趙國(guó)棟， 管春松， 高慶生， 楊雅婷， 陳永生， 崔志超

(農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，江蘇南京 210014)

隨著電機(jī)學(xué)、微電子技術(shù)、自動(dòng)導(dǎo)航等現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展和高能量密度儲(chǔ)能設(shè)備的研發(fā)以及機(jī)械制造業(yè)的日趨成熟，電動(dòng)車輛不斷出現(xiàn)并普及。此類高新技術(shù)的發(fā)展有助于將電動(dòng)汽車的成果應(yīng)用到農(nóng)業(yè)機(jī)械上，并為農(nóng)用電動(dòng)拖拉機(jī)的研發(fā)提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。以電能為利用形式的新能源取代石油等一次能源是未來(lái)能源的發(fā)展趨勢(shì)。電動(dòng)拖拉機(jī)能有效解決傳統(tǒng)燃油拖拉機(jī)噪音大、效率低、尾氣排放污染環(huán)境等問(wèn)題[1]，而且電動(dòng)拖拉機(jī)具有靈活的功率控制能力，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)多用電機(jī)控制，能進(jìn)一步簡(jiǎn)化整機(jī)結(jié)構(gòu)。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)電動(dòng)拖拉機(jī)的研究仍處于起步階段而且多集中在基礎(chǔ)研究方面。本文從技術(shù)角度對(duì)國(guó)內(nèi)外電動(dòng)拖拉機(jī)的發(fā)展歷程，電池、傳動(dòng)、轉(zhuǎn)向及懸掛等關(guān)鍵部件及系統(tǒng)進(jìn)行分析，以期為今后電動(dòng)拖拉機(jī)的研究和發(fā)展提供參考。

1 國(guó)內(nèi)外電動(dòng)拖拉機(jī)研究現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

縱觀電動(dòng)拖拉機(jī)100多年的發(fā)展歷程，電動(dòng)拖拉機(jī)的發(fā)展主要分為2個(gè)階段：第1階段是從19世紀(jì)80年代末到20世紀(jì)70年代，這一階段主要由電網(wǎng)提供電源，在這一階段德國(guó)、瑞典、前蘇聯(lián)等國(guó)家對(duì)電動(dòng)拖拉機(jī)進(jìn)行了開(kāi)發(fā)研制：1912年西門子股份公司研制出一種用于驅(qū)動(dòng)旋耕機(jī)的電動(dòng)拖拉機(jī)；1941年瑞典研制出一款可換耕具的多用途電動(dòng)拖拉機(jī)；1949年前蘇聯(lián)研制出一臺(tái)37 kW的新型電動(dòng)拖拉機(jī)。這一階段的電動(dòng)拖拉機(jī)大多都通過(guò)長(zhǎng)長(zhǎng)的導(dǎo)線與電網(wǎng)相連接，受電纜長(zhǎng)度影響，其工作效率較低。第2階段是從20世紀(jì)70年代至今，是由車載電池提供能源。20世紀(jì)70年代美國(guó)通用電氣公司率先使用蓄電池和永磁無(wú)刷電機(jī)作為動(dòng)力源，研制出Elec-Trak系列電動(dòng)拖拉機(jī)[2]，這也是現(xiàn)代電動(dòng)拖拉機(jī)發(fā)展的開(kāi)端。自20世紀(jì)90年代開(kāi)始，隨著能量存儲(chǔ)裝置和控制技術(shù)的迅速發(fā)展，電動(dòng)拖拉機(jī)也有了長(zhǎng)足發(fā)展。美國(guó)Gorilla Vchicle公司率先研制出一臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)無(wú)極變速以及智能控制的電動(dòng)拖拉機(jī)[3]。2011年，日本井關(guān)農(nóng)機(jī)株式會(huì)社研制出一臺(tái)可用于旋耕和除草作業(yè)的電動(dòng)拖拉機(jī)[4]。2012年日本愛(ài)媛大學(xué)研制出一臺(tái)可用于溫室大棚工作的小型電動(dòng)拖拉機(jī)，該電動(dòng)拖拉機(jī)具有無(wú)尾氣排放、噪音小等優(yōu)點(diǎn)。2017年法國(guó)SIMA展，John Deer公司發(fā)布了世界首款純電動(dòng)拖拉機(jī)——可持續(xù)能源供應(yīng)農(nóng)業(yè)機(jī)械(sustainable energy supply for agricultural mmachines，簡(jiǎn)稱SESAM)。該電動(dòng)拖拉機(jī)可持續(xù)作業(yè)4 h，由于是電力驅(qū)動(dòng)整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)，所以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，降低了傳輸環(huán)節(jié)的功率損失。

