BR102013023161A2 - Sistema de controle de estabilidade para uma máquina agrícola - Google Patents

Abstract

Sistema de controle de estabilidade para uma máquina agrícola. A presente invenção refere-se a um sistema de controle de estrônico dotado de um sensor de ângulo (2) de volante (1), um amplificador de torque (3) e um motor elétrico (4), o motor elétrico gerando torque controlado a partir de uma informação eletrônica determinada em uma unidade de controle eletrônico (5), a dita informação eletrônica sendo determinada a partir de dados que compreendem uma informação de posição angular do volante (1), uma informação proveniente de um sensor de ângulo de direção 6 e uma informação de velocidade da máquina agrícola em relação ao solo.o principal objetivo da invenção consiste em prover a máquina agrícola que trafega em alta velocidade de uma melhor estabilidade dinâmica através de um sistema de controle, que simula eletronicamente a existência de um caster (em máquinas com ângulo de caster muito pequeno ou nulo). Em máquinas providas estruturalmente de caster, o sistema promove um incremento deste. Em ambos os casos a máquina agrícola possuirá melhor estabilidade dinâmica e dirigibilidade em altas velocidades

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "SISTEMA DE CONTROLE DE ESTABILIDADE PARA UMA MÁQUINA AGRÍCOLA". A presente invenção refere-se a um sistema de controle eletrônico de estabilidade para uma máquina agrícola com sensibilidade de direção ajustável.

Descrição do estado da técnica Os sistemas de direção usualmente utilizados em máquinas a-grícolas são do tipo exclusivamente mecânica, exclusivamente hidrostática ou hidraulicamente assistida. Em automóveis também são utilizados os sistemas de direção eletro-hidraulicamente assistida, eletricamente assistida (EPS) e direção "steer-by-wíre". Os sistemas eletro-hidráulico e EPS não são conhecidos para uso em máquinas agrícolas.

Esses sistemas conhecidos para uso em máquinas agrícolas a-presentam as desvantagens de serem passivos e deixarem a dinâmica veicular da máquina agrícola única e exclusivamente a cargo do projeto da suspensão da máquina. Ademais o projeto da suspensão em máquinas agrícolas não possui como principal objetivo prover estabilidade dinâmica à máquina agrícola, tal como ocorre nos veículos automotores.

Objetivos da invenção O principal objetivo da invenção consiste em prover a máquina agrícola que trafega em alta velocidade de uma melhor estabilidade dinâmica através de um sistema de controle, que simula eletronicamente a existência de um caster (em máquinas com ângulo de caster muito pequeno ou nulo). Em máquinas providas estruturalmente de caster, o sistema promove um incremento deste. Em ambos os casos a máquina agrícola possuirá melhor estabilidade dinâmica e dirigibilidade em altas velocidades.

Breve descrição da invenção O sistema de controle de estabilidade para uma máquina agrícola compreende um conjunto mecatrônico dotado de um sensor de ângulo de volante, um amplificador de torque e um motor elétrico, o motor elétrico gerando torque controlado a partir de uma informação eletrônica determinada em uma unidade de controle eletrônico, a dita informação eletrônica sendo determinada a partir de dados que compreendem uma informação de posição angular do volante, uma informação proveniente de um sensor de ângulo de direção e uma informação de velocidade da máquina agrícola em relação ao solo. O sistema compreende ainda uma válvula hidrostática de direção acionada mecanicamente pelo amplificador de torque. A válvula hidrostática de direção é ligada hidraulicamente a um reservatório de óleo, o óleo sendo succionado por uma bomba hidráulica, o sistema sendo provido ainda de uma válvula de alívio montada entre a bomba hidráulica e o reservatório de óleo. O óleo succionado pressurizado é direcionado através da válvula hidrostática de direção a um cilindro de direção capaz de acionar, através de um acoplamento mecânico, o direcionamento das rodas da máquina agrícola.

