嵌入式模塊拖拉機(jī)自動(dòng)滑行系統(tǒng)淺議

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摘要:在拖拉機(jī)動(dòng)力學(xué)理論的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了自動(dòng)滑行傳感、牽引力傳感、犁耕深度測(cè)量、滑行和牽引力控制等單元，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)滑行系統(tǒng)嵌入式模塊設(shè)計(jì)。試驗(yàn)結(jié)果表明:自動(dòng)滑行系統(tǒng)系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠，能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)滑行距離保持在設(shè)定的安全范圍內(nèi)，對(duì)改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要的意義。

關(guān)鍵詞:拖拉機(jī);自動(dòng)滑行系統(tǒng);嵌入式模塊;犁耕深度

0引言

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的運(yùn)輸、旋耕和犁耕等作業(yè)過程中，農(nóng)用拖拉機(jī)會(huì)存在較大的滑行和運(yùn)動(dòng)阻力，導(dǎo)致農(nóng)用拖拉機(jī)出現(xiàn)較大的能量損耗，不利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)種植。為了獲得高效的農(nóng)用拖拉機(jī)性能，必須改善和優(yōu)化牽引性能和滑行距離。為此，筆者設(shè)計(jì)了一套基于嵌入式的農(nóng)用拖拉機(jī)自動(dòng)滑行系統(tǒng)，可以自動(dòng)控制滑行距離在安全距離以內(nèi)。

1農(nóng)用拖拉機(jī)動(dòng)力學(xué)分析

1．1農(nóng)用拖拉機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化農(nóng)用拖拉機(jī)是一個(gè)龐大復(fù)雜的機(jī)器，其款式和大小差別很大，但是核心組件均包括發(fā)動(dòng)機(jī)、底盤、提升懸掛機(jī)構(gòu)和電動(dòng)設(shè)備。其中，提升懸掛機(jī)構(gòu)是個(gè)多自由度結(jié)構(gòu)，可以掛載農(nóng)具進(jìn)行旋耕、除草、起壟、埋溝、犁耕、播種等作業(yè)?？紤]到懸掛農(nóng)具的提升過程是一個(gè)縱面回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，需要對(duì)提升過程進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。農(nóng)用拖拉機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化后如圖1所示。

1．2農(nóng)用拖拉機(jī)動(dòng)力學(xué)分析

四驅(qū)農(nóng)用拖拉機(jī)在前行過程中，前后兩個(gè)軸心的前進(jìn)速度是一致的，但由于前輪相對(duì)后輪半徑小很多，所以前后輪胎和地面接觸點(diǎn)的線速度相差較大，進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致變速箱輸出到車輪的動(dòng)力存在差異，而前后輪收到地面的阻力也存在很大的差別。四驅(qū)農(nóng)用拖拉機(jī)作業(yè)如圖2所示。輪式農(nóng)用拖拉機(jī)的行駛阻力包括車輪壓在農(nóng)田土壤造成的行駛阻力Fn、車輪推土阻力Fb、路面的拖滯阻力Fv及農(nóng)具受到的阻力Fm。農(nóng)田作業(yè)過程中，由于地面比較松軟，農(nóng)用拖拉機(jī)會(huì)出現(xiàn)下陷的情況，在受力分析時(shí)將其近似認(rèn)為是均勻受力的。按照貝克理論，農(nóng)用拖拉機(jī)輪胎接地比壓為其中，b為后輪輪胎寬度;n為輪胎沉陷指數(shù);kc和kφ分別為農(nóng)田土壤的粘附系數(shù)和摩擦因數(shù);Z和P分別為輪胎沉陷量和接地比壓。在壓－陷理論中，農(nóng)用拖拉機(jī)犁耕作業(yè)和空載過程可以近似看作線性函數(shù)，即P=Pn－knzn(－z)(2)其中，P和Pn分別為犁耕作業(yè)和空載時(shí)的壓力;z和zn分別為犁耕作業(yè)和空載時(shí)的沉陷量;kn為犁耕作業(yè)時(shí)的平均斜度。農(nóng)用拖拉機(jī)壓實(shí)土壤的行駛阻力為Fn=2b∫z00Pdz(3)農(nóng)用拖拉機(jī)總的行駛阻力表達(dá)式為Ff=Fn+Fm+Fb+Fv(4)農(nóng)用拖拉機(jī)耕犁阻力與犁具結(jié)構(gòu)、土壤松軟條件、耕作速度等有關(guān)，本文采用郭略契金表達(dá)式，即FL=F1+F2+F3(5)其中，F(xiàn)L為平均牽引阻力;F1、F2和F3分別為犁具摩擦阻力、土垡變形阻力和翻垡阻力。農(nóng)用拖拉機(jī)耕犁時(shí)牽引阻力PX的表達(dá)方程式為PX=ZXbnh0k0(6)其中，ZX、bn、h0和k0分別為犁具刀組數(shù)、單刀厚度、耕深和土壤比阻。農(nóng)用拖拉機(jī)的動(dòng)力學(xué)方程為Ft=Teizη0r－∑F(7)其中，F(xiàn)t為農(nóng)用拖拉機(jī)總的牽引力;Te為農(nóng)用拖拉機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩;iz為農(nóng)用拖拉機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)總的傳動(dòng)比;η0為傳動(dòng)系效率;r為農(nóng)用拖拉機(jī)后輪半徑;∑F為農(nóng)用拖拉機(jī)的總阻力，包括空氣、摩擦、坡度和犁具等所有阻力。農(nóng)用拖拉機(jī)的牽引效率ηT表達(dá)式為ηT=PTPe(8)其中，PT和Pe分別為牽引功率和發(fā)送機(jī)輸出功率。