1.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國(guó)電動(dòng)拖拉機(jī)起步晚，從2007年開(kāi)始南京農(nóng)業(yè)大學(xué)的高輝松博士團(tuán)隊(duì)研發(fā)出6檔的四輪電動(dòng)拖拉機(jī)，并不斷對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化完善，提出驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的相關(guān)理論和計(jì)算方法并對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究[5]。2012年西北農(nóng)林科技大學(xué)王元杰團(tuán)隊(duì)以鉛蓄電池為動(dòng)力源、直流串勵(lì)電動(dòng)機(jī)為動(dòng)力機(jī)研制出一款溫室遙控電動(dòng)拖拉機(jī)，進(jìn)行整機(jī)試驗(yàn)并提出電池能量分配理論[6]。2017年中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)陳燕呢等以小型電動(dòng)拖拉機(jī)為研究對(duì)象，進(jìn)行控制器局域網(wǎng)絡(luò)(controller area network，簡(jiǎn)稱CAN)總線通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行功能定義，為我國(guó)電動(dòng)拖拉機(jī)領(lǐng)域智能化的研究提供了參考[7]。綜上所述，國(guó)內(nèi)外對(duì)電動(dòng)拖拉機(jī)的理論研究及樣機(jī)研制已經(jīng)取得了一些成果，目前已經(jīng)向自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展。

2 電動(dòng)拖拉機(jī)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 電池與能量分配技術(shù)

電池作為純電動(dòng)拖拉機(jī)唯一的能量源，其性能的優(yōu)劣直接決定了電動(dòng)拖拉機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、安全性的好壞。因此，對(duì)純電動(dòng)拖拉機(jī)電池進(jìn)行研究具有重要意義。目前廣泛應(yīng)用于市場(chǎng)的動(dòng)力電池主要有鉛酸蓄電池、鎳氫電池、鋰離子電池、鋰聚合物電池，4種電池在比能量、安全性、成本等方面的比較如圖1所示。

鋰離子電池作為新一代的化學(xué)電源，具有比能量大、質(zhì)量輕、無(wú)污染、充放電短等優(yōu)點(diǎn)但其缺點(diǎn)也非常明顯，主要集中在再循環(huán)能力方面。目前，新電池技術(shù)的研發(fā)也主要集中在鋰離子電池技術(shù)方面的突破。德國(guó)DBM Energy公司研制的KOLIBRI鋰聚合物電池組比能量可達(dá)340 W·h/kg，可提供55 kW的功率；美國(guó)SionPower公司的產(chǎn)品，比能量可達(dá) 350 W·h/kg[8]。就電動(dòng)拖拉機(jī)作業(yè)要求可以選擇鋰離子電池和超級(jí)電容器搭配，得到新型的鋰超級(jí)電容器提供動(dòng)力電源，這種電池安全性能好、比能量高、節(jié)能環(huán)保，適合作為電動(dòng)拖拉機(jī)的動(dòng)力來(lái)源。

鋰超級(jí)電容器組的數(shù)量n根據(jù)連續(xù)作業(yè)時(shí)間和牽引電機(jī)的最大功率這2個(gè)參數(shù)確定[9]。

n=max(n1,n2)。

(1)

式中：n1為牽引電機(jī)峰值功率所需鋰電池?cái)?shù)量；n2為整機(jī)連續(xù)作業(yè)時(shí)間所需鋰電池?cái)?shù)量。

(2)

式中：PNmax為牽引電機(jī)峰值功率；Pbmax為單個(gè)鋰電池所能提供的最大功率；ηmc為牽引電機(jī)及控制器整體效率。

(3)