Ainda segundo a invenção, o amplificador de torque compreende um conjunto de engrenagens coroa e sem-fim reversível. A presente invenção traz como principais vantagens: - permite quer o operador sinta na mão o "on-center-feel" de um veículo automotor com ângulo de caster elevado; - permite ao operador guiar a máquina agrícola com segurança em velocidades elevadas; - propicia a sensação de direção assistida com variação da assistência proporcional ao aumento de velocidade, sem a necessidade de inclusão de sistemas de controle hidráulicos; - possibilita a instalação de sistema de piloto automático sem a necessidade de grandes modificações na instalação da direção; - aumenta a segurança dinâmica da máquina agrícola ao limitar-se o ângulo de esterçamento em relação à velocidade. Em máquinas agrícolas com centro de gravidade elevado, o sistema contribui para evitar uma eventual capotagem; e - aumenta a integridade do mecanismo de direção, na medida em que o sistema evita batidas secas do mecanismo de direção no fim-de-curso.

Descrição resumida dos desenhos A presente invenção será, a seguir, mais detalhadamente descrito com base em um exemplo de execução representado nos desenhos. As figuras mostram: Figura 1 - é uma vista esquemática dos componentes do sistema de controle eletrônico de estabilidade com sensibilidade de direção ajustável, segundo a presente invenção; e Figura 2 - é um diagrama que mostra a lógica de funcionamento da presente invenção.

Descrição detalhada das figuras Conforme ilustrado na figura 1, o volante 1 da máquina agrícola é acoplado mecanicamente a um conjunto mecatrônico composto por sensor de ângulo do volante 2, amplificador de torque 3 e motor elétrico 4. O amplificador de torque 3, mais especificamente, é dado por um conjunto de engrenagem coroa e sem-fim reversível, similar aos conjuntos existentes em direções eletricamente assistidas em automóveis. O motor elétrico 4 pode ser de diferentes tecnologias, como por exemplo um motor DC com escovas, motor DC sem escovas, motor de indução trifásico ou motor síncrono de i-mãs permanentes. Independentemente da tecnologia empregada, sua função será a mesma, qual seja, gerar torque controlado a partir de uma informação eletrônica calculada na unidade de controle eletrônico ECU 5, a qual provê o acionamento do motor elétrico 4. O circuito de acionamento do motor elétrico 4 dependerá da tecnologia de motor empregada. Na ECU 5 é executada eletronicamente a lógica de funcionamento que, além da informação da posição angular do volante, também utiliza a informação fornecida pelo sensor do ângulo de direção 6 e a informação de velocidade do veículo em relação ao solo, que é fornecida pela própria máquina agrícola. O amplificador de torque 3, por sua vez, aciona mecanicamente a válvula hidrostática de direção 7. A parte hidráulica do sistema permanece inalterada em relação aos sistemas de direção hidrostá-ticos convencionais. A válvula hidrostática é interligada hidraulicamente a um reser- vatório de óleo 8 de onde a bomba hidráulica 9 succiona o óleo. A válvula de alívio 10 montada entre a bomba 9 e o reservatório 8 limita a pressão na linha hidráulica. O óleo pressurizado é direcionado através da válvula hidros-tática 7 ao cilindro de direção 11, que aciona através de um acoplamento mecânico 12 o direcionamento das rodas da máquina agrícola. A representação da lógica de funcionamento do sistema da invenção, executada através de um software embarcado na ECU 5, é mostrada na figura 2 na forma de diagrama de blocos de controle.

