一種拖拉機(jī)自動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的裝配方案

褚爽,郭廣偉,楊振濤,王偉,張金梅

(中國一拖集團(tuán)有限公司大拖裝配廠,河南洛陽 471004)

0 引言

我國是農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)在國民經(jīng)濟(jì)中占有重要的地位。現(xiàn)代農(nóng)業(yè)是繼傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)之后又一新的發(fā)展階段，是以現(xiàn)代工業(yè)和科學(xué)技術(shù)為基礎(chǔ)，重視加強(qiáng)農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。隨著精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)推廣實(shí)施， 拖拉機(jī)自動(dòng)控制項(xiàng)目已作為重點(diǎn)項(xiàng)目研發(fā)。國內(nèi)外都對(duì)自動(dòng)轉(zhuǎn)向技術(shù)、自動(dòng)駕駛進(jìn)行了大量的研究。20世紀(jì)90年代，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)在美國、加拿大等國實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，發(fā)展到現(xiàn)在自動(dòng)轉(zhuǎn)向技術(shù)已應(yīng)用到施肥、播種、耕作、噴灑農(nóng)藥以及水分管理等農(nóng)業(yè)耕作的全部領(lǐng)域，自動(dòng)駕駛技術(shù)也已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，能夠應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。我國于1998年在北京順義建立了北方精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)示范區(qū)，在2000年精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)被列入國家863高技術(shù)計(jì)劃。

自動(dòng)轉(zhuǎn)向(又可稱自動(dòng)駕駛)技術(shù)作為無人駕駛技術(shù)的一部分(包含關(guān)系)已廣泛應(yīng)用于耙地、播種、施肥、噴藥和起壟等農(nóng)藝作業(yè)中，且已得到了用戶的普遍認(rèn)可，自動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)總裝機(jī)量在逐年增加?，F(xiàn)主要分布在黑龍江和新疆地區(qū)，江蘇以及內(nèi)蒙古等地區(qū)的農(nóng)場和農(nóng)機(jī)合作社也開始進(jìn)行自動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的安裝。國家已將自動(dòng)轉(zhuǎn)向前裝農(nóng)機(jī)購置補(bǔ)貼提上議程。

前期進(jìn)入中國的拖拉機(jī)自動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)均為國外品牌，國內(nèi)并沒有自主研發(fā)、自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的自動(dòng)轉(zhuǎn)向產(chǎn)品，國內(nèi)廠商均采用代理的方式進(jìn)行銷售。通過多年的發(fā)展和農(nóng)業(yè)部前裝補(bǔ)貼方案的實(shí)施，國內(nèi)更多的企業(yè)已開始進(jìn)行自動(dòng)轉(zhuǎn)向技術(shù)研究。與普通拖拉機(jī)整機(jī)比較，自動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)需要裝配設(shè)備太多，整機(jī)所余空間狹小，安裝難，管線布局難，系統(tǒng)要求安裝精度高，科技含量與技術(shù)含量較高。實(shí)現(xiàn)自動(dòng)轉(zhuǎn)向功能，整機(jī)電氣系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)均需改動(dòng)，設(shè)計(jì)準(zhǔn)確標(biāo)準(zhǔn)高，產(chǎn)品質(zhì)量要求高，裝配難度系數(shù)高，裝配可能性、裝配質(zhì)量不易保證。

1 自動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)介紹

拖拉機(jī)自動(dòng)轉(zhuǎn)向技術(shù)，是通過接收機(jī)接收衛(wèi)星定位和基準(zhǔn)站位置信號(hào)，利用RTK(Real-time Kinematic)差分信號(hào)原理通過主控制器控制液壓轉(zhuǎn)向比例閥，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)拖拉機(jī)轉(zhuǎn)向自動(dòng)控制的技術(shù)，利用顯示屏進(jìn)行人機(jī)交互和路徑規(guī)劃，并通過轉(zhuǎn)向角度傳感器反饋信號(hào)實(shí)現(xiàn)拖拉機(jī)轉(zhuǎn)向的閉環(huán)控制。自動(dòng)駕駛系統(tǒng)組件包含：