式中：Tmin為整機(jī)連續(xù)作業(yè)時(shí)間；PN為牽引電機(jī)的額定功率；w為單個(gè)鋰電池所能釋放的電能。

電動(dòng)拖拉機(jī)使用的動(dòng)力電池有高功率密度、高能量密度、節(jié)能環(huán)保等要求，所以須要對(duì)電池進(jìn)行行之有效的能量分配管理。電池能量管理主要包括估算電池組的荷電狀態(tài)(state of charge，簡(jiǎn)稱SOC)、動(dòng)力電池組狀態(tài)采集、均衡控制熱管理等。能量管理控制器通過(guò)綜合分析鋰電池組驅(qū)動(dòng)牽引電機(jī)和提升電機(jī)等各個(gè)動(dòng)力部件的運(yùn)行特性及效率特性，優(yōu)化動(dòng)力系統(tǒng)效率，實(shí)現(xiàn)總體效率最大。整車能量系統(tǒng)對(duì)電源的需求功率為Preq(t)，電源系統(tǒng)允許輸出功率為Pess(t)，由鋰電池提供功率Pli(t)和超級(jí)電容提供功率Puc(t)組成，即有：

Preq(t)=Pess(t)=Pli(t)+Puc(t)。

(4)

定義電池功率分配因子K，則有[10]：

K=Pli(t)/Puc(t)。

(5)

能量管理控制器的目標(biāo)為

(6)

式中：F(X)為目標(biāo)函數(shù)，表示鋰電池綜合耗電量；gi(X)為約束條件，表示電動(dòng)拖拉機(jī)必須滿足的最高行走速度、最快工作速度、持續(xù)工作時(shí)間、加速性能等。

2.2 傳動(dòng)系統(tǒng)

傳動(dòng)是電動(dòng)拖拉機(jī)底盤的重要組成部分，其作用是根據(jù)電動(dòng)拖拉機(jī)作業(yè)需求的不同，將電動(dòng)拖拉機(jī)的動(dòng)力轉(zhuǎn)變?yōu)橐欢ǖ霓D(zhuǎn)速和相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩，其性能將直接影響電動(dòng)拖拉機(jī)整車的動(dòng)力性、舒適性和經(jīng)濟(jì)性。楊立昆等通過(guò)對(duì)車輛傳動(dòng)系統(tǒng)之間的探索，指出其內(nèi)在變化規(guī)律，并提出傳動(dòng)系統(tǒng)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)[11]。江蘇大學(xué)商高高等針對(duì)履帶式電動(dòng)拖拉機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化和匹配，最終確定總機(jī)布置示意如圖2所示[12]。中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)謝斌等對(duì)雙輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)拖拉機(jī)傳動(dòng)性能進(jìn)行研究，提出如圖3所示的總體結(jié)構(gòu)方案，并對(duì)其進(jìn)行性能測(cè)試、理論計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證[13]。

傳動(dòng)系統(tǒng)由離合器、中央傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、變速箱及最終傳動(dòng)等構(gòu)成。由于電動(dòng)拖拉機(jī)須要與農(nóng)機(jī)具配套完成田間作業(yè)，因此對(duì)拖拉機(jī)傳動(dòng)特性可以結(jié)合傳動(dòng)快速性、換擋性能、平順性和傳動(dòng)效率等4個(gè)方面綜合進(jìn)行分析[14]。

2.2.1 穩(wěn)定時(shí)間反映傳動(dòng)的快速性，也就是動(dòng)力在傳動(dòng)系統(tǒng)各部件之間的傳遞時(shí)間：

(7)

式中：t為穩(wěn)定時(shí)間；v為行駛速度；v1為起始速度；v2為終止速度；a為加速度。

2.2.2 拖拉機(jī)換擋過(guò)程中對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)會(huì)有較大沖擊，減少傳動(dòng)元件的使用壽命。沖擊度為拖拉機(jī)縱向加速度的變化率，排除了因道路條件產(chǎn)生的顛簸等的影響，可以真實(shí)體現(xiàn)傳動(dòng)系統(tǒng)的壽命。

(8)

