李玫瑾，魏新華

(江蘇大學(xué) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 鎮(zhèn)江　212013)

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四輪驅(qū)動(dòng)四輪轉(zhuǎn)向自動(dòng)駕駛底盤的電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李玫瑾，魏新華

(江蘇大學(xué) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 鎮(zhèn)江212013)

摘要：為了提高植保機(jī)械作業(yè)精度、降低駕駛員操作難度，設(shè)計(jì)了一種高地隙全液壓四輪驅(qū)動(dòng)四輪轉(zhuǎn)向自動(dòng)駕駛底盤。本文介紹了底盤的整體結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)闡述了電控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與工作原理。該電控系統(tǒng)以EPCS-8980為上位機(jī)、DSP56F805信號控制器為核心、基于CAN總線進(jìn)行通訊，行車狀態(tài)參數(shù)采集器接收各傳感器采集的行車參數(shù)信息，并通過CAN總線發(fā)送到車載電腦和行車控制器，行車控制器根據(jù)車載電腦指令和各傳感器參數(shù)，按照行車控制模型生成控制指令，并通過各電磁閥獨(dú)立控制4個(gè)液壓馬達(dá)和4個(gè)轉(zhuǎn)向油缸，實(shí)現(xiàn)底盤的行車控制。同時(shí)，對電控系統(tǒng)進(jìn)行了測試，測試結(jié)果表明：該電控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對液壓元器件的控制，保證了其運(yùn)行的可靠性，可滿足實(shí)際作業(yè)要求，同時(shí)該電控系統(tǒng)也可用于通用自主移動(dòng)平臺上。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)駕駛底盤；四輪驅(qū)動(dòng)；四輪轉(zhuǎn)向；液壓系統(tǒng)；CAN總線；拖拉機(jī)

0引言

目前，隨著農(nóng)田經(jīng)營規(guī)模逐漸擴(kuò)大，地塊面積越來越大，對農(nóng)機(jī)作業(yè)質(zhì)量要求越來越高，駕駛員操作難度也越來越大，迫切需要一種高地隙自動(dòng)駕駛底盤。自動(dòng)駕駛技術(shù)的使用可保證植保機(jī)械的精確作業(yè)，降低人工技術(shù)要求，為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展奠定基礎(chǔ)[1]。近年來，農(nóng)機(jī)科技人員在自動(dòng)駕駛技術(shù)開發(fā)方面做了一定的努力和探索。左志宇等(2010)設(shè)計(jì)了一種高地隙四輪液壓驅(qū)動(dòng)底盤滑轉(zhuǎn)率控制系統(tǒng)，通過實(shí)時(shí)獲取的角位移和轉(zhuǎn)速信號，利用FUZZ-PID算法實(shí)現(xiàn)底盤的打滑判斷和調(diào)控[2]。吳鵬等(2009)以東方紅-X804型拖拉機(jī)為平臺，改造原拖拉機(jī)的油路，使用電控比例液壓閥，并設(shè)計(jì)電控單元，組成了自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)[3]。雷小龍等(2011)設(shè)計(jì)了一種植保機(jī)械底盤控制系統(tǒng)，硬件以AT89SC52單片機(jī)為核心，應(yīng)用C語言編程將測速模塊、電源、鍵盤、顯示模塊和直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊有機(jī)結(jié)合起來，控制植保機(jī)械的前進(jìn)和轉(zhuǎn)向[4]。目前，國內(nèi)現(xiàn)有研究雖然能夠?qū)崿F(xiàn)底盤的驅(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)向，但是沒有實(shí)現(xiàn)底盤的自動(dòng)駕駛，自動(dòng)駕駛技術(shù)水平仍然需要進(jìn)一步提高[5-10]。因此，本文設(shè)計(jì)了一種基于CAN總線通訊的高地隙四輪驅(qū)動(dòng)及四輪轉(zhuǎn)向自動(dòng)駕駛底盤，可以實(shí)現(xiàn)底盤的四輪驅(qū)動(dòng)及四輪轉(zhuǎn)向，從而實(shí)現(xiàn)底盤的自動(dòng)駕駛。

