謝偉麗

摘 要：智能農(nóng)機(jī)是農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展的主要趨勢(shì)，隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械化的不斷進(jìn)步，農(nóng)業(yè)機(jī)械的自動(dòng)化程度不斷提高，為實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械的導(dǎo)航和自動(dòng)化行駛，為農(nóng)業(yè)機(jī)械研究合理的自動(dòng)轉(zhuǎn)向技術(shù)十分重要。通過(guò)對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)轉(zhuǎn)向的研究過(guò)程進(jìn)行分析，說(shuō)明了轉(zhuǎn)向自動(dòng)控制技術(shù)的基本原理和常用方案，并對(duì)各種方案的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)機(jī)械;轉(zhuǎn)向;自動(dòng)控制;技術(shù);方案

中圖分類(lèi)號(hào)：S223.91;TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2019.08.011

現(xiàn)代化的農(nóng)業(yè)機(jī)械在我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮了巨大的作用，由于農(nóng)田作業(yè)過(guò)程中地面阻力和地表狀態(tài)的共同影響，使人工駕駛農(nóng)機(jī)的過(guò)程變得更為復(fù)雜，傳統(tǒng)的拖拉機(jī)轉(zhuǎn)向控制多采用全液壓助力技術(shù)，盡管如此，轉(zhuǎn)向過(guò)程中仍存在著方向盤(pán)沉重、轉(zhuǎn)向可靠性不足的問(wèn)題，這在很大程度上增加了駕駛員的勞動(dòng)負(fù)擔(dān)。加之農(nóng)業(yè)機(jī)械的自動(dòng)化發(fā)展趨勢(shì)是全自動(dòng)化作業(yè)，因此，就必不可少的要求農(nóng)業(yè)機(jī)械能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化導(dǎo)航行駛，這對(duì)轉(zhuǎn)向控制技術(shù)提出了新的要求。自動(dòng)轉(zhuǎn)向技術(shù)不僅能夠有效提高農(nóng)機(jī)的自動(dòng)化作業(yè)能力，還能夠提升農(nóng)機(jī)作業(yè)的精細(xì)程度，使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)變得更加簡(jiǎn)單輕便，有利于農(nóng)業(yè)機(jī)械新功能的研究與功能優(yōu)化。

1 農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)轉(zhuǎn)向的相關(guān)研究

近十年來(lái)，我國(guó)對(duì)于農(nóng)業(yè)機(jī)械的轉(zhuǎn)向控制技術(shù)進(jìn)行了大量的研究，也取得了十分顯著的成果，盡管相關(guān)技術(shù)還處于研究階段，自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制技術(shù)作為農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展的必須技術(shù)，其在農(nóng)業(yè)機(jī)械上的應(yīng)用勢(shì)在必行。我國(guó)對(duì)于農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)轉(zhuǎn)向技術(shù)的典型研究如下：（1）西北農(nóng)林科技大學(xué)研究了拖拉機(jī)行駛路線(xiàn)自動(dòng)變更技術(shù)與機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，利用伺服馬達(dá)控制方向盤(pán)并結(jié)合多種傳感器實(shí)現(xiàn)行駛路線(xiàn)的改變;（2）中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)研究了關(guān)于電控液壓動(dòng)力自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制模型，通過(guò)兩位三通電磁換向閥能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制與人工控制，并利用步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)前輪的轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng);（3）中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所通過(guò)加裝減速齒輪的方式對(duì)進(jìn)口聯(lián)合收割機(jī)進(jìn)行改造，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)完成轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)，形成了現(xiàn)有農(nóng)機(jī)的改造方案;（4）中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院對(duì)現(xiàn)有拖拉機(jī)通過(guò)加裝電液比例換向閥的方式實(shí)現(xiàn)了控制轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速的要求等?，F(xiàn)階段研究的趨勢(shì)趨向于通過(guò)控制技術(shù)與步進(jìn)電機(jī)的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有農(nóng)機(jī)的改造升級(jí)（圖1），而未來(lái)的農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)轉(zhuǎn)向技術(shù)必將是多學(xué)科廣泛融合的產(chǎn)物。