便攜式基準(zhǔn)站。實(shí)時(shí)計(jì)算拖拉機(jī)的位置；

智能駕駛控制器。計(jì)算北斗接收機(jī)和角度傳感器信號(hào)，并向電液比例閥實(shí)時(shí)發(fā)送指令；

電液比例閥。實(shí)時(shí)控制液壓油流量和流向，保證拖拉機(jī)始終按設(shè)定路線行駛；

角度傳感器。感應(yīng)車輛實(shí)時(shí)的轉(zhuǎn)向角度;

智能顯控終端。人機(jī)交互界面，設(shè)定作業(yè)模式、參數(shù)以及進(jìn)行路徑規(guī)劃。

2 自動(dòng)駕駛的組成部分及裝配方案

2.1 便攜式基準(zhǔn)站

在拖拉機(jī)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)中，基準(zhǔn)站的主要作用是放置在一個(gè)相對(duì)固定的位置作為流動(dòng)站精準(zhǔn)定位的參考點(diǎn)，需要通過GPS(Global Positioning System)、GLONASS(Global Navigation Satellite System)、BD(Bei Dou)系統(tǒng)定位并將差分?jǐn)?shù)據(jù)通過電臺(tái)傳輸給流動(dòng)站電臺(tái)，流動(dòng)站電臺(tái)將收到的差分?jǐn)?shù)據(jù)輸出給流動(dòng)站，這樣流動(dòng)站才能實(shí)現(xiàn)高精度定位。高精度定位是拖拉機(jī)實(shí)現(xiàn)高精度自動(dòng)駕駛的前提，所以基準(zhǔn)站和流動(dòng)站電臺(tái)的穩(wěn)定工作是拖拉機(jī)自動(dòng)駕駛的重要保障。

在中國，嚴(yán)復(fù)最早在《天演論》中“譯例言”講到了譯事三難：信、達(dá)、雅。雖然簡短三字，但卻道出了翻譯的要求與原則。之后各種翻譯思想，如信、達(dá)、切，形似，神似等均是對(duì)其延伸與發(fā)展。

2.2 智能駕駛控制器ECU(Electronic Control Unit)

此控制器需要與GNSS測量天線、轉(zhuǎn)向控制單元(液壓或者方向盤)、拖拉機(jī)前輪轉(zhuǎn)向測量單元及智能顯控終端等配合連接使用，方能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)轉(zhuǎn)向或者自動(dòng)駕駛?？刂破靼惭b要求嚴(yán)苛，必須是水平或者垂直放置，否則會(huì)影響正常使用，所以需要設(shè)計(jì)控制器專用支架。

裝配方案一：垂直放置，將控制器裝配在整機(jī)座椅后面的后壁板上，如圖1(a)所示。

裝配方案二：水平放置，將控制器裝配在整機(jī)右操縱臺(tái)上，如圖1(b)所示。

一般會(huì)優(yōu)選裝配方案一,節(jié)省駕駛室內(nèi)部空間。

2.3 電液比例閥

應(yīng)用集成液壓閥模塊將自動(dòng)轉(zhuǎn)向的液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)并聯(lián)到原有拖拉機(jī)液壓系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中。在原有的轉(zhuǎn)向油路中安裝自動(dòng)轉(zhuǎn)向的集成液壓閥，實(shí)現(xiàn)拖拉機(jī)的自動(dòng)轉(zhuǎn)向。開啟自動(dòng)駕駛時(shí)，控制器發(fā)出命令，電磁換向閥實(shí)現(xiàn)油路方向切換控制，達(dá)到控制轉(zhuǎn)向的效果，比例閥實(shí)現(xiàn)油路流量控制，達(dá)到控制轉(zhuǎn)向速度的效果。液壓油經(jīng)過比例閥和電磁閥，進(jìn)入轉(zhuǎn)向油缸，油缸活塞在油壓的作用下移動(dòng)實(shí)現(xiàn)拖拉機(jī)目標(biāo)角度的轉(zhuǎn)向。