1系統(tǒng)構(gòu)成

高地隙全液壓四輪驅(qū)動(dòng)四輪轉(zhuǎn)向自動(dòng)駕駛底盤總體布置示意圖，如圖1所示。

圖1　底盤總體布置示意圖

其主要由行駛系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電控系統(tǒng)和車架組成。行駛系統(tǒng)主要包括車輪、液壓馬達(dá)和減速機(jī)。每個(gè)車輪配置一個(gè)變量插入式液壓馬達(dá)，實(shí)現(xiàn)四輪驅(qū)動(dòng)。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要由4套轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)向油缸組成。轉(zhuǎn)向油缸一端鉸接在車架上，另一端連接轉(zhuǎn)向搖臂，可推動(dòng)車輪圍繞轉(zhuǎn)向節(jié)豎直軸線旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)四輪獨(dú)立偏轉(zhuǎn)。液壓系統(tǒng)主要由行走閉式回路和轉(zhuǎn)向開式回路組成。液壓泵選用串聯(lián)的通軸三聯(lián)泵，前兩泵對液壓馬達(dá)供油,定量齒輪泵通過控制電液比例換向閥驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向油缸，實(shí)現(xiàn)車輪獨(dú)立轉(zhuǎn)向。電控系統(tǒng)主要包括車載電腦、行車控制器、液壓控制元件、數(shù)據(jù)采集器及傳感器等。通過電控系統(tǒng)控制各個(gè)液壓元件，實(shí)現(xiàn)底盤的前進(jìn)、倒退及轉(zhuǎn)向等功能。車架系統(tǒng)主要包括車架、輪距調(diào)整機(jī)構(gòu)和地隙調(diào)整機(jī)構(gòu)。輪距調(diào)整機(jī)構(gòu)通過伸縮軸架在伸縮殼體內(nèi)的水平滑移，調(diào)整兩側(cè)輪胎的中心距。地隙調(diào)整機(jī)構(gòu)通過伸縮軸架在轉(zhuǎn)向架上的豎直移動(dòng)，調(diào)整兩側(cè)輪胎的中心距。

2液壓系統(tǒng)

底盤的液壓系統(tǒng)主要由行走閉式回路和轉(zhuǎn)向開式回路組成。

2.1行走驅(qū)動(dòng)回路

行走驅(qū)動(dòng)包括雙聯(lián)軸向柱塞變量泵、液壓馬達(dá)及比例電磁閥等。雙聯(lián)軸向柱塞變量泵直接對4個(gè)液壓馬達(dá)供油，通過一個(gè)比例電磁閥調(diào)節(jié)變量泵出油量的大小和方向，可以控制各液壓馬達(dá)的正反轉(zhuǎn)，并對馬達(dá)的轉(zhuǎn)速大小進(jìn)行粗調(diào)。每個(gè)液壓馬達(dá)單獨(dú)和一個(gè)比例電磁閥相連，通過各比例電磁閥控制各液壓馬達(dá)的進(jìn)油量，對各液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行微調(diào)。液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速方向和大小的變化，可以實(shí)現(xiàn)車輪的前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)速變化的功能，從而實(shí)現(xiàn)底盤的四輪驅(qū)動(dòng)，并進(jìn)行差速轉(zhuǎn)向或防打滑控制。

2.2轉(zhuǎn)向控制回路

轉(zhuǎn)向控制回路由定量齒輪泵、電液比例換向閥和4個(gè)轉(zhuǎn)向油缸組成，由定量齒輪泵直接對4個(gè)轉(zhuǎn)向油缸供油。當(dāng)行車控制器發(fā)送電流信號給每路電液比例換向閥時(shí)，電液比例換向閥進(jìn)行換向，進(jìn)而每個(gè)車輪的轉(zhuǎn)向油缸伸縮變化，由轉(zhuǎn)向油缸推動(dòng)轉(zhuǎn)向搖臂，從而推動(dòng)車輪圍繞轉(zhuǎn)向節(jié)豎直軸旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)每個(gè)車輪的獨(dú)立轉(zhuǎn)向角控制。

3電控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理

3.1電控系統(tǒng)的工作原理

電控系統(tǒng)的工作原理如圖2所示。電控系統(tǒng)由編碼器采集各個(gè)車輪的轉(zhuǎn)速，由轉(zhuǎn)向角傳感器采集各個(gè)車輪的偏轉(zhuǎn)角，水平傾角傳感器采集底盤的縱橫向傾角，橫擺角速度采集底盤的橫擺角速度。行車狀態(tài)參數(shù)采集器接收各個(gè)傳感器信號，并通過CAN總線發(fā)送到車載電腦和行車控制器。行車控制器根據(jù)車載電腦指令和各個(gè)傳感器參數(shù)，按照行車控制模型生成控制指令，發(fā)送到各個(gè)液壓控制閥來控制各個(gè)液壓控制元件，實(shí)現(xiàn)底盤的前進(jìn)、倒退及轉(zhuǎn)向等功能。