式中：j為沖擊度。

2.2.3 傳動(dòng)平順性體現(xiàn)了動(dòng)力從電動(dòng)機(jī)在各級(jí)傳遞系統(tǒng)中的傳遞良好性，是換擋品質(zhì)的良好體現(xiàn)，快捷、平穩(wěn)、無(wú)沖擊的換擋品質(zhì)可以提高整機(jī)舒適性并且是元件使用壽命的重要保證。

2.2.4 傳動(dòng)系統(tǒng)的效率損失主要由主減速和變速器產(chǎn)生，可以通過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)輸入端和輸出端功率的比值計(jì)算得出：

(9)

式中：ηc為傳動(dòng)效率；Pw、Pe分別為輸出端和輸入端功率。

傳動(dòng)效率不高是制約電動(dòng)車輛發(fā)展的重要因素之一，傳動(dòng)效率的提高是電動(dòng)拖拉機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì)和目標(biāo)。未來(lái)會(huì)更多關(guān)注于整個(gè)傳動(dòng)鏈的研發(fā)，在保證傳動(dòng)安全性和可靠性的同時(shí)使各個(gè)傳動(dòng)部件更好地配合以降低傳動(dòng)損失。

2.3 助力轉(zhuǎn)向技術(shù)

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)作為人車交互系統(tǒng)，其性能的好壞直接影響電動(dòng)拖拉機(jī)的行駛安全性和操作穩(wěn)定性。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)從傳統(tǒng)的純機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)到動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)再到主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、差速助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，轉(zhuǎn)向性能已經(jīng)從解決駕駛員的疲勞駕駛發(fā)展到如今的智能輔助駕駛。

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(electric power steering system，簡(jiǎn)稱EPS)是一種直接依靠電機(jī)提供輔助扭矩的動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，通過(guò)控制電機(jī)電流的大小和方向，來(lái)調(diào)節(jié)拖拉機(jī)助力的大小和轉(zhuǎn)向，同時(shí)滿足電動(dòng)拖拉機(jī)低速轉(zhuǎn)向輕便性和高速路感的要求。按照電機(jī)安裝位置的不同可分為管柱式助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、齒條式助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和齒輪式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。圖4為常見(jiàn)的管柱式助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖[15]，其工作原理為在轉(zhuǎn)向輸入軸端通過(guò)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)角傳感器檢測(cè)其轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)角，電子控制單元(electronic control unit，簡(jiǎn)稱ECU)結(jié)合車速、加速度等拖拉機(jī)動(dòng)態(tài)特性發(fā)出控制信號(hào)控制其電機(jī)電流的大小，經(jīng)過(guò)減速機(jī)構(gòu)放大，通過(guò)轉(zhuǎn)向輸出軸作用到轉(zhuǎn)向器上，實(shí)現(xiàn)助力轉(zhuǎn)向。與傳統(tǒng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比，EPS助力響應(yīng)較快、節(jié)能環(huán)保而且具有較高的穩(wěn)定性和安全性。

在電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，路感特性的研究是其技術(shù)的主要方面。路感一般是指駕駛員轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤時(shí)，須要克服的阻力矩，是由回正力與摩擦力產(chǎn)生的阻力矩組成。由回正力矩產(chǎn)生的路感信息可以準(zhǔn)確反映整車的運(yùn)行狀態(tài)與路面信息。路感的評(píng)價(jià)指標(biāo)[16]為(1)輕便性：指駕駛員的勞動(dòng)強(qiáng)度，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是執(zhí)行機(jī)構(gòu)中轉(zhuǎn)向輪的做功與駕駛員操作方向盤實(shí)際做功之比，其比值越大越好。(2)真實(shí)度：車輛狀態(tài)與路面狀況反映的準(zhǔn)確性，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是輪胎轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)力矩與模擬路感的比值，比值越小路感越清新。(3)轉(zhuǎn)矩剛度：駕駛過(guò)程中，駕駛員感覺(jué)到的轉(zhuǎn)向剛度，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)可用轉(zhuǎn)矩曲線梯度-方向盤轉(zhuǎn)角來(lái)衡量。(4)平穩(wěn)性：方向盤反作用力變化平穩(wěn)的程度，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是轉(zhuǎn)向盤有無(wú)沖擊與抖動(dòng)。(5)回正性：駕駛員脫離方向盤后，方向盤在反力矩的作用下的回正性能，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)可用回正的響應(yīng)時(shí)間、超調(diào)量等來(lái)衡量。