2農(nóng)用拖拉機(jī)自動(dòng)滑行系統(tǒng)

2．1自動(dòng)滑行傳感單元設(shè)計(jì)

滑行距離是系統(tǒng)根據(jù)農(nóng)用拖拉機(jī)前后輪的速度差計(jì)算出來的。農(nóng)用拖拉機(jī)前進(jìn)的實(shí)際速度是由前輪轉(zhuǎn)速獲得的，而理論計(jì)算的是農(nóng)用拖拉機(jī)后輪速度。農(nóng)用拖拉機(jī)前后輪的速度采用霍爾傳感器ES3144進(jìn)行量測(cè)，磁鐵金屬盤被安裝在農(nóng)用拖拉機(jī)的前輪和后輪上，當(dāng)ES3144靠近磁體的位置時(shí)磁場(chǎng)會(huì)發(fā)生變化，從而ES3144輸出管導(dǎo)通，輸出低電平，形成輪胎轉(zhuǎn)速的脈沖信號(hào)。ES3144的轉(zhuǎn)速信號(hào)脈沖會(huì)被嵌入式芯片采集到，并根據(jù)轉(zhuǎn)速信號(hào)量計(jì)算出農(nóng)用拖拉機(jī)實(shí)際和理論速度。農(nóng)用拖拉機(jī)自動(dòng)滑行系統(tǒng)傳感器安裝如圖3所示。農(nóng)用拖拉機(jī)實(shí)際速度(前輪速度)計(jì)算公式為Va=2π×rf(×H)f×1000t(9)農(nóng)用拖拉機(jī)理論速度(后輪速度)的計(jì)算公式為Vtr=2π×rrr(×H)rr×1000t(10)Vtl=2π×rrl(×H)rl×1000t(11)Vt=Vtr(+V)tlt(12)農(nóng)用拖拉機(jī)車輪打滑的計(jì)算公式為S=1－VaV()t(13)其中，Hf為前輪的脈沖數(shù)(t/ms);Hrr和Hrl分別為右后輪和左后輪的脈沖數(shù)(t/ms);rf為前輪滾動(dòng)半徑(m);rrr和rrl分別為右后輪和左后輪的滾動(dòng)半徑(m);t為刷新時(shí)間(ms);Va和Vt分別為實(shí)際速度和平均理論速度(ms);S為車輪打滑值。

2．2牽引力傳感單元設(shè)計(jì)

