宋裕民，梁健明，邱緒云，李愛(ài)娟，趙林亭

(1.山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院，濟(jì)南 250100；2.山東交通學(xué)院 汽車(chē)工程學(xué)院，濟(jì)南 250357)

0 引言

我國(guó)耕地面積廣闊，但種植效率與發(fā)達(dá)國(guó)家相比還處于一個(gè)較低的水平，且農(nóng)業(yè)機(jī)械化程度不高，種植需要消耗大量的人力。隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的推進(jìn)，農(nóng)業(yè)人口的不斷流失，傳統(tǒng)種植模式的低效性問(wèn)題越來(lái)越突出，因此亟待提升我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化程度，發(fā)展自動(dòng)化和智能化的農(nóng)業(yè)設(shè)備。拖拉機(jī)自動(dòng)化技術(shù)可使燃油消耗下降、尾氣排放量減少，對(duì)能源、環(huán)境都有積極的作用[1-2]。目前，我國(guó)農(nóng)機(jī)主要以人工操作為主，隨著對(duì)作業(yè)強(qiáng)度、精度和效率方面要求的不斷提高，人工操作已經(jīng)難以滿足生產(chǎn)要求。因此，高精度自主導(dǎo)航、機(jī)械視覺(jué)導(dǎo)航和物聯(lián)網(wǎng)等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，使得無(wú)人駕駛拖拉機(jī)成為可能[3]。

拖拉機(jī)運(yùn)動(dòng)控制的相關(guān)技術(shù)研究廣受關(guān)注，趙建東等基于東方紅-250輪式拖拉機(jī)提出電控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案[4]；韓科立等對(duì)拖拉機(jī)定速巡航系統(tǒng)進(jìn)行了相關(guān)研究[5]；楊柳等設(shè)計(jì)了一輪式拖拉機(jī)通用自動(dòng)駕駛系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型和油門(mén)調(diào)節(jié)功能[6]。

本文針對(duì)履帶式拖拉機(jī)運(yùn)動(dòng)控制問(wèn)題，提出在傳統(tǒng)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)拖拉機(jī)底盤(pán)上搭載電子油門(mén)控制裝置和電控液壓轉(zhuǎn)向裝置的設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)可在遠(yuǎn)距離接收運(yùn)動(dòng)指令，且按照指令安全可靠平穩(wěn)地完成固定角度轉(zhuǎn)向、加減速、定速及停車(chē)等操作，且能實(shí)時(shí)反饋拖拉機(jī)的狀態(tài)信號(hào)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)及組成部分

該系統(tǒng)搭載在一小型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)履帶式拖拉機(jī)上，包括信號(hào)處理器、拖拉機(jī)運(yùn)動(dòng)控制器、無(wú)線通信模塊、電子油門(mén)裝置、電控液壓轉(zhuǎn)向裝置、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器和六軸運(yùn)動(dòng)傳感器等，如圖1所示。工作時(shí)，433MHz無(wú)線模塊接收調(diào)試遙控器或上位機(jī)發(fā)出的運(yùn)動(dòng)軌跡指令，信號(hào)處理器結(jié)合無(wú)線模塊信號(hào)和其他傳感器信號(hào)，對(duì)拖拉機(jī)運(yùn)動(dòng)控制器下達(dá)具體的操作指令，拖拉機(jī)運(yùn)動(dòng)控制器控制電子油門(mén)控制裝置和電控液壓轉(zhuǎn)向裝置協(xié)同完成運(yùn)動(dòng)軌跡指令；2.4GHz無(wú)線模塊實(shí)時(shí)向上位機(jī)反饋拖拉機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System structure diagram