As informações de entrada da lógica de controle são a velocidade do veículo em relação ao solo, o ângulo da direção "A" e ângulo do volante. A partir da variação do ângulo do volante é calculada a informação de velocidade angular de esterçamento 12, que será utilizada posteriormente por outros blocos do diagrama. A velocidade de esterçamento é obtida calculando-se a derivada temporal do ângulo do volante. A partir da informação do ângulo de direção é calculada primeiramente a informação de força equivalente de um conjunto mola-amortecedor instalado ficticiamente nos fins-de-curso do mecanismo de direção. Esse bloco denominado conjunto mola/amortecedor em fim-de-curso 13 é responsável por evitar que o mecanismo de direção tenha um impacto brusco em seus fins-de-curso. A informação de força calculada a partir do modelo matemático do conjunto mola-amortecedor representa uma componente do esforço que será gerado pelo motor elétrico 4, ou seja, quando o sistema de direção estiver próximo ao fim-de-curso, o motor elétrico atuará sobre o mecanismo simulando o efeito equivalente de um conjunto mola-amortecedor real instalado no fim-de-curso do mecanismo. O bloco contendo o modelo dinâmico simulado do caster 14 atua de forma equivalente. A partir das informações de velocidade de deslocamento em relação ao solo e o ângulo de direção ele calcula a força autoali-nhante que, em veículos automotores com suspensão calibrada com ângulo de caster positivo, tende a centralizar o mecanismo de direção após a realização de uma curva. Quanto maior o ângulo de direção, maior será a força autoalinhante do veículo. Da mesma forma, quanto maior a velocidade, maior será o valor da força autoalinhante para o mesmo valor de ângulo de direção. Assim, o modelo matemático do efeito da suspensão com ângulo de caster positivo possui uma curva em formato de "V" limitado nos extremos, cuja abertura diminui e amplitude aumenta com o aumento da velocidade do veículo. O resultado do cálculo deste modelo matemático representa a outra componente de esforço que será gerado pelo motor elétrico 4 sobre o mecanismo. Uma vez que ele está acoplado mecanicamente ao volante 1, o operador sentirá na mão o efeito deste "caster virtual", ou seja, ele sentirá na mão a mesma resposta tátil percebida em um volante de automóvel, embora ele esteja operando uma máquina agrícola e essa sensação seja simulada. Essa sensação de autocentralização que se torna mais intensa a medida que a velocidade do veículo aumenta também é conhecida pelo termo em inglês "on-center-feel", ou seja, sensação que se sente na posição central do sistema de direção. A intensidade proporcionada pelo limite imposto nas bordas do "V" também pode ser ajustada para outros fins, como por exemplo aumentar substancialmente a força necessária para esterçamento do volante em ângulos maiores e em velocidades elevadas. Esse aumento da intensidade seria relacionado ao ângulo máximo de esterçamento para uma determinada velocidade para a qual deve ser evitado o sobre-esterçamento e, consequentemente, evitada uma capotagem da máquina, especialmente naquelas com centro de gravidade elevado, como é o caso de pulverizadores autopropelidos. O controlador de movimento 15, a partir das referências das componentes de movimento geradas pelos blocos modelo dinâmico simulado do caster 14 e conjunto mola/amortecedor em fim-de-curso 13 e da velocidade de esterçamento do volante, calcula a componente da referência de corrente do motor elétrico 4 responsável pelo movimento principal do rotor do motor elétrico 4. Esse cálculo é realizado através de controlador linear baseado nos controladores clássicos PID da teoria de sistemas de controle automático. O bloco compensador de inércia 16 baseia-se na informação da velocidade de esterçamento do volante 1 para gerar um pulso inicial de maior intensidade sobre o motor elétrico 4 para compensar a inércia de seu rotor e garantir que o movimento seja iniciado rapidamente. Esse bloco 16 calcula a aceleração de esterçamento do volante 1 realizando a derivada da velocidade de esterçamento e gera uma componente da referência de corrente do motor elétrico 4 proporcional a essa aceleração. Esse bloco 16 garante que o motor elétrico 4 responda de forma imediata sem atrasos e, consequentemente, sem que o operador sinta na mão um peso momentâneo na direção devido a uma demora na resposta dinâmica do motor elétrico 4. O bloco de amortecimento ativo 17 é necessário para estabilização dinâmica da máquina agrícola quando esta se encontra em velocidade elevada. Baseado na velocidade de esterçamento do volante 1, ele amortece o movimento gerado a partir da força de autocentralização criada pelo bloco com o modelo dinâmico simulado do caster 14 introduzindo uma componente da referência de corrente do motor elétrico 4 proporcional à velocidade de esterçamento do volante 1 e com sinal contrário à referência gerada pelos blocos controlador de movimento 15 e compensador de inércia 16. Sem a existência dele, o volante 1 ficaria oscilando em torno da posição angular central e a máquina agrícola trafegaria em zigue-zague caso o operador retirasse a mão do volante 1. A resultante destes três blocos proporciona o controle de estabilidade dinâmico da máquina agrícola quando esta estiver em velocidades elevadas. O bloco somador 18 soma todas as componentes da referência de corrente geradas pelos blocos controlador de movimento 15, compensador de inércia 16 e amortecimento ativo 17 e compara este valor de referência com o valor medido da corrente elétrica que vai para o motor. O resultado desta comparação é enviado ao bloco controlador da corrente do motor 19. O controlador da corrente do motor 19, baseado na diferença entre referência de corrente e valor medido da corrente, calcula qual deve ser a tensão elétrica aplicada ao motor elétrico 4 para que a corrente medida seja igual à referência de corrente. Esse cálculo também é realizado através de controlador linear baseado nos controladores clássicos PID da teoria de sistemas de controle automático. O bloco de alimentação do motor 20 gera, a partir do valor de tensão a ser aplicada no motor elétrico 4, a modulação por largura de pulso PWM que será gerada pela parte de eletrônica de potência interna à ECU 5. Os pulsos de tensão PWM fornecerão a energia necessária para garantir o movimento controlado do motor elétrico 4. A corrente elétrica resultante no circuito do motor 4 é medida e essa informação realimenta a malha de controle de corrente do motor elétrico 4.