裝配方案一：利用支架將閥塊固定在油箱上方，消聲器和發(fā)動(dòng)機(jī)之間。

裝配方案二：將閥塊直接安裝在駕駛室下圍板上。

裝配方案三: 利用支架將閥塊裝配在前機(jī)罩內(nèi)部。

3種裝配方案均可, 閥體本身具備一定的防水防泥功能，一般比較常用的方案為裝配方案一(見圖2)。

圖2 電液比例閥裝配方案一

2.4 智能顯控終端(顯示屏)

智能顯控終端是主要針對(duì)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)和工程機(jī)械智能化開發(fā)的一款智能顯控終端，具備工業(yè)應(yīng)用的基本特性：堅(jiān)固，防摔、防塵、防雨水設(shè)計(jì)。智能顯控終端基于Windows 10操作系統(tǒng)，能搭載目前市場上存在的主流工程控制及農(nóng)業(yè)控制軟件，20.32 cm(8英寸)電容式高亮觸摸顯示屏的采用以及IP67標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)，滿足了用戶在強(qiáng)光照射、多灰塵、需戴手套操作等環(huán)境下的操控和顯示需求。產(chǎn)品支持CAN總線、串口、USB、網(wǎng)絡(luò)接口、CVBS(Composite Video Broadcast Signal)等多種接口，支持WiFi、3G/4G及以太網(wǎng)等多種通信，以最大限度地滿足各種傳感器和數(shù)據(jù)的接入和傳輸要求。顯示器安裝在駕駛室內(nèi)部。

裝配方案一：用專用的固定支架安裝在駕駛室門扶手上。

裝配方案二：安裝在駕駛室內(nèi)右側(cè)立柱上。

顯示屏的安裝需要根據(jù)駕駛室內(nèi)部的實(shí)際情況，以方便觀看與操作為主。

2.5 角度傳感器

角度傳感器是將實(shí)際中角度的變化信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的一種傳感器，自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制的工作精度直接由它決定。不同廠家的角度傳感器有不同的安裝方式，目前的裝配方案是把角度傳感器裝配在前橋上，后續(xù)會(huì)研發(fā)將角度傳感器裝在前橋內(nèi)部形成合件。工作時(shí)，安裝在傳感器支座上的角度傳感器同轉(zhuǎn)向節(jié)立軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使轉(zhuǎn)軸和傳感器之間產(chǎn)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。

3 實(shí)施效果

提出的自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)是一種拖拉機(jī)的輔助作業(yè)系統(tǒng)，有效提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效益和質(zhì)量，降低了駕駛員長期疲勞作業(yè)的勞動(dòng)強(qiáng)度，提升農(nóng)機(jī)產(chǎn)業(yè)的質(zhì)量和效益。文中所述的所有裝配方案都在實(shí)際生產(chǎn)中試制過，經(jīng)過多次的實(shí)際驗(yàn)證后，推出上述比較常見的裝配方案。裝配后的樣機(jī)，已經(jīng)通過相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)轉(zhuǎn)向的功能，并且能夠批量生產(chǎn)，推向市場。也能夠在自動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過再增加其他組件的方式，實(shí)現(xiàn)拖拉機(jī)無人駕駛。

4 結(jié)束語

《中國制造2025》將農(nóng)機(jī)裝備產(chǎn)業(yè)列入10大重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域，為我國農(nóng)機(jī)裝備業(yè)發(fā)展帶來了新的契機(jī)。未來，我國農(nóng)機(jī)企業(yè)要繼續(xù)提高戰(zhàn)略性大型農(nóng)機(jī)具等高端裝備的自主創(chuàng)新能力。隨著中國城鎮(zhèn)化和土地流轉(zhuǎn)的進(jìn)行，土地耕作規(guī)?；C(jī)械化、自動(dòng)化作業(yè)成為可能，為農(nóng)機(jī)自動(dòng)駕駛推廣提供了更大的市場空間。

參考文獻(xiàn):

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