牽引力傳感單元采用三點(diǎn)聯(lián)動(dòng)測(cè)力計(jì)，主要用于測(cè)量不同耕犁深度時(shí)農(nóng)用拖拉機(jī)對(duì)耕具的牽引力。三點(diǎn)聯(lián)動(dòng)測(cè)力計(jì)是一種通用的測(cè)力計(jì)，其采用可拆卸的框架，被安裝在農(nóng)用拖拉機(jī)和耕犁之間，安裝方式是前端安裝在農(nóng)用拖拉機(jī)上、后端安裝在耕犁上。三點(diǎn)聯(lián)動(dòng)測(cè)力計(jì)采用3個(gè)拉伸－壓縮型稱重傳感器來感測(cè)和測(cè)量耕犁的耕地深度。牽引力計(jì)算公式為Fdraft=LLLF+RLLF－TLF(14)其中，LLLF為左下部連桿的拉力(kg);RLLF為右下連桿的拉力(kg);TLF為上連桿的拉力(kg)。2．3耕犁深度測(cè)量單元設(shè)計(jì)為了計(jì)算犁耕的工作深度，在農(nóng)業(yè)拖拉機(jī)液壓系統(tǒng)的搖臂上安裝了1個(gè)旋轉(zhuǎn)傳感器。犁耕深度與搖臂旋轉(zhuǎn)角度有關(guān)，搖臂旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)信號(hào)被旋轉(zhuǎn)傳感器采集到，輸出的電壓與搖臂旋轉(zhuǎn)位置相關(guān)。通過計(jì)算和校準(zhǔn)，通過搖臂的旋轉(zhuǎn)信號(hào)便可以計(jì)算出犁耕的工作深度。為了獲得精準(zhǔn)的耕犁深度值，采用5次重復(fù)測(cè)量進(jìn)行校準(zhǔn)，并將獲得的電位計(jì)讀數(shù)與手動(dòng)測(cè)量值進(jìn)行比較。驗(yàn)證校準(zhǔn)結(jié)果表明:線性犁耕深度與搖臂旋轉(zhuǎn)角度相關(guān)(R2=0．99)。犁耕深度校準(zhǔn)曲線如圖4所示。2．4滑行和牽引力控制系統(tǒng)滑行和牽引力控制系統(tǒng)起反饋?zhàn)饔?，主要是采集三點(diǎn)聯(lián)動(dòng)測(cè)力計(jì)的犁耕深度和霍爾傳感器的車速，對(duì)滑行值和犁耕深度進(jìn)行計(jì)算，并根據(jù)牽伸和滑移最佳值進(jìn)行控制。滑行和牽引力控制系統(tǒng)流程如圖5所示。圖5中，微處理器將測(cè)得的滑行值與設(shè)定滑移范圍的上限(UL)和下限(LL)進(jìn)行比較。若獲得的滑行值超過上限(UL)，則驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)沿順時(shí)針方向調(diào)節(jié)深度控制桿(加大犁耕深度);反之，若在下限(LL)內(nèi)，則驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)沿逆時(shí)針方向調(diào)節(jié)深度控制桿(減小耕犁深度);若滑行值在LL和UL范圍內(nèi)，則步進(jìn)電機(jī)保持靜止。

3自動(dòng)滑行系統(tǒng)嵌入式模塊設(shè)計(jì)

自動(dòng)滑行系統(tǒng)嵌入式硬件主要包括AT91SAM9261嵌入式芯片、深度測(cè)力計(jì)、霍爾傳感、ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、人機(jī)交互界面、電壓檢測(cè)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)和報(bào)警電路等，如圖6所示。嵌入式控制模塊的核心任務(wù)是完成數(shù)據(jù)采集和控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)的指令。嵌入式控制模塊獲取三點(diǎn)聯(lián)動(dòng)測(cè)力計(jì)、犁耕深度和霍爾傳感器信號(hào)，AT91SAM9261通過內(nèi)置比例控制算法進(jìn)行分析，驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的電機(jī)，控制耕具的深度和農(nóng)用拖拉機(jī)的滑行距離。嵌入式控制模塊原理示意如圖7所示。

4試驗(yàn)測(cè)試與結(jié)果分析

為了驗(yàn)證基于嵌入式的農(nóng)用拖拉機(jī)自動(dòng)滑行系統(tǒng)的實(shí)際性能，進(jìn)行了實(shí)際的犁地作業(yè)。試驗(yàn)中，農(nóng)用拖拉機(jī)操作人員只控制車輛前進(jìn)方向，車輛行駛速度和犁具深度均由自動(dòng)滑行系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際滑行距離進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。由圖8可以看出:在犁地前5s，滑行距離為7．5～12m，大于最大滑行距離10m;此時(shí)，由于土壤硬度較大，耕具牽引力為7．84～10．78kN，操作速度由1．05降低到0．89m/s。在5－10s內(nèi)，自動(dòng)滑行系統(tǒng)將犁耕深度由172．5mm降低到165．8mm，使得滑行距離調(diào)整為10m安全距離內(nèi)。在14－19s、34－39s和46－50s期間，當(dāng)滑行距離超過設(shè)定安全距離的上限(10m)時(shí)，自動(dòng)滑行系統(tǒng)也達(dá)到了操作要求，使得滑行距離保持在設(shè)定的安全范圍內(nèi)。

5結(jié)論

針對(duì)農(nóng)用拖拉機(jī)滑行距離不穩(wěn)定的特點(diǎn)，以農(nóng)用拖拉機(jī)為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了一種基于嵌入式的農(nóng)用拖拉機(jī)自動(dòng)滑行系統(tǒng)，可以根據(jù)農(nóng)用拖拉機(jī)滑行距離和牽引力大小自動(dòng)調(diào)節(jié)耕犁深度，將滑行距離控制在安全范圍內(nèi)，減少了操作人員的干預(yù)。試驗(yàn)結(jié)果表明:自動(dòng)滑行系統(tǒng)表現(xiàn)優(yōu)越，使得滑行距離保持在設(shè)定的安全范圍內(nèi)，可保證操作人員人身安全。

作者:梁碩 魏純 單位:河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 武漢東湖學(xué)院電子信息工程學(xué)院