塊實時監(jiān)測動力電池組的狀態(tài)，三者與主控制器實時進(jìn)行信號反饋與處理，采用實時工況識別算法程序共同完成整機(jī)的能量管理。

此外，主控制器還輸出控制信號完成驅(qū)動電機(jī)、刀盤升降及其他輔件的控制。

4.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.2.1 控制系統(tǒng)主程序設(shè)計

割草機(jī)正常工作時運行的主程序流程如圖10所示。當(dāng)處于開始位置時，整機(jī)控制系統(tǒng)5V上電，各控制器進(jìn)行初始化操作，包括I/O端口、系統(tǒng)時鐘、定時器、系統(tǒng)中斷等，之后系統(tǒng)執(zhí)行自檢程序進(jìn)行整機(jī)狀態(tài)的檢測，若系統(tǒng)異常，則表示啟動失敗并報警提示［18］。若系統(tǒng)正常，則給整機(jī)24V、48V部件上電，上電完成后程序進(jìn)入循環(huán)體，開始不斷進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理，同時如果檢測到有故障信號，則運行故障處理子程序，若無故障則輸出控制信息，以驅(qū)動割草機(jī)執(zhí)行相應(yīng)動作。

4.2.2 控制系統(tǒng)關(guān)鍵子程序設(shè)計

割草機(jī)的子程序工況識別控制流程如圖11所示，其主要完成割草機(jī)的運動控制和工況識別判斷并按對應(yīng)的控制策略輸出相應(yīng)的控制信息。

各子程序在被主程序調(diào)用運行完后，返回主程序。

在設(shè)定的定時計算周期滿足后，通過提取控制信息，將控制信息中的運動指令解析出來，判斷運動模式并輸出運動控制信號。同時從控制信息中提取5個工況特征參數(shù)，進(jìn)行特征參數(shù)區(qū)間匹配及判別工況，并根據(jù)工況類別執(zhí)行相應(yīng)的控制策略，輸出工況控制信號。圖12為割草機(jī)的故障處理子程序控制流程圖，其主要是在割草機(jī)發(fā)生相應(yīng)的故障時，能夠根據(jù)不同的故障代碼完成相應(yīng)的故障處理，以保證割草機(jī)作業(yè)時的有效性和安全性?？刂破髟诮邮盏焦收闲畔⒑螅M(jìn)行故障代碼的解析，若為信號接收故障，則進(jìn)行緊急制動。若為電機(jī)控制器故障和BMS故障則進(jìn)行相應(yīng)的故障處理。

5 樣機(jī)與試驗

為驗證該控制系統(tǒng)的實際效果，本文以課題組自主研發(fā)的丘陵山地智能混動割草機(jī)（圖13）為試驗平臺，在廣西柳州市廣西科技大學(xué)內(nèi)經(jīng)考查與實測，選取了一塊與丘陵山地果樹園、茶園等地形環(huán)境較相仿的復(fù)合作業(yè)試驗環(huán)境，經(jīng)評估其可以作為試驗場所進(jìn)行該割草機(jī)控制系統(tǒng)部分的驗證。并于2022年6月9—10日完成了典型工況的試驗測試，主要進(jìn)行了該割草機(jī)控制系統(tǒng)的動力性、作業(yè)時間及工況識別測試。

動力性是實現(xiàn)該割草機(jī)良好控制的一項重要指標(biāo)。根據(jù)整機(jī)總體試驗要求，通過在40°坡地上、作業(yè)速度為3～5km/h情況下進(jìn)行最極限的縱向坡面原地轉(zhuǎn)向測試來反映整機(jī)動力性。該試驗重復(fù)5次，平均每次原地轉(zhuǎn)30s，記錄每次30s內(nèi)驅(qū)動電機(jī)的最大輸出功率結(jié)果如表3所示。

由表3可知，驅(qū)動電機(jī)極限需求功率小于動力系統(tǒng)配置的發(fā)電機(jī)最大輸出功率與動力電池組最大持續(xù)放電功率之和，說明該割草機(jī)動力性能滿足實際需求。

由于該割草機(jī)是在丘陵山地復(fù)雜環(huán)境下作業(yè)，因此作業(yè)時間是非常重要的指標(biāo)。試驗時，在40°坡地和平地復(fù)合作業(yè)環(huán)境下、動力電池滿電、發(fā)動機(jī)滿油、作業(yè)速度為3～5km/h情況下，重復(fù)5次試驗，記錄該割草機(jī)常規(guī)油電控制方式和智能混動控制方式下的作業(yè)時間數(shù)據(jù)，如表4所示。

通過表4可以看出，同耗油量下該割草機(jī)智能混動控制方式相比于常規(guī)無能量管理的油電控制方式，其單次作業(yè)時間約增加了18%，即智能混動控制方式下的割草機(jī)油耗低于常規(guī)油電控制方式下的割草機(jī)。