2 農(nóng)業(yè)機(jī)械轉(zhuǎn)向自動(dòng)控制主要裝置

根據(jù)現(xiàn)階段農(nóng)業(yè)機(jī)械的發(fā)展情況和駕駛系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)，改良并設(shè)計(jì)自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制的機(jī)械結(jié)構(gòu)和方案是實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能研究的主要方法。農(nóng)業(yè)機(jī)械轉(zhuǎn)向自動(dòng)控制基本裝置由液壓油泵、動(dòng)力電機(jī)、液壓比例換向閥、角度傳感器、溢流閥、轉(zhuǎn)向液壓缸、其他輔助原件等構(gòu)成。實(shí)際工作中通過(guò)傳感器獲取機(jī)械狀態(tài)，并將相關(guān)信息傳遞給控制系統(tǒng)的處理器，經(jīng)運(yùn)算和處理后轉(zhuǎn)換為農(nóng)業(yè)機(jī)械的轉(zhuǎn)向控制方案，進(jìn)而控制轉(zhuǎn)向輪向不同方向的轉(zhuǎn)向動(dòng)作，同時(shí)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向幅度的檢測(cè)與控制（圖2）。

（1）液壓泵。作為農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的動(dòng)力元件之一，可通過(guò)柴油機(jī)或電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)從液壓油箱內(nèi)部吸取油液，使之形成一定壓力后排出，從而將動(dòng)力傳遞給執(zhí)行元件的工作部件。

（2）轉(zhuǎn)向液壓缸。通過(guò)將液壓能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能實(shí)現(xiàn)指定元件的位移，在農(nóng)機(jī)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，利用控制器將液壓油輸送進(jìn)轉(zhuǎn)向油缸的不同腔體內(nèi)，能實(shí)現(xiàn)不同方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)前輪的轉(zhuǎn)向。

（3）動(dòng)力電機(jī)。是液壓泵的動(dòng)力元件，部分自動(dòng)駕駛裝置也會(huì)使用電機(jī)作為方向盤(pán)或轉(zhuǎn)向軸的驅(qū)動(dòng)力。

（4）角度傳感器。用以檢測(cè)輪胎的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，以獲得農(nóng)機(jī)的實(shí)際狀態(tài)，為自動(dòng)駕駛提供參數(shù)依據(jù)，并驗(yàn)證轉(zhuǎn)向動(dòng)作的執(zhí)行情況。

（5）電磁閥。屬于電磁控制技術(shù)的工業(yè)設(shè)備，能有效實(shí)現(xiàn)流體的自動(dòng)化控制，在農(nóng)機(jī)轉(zhuǎn)向的液壓系統(tǒng)中，作為液壓油的方向、流量、速度和其他的參數(shù)的調(diào)整工具，具有較高的精度和靈活性。

（6）溢流閥。能夠有效控制系統(tǒng)壓力，當(dāng)系統(tǒng)壓力超過(guò)合理值時(shí)，起到溢流、穩(wěn)壓的安全保護(hù)作用。

3 轉(zhuǎn)向自動(dòng)控制常用方案

3.1 傳統(tǒng)液壓技術(shù)升級(jí)方案

通過(guò)對(duì)現(xiàn)階段傳統(tǒng)農(nóng)機(jī)技術(shù)進(jìn)行研究，以農(nóng)機(jī)轉(zhuǎn)向的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)為依托，利用其液壓助力轉(zhuǎn)向技術(shù)，在原農(nóng)機(jī)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中增加液壓控制裝置來(lái)對(duì)液壓轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，其基本原理如圖3所示。在農(nóng)機(jī)正常工作模式下，可進(jìn)行人工操作和自動(dòng)駕駛的選擇，當(dāng)電磁閥不通電時(shí)為人工操作模式，要進(jìn)行自動(dòng)轉(zhuǎn)向，可通過(guò)自動(dòng)模式進(jìn)行切換，此時(shí)電磁閥工作實(shí)現(xiàn)模式更換，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)會(huì)從普通的手動(dòng)控制油路變換到自動(dòng)控制油路進(jìn)行工作。轉(zhuǎn)向控制器通過(guò)接收多種傳感器獲取的相關(guān)信號(hào)，經(jīng)分析和處理后控制換向電磁閥改變油路實(shí)現(xiàn)對(duì)前輪轉(zhuǎn)向的控制，同時(shí)與電控比例閥配合實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向速度與行駛速度的合理化實(shí)施，并通過(guò)傳感器監(jiān)測(cè)確保轉(zhuǎn)向功能的妥善實(shí)施。