Por fim, o motor elétrico 4 é o atuador eletromecânico responsável pela efetivação da transformação da informação de como ele deve se movimentar em movimento mecânico.

Algumas variantes são possíveis no sistema acima descrito. Por exemplo, pode ser modificada a posição do conjunto mecatrônico composto pelo sensor de ângulo do volante 2, amplificador de torque 3 e motor elétrico 4. Este conjunto pode estar montado próximo ao volante 1 ou próximo à válvula hidrostática dedireção 7. A ECU 5 pode ser integrada ao conjunto mecatrônico ou pode ser uma unidade independente acoplada apenas eletricamente ao motor 4 e aos sensores 2 através de cabos elétricos. O tipo de motor elétrico 4 pode variar, sendo desde um motor de corrente contínua com escovas, um motor de corrente contínua sem escovas (brushless), motor de indução trifásico ou até mesmo um motor síncrono de imãs permanentes. Dependendo da tecnologia de motor empregada, haverá uma topologia de circuito eletrônico correspondente para o acionamento do motor 4, bem como a respectiva tecnologia de controle de torque do motor. Independente da tecnologia de motor, circuito de acionamento e de controle de torque empregada, a função básica será a mesma, qual seja, gerar torque a partir de uma informação eletrônica. O conjunto mecatrônico pode ter no lugar do sensor de posição do volante 1 um sensor que adicione a informação de torque aplicado ao volante 1. Para isso, também são necessárias modificações na estrutura mecânica com a introdução de uma barra de torção integrada à coluna de direção. O sensor de torque mediria a deflexão desta barra de torção e informaria o torque aplicado no volante 1. Essa informação de torque pode ser utilizada para fins de desabilitação de funções automáticas, ou seja, caso a máquina agrícola esteja com o sistema de piloto automático (AutoGuide) habilitado, ao perceber-se um determinado valor de torque aplicado ao volante 1, o sistema de controle podería desabilitar as funções de piloto automático, fazendo com que o controle direcional da máquina voltasse a ser feito manualmente pelo operador. A lógica de controle pode ser alterada também para o uso do sistema mecatrônico para dirigir a máquina agrícola de forma autônoma a-través dos comandos gerados por um piloto automático. Neste caso, a lógica de controle passa a ser a de um controle de posição do motor elétrico 4 ao invés do controle exposto anteriormente. A ECU 5 deve ser também adequada para possibilitar o recebimento destas informações. O sistema da presente invenção permite maior controle sobre a máquina agrícola em condução, melhorando a interação do operador com o terreno ou a pista sobre a qual ele trafega, além de proporcionar um expressivo ganho na estabilidade direcional das máquinas com ângulo de caster pequeno ou praticamente nulo, não apropriado para velocidades elevadas.