1.1 電子油門(mén)裝置

電子油門(mén)裝置由拖拉機(jī)運(yùn)動(dòng)控制器控制，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)油門(mén)開(kāi)度的功能，由油門(mén)控制電機(jī)、直滑電位器、鋼絲、工字輪和導(dǎo)線吊環(huán)等組成，如圖2所示。工作原理：通過(guò)油門(mén)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)纏繞在工字輪上鋼絲收放，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)上油門(mén)拉桿上下運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)油門(mén)開(kāi)度的調(diào)節(jié)。油門(mén)調(diào)節(jié)電機(jī)動(dòng)力輸出軸用聯(lián)軸器連接著兩個(gè)工字輪，一個(gè)為收線輪，另外一個(gè)為放線輪。兩個(gè)工字輪上的鋼絲纏繞方向相反，鋼絲正向纏繞著前端工字輪，油門(mén)拉桿固定在鋼絲上，隨著鋼絲拉動(dòng)而上下運(yùn)動(dòng)，鋼絲經(jīng)過(guò)導(dǎo)環(huán)后再回到后端工字輪。油門(mén)控制電機(jī)正向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，前端工字輪收線，后端工字輪放線，將油門(mén)拉桿往下拉；反之，油門(mén)拉桿被往上拉。直滑電位器實(shí)時(shí)測(cè)量油門(mén)拉桿的位置，并將信號(hào)返回給拖拉機(jī)運(yùn)動(dòng)控制器，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。

1.導(dǎo)線吊環(huán) 2.直滑電位器 3.直滑電位器推桿 4.鋼絲 5.工字輪 6.電機(jī)支架 7.油門(mén)控制電機(jī) 8.聯(lián)軸器 9.油門(mén)拉桿 10.發(fā)動(dòng)機(jī)圖2 電子油門(mén)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.2 Structure diagram of electronic throttle device

油門(mén)控制電機(jī)需要克服油門(mén)拉桿的復(fù)位力、鋼絲運(yùn)動(dòng)過(guò)程受到的摩擦阻力和外部的干擾力等。經(jīng)測(cè)試，油門(mén)拉桿從上止點(diǎn)到下止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，所需要最大拉力不超過(guò)100N。電子油門(mén)控制電機(jī)需要準(zhǔn)確轉(zhuǎn)動(dòng)鋼絲，控制鋼絲的收放使油門(mén)拉桿上下移動(dòng)，為實(shí)現(xiàn)預(yù)期效果，且考慮電機(jī)體積、功耗和成本等因數(shù)，選用了一款57步進(jìn)電機(jī)。電機(jī)型號(hào)為57HS22，額定電流為3A，最大輸出轉(zhuǎn)矩2.3N·m，配套的電機(jī)驅(qū)動(dòng)型號(hào)為T(mén)B6600，可在9～42V的直流電源下工作，具有過(guò)流、過(guò)壓、欠壓及短路等保護(hù)功能。

鋼絲拉動(dòng)油門(mén)拉桿運(yùn)動(dòng)，需要克服油門(mén)拉桿的復(fù)位力、油門(mén)拉桿與軌道的摩擦阻力和鋼絲與導(dǎo)線吊環(huán)的摩擦阻力。由于總的合力不大，但考慮到工作環(huán)境復(fù)雜和使用壽命等因數(shù)，鋼絲不宜太細(xì)，最終選用粗1.2mm的鋼絲。

直滑電位器用于測(cè)量油門(mén)拉桿的運(yùn)動(dòng)位置，油門(mén)拉桿從上止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到下止點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)行程約85mm。ALPS直滑電位器測(cè)量范圍為100mm，阻值為10kΩ，符合測(cè)量要求。該直滑電位器上有3個(gè)引腳，分別為VCC、GND和測(cè)量信號(hào)引腳。拖拉機(jī)運(yùn)動(dòng)控制器給直滑電位器供電后對(duì)測(cè)量信號(hào)引腳做A/D采集即可測(cè)得油門(mén)拉桿位置。該直滑電位器滑桿運(yùn)動(dòng)位移與其阻值并非線性關(guān)系，使用前需重新標(biāo)定。