丘陵山地智能混動割草機(jī)在果園、茶園等行間作業(yè)時，工況識別的正確性與直線偏移率是反映整機(jī)控制系統(tǒng)性能的關(guān)鍵指標(biāo)。工況識別試驗時，在40°坡地和平地復(fù)合作業(yè)環(huán)境、作業(yè)速度為3～5km/h下讓該割草機(jī)在94s內(nèi)連續(xù)通過平地、縱坡、橫坡三類典型作業(yè)工況并記錄了俯仰角γ和橫滾角θ，如圖14所示。

直線偏移率試驗時，讓割草機(jī)分別在平地、縱坡、橫坡三類典型作業(yè)工況預(yù)定的路線上，以3km/h低速行駛作業(yè)50m，進(jìn)行3次試驗，并記錄偏航角ψ如圖15所示。

由圖15可知，該割草機(jī)在三類作業(yè)工況下，經(jīng)驅(qū)動電機(jī)閉環(huán)程序調(diào)節(jié)后的最大航向偏駛角度小于3°，平均偏角小于2°，但該偏差不會對行間作業(yè)產(chǎn)生重要影響。分析該割草機(jī)直線跑偏的主要原因是兩側(cè)履帶機(jī)構(gòu)因生產(chǎn)加工和裝配導(dǎo)致其內(nèi)部運行工況有差異以及特征參數(shù)ψ提取計算具有周期性。

控制器以圖14的數(shù)據(jù)輸出了工況類別代號，并結(jié)合實際作業(yè)工況得到該割草機(jī)的工況識別測試結(jié)果如圖16所示。

由圖16可以看出，工況識別系統(tǒng)可實現(xiàn)作業(yè)工況的實時識別，當(dāng)割草機(jī)平地行駛作業(yè)時，控制器輸出平地工況狀態(tài)；當(dāng)割草機(jī)橫坡行駛作業(yè)時，控制器輸出橫坡工況狀態(tài)，當(dāng)割草機(jī)縱坡行駛作業(yè)時，控制器輸出縱坡工況狀態(tài)，但由于行駛作業(yè)工況的特征參數(shù)提取計算的周期性，工況識別有一定的延遲，導(dǎo)致部分識別結(jié)果與實際不符，但總體滿足設(shè)計要求。其工況正確識別時長精度達(dá)到了90%以上。

6 結(jié)論

1） 設(shè)計丘陵山地智能混動割草機(jī)的整機(jī)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)該割草機(jī)的整機(jī)控制。該控制系統(tǒng)能夠滿足該割草機(jī)的各項動力性要求。且智能混動控制方式下的作業(yè)時間相比于常規(guī)無能量管理的油電控制方式，單次作業(yè)時間約增加18%，減小使用周期內(nèi)的燃油消耗量。

2） 設(shè)計一種可實時周期性工況識別并自動完成能量管理的工況識別系統(tǒng)，通過制定的能量管理策略實現(xiàn)該割草機(jī)在不同工況下的能量差異化管理，試驗表明該工況識別系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確識別該割草機(jī)的不同作業(yè)工況，其工況正確識別時長精度達(dá)到90%以上。該系統(tǒng)也為多動力源系統(tǒng)在割草機(jī)上的智能化應(yīng)用提供一種新的思路和手段。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］ 方策. 履帶式割草機(jī)的設(shè)計與研究［D］. 鄭州： 華北水利水電大學(xué)， 2016.

Fang Ce. Design and research of crawler type lawn mowing machine ［D］. Zhengzhou： North China University of Water Resources and Electric Power， 2016.

［2］ 荊龍龍. 果園小型割草機(jī)的設(shè)計及性能測試研究［D］. 晉中： 山西農(nóng)業(yè)大學(xué)， 2015.

Jing Longlong. The design and research of the performance testing about orchard small-sized mower ［D］. Jinzhong：Shanxi Agricultural University， 2015.

［3］ 王軍洋. 太陽能割草機(jī)及其能源控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計［D］. 南京： 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)， 2015.

Wang Junyang. Research and design of solar lawn mower and energy control systems ［D］. Nanjing： Nanjing Agricultural University， 2015.

［4］ 孫君亮， 閆銀發(fā)， 李法德， 等. 智能除草機(jī)器人的研究進(jìn)展與分析［J］. 中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報， 2019， 40（11）： 73-80.

Sun Junliang， Yan Yinfa， Li Fade， et al. Research progress and analysis of intelligent weeding robot ［J］. Journal of Chinese Agricultural Mechanization， 2019， 40（11）： 73-80.

［5］ 閆全濤， 李麗霞， 邱權(quán)， 等. 小型移動式農(nóng)業(yè)機(jī)器人研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］. 中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報， 2019， 40（5）： 178-186.

Yan Quantao， Li Lixia， Qiu Quan， et al. Research status and development trends of small-mobile agricultural robots ［J］. Journal of Chinese Agricultural Mechanization， 2019， 40（5）： 178-186.

［6］ Parthipan G， Dhiyaneswaran J， Vimal raja M， et al. Fabrication of wireless remote controlled electric lawn mower ［J］. International Journal of Innovative Technology and Exploring Engineering （IJITEE）， 2019， 8（10）： 1-4.

［7］ 王麗綿， 王書茂， 宋正河. 增程式電動拖拉機(jī)控制策略與啟動方法研究［J］. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報， 2018， 49（S1）： 486-491.