隨著汽車技術(shù)在拖拉機(jī)等農(nóng)用車輛上的不斷發(fā)展和應(yīng)用，拖拉機(jī)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)為在保證轉(zhuǎn)向輕便性能的基礎(chǔ)上，制定合適的控制策略使駕駛員獲得更加舒適的轉(zhuǎn)向感覺(jué)，通過(guò)主動(dòng)轉(zhuǎn)向干預(yù)，有效提高拖拉機(jī)的操作穩(wěn)定性和主動(dòng)安全，除此之外，助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)也不斷向智能化和集成化的方向發(fā)展。

2.4 電動(dòng)懸掛系統(tǒng)及控制方法

用電動(dòng)提升和控制農(nóng)機(jī)具的整套裝置為電動(dòng)懸掛裝置。電動(dòng)懸掛裝置是利用發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，提升并維持農(nóng)具處于各種不同位置的懸掛裝置。懸掛式可以改變拖拉機(jī)的受力狀態(tài)，有利于改善拖拉機(jī)的牽引性能。主要用來(lái)操作農(nóng)機(jī)具的升降，連接和牽引農(nóng)機(jī)具，控制農(nóng)機(jī)具的耕作深度或提升高度，改善附著性能。

由于液壓系統(tǒng)可以獲得較大的轉(zhuǎn)矩和力以及具有方便等特點(diǎn)，在傳統(tǒng)的懸掛系統(tǒng)中廣泛采用液壓懸掛系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)具掛接作業(yè)，但隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展液壓系統(tǒng)的弊端逐漸顯現(xiàn)：懸掛裝置效率低、故障多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜以及制造和使用成本高等[17]，所以從能源節(jié)省，作業(yè)質(zhì)量提高等角度研究新型的電動(dòng)懸掛裝置勢(shì)在必行。

江蘇大學(xué)蔡高奎團(tuán)隊(duì)研制出一種拖拉機(jī)后懸掛提升裝置，如圖5所示[18]。該樣機(jī)包括提升電機(jī)、減速裝置、提升裝置、力位角度傳感器等；農(nóng)戶通過(guò)控制面板上的按鈕發(fā)出指令，命令通過(guò)相應(yīng)的控制算法計(jì)算輸出信號(hào)，控制直流電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，動(dòng)力依次經(jīng)過(guò)一級(jí)齒輪減速機(jī)構(gòu)、二級(jí)蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)傳遞給提升臂，從而驅(qū)動(dòng)上拉桿、提升桿、下拉桿，調(diào)節(jié)農(nóng)機(jī)具的升降，滿足耕深、牽引力等的要求。該電動(dòng)提升裝置安裝有力位角度傳感器可間接測(cè)量耕深，耕深變化時(shí)，經(jīng)過(guò)提升控制器分析處理傳感器采集的相關(guān)數(shù)據(jù)后，自動(dòng)調(diào)節(jié)農(nóng)具的提升和下降，以實(shí)現(xiàn)耕深調(diào)節(jié)一致。

耕深調(diào)節(jié)研究是電動(dòng)懸掛控制研究中不可缺少的一部分。傳統(tǒng)的耕深調(diào)節(jié)方法有高度調(diào)節(jié)法、位調(diào)節(jié)法、力調(diào)節(jié)法以及由這些常規(guī)耕深調(diào)節(jié)方法復(fù)合而來(lái)的綜合調(diào)節(jié)法，此外，近年來(lái)還出現(xiàn)了扭矩調(diào)節(jié)法、壓力調(diào)節(jié)法和滑轉(zhuǎn)率調(diào)節(jié)法等新型農(nóng)具調(diào)節(jié)方法，但這些方法一般只作為輔助的耕深控制方法，需要與常規(guī)的耕深調(diào)節(jié)方法結(jié)合起來(lái)使用[19]。電動(dòng)懸掛系統(tǒng)除了使用力位綜合調(diào)節(jié)方法對(duì)拖拉機(jī)進(jìn)行耕深研究外，還可以基于滑轉(zhuǎn)率對(duì)拖拉機(jī)耕深調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行研究。