工字輪槽部直徑40mm，要將油門(mén)拉桿從上止點(diǎn)拉到下止點(diǎn)，工字輪需轉(zhuǎn)約0.68圈，即244°。

1.2 電控液壓轉(zhuǎn)向裝置

電控液壓轉(zhuǎn)向裝置由液壓泵、泄流閥、3個(gè)電磁換向閥和兩個(gè)柱塞缸組成，如圖3所示。該液壓系統(tǒng)中液壓泵由發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)皮帶輪帶動(dòng)工作。電磁換向閥的通斷由拖拉機(jī)運(yùn)動(dòng)控制器通過(guò)繼電器電路控制。柱塞缸安裝在拖拉機(jī)變速器上，通過(guò)向拖拉機(jī)變速器轉(zhuǎn)向搖臂施加作用力，替代手動(dòng)控制轉(zhuǎn)向搖臂完成拖拉機(jī)轉(zhuǎn)向。

1.農(nóng)具控制液壓缸 2.左轉(zhuǎn)柱塞缸 3.左轉(zhuǎn)電磁換向閥 4.泄流閥 5.液壓泵 6.總控電磁換向閥 7.右轉(zhuǎn)電磁換向閥 8.右轉(zhuǎn)柱塞缸 9.農(nóng)具控制電磁換向閥圖3 液壓控制系統(tǒng)原理圖Fig.3 Schematic diagram of hydraulic control system

具體工作原理如下：

1)左轉(zhuǎn)。拖拉機(jī)運(yùn)動(dòng)控制器驅(qū)動(dòng)1YA和2YA，液壓泵供油液通過(guò)電磁換向閥6和電磁換向閥3向柱塞缸2供油，柱塞缸將拖拉機(jī)變速器上左轉(zhuǎn)搖臂頂起，拖拉機(jī)右履帶動(dòng)力切斷，拖拉機(jī)開(kāi)始左轉(zhuǎn)；拖拉機(jī)運(yùn)動(dòng)控制器切斷1YA和2YA電源，液壓泵對(duì)柱塞缸2的供油被切斷，柱塞缸在左轉(zhuǎn)搖臂的復(fù)位力作用下復(fù)位，拖拉機(jī)右履帶動(dòng)力恢復(fù)，拖拉機(jī)恢復(fù)直線行駛。

2)右轉(zhuǎn)。拖拉機(jī)運(yùn)動(dòng)控制器控制1YA和3YA的電源通斷，從而控制柱塞缸供8的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)左履帶的動(dòng)力切斷與恢復(fù)。

3)停車(chē)。拖拉機(jī)運(yùn)動(dòng)控制器驅(qū)動(dòng)1YA、2YA和3YA，液壓泵供油液同時(shí)為柱塞缸2、柱塞缸8供油，拖拉機(jī)變速器上左轉(zhuǎn)搖臂和右轉(zhuǎn)搖臂同時(shí)被頂起，左右履帶動(dòng)力同時(shí)被切斷，拖拉機(jī)停車(chē)。

在整車(chē)液壓系統(tǒng)中還包括了對(duì)農(nóng)具升降控制部分。農(nóng)具的升降是通過(guò)電磁換向閥9和液壓缸4實(shí)現(xiàn)的。電磁換向閥9是一個(gè)三位四通閥，拖拉機(jī)運(yùn)動(dòng)控制器可通過(guò)控制4YA和5YA的通斷實(shí)現(xiàn)農(nóng)具的升降和任意高度停止。

1.3 拖拉機(jī)運(yùn)動(dòng)控制器

拖拉機(jī)運(yùn)動(dòng)控制器接收信號(hào)處理器指令，控制電子油門(mén)裝置和電控液壓轉(zhuǎn)向裝置，完成拖拉機(jī)的加減速、左右轉(zhuǎn)向和停車(chē)運(yùn)動(dòng)。電子油門(mén)裝置的主要被控對(duì)象是油門(mén)控制電機(jī)，油門(mén)控制電機(jī)由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器TB6600驅(qū)動(dòng)。電控液壓轉(zhuǎn)向裝置的被控對(duì)象是電磁換向閥，電磁換向閥的控制通過(guò)繼電器電路實(shí)現(xiàn)。

拖拉機(jī)運(yùn)動(dòng)控制器基于STM32F103RCT6設(shè)計(jì)，該芯片最高72MHz工作頻率，擁有48KB SRAM、256KB FLASH、2個(gè)基本定時(shí)器、4個(gè)通用定時(shí)器、2個(gè)高級(jí)定時(shí)器、2個(gè)DMA控制器、3個(gè)12位ADC，以及51個(gè)通用IO口，可在-40～+105℃的溫度范圍下工作。其具有資源豐富、功耗低和性價(jià)比高等特點(diǎn)。