Wang Limian， Wang Shumao， Song Zhenghe. Control strategy and startup method of extended range electric tractors ［J］. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery， 2018， 49（S1）： 486-491.

［8］ 吳偉斌， 楊曉彬， 張震邦， 等. 增程式山地果園電動運輸車動力系統(tǒng)設(shè)計與試驗［J］. 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報， 2018， 37（4）： 1-6.

Wu Weibin， Yang Xiaobin， Zhang Zhenbang， et al. Design and experiment of range-extender system of mountainous transport cart ［J］. Journal of Huazhong Agricultural University， 2018， 37（4）： 1-6.

［9］ 王耀南， 孟步敏， 申永鵬， 等.燃油增程式電動汽車動力系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)綜述［J］. 中國電機(jī)工程學(xué)報， 2014， 34（27）： 4629-4639.

Wang Yaonan， Meng Bumin， Shen Yongpeng， et al. Researches on power systems of extended range electric vehicles ［J］. Proceedings of the CSEE， 2014， 34（27）： 4629-4639.

［10］ 宋傳學(xué)， 王達(dá)， 宋世欣， 等. 基于動力分布設(shè)計的增程式電動汽車［J］. 吉林大學(xué)學(xué)報（工學(xué)版）， 2015， 45（3）： 681-688.

Song Chuanxue， Wang Da， Song Shixin， et al. Extended-range electric vehicle based on power distribution design ［J］. Journal of Jilin University （Engineering and Technology Edition）， 2015， 45（3）： 681-688.

［11］ 韓長杰， 韓鴻飛， 尤佳， 等. 自動移栽機(jī)工況信息監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與試驗［J］. 中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報， 2022， 43（4）： 60-65.

Han Changjie， Han Hongfei， You Jia， et al. Research and design of operation information monitoring system for automatic transplanter ［J］. Journal of Chinese Agricultural Mechanization， 2022， 43（4）： 60-65.

［12］ 祝清震， 武廣偉， 羅長海， 等. 基于姿態(tài)實時監(jiān)測的多路精準(zhǔn)排肥播種控制系統(tǒng)研究［J］. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報， 2018， 49（S1）： 155-163.

Zhu Qingzhen， Wu Guangwei， Luo Changhai， et al. Design of multipath precision fertilizer and sowing control system based on attitude real time monitoring ［J］. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery， 2018， 49（S1）： 155-163.

［13］ 李尚平， 閆昱曉， 徐冰， 等. 丘陵地區(qū)剪叉式甘蔗轉(zhuǎn)運車調(diào)平控制系統(tǒng)設(shè)計與試驗［J］. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報， 2021， 52（11）： 384-393.

Li Shangping， Yan Yuxiao， Xu Bing， et al. Design and experiment on leveling control system of scissor type sugarcane transporter in hilly area ［J］. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery， 2021， 52（11）： 384-393.

［14］ 王超， 李永磊， 宋建農(nóng)， 等. 氣動下壓式高速移栽機(jī)自動控制系統(tǒng)設(shè)計與試驗［J］. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報， 2022， 53（3）， 114-125.

Wang Chao， Li Yonglei， Song Jiannong， et al. Design and test of automatic control system of the pneumatic ejecting type high-speed transplanter ［J］. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery， 2022， 53（3）： 114-125.

［15］ 刁智華， 閆嬌楠， 張萌， 等. 基于WiFi通信的玉米除草機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計與試驗［J］. 中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報， 2022， 43（4）： 131-137.

Diao Zhihua，Yan Jiaonan，Zhang Meng，et al. Structural design and analysis of corn weeding robot based on WiFi communication ［J］. Journal of Chinese Agricultural Mechanization， 2022， 43（4）： 131-137.

［16］ 徐麗明， 趙詩建， 馬帥， 等. 葡萄株間除草機(jī)精準(zhǔn)避障控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計與試驗［J］. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報， 2021， 37（15）： 31-39.

Xu Liming， Zhao Shijian， Ma Shuai， et al. Optimized design and experiment of the precise obstacle avoidance control system for a grape interplant weeding machine ［J］. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2021， 37（15）： 31-39.

［17］ 陳黎卿， 許澤鎮(zhèn)， 解彬彬， 等. 無人駕駛噴霧機(jī)電控系統(tǒng)設(shè)計與試驗［J］. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報， 2019， 50（1）： 122-128.

Chen Liqing， Xu Zezhen， Xie Binbin， et al. Design and test of electronic control system for unmanned drive sprayer ［J］. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery， 2019， 50（1）： 122-128.

［18］ 孫永佳， 竇青青， 孫宜田， 等. 基于Cortex-M3的丘陵山地拖拉機(jī)遙控系統(tǒng)設(shè)計［J］. 中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報， 2020， 41（6）： 137-142.

Sun Yongjia， Dou Qingqing， Sun Yitian， et al. Design of remote control system in hilly tractor based on Cortex-M3 ［J］. Journal of Chinese Agricultural Mechanization， 2020， 41（6）： 137-142.