由于經(jīng)典的比例-積分-微分(proportion，integral，differential，簡(jiǎn)稱PID)控制系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、魯棒性強(qiáng)、易于調(diào)整等優(yōu)點(diǎn)，所以其普遍應(yīng)用在控制系統(tǒng)中，拖拉機(jī)懸掛控制系統(tǒng)廣泛采用PID控制算法。羅錫文等設(shè)計(jì)出反饋比例-積分(proportion，integral，簡(jiǎn)稱PI)算法與雙閾值斜坡啟動(dòng)相結(jié)合的電動(dòng)機(jī)控制方法，用于拖拉機(jī)懸掛系統(tǒng)的操作控制[20]。隨著控制理論的不斷深入，出現(xiàn)了遺傳算法、模糊控制等智能算法，智能算法的出現(xiàn)為解決復(fù)雜工程問(wèn)題提供了方法。在拖拉機(jī)進(jìn)行田間作業(yè)時(shí)，由于受到的阻力實(shí)時(shí)變化、工作環(huán)境復(fù)雜、懸掛受力不確定等因素，導(dǎo)致拖拉機(jī)懸掛系統(tǒng)精確數(shù)學(xué)模型很難建立傳統(tǒng)的控制算法，會(huì)影響其穩(wěn)定性和控制精度。模糊控制可以克服非線性因素的影響，而且其在拖拉機(jī)懸掛系統(tǒng)中算法簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)。雖然智能算法為復(fù)雜問(wèn)題的解決提供了方法，但是提高了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難度。如果將經(jīng)典的控制算法與現(xiàn)代智能算法相綜合，如模糊PID綜合控制算法，既具有經(jīng)典PID控制的適應(yīng)性好、簡(jiǎn)單方便等特點(diǎn)，又具有模糊控制適應(yīng)非線性系統(tǒng)、智能性的特點(diǎn)。將模糊PID控制算法應(yīng)用到懸掛系統(tǒng)中不失為一種很好的方法[21]。

2.5 自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)

農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)是現(xiàn)代農(nóng)機(jī)裝備和精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)體系中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。近年來(lái)農(nóng)用車輛路徑跟蹤控制技術(shù)受到了國(guó)內(nèi)外科研人員的廣泛關(guān)注，該技術(shù)主要利用全球定位系統(tǒng)(global position system，簡(jiǎn)稱GPS)技術(shù)實(shí)現(xiàn)農(nóng)用車輛位置的高精度測(cè)量。拖拉機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航的關(guān)鍵技術(shù)包括利用傳感器精確定位和選用合適的算法進(jìn)行導(dǎo)航控制。目前，導(dǎo)航定位傳感器主要用于施肥、噴藥等的機(jī)器視覺(jué)導(dǎo)航技術(shù)，包括GPS定位系統(tǒng)、航空推算傳感器、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、激光導(dǎo)航、多傳感器融合技術(shù)等。由于拖拉機(jī)的運(yùn)動(dòng)是一個(gè)多輸入、多輸出、強(qiáng)耦合、非線性的變量系統(tǒng)，因此拖拉機(jī)自動(dòng)駕駛導(dǎo)航系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)向控制和速度控制。拖拉機(jī)導(dǎo)航控制包括路徑跟蹤控制和轉(zhuǎn)向操作控制2個(gè)部分。常見(jiàn)的路徑控制方法有線性模型、最優(yōu)控制、PID控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及純追蹤模型等。線性模型基于最小二乘導(dǎo)航路徑擬合算法，算法簡(jiǎn)單但魯棒性差、無(wú)法消除穩(wěn)態(tài)誤差；最優(yōu)控制可獲得最優(yōu)控制參數(shù)，但對(duì)曲線追蹤的適應(yīng)性差而且需要精確的動(dòng)力學(xué)及運(yùn)動(dòng)學(xué)模型；PID控制是最常見(jiàn)的一種控制算法，魯棒性強(qiáng)而且算法簡(jiǎn)單，但是參數(shù)優(yōu)化困難；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)非線性運(yùn)動(dòng)特性適應(yīng)性強(qiáng)，但需要大量的驗(yàn)證樣本對(duì)。由于拖拉機(jī)作業(yè)時(shí)一般以較低的恒定速度運(yùn)行，建立如圖6所示的拖拉機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。其中，S為目標(biāo)路徑；θ為拖拉機(jī)航向偏差；α為拖拉機(jī)前輪轉(zhuǎn)角；l為拖拉機(jī)航向上點(diǎn)B距離拖拉機(jī)前軸中心點(diǎn)的距離；ξP為點(diǎn)B到路徑的偏差；L為拖拉機(jī)軸距；v為拖拉機(jī)后軸中心點(diǎn)速度；d為拖拉機(jī)后軸中心點(diǎn)到路徑的橫向偏差。根據(jù)圖6所示的拖拉機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型可得到拖拉機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程[22]：