如圖4所示：步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)TB6600分別接收拖拉機(jī)運(yùn)動(dòng)控制器的電機(jī)工作頻率信號(hào)、電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向信號(hào)和電機(jī)使能信號(hào)，通過(guò)這3個(gè)信號(hào)分別可以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度、轉(zhuǎn)動(dòng)方向和轉(zhuǎn)停狀態(tài)。電機(jī)工作頻率信號(hào)通過(guò)使能通用定時(shí)器產(chǎn)生，修改定時(shí)器的溢出時(shí)間實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度的修改。向TB6600輸入高電平電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向信號(hào)，電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)；反之，電機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。油門(mén)拉桿的位置定位通過(guò)安裝在油門(mén)拉桿軌道旁邊的直滑電位器完成。標(biāo)定好的直滑電位器推桿位移與電阻變化為線性關(guān)系，直滑電位器兩端供3.3V電壓，對(duì)測(cè)量引腳做AD采集獲得穩(wěn)定可靠的油門(mén)拉桿位置信號(hào)。拖拉機(jī)運(yùn)動(dòng)控制器根據(jù)該信號(hào)來(lái)判斷油門(mén)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)停和正反轉(zhuǎn)。為保證油門(mén)控制電機(jī)高精度工作，對(duì)油門(mén)拉桿位置信號(hào)的AD采集精度要高并且轉(zhuǎn)換速度要足夠快。STM32F103RCT6主控芯片中集成了3個(gè)12位的ADC，最大的轉(zhuǎn)換速度為1MHz，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖4 油門(mén)控制電機(jī)電路圖Fig.4 Throttle control motor circuit

電控液壓轉(zhuǎn)向裝置的控制，通過(guò)繼電器電路來(lái)完成。拖拉機(jī)運(yùn)動(dòng)控制器上集成了12個(gè)繼電器。其中，5個(gè)用于控制拖拉機(jī)液壓系統(tǒng)中的4個(gè)電磁換向閥，實(shí)現(xiàn)拖拉機(jī)的轉(zhuǎn)向、啟停和農(nóng)具升降；另外的7個(gè)預(yù)留于其他功能的擴(kuò)展。電磁換向閥3的型號(hào)為DSG-01-2B3B-D12-N1-50，電磁換向閥4和電磁換向閥5的型號(hào)為DSG-01-2B2-D12-N1-50、電磁換向閥8的型號(hào)為DSG-01-3C2-D12-N1-50。4個(gè)電磁換向閥都是直流12V電壓驅(qū)動(dòng)，允許電壓變化范圍10.8～13.2V，適合使用拖拉機(jī)上的電源系統(tǒng)供電；因保持電流為2.45A，拖拉機(jī)運(yùn)動(dòng)控制器上的繼電器電路需提供足夠的電流來(lái)維持電磁換向閥工作。

繼電器電路主要由主控芯片STM32F103RCT6、光耦芯片TLP281-4、達(dá)林頓三極管陣列芯片MC1413和繼電器SRD-12VDC-SL-C組成，如圖5所示。該電路由主控芯片上的通用IO口觸發(fā)，信號(hào)通過(guò)TLP-281-4的光耦隔離后，觸發(fā)MC1413將繼電器線圈一端拉低，繼電器線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)，將連接電磁換向閥的公共端與常閉端分離，連接12V電源的常開(kāi)端接合，電磁換向閥通電。

1.4 信號(hào)處理系統(tǒng)

信號(hào)處理系統(tǒng)包括信號(hào)處理器、無(wú)線模塊和傳感器。信號(hào)處理器接收傳感器和無(wú)線模塊信號(hào)，向拖拉機(jī)運(yùn)動(dòng)控制器下達(dá)控制指令和向上位機(jī)返回拖拉機(jī)狀態(tài)信號(hào)。信號(hào)處理器主要負(fù)責(zé)信號(hào)的接收和發(fā)送，考慮到程序調(diào)試的簡(jiǎn)便性和硬件升級(jí)頻繁等因數(shù)，所以將信號(hào)處理獨(dú)立于拖拉機(jī)運(yùn)動(dòng)控制器之外。