圖2　電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.2電控系統(tǒng)的主要硬件選型

3.2.1車載電腦

車載電腦是整個(gè)電控系統(tǒng)的信息處理中心和人機(jī)對話中心，需要和行車控制器、行車狀態(tài)參數(shù)采集器等進(jìn)行信息傳輸和數(shù)據(jù)交互，必須具有CAN 接口等豐富的通訊接口。為此，選用EPCS-8980型ARM工控機(jī)(廣州致遠(yuǎn)電子有限公司)，具有5路USB接口、2路CAN接口和3個(gè) RS-232接口，即具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力，又具有豐富的外圍擴(kuò)展接口。

3.2.2行車控制器

行車控制器作為整個(gè)電控系統(tǒng)的測控中心，需有較高的運(yùn)算速度和較強(qiáng)的計(jì)算能力并具備CAN總線接口，以實(shí)現(xiàn)與車載電腦和行車狀態(tài)參數(shù)采集器之間的通訊。為此，行車控制器的主芯片采用DSP56F805。該芯片結(jié)合數(shù)字信號處理器(DSP)的處理能力與MCU功能，它還集成了8路12位精度的A/D轉(zhuǎn)換模塊，支持CAN2.0B協(xié)議的控制器模塊[11]。

3.2.3行車狀態(tài)參數(shù)采集器

行車狀態(tài)參數(shù)采集器采用廣州致遠(yuǎn)電子有限公司的iCAN-4017模塊、iCAN-7202模塊和iCAN-4400模塊。

iCAN-4017模塊用于采集模擬量輸入信號，具有8 路模擬量輸入通道，模擬量信號的分辨率為16 位[12]，可采集轉(zhuǎn)向角傳感器、水平傾角傳感器及橫擺角速度傳感器的信息。

iCAN-7202模塊用于對工業(yè)現(xiàn)場的脈沖信號計(jì)數(shù)或測頻，具有2路32位可級聯(lián)正脈沖加/減計(jì)數(shù)器、可編程數(shù)字濾波器，能夠有效濾出高頻脈沖干擾，可采集角速度傳感器的信息。

iCAN-4400模塊用于提供電流或者電壓輸出信號，具有4路模擬量輸出通道，可輸出1～5V電壓或者4～20mA電流信號，可對各比例電磁閥進(jìn)行控制。

3.2.4傳感器

底盤最高行駛速度為7.5km/h，輪胎行駛半徑為650mm ，最大角速度為3.2rad/s。因此，角速度傳感器選用TRD-J1000-RZ速度編碼器(北塘區(qū)神港機(jī)電商行)，工作電壓4.75～30VDC，可實(shí)現(xiàn)每轉(zhuǎn)1 000個(gè)脈沖。

底盤最大轉(zhuǎn)向角不超過45°。因此，轉(zhuǎn)向角傳感器選用TMCW6V-90角度傳感器(青島泰潤電子科技有限公司)，工作電壓10～30VDC，輸出信號1～5V，量程0°～90°，精度±0.04°。

底盤最大爬坡度為15°。因此，水平傾角傳感器選用YC-T350D-H傾角傳感器(上海鈺誠電子有限公司)，工作電壓為9～15VDC，量程為±5°～±30°，輸出信號為0.5～4.5V，精度為0.01°。

橫擺角速度傳感器選用微型陀螺測量系統(tǒng)MIN-900-2(陜西航天長城測控有限公司)，工作電壓為9VDC，方向量程為0°～360°，角速度量程為-300 ～300°/s，精度為±5°。

3.3電控系統(tǒng)的工作流程

測控系統(tǒng)工作流程和車載電腦工作流程如圖3所示，中斷流程如圖4所示。

圖3　測控系統(tǒng)及車載電腦工作流程圖

圖4　中斷程序流程圖

測控系統(tǒng)上電復(fù)位后，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，然后檢查系統(tǒng)各環(huán)節(jié)是否正常；進(jìn)入測控循環(huán)內(nèi)后，完成讀入設(shè)定機(jī)組前進(jìn)速度和轉(zhuǎn)向角、檢測到當(dāng)前各馬達(dá)轉(zhuǎn)速和各車輪偏轉(zhuǎn)角、按照車輛動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算出各馬達(dá)轉(zhuǎn)速和各轉(zhuǎn)向油缸工作行程及發(fā)送指令到各個(gè)電磁閥等功能。車載電腦啟動(dòng)后首先對處方圖進(jìn)行解譯、規(guī)劃好行駛路徑，進(jìn)入循環(huán)后完成讀取導(dǎo)航定位信息、按照車輛動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算出各輪轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向角、發(fā)送指令到行車控制器、接收行車控制器信息和更新界面顯示等功能。通過CAN通訊中斷接收新的工作參數(shù)或指令，上報(bào)系統(tǒng)狀態(tài)，通過鍵盤中斷結(jié)束作業(yè)或暫停作業(yè)并人工輸入新的工作參數(shù)。