(10)

式中：μ為前輪轉(zhuǎn)角加速度。

近年來(lái)，隨著精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、智能農(nóng)業(yè)的發(fā)展，在拖拉機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)中引入先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代農(nóng)機(jī)導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展的重要趨勢(shì)之一。建立在以電子編碼和電子標(biāo)簽為基礎(chǔ)的農(nóng)機(jī)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，在拖拉機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)方面應(yīng)解決3個(gè)層面的物聯(lián)：一是拖拉機(jī)與農(nóng)機(jī)具之間的物聯(lián)，二是監(jiān)控中心與拖拉機(jī)之間的遠(yuǎn)程物聯(lián)，三是拖拉機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航單部件功能的車載物聯(lián)[23]。

在拖拉機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)約80年的發(fā)展歷程中，國(guó)內(nèi)外在算法設(shè)計(jì)、導(dǎo)航系統(tǒng)開(kāi)發(fā)方面取得了顯著的成果，已經(jīng)初步具備了實(shí)時(shí)、跟蹤直線路徑行駛的能力。但是由于農(nóng)田作業(yè)環(huán)境復(fù)雜等問(wèn)題，自動(dòng)導(dǎo)航作業(yè)精度不高，而且國(guó)內(nèi)農(nóng)用車輛自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)還普遍存在成本高、推廣難的問(wèn)題，拖拉機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)依然有很大的提升優(yōu)化空間。

2.6 系統(tǒng)仿真技術(shù)

隨著建模理論算法和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，出現(xiàn)了大批虛擬樣機(jī)仿真軟件，目前仿真技術(shù)已經(jīng)在車輛設(shè)計(jì)中得到普遍應(yīng)用，用于電動(dòng)車輛系統(tǒng)仿真的軟件有V-ELPH、EASY5、ADVISOR、ADAMS、Matlab/Simulink等。目前，專門用于電動(dòng)拖拉機(jī)的仿真軟件技術(shù)還處于起步階段，對(duì)其整車性能仿真多基于軟件的二次開(kāi)發(fā)[24]。電動(dòng)拖拉機(jī)整車性能仿真作為樣車開(kāi)發(fā)的重要手段，不僅可以匹配不同參數(shù)的結(jié)構(gòu)方案還可以快速預(yù)測(cè)車輛性能。南京農(nóng)業(yè)大學(xué)的高輝松等對(duì)ADVISOR軟件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，建立電動(dòng)拖拉機(jī)控制策略和牽引整車模型，應(yīng)用仿真系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究，為樣車的研發(fā)提供詳細(xì)的設(shè)計(jì)參數(shù)[25]。除了整車性能仿真外，拖拉機(jī)各關(guān)鍵部件如動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、電池能量管理策略、電動(dòng)懸掛系統(tǒng)、自動(dòng)導(dǎo)航等技術(shù)都須要借助系統(tǒng)仿真在設(shè)計(jì)初始階段分析系統(tǒng)特性，優(yōu)化匹配各部件參數(shù)。目前，廣泛基于AMESim或Matlab軟件對(duì)拖拉機(jī)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)建模仿真并分析其動(dòng)態(tài)特性；基于ADVISOR純電動(dòng)汽車仿真平臺(tái)二次開(kāi)發(fā)，將電池能量分配控制策略仿真模型嵌入電動(dòng)拖拉機(jī)整車仿真模型中；利用Matlab/Simulink對(duì)拖拉機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)追蹤模型進(jìn)行仿真建模，分析其穩(wěn)定性和靈敏性；基于ADAMS/view建立拖拉機(jī)電動(dòng)懸掛系統(tǒng)懸掛裝置的仿真模型，并對(duì)其進(jìn)行仿真分析，對(duì)懸掛機(jī)構(gòu)關(guān)鍵點(diǎn)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。與一般電動(dòng)車輛相比，電動(dòng)拖拉機(jī)作業(yè)功能復(fù)雜，如能開(kāi)發(fā)出專門用于電動(dòng)拖拉機(jī)系統(tǒng)的仿真軟件，對(duì)今后電動(dòng)拖拉機(jī)的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)有更重要的輔助作用。