圖5 繼電器控制電路圖Fig.5 Relay control circuit diagram

該信號(hào)處理器基于STM32F103RCT6芯片設(shè)計(jì)，需要處理六軸運(yùn)動(dòng)傳感器對(duì)拖拉機(jī)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)向角度的測(cè)量和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的測(cè)量。六軸運(yùn)動(dòng)傳感器型號(hào)為ATK-MPU6050。該傳感器采用InvenSense公司的MPU6050芯片作為核心，芯片內(nèi)部整合了3軸陀螺儀和3軸加速度傳感器，并可利用自帶的數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器硬件加速引擎，通過(guò)主IIC接口向主控芯片輸出姿態(tài)解算后的數(shù)據(jù)。其陀螺儀最大測(cè)量范圍為±2 000°/s，最大分辨率為131LSB/(°)·s-1。加速度傳感器最大測(cè)量范圍為±16g，最大分辨率為16 384LSB/g，通信速率為400kHz。考慮到車(chē)身震動(dòng)對(duì)測(cè)量的影響，六軸運(yùn)動(dòng)傳感器安裝在車(chē)架中部位置。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器型號(hào)為E18-D80NK，為光電型傳感器，安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪旁的車(chē)架上。該傳感器通過(guò)檢測(cè)一定時(shí)間內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪上的孔洞經(jīng)過(guò)次數(shù)來(lái)計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，響應(yīng)時(shí)間小于2ms，發(fā)動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速為2 200r/min，傳感器能夠滿足測(cè)量要求。

連接信號(hào)處理器的兩個(gè)無(wú)線模塊，分別是AS32-TTL-100和AS69-T20。其中，AS32-TTL-100無(wú)線模塊采用SX1278芯片100mW的工業(yè)級(jí)無(wú)線數(shù)傳模塊，其編碼效率高，糾錯(cuò)能力強(qiáng)；工作頻率為410～441MHz，采用TTL電平輸出。該模塊為半雙工通信模塊，用于接收調(diào)試遙控器發(fā)出無(wú)線信號(hào)。AS69-T20模塊工作頻率為2.4GHz，最大波特率為115 200，可不限包長(zhǎng)連續(xù)全雙工傳輸，用于向上位機(jī)高速發(fā)送大量的拖拉機(jī)實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)，拖拉機(jī)運(yùn)動(dòng)控制器如圖6所示。

信號(hào)處理器和拖拉機(jī)運(yùn)動(dòng)控制器間使用USART進(jìn)行高速通信，信號(hào)處理器向拖拉機(jī)運(yùn)動(dòng)控制器下達(dá)運(yùn)動(dòng)指令，拖拉機(jī)運(yùn)動(dòng)處理器向信號(hào)處理器返回運(yùn)動(dòng)指令執(zhí)行情況；信號(hào)處理器接收無(wú)線模塊的外部控制信號(hào)，命令拖拉機(jī)運(yùn)動(dòng)控制器配合六軸運(yùn)動(dòng)傳感器和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器完成精確的轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)。