4控制試驗(yàn)

試驗(yàn)選在江蘇大學(xué)工程訓(xùn)練中心(工業(yè)中心)液壓傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。電控系統(tǒng)實(shí)物連接，如圖5所示；軟件測試如圖6所示。預(yù)先設(shè)定好每個(gè)車輪馬達(dá)的轉(zhuǎn)速，經(jīng)過電控系統(tǒng)調(diào)控后，用轉(zhuǎn)速表測量每個(gè)車輪馬達(dá)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，將實(shí)際值和設(shè)定值作對比，試驗(yàn)結(jié)果對比，如表1所示。各馬達(dá)轉(zhuǎn)速誤差在-2.58%～2.67%范圍之間。預(yù)先設(shè)定好每個(gè)車輪的轉(zhuǎn)向油缸行程，經(jīng)過電控系統(tǒng)調(diào)控后，用尺子測量每個(gè)車輪的轉(zhuǎn)向油缸的實(shí)際行程，將實(shí)際值和設(shè)定值作對比，試驗(yàn)結(jié)果對比，如表2所示。各轉(zhuǎn)向油缸行程誤差在-2.72%～2.41%之間。

圖5　測控系統(tǒng)實(shí)物圖

圖6　測控系統(tǒng)軟件測試圖

r/min

表2　各車輪轉(zhuǎn)向油缸長度設(shè)置值與實(shí)測值對比　mm

5結(jié)論

本文中的電控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對液壓元器件的控制，在一定誤差范圍 (馬達(dá)誤差：-2.58%～2.67%，轉(zhuǎn)向油缸誤差：-2.72%～2.41%)內(nèi)，保證了該電控系統(tǒng)運(yùn)行可靠性，可滿足實(shí)際作業(yè)要求，該電控系統(tǒng)也可用于通用自主移動(dòng)平臺上。

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Abstract ID:1003-188X(2016)03-0115-EA

Design of the Automatic Four-wheel Driving and Four-wheel Steering Chassis’s Electric Control System

Li Meijin, Wei Xinhua

(Key Laboratory of Modern Agricultural Equipment and Technology, Ministry of Education, Jiangsu University, Zhenjiang 212013，China)

Abstract：In order to improve the accuracy of plant protection machinery operations, and reduce the difficulty of driver’s operations, this paper presents a high clearance full hydraulic and automatic four-wheel driving and four-wheel steering chassis.The overall structure of the chassis was produced, and also the electric control system was mainly presented.The electric control system was designed with its vehicular computer EPCS-8980,core part DSP56F805, communication via CAN-bus.The driving parameters were collected by each sensor, and each sensor signals collected by the driving data collector transmitted to the vehicular computer and the driving controller via CAN-bus.According to instructions of the vehicular computer and the parameters of the sensors, the driving controller generated the controlling instruction under the traffic controlling model, the four hydraulic motors and the four steering cylinders were controlled by each electromagnetic valve, and thus the chassis could be controlled to drive and steer.The tests of the electric control system were carried out,and tests showed that the electric control system achieved to control the hydraulic components,ensured its operational reliability,met the practical operational requirements,and the electric control system also could be used for general-purpose autonomous mobile platform.

Key words：automatic driving chassis； four-wheel driving； four-wheel steering； hydraulic system； CAN-bus； tractor

文章編號：1003-188X(2016)03-0115-04

中圖分類號：S219.032

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

作者簡介：李玫瑾(1988-)，女，安徽宿州人，碩士研究生，(E-mail)1773431128@qq.com。通訊作者：魏新華(1972-)，男，山東濱州人，研究員，博士，博士生導(dǎo)師，(E-mail)18361810295@163.com。

基金項(xiàng)目：國家“863計(jì)劃” 項(xiàng)目(2013AA102307)；江蘇省農(nóng)業(yè)科技支撐計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(BE2013401 )；江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目(蘇政辦[2014]37號)

收稿日期：2015-03-05