Adicionalmente o sistema da invenção fornece uma melhora no "on-center-feel" do operador, ou seja, o operador sente melhor no volante a tendência da máquina em alinhar-se com o centro da trajetória que ela está seguindo. Esta sensação é ajustada para variar conforme a velocidade da máquina, de forma que a direção fique mais "pesada" com o aumento da velocidade.

Em máquinas com sistema de direção hidrostático, não há ligação mecânica entre o volante 1 e as rodas de esterçamento. Neste caso, com o sistema eletrônico proposto, pode-se operar uma máquina agrícola com a sensação de estar-se dirigindo um automóvel com sistema de direção do tipo pinhão-cremalheira, pois esta sensação é simulada eletronicamente.

Uma vez que o sistema atua sobre a coluna de direção através de um motor elétrico 4, ele também pode substituir todo o aparato adicional incorporado à válvula hidrostática para uso de piloto automático. Por se tratar de um sistema compacto e desacoplado da válvula hidrostática, o mesmo pode ser instalado na coluna de direção dentro da cabine. Esta flexibilidade possibilita o uso de piloto automático em máquinas onde não há espaço para uma válvula hidrostática de acionamento eletrônico. Da mesma forma, o sistema permite a transformação rápida de máquinas para uso de piloto automático, pois pode ser facilmente acoplado à coluna de direção. A invenção possibilita a introdução de funções adicionais de segurança funcional em aplicações que exijam operação em velocidades elevadas. Neste caso, o atuador eletrônico pode estabelecer um limite de ester-çamento das rodas ajustável em relação à velocidade da máquina, evitando por exemplo, capotagens no caso de sobre-esterçamento abrupto.

Tendo sido descrito um exemplo de concretização preferido, deve ser entendido que o escopo da presente invenção abrange outras possíveis variações, sendo limitado tão somente pelo teor das reivindicações a-pensas, aí incluídos os possíveis equivalentes.

Claims (5)

1. Sistema de controle de estabilidade para uma máquina agrícola, Caracterizado pelo fato de compreender um conjunto mecatrônico dotado de um sensor de ângulo (2) de volante (1), um amplificador de torque (3) e um motor elétrico (4), o motor elétrico gerando torque controlado a partir de uma informação eletrônica determinada em uma unidade de controle eletrônico (5), a dita informação eletrônica sendo determinada a partir de dados que compreendem uma informação de posição angular do volante (1), uma informação proveniente de um sensor de ângulo de direção (6) e uma informação de velocidade da máquina agrícola em relação ao solo.

2. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende ainda uma válvula hidrostática de direção (7) acionado mecanicamente pelo amplificador de torque (3).

3. Sistema de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que a válvula hidrostática de direção (7) é ligada hidraulicamente a um reservatório de óleo (8), o óleo sendo succionado por uma bomba hidráulica (9), o sistema sendo provido ainda de uma válvula de alívio (10) montada entre a bomba hidráulica (9) e o reservatório de óleo (8).

4. Sistema de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que o óleo succionado pressurizado é direcionado através da válvula hidrostática de direção (7) a um cilindro de direção (11) capaz de acionar, através de um acoplamento mecânico (12), o direcionamento das rodas da máquina agrícola.

5. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o amplificador de torque (3) compreende um conjunto de engrenagens coroa e sem-fim reversível.