圖6 拖拉機(jī)運(yùn)動(dòng)控制器Fig.6 Tractor motion controller

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

2.1 電子油門(mén)響應(yīng)特性測(cè)試

拖拉機(jī)平臺(tái)上搭載常柴L24-2柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，標(biāo)定功率為17kW，標(biāo)定轉(zhuǎn)速為2 200r/min。其中，油門(mén)拉桿行程約為85mm。本試驗(yàn)通過(guò)對(duì)比油門(mén)拉桿實(shí)際位置和命令的期望位置來(lái)反映電子油門(mén)的響應(yīng)特性。其中，油門(mén)拉桿實(shí)際位置用電子油門(mén)控制裝置中的直滑電位器進(jìn)行測(cè)量，并使用ACS712電流傳感器對(duì)油門(mén)控制電機(jī)的工作電流進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；信號(hào)處理器將采集的直滑電位器信號(hào)、電流傳感器信號(hào)和接收到的期望命令信號(hào)通過(guò)AS69-T20無(wú)線通信模塊發(fā)送到上位機(jī)。在發(fā)動(dòng)機(jī)沒(méi)有啟動(dòng)的情況下，以上止點(diǎn)為原點(diǎn)，油門(mén)拉桿向下運(yùn)動(dòng)油門(mén)增大為正方向。信號(hào)處理器向拖拉機(jī)運(yùn)動(dòng)控制器發(fā)送的期望信號(hào)是先從油門(mén)拉桿的上止點(diǎn)階躍到離原點(diǎn)80mm接近下止點(diǎn)位置，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后從階躍回上止點(diǎn)，如圖7所示。

由圖7可知：拖拉機(jī)運(yùn)動(dòng)控制器在2.57s接收到油門(mén)增大到80mm位置的控制指令，經(jīng)過(guò)0.13s后油門(mén)拉桿開(kāi)始被油門(mén)控制電機(jī)往下拉；從接收到命令到油門(mén)拉桿第一次經(jīng)過(guò)80mm的目標(biāo)位置的時(shí)間為0.88s，峰值時(shí)間0.93s，超調(diào)量3.1%，調(diào)節(jié)時(shí)間0.96s，控制效果較好，油門(mén)拉桿最快運(yùn)動(dòng)速度達(dá)90.1mm/s；在8.07s接收到油門(mén)拉桿復(fù)位到上止點(diǎn)命令，用時(shí)0.88s到達(dá)1.5mm位置后向不斷向上止點(diǎn)位置靠攏，短時(shí)間內(nèi)沒(méi)有完全復(fù)位。電流傳感器的測(cè)量結(jié)果顯示：油門(mén)控制電機(jī)穩(wěn)定電流為0.76A，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電流在2.5A上下波動(dòng)，電流峰值接近3A，油門(mén)控制電機(jī)沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)載情況。

圖7 電子油門(mén)響應(yīng)特性測(cè)試結(jié)果Fig.7 The result of electronic throttle response characteristic test

為測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在電子油門(mén)控制下實(shí)際效果，通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)量在2.55mm/s和76.5mm/s的速度下將油門(mén)拉桿從8.5mm的發(fā)動(dòng)機(jī)最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速位置增加到80mm位置的發(fā)動(dòng)機(jī)空載轉(zhuǎn)速響應(yīng)特性，如圖8所示。

圖8 76.5mm/s油門(mén)拉桿增速發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速響應(yīng)特性測(cè)試結(jié)果Fig.8 Test results of engine speed response characteristics at 76.5mm/s throttle Rod growth

由圖8可知：拖拉機(jī)運(yùn)動(dòng)控制器在8.6s接收到以76.5mm/s增大的斜坡型油門(mén)位置信號(hào)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在9.1s時(shí)開(kāi)始明顯增大，最終穩(wěn)定在2 020r/min，用時(shí)3.6s；在17.5s拖拉機(jī)運(yùn)動(dòng)控制器接收到油門(mén)拉桿復(fù)位信號(hào)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在18.1s開(kāi)始下降，經(jīng)過(guò)9.1s穩(wěn)定在400r/min。在以2.55mm/s增大的斜波型油門(mén)位置信號(hào)測(cè)試結(jié)果如圖9所示。隨著油門(mén)拉桿的勻速增大，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速初期增速較快，后期增速較緩慢。圖7與圖8對(duì)比發(fā)現(xiàn)：發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)情況下的測(cè)試結(jié)果中油門(mén)拉桿實(shí)際位置在穩(wěn)定狀態(tài)下有約2mm的波動(dòng)，明顯比在發(fā)動(dòng)機(jī)熄火測(cè)試結(jié)果大。據(jù)分析，該波動(dòng)現(xiàn)象由發(fā)動(dòng)機(jī)的震動(dòng)和發(fā)電機(jī)供電的紋波電壓造成。

圖9 2.55mm/s油門(mén)拉桿增速發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速響應(yīng)特性測(cè)試結(jié)果Fig.9 Test results of engine speed response characteristics at 2.55mm/s throttle Rod growth