3 電動(dòng)拖拉機(jī)存在的問(wèn)題及發(fā)展趨勢(shì)

電動(dòng)拖拉機(jī)經(jīng)過(guò)100多年的發(fā)展，其性能有了很大的改善，應(yīng)用范圍也進(jìn)一步拓寬，但是對(duì)電動(dòng)拖拉機(jī)整體的研究比較盲目而且缺少田間應(yīng)用及作業(yè)規(guī)律方面的研究；電機(jī)適應(yīng)性不夠，難以滿足復(fù)雜的田間作業(yè)要求；能量電池問(wèn)題依然是制約電動(dòng)拖拉機(jī)發(fā)展的重要因素。

電動(dòng)拖拉機(jī)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)一步體現(xiàn)在：(1)研發(fā)新型電機(jī)，利用多電機(jī)控制技術(shù)，簡(jiǎn)化電動(dòng)拖拉機(jī)機(jī)械傳動(dòng)和聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)，減輕拖拉機(jī)整體質(zhì)量。(2)研發(fā)高效節(jié)能低成本電池及電池控制策略研究依然是電動(dòng)拖拉機(jī)的主要研究?jī)?nèi)容，本研究提到的鋰超級(jí)電容電池為電動(dòng)拖拉機(jī)電池選型提供了很好的選擇。(3)研發(fā)基于CAN總線電動(dòng)拖拉機(jī)整車控制系統(tǒng)，CAN總線具有高可靠、高性能、易開(kāi)發(fā)、低成本等優(yōu)點(diǎn)，目前CAN總線僅局限于電動(dòng)拖拉機(jī)單個(gè)部件的應(yīng)用，基于CAN總線整車控制系統(tǒng)尚未形成，因此CAN總線研發(fā)也將成為電動(dòng)拖拉機(jī)發(fā)展的主要趨勢(shì)之一。(4)無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)(continuously variable transmission，簡(jiǎn)稱CVT)是電動(dòng)拖拉機(jī)的絕佳搭配，可以精確實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛、定速巡航、自動(dòng)全功率控制等現(xiàn)代智能電動(dòng)拖拉機(jī)發(fā)展需求[26]。將CVT技術(shù)應(yīng)用于電動(dòng)拖拉機(jī)并對(duì)其進(jìn)行技術(shù)突破將是電動(dòng)拖拉機(jī)的主要發(fā)展趨勢(shì)之一。(5)無(wú)人駕駛技術(shù)將在未來(lái)得到進(jìn)一步發(fā)展，使其在拖拉機(jī)等農(nóng)用車輛上得到進(jìn)一步應(yīng)用。電動(dòng)拖拉機(jī)無(wú)人駕駛技術(shù)也是未來(lái)的主要發(fā)展趨勢(shì)之一。

4 結(jié)論

雖然電動(dòng)拖拉機(jī)目前仍處于起步階段，而且在短期內(nèi)也不可能廣泛取代傳統(tǒng)的燃油拖拉機(jī)，但是隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等先進(jìn)技術(shù)與現(xiàn)代制造業(yè)的結(jié)合，以農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和智能農(nóng)機(jī)裝備為特征的精細(xì)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)成為研究重點(diǎn)，拖拉機(jī)作為智能農(nóng)機(jī)裝備和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)信息化網(wǎng)絡(luò)的重要應(yīng)用，必將取得長(zhǎng)足發(fā)展。