在自動(dòng)行駛過(guò)程中，若沒(méi)有轉(zhuǎn)向命令，此時(shí)換向電磁閥處于不工作狀態(tài)，液壓油會(huì)通過(guò)三通壓力補(bǔ)償器流回油箱中。當(dāng)農(nóng)機(jī)需要進(jìn)行轉(zhuǎn)向時(shí)，控制器會(huì)根據(jù)預(yù)先方案或?qū)嶋H情況控制換向電磁閥實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向功能。當(dāng)三位四通換向閥控制油路時(shí)，左位左轉(zhuǎn)，右位右轉(zhuǎn)，油路控制后根據(jù)控制器計(jì)算得出的轉(zhuǎn)角所需流量大小，三位四通比例流量閥完成對(duì)響應(yīng)油路流量的控制。比例閥的流量通過(guò)節(jié)流閥開(kāi)口的程度來(lái)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)需要調(diào)整流量大小時(shí)，通過(guò)電流變化控制電磁鐵的磁力大小，磁力變化導(dǎo)致控制閥芯的位置變化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)節(jié)流閥開(kāi)口的幅度變化，現(xiàn)代化的流量閥已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)流量的精細(xì)化控制。

3.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案

電機(jī)驅(qū)動(dòng)分為兩種方式，一是電機(jī)驅(qū)動(dòng)方向盤(pán)工作，二是電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向軸工作。使用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方向盤(pán)作業(yè)，主要是利用摩擦或齒輪傳動(dòng)的方式帶動(dòng)方向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，此方案的工作部件包括步進(jìn)電機(jī)、摩擦輪或齒輪副、支架、護(hù)罩等。這種驅(qū)動(dòng)方式對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械原結(jié)構(gòu)的改動(dòng)小，但摩擦傳動(dòng)存在打滑問(wèn)題，效率低且使用壽命短;齒輪傳動(dòng)雖然可靠性更好，但為減少傳動(dòng)結(jié)構(gòu)占用的空間和降低傳動(dòng)過(guò)程中電機(jī)的扭矩負(fù)擔(dān)，通常采用的傳動(dòng)比很大，導(dǎo)致使用過(guò)程中存在著控制繁瑣、精度不高、反應(yīng)延遲等問(wèn)題。通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向軸工作通常采用直驅(qū)電機(jī)作為轉(zhuǎn)向動(dòng)力源，能夠通過(guò)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)轉(zhuǎn)向的功能要求，與電機(jī)驅(qū)動(dòng)方向盤(pán)相比，直接對(duì)轉(zhuǎn)向軸進(jìn)行驅(qū)動(dòng)有效提升了控制精度并簡(jiǎn)化了機(jī)械結(jié)構(gòu)，具有一定的推廣價(jià)值，但只能適用于對(duì)反應(yīng)速度要求不高的場(chǎng)合。

3.3 全液壓轉(zhuǎn)向技術(shù)

全液壓自動(dòng)轉(zhuǎn)向主要由換向閥、全液壓轉(zhuǎn)向器、步進(jìn)電機(jī)等結(jié)構(gòu)組成。與普通液壓控制類(lèi)似，在自動(dòng)行駛狀態(tài)下，當(dāng)不需要轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作時(shí)，液壓油經(jīng)全液壓轉(zhuǎn)向器中位直接流回油箱中，當(dāng)需要全液壓轉(zhuǎn)向器控制農(nóng)業(yè)機(jī)械轉(zhuǎn)向時(shí)，此時(shí)根據(jù)需要的轉(zhuǎn)動(dòng)角度和實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)的角度之間的差值，由自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制器將需要流量大小傳遞給步進(jìn)電機(jī)，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)聯(lián)動(dòng)全液壓轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的改變，從而完成液壓流量的變化。全液壓轉(zhuǎn)向技術(shù)具有較高的控制精度，能夠可靠的完成轉(zhuǎn)向工作，具有良好的技術(shù)可移植性，由于采用了步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)全液壓裝置，反應(yīng)仍會(huì)存在一定的延遲。

4 結(jié)束語(yǔ)

農(nóng)業(yè)機(jī)械的轉(zhuǎn)向自動(dòng)控制技術(shù)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，已經(jīng)具備了豐富的技術(shù)儲(chǔ)備，能夠在一定程度上完成自動(dòng)轉(zhuǎn)向的基本要求。但大多數(shù)的技術(shù)均依靠成熟農(nóng)機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，利用多學(xué)科結(jié)合的整體技術(shù)突破相對(duì)較少，科技含量和穩(wěn)定性仍有待提高，這還需要相關(guān)研究人員的不懈努力才能實(shí)現(xiàn)。

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