測(cè)試結(jié)果表明：電子油門(mén)裝置對(duì)油門(mén)拉桿的控制響應(yīng)速度快，控制精確，油門(mén)控制電機(jī)沒(méi)有過(guò)載情況；發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速響應(yīng)速度較慢，電子油門(mén)裝置要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)精確控制還需要優(yōu)化控制算法；電子油門(mén)裝置需要改進(jìn)抗震性能和提高電源的濾波效果。

2.2 電控液壓轉(zhuǎn)向裝置響應(yīng)特性測(cè)試

拖拉機(jī)的轉(zhuǎn)向方式為切邊轉(zhuǎn)向，單邊履帶接地面積長(zhǎng)700mm、寬150mm，兩邊履帶中心距790mm。拖拉機(jī)在平整的混凝土路面上，發(fā)動(dòng)機(jī)以最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速行駛，當(dāng)車(chē)速穩(wěn)定后，進(jìn)行360°轉(zhuǎn)圈。對(duì)拖拉機(jī)轉(zhuǎn)圈留在地面上的轉(zhuǎn)向痕跡多次測(cè)量。得到該拖拉機(jī)底盤(pán)最小轉(zhuǎn)彎半徑為926mm，如表1所示。

表1 轉(zhuǎn)向半徑測(cè)試結(jié)果

Table 1 Test result of turn radius

mm

電控液壓轉(zhuǎn)向裝置響應(yīng)特性測(cè)試過(guò)程，拖拉機(jī)在平整的混凝土路面上，發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定在一定轉(zhuǎn)速時(shí)，信號(hào)處理器向拖拉機(jī)運(yùn)動(dòng)控制器發(fā)送一個(gè)特定轉(zhuǎn)向角度的轉(zhuǎn)向指令；信號(hào)處理器向上位機(jī)返回發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)，六軸運(yùn)動(dòng)傳感器對(duì)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)向角度的測(cè)量信號(hào)和拖拉機(jī)運(yùn)動(dòng)控制器對(duì)轉(zhuǎn)向指令的執(zhí)行狀態(tài)信號(hào)。

圖10為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速約1 600r/min情況下，調(diào)試遙控器發(fā)出持續(xù)1.34s轉(zhuǎn)向指令的測(cè)試結(jié)果。拖拉機(jī)控制器接收到轉(zhuǎn)向指令約0.15s后開(kāi)始轉(zhuǎn)向，當(dāng)停止發(fā)送轉(zhuǎn)向指令后約0.3s拖拉機(jī)轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)停止，恢復(fù)直線行駛。對(duì)多組不同發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下進(jìn)行轉(zhuǎn)向測(cè)試結(jié)果表明：當(dāng)轉(zhuǎn)向指令停止發(fā)送后，電控液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的停止轉(zhuǎn)向滯后時(shí)間穩(wěn)定在0.32s。

圖 10 電控液壓轉(zhuǎn)向裝置響應(yīng)特性測(cè)試結(jié)果Fig.10 Test results of response characteristics of Electro-hydraulic steering device

根據(jù)電控液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的停止轉(zhuǎn)向滯后時(shí)間和實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)向角速度設(shè)計(jì)提前停止發(fā)送轉(zhuǎn)向命令的固定角度轉(zhuǎn)向算法，并進(jìn)行60°轉(zhuǎn)向試驗(yàn)和90°轉(zhuǎn)向試驗(yàn)。

固定角度轉(zhuǎn)向測(cè)試都是在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速約2 000r/min，水平混凝土路面下進(jìn)行；60°轉(zhuǎn)向試驗(yàn)轉(zhuǎn)向角度穩(wěn)定在57°，90°轉(zhuǎn)向試驗(yàn)轉(zhuǎn)向角度穩(wěn)定在91°。經(jīng)多組測(cè)試數(shù)據(jù)分析，轉(zhuǎn)向誤差為±3°，如圖11所示。

圖11 固定角度轉(zhuǎn)向測(cè)試結(jié)果Fig.11 Test results of fixed angle steering

2.3 無(wú)線模塊信號(hào)穩(wěn)定性測(cè)試

該測(cè)試由發(fā)射機(jī)和接收機(jī)共同完成，考慮到在拖拉機(jī)控制系統(tǒng)中，無(wú)線模塊只需要進(jìn)行單向傳輸，所以在測(cè)試設(shè)計(jì)中，由發(fā)射機(jī)在1s內(nèi)發(fā)送100個(gè)8字節(jié)帶公差為1的等差數(shù)列信息數(shù)據(jù);接收機(jī)通過(guò)分析前后接收到的兩個(gè)數(shù)據(jù)之間的差值來(lái)判斷中間丟失或損壞的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)。

在測(cè)試中,AS69-T20與信號(hào)處理器通信波特率為115 200，發(fā)射功率20dBm，工作頻率為2.405GHz。AS69-T20外接TX2G4-JKA-020傳輸天線，該天線長(zhǎng)195mm、直徑12mm，增益6dBi，功率容量5W，駐波比小于1.5。AS32-TTL-100測(cè)試頻率為441MHz，與信號(hào)處理器通信波特率為9 600，空中速率為19.2kbps，發(fā)射功率20dBm。AS32-TTL-100選用TX433A-XP100天線，該天線長(zhǎng)180mm，增益3dBi，駐波比小于1.5。2.4GHz和433MHz無(wú)線模塊信號(hào)穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果如圖12和圖13所示。

圖12 2.4GHz無(wú)線模塊信號(hào)穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果Fig.12 Signal stability test results of 2.4GHz wireless module

圖13 433MHz無(wú)線模塊信號(hào)穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果Fig.13 Signal stability test results of 433MHz wireless module

測(cè)試場(chǎng)地空曠，沒(méi)有阻擋的障礙物，測(cè)試高度均為1.2m,環(huán)境溫度約為5℃;每2m為一個(gè)測(cè)量點(diǎn)，發(fā)射機(jī)在每個(gè)測(cè)試點(diǎn)發(fā)送100個(gè)數(shù)據(jù)；接收機(jī)接收到數(shù)據(jù)，將分析結(jié)果上傳到上位機(jī)。

由圖12和圖13可知：AS69-T20在200m的通信距離內(nèi)，每秒數(shù)據(jù)丟失數(shù)小于10個(gè)，傳輸效果較好；當(dāng)通訊距離大于250m時(shí)，數(shù)據(jù)丟失情況嚴(yán)重；大于400m時(shí)，接收機(jī)幾乎接收不到數(shù)據(jù)。AS32-TTL-100在350m的通信距離內(nèi)丟失數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)只有少數(shù)測(cè)試點(diǎn)超過(guò)10個(gè)，通信距離大于600m時(shí)，數(shù)據(jù)丟失情況嚴(yán)重。

3 結(jié)論

1)研制了一種基于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)履帶式拖拉機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，可接收調(diào)試遙控器或上位機(jī)指令，通過(guò)電子油門(mén)裝置和電控液壓轉(zhuǎn)向裝置可實(shí)現(xiàn)拖拉機(jī)的加減速和轉(zhuǎn)向功能，配合發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器和六軸運(yùn)動(dòng)傳感器可進(jìn)行固定角度轉(zhuǎn)向，并將拖拉機(jī)狀態(tài)信號(hào)實(shí)時(shí)上傳到上位機(jī)。

2)試驗(yàn)表明：電子油門(mén)控制裝置對(duì)油門(mén)拉桿位置的控制精度高和響應(yīng)速度快，電控液壓轉(zhuǎn)向裝置有0.32s的停止轉(zhuǎn)向滯后，通過(guò)控制算法配合六軸運(yùn)動(dòng)傳感器的角速度信號(hào)可減少滯后對(duì)轉(zhuǎn)向角度產(chǎn)生的誤差。固定角度轉(zhuǎn)向偏差可控制在±3°，無(wú)線調(diào)試遙控器控制距離350m，向上位機(jī)狀態(tài)數(shù)據(jù)上傳的有效距離200m，可在200m內(nèi)對(duì)拖拉機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)拖拉機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。