CN103085858A

CN103085858A - 一种方向盘式农业机械自动驾驶转向控制装置

Info

Publication number: CN103085858A
Application number: CN2011103329125A
Authority: CN
Inventors: 胡静涛; 高雷; 胡河春; 李逃昌; 刘晓光; 白晓平; 王鹤
Original assignee: Shenyang Institute of Automation of CAS
Current assignee: Shenyang Institute of Automation of CAS
Priority date: 2011-10-28
Filing date: 2011-10-28
Publication date: 2013-05-08

Abstract

本发明涉及农业机械自动驾驶设备，具体地说是一种方向盘式农业机械自动驾驶转向控制装置，包括转向机构、电动机及转向控制单元，其中转向机构包括传动机构、外壳及方向盘安装结构，所述电动机及方向盘安装结构分别安装在外壳上，电动机与所述转向控制单元电连接，电动机的输出端通过安装在外壳内部的传动机构与方向盘安装结构的一端相连接，方向盘安装结构的另一端连接有农业机械的方向盘。本发明能够执行其他装置的转向指令，既能够应用在液压式转向农业机械上，也可以应用在机械式转向农业机械上，同时安装简便，执行转向动作智能高效。本发明能够自动完成指令中所要求的转向操作，可以用作农业机械自主导航系统中的转向控制装置。

Description

一种方向盘式农业机械自动驾驶转向控制装置

技术领域

本发明涉及农业机械自动驾驶设备，具体地说是一种方向盘式农业机械自动驾驶转向控制装置。

背景技术

在农业机械自主导航控制的研究和应用中，转向执行机构的研究和设计是其它更深入研究及应用推广的基础；尤其是在对农业机械进行自动导航改造的过程中，需要改造过程简单易行、转向执行效率高等特点。不考虑目前尚不普及的应用线控技术的农业机械，常见的农业机械转向机构可以分为液压式、机械式两大类。

发明内容

本发明的目的在于提供一种方向盘式农业机械自动驾驶转向控制装置。该控制装置可以接收执行转向指令，执行效率高。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明包括转向机构、电动机及转向控制单元，其中转向机构包括传动机构、外壳及方向盘安装结构，所述电动机及方向盘安装结构分别安装在外壳上，电动机与所述转向控制单元电连接，电动机的输出端通过安装在外壳内部的传动机构与方向盘安装结构的一端相连接，方向盘安装结构的另一端连接有农业机械的方向盘。

其中：在外壳上连接有防转机构，该防转机构的一端与外壳相连，另一端与农业机械转向杆的外套连接；所述防转机构包括连板和夹件，其中连板的一端固接在所述外壳上，另一端与夹件的一端连接，所述夹件的另一端固接在农业机械转向杆的外套上；所述外壳包括壳体及上盖，上盖及壳体通过螺栓连接成一封闭空间，所述传动机构通过轴承安装在外壳内；所述壳体及上盖均呈扇贝形状，即壳体及上盖的主体在圆形，在圆形的边缘处沿径向向外延伸，形成方形的延伸部；所述传动机构通过轴承安装在封闭的外壳内部，在壳体及上盖的内部分别带有轴承内嵌槽；所述传动机构通过轴承安装在封闭的外壳内部，为齿轮式传动机构，包括相互啮合的主动齿轮及被动齿轮；所述主动齿轮通过上、下两个轴承可转动地安装在外壳内，并与电动机的输出轴相连；所述被动齿轮位于主动齿轮的一侧、通过上、下两个轴承可转动地安装在外壳内，并与农业机械的转向杆相连，在被动齿轮上连接有方向盘安装结构；所述方向盘安装结构包括连接轴及法兰，其中连接轴的下端通过法兰安装在所述传动机构上，另一端由外壳穿出与方向盘相连接；所述电动机通过垫板与外壳连接，该垫板为长方体或正方体，四角开有与电动机安装孔相对应的通孔，在所述垫板的中间开有中心通孔，该中心通孔的外围设有环状凹槽；所述传动机构包括相互啮合的主动齿轮及被动齿轮，中心通孔的直径大于主动齿轮的直径；

转向控制单元包括转向控制器、转向角传感器和转向扭矩传感器；其中转向控制器用于接收、解析和发送与导航控制器之间的通信数据，为电动机提供驱动电流、控制电动机转动，进行手动转向输入检测与切换；

转向角传感器用作农业机械转向角度检测，转向控制器以该角度为反馈，以指令转向角度为目标，控制电动机的转动和停止；

转向扭矩传感器用作农业机械转向扭矩检测，转向控制器根据该扭矩值与理论扭矩值的差值大小，对是否有手动转向输入进行判断，当判断为有手动转向输入时，转向控制器停止自动转向，切换为手动转向输入。

本发明的优点与积极效果为：

本发明能够执行其他装置的转向指令，既能够应用在液压式转向农业机械上，也可以应用在机械式转向农业机械上，同时安装简便，执行转向动作智能高效。本发明能够自动完成指令中所要求的转向操作，可以用作农业机械自主导航系统中的转向控制装置。

附图说明

图1为本发明一个实施例的系统结构示意图；

图2为本发明的装配示意图；

图3为本发明转向机构中垫板的结构示意图；

图4为本发明的安装固定示意图；

图5为本发明转向控制器的硬件结构模块图；

图6为本发明转向控制器的软件流程框图；

图7为本发明手动开关输入中断服务程序的流程图；

图8为PD控制算法的原理框图；

图9为PD控制算法的程序流程图；

其中：1为转向机构，2为电动机，3为转向控制器，4为转向扭矩传感器，5为转向角传感器，6为方向盘，7为转向轮，8为通信线路，9为转向杆，10为垫板，10a为通孔，10b为中心通孔，10c为环状凹槽，11为壳体，12为第一滚珠轴承，13为主动齿轮，14为第二滚珠轴承，15为上盖，16为螺栓，17为连接轴，18为螺栓，19为第三滚珠轴承，20为被动齿轮，21为第四滚珠轴承，22为连板，23为夹件。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详述。

参照附图，下面对一个本发明实施例进行描述。图1是一个带有方向盘6和转向杆9的农业机械自动转向系统的结构示意图，该系统使用了本实施例的转向控制装置；该农业机械自动转向系统包括转向机构1、电动机2、转向控制器3、转向扭矩传感器4、转向角传感器5、转向操纵装置(例如方向盘6)、转向轮7、通信线路8及转向杆9。其中，电动机2可以为步进电机等；转向控制器3中含有电动机对应的驱动电路。

转向机构1安装在转向杆9的顶端，采用花键连接，方向盘6安装在转向机构1的顶端，这样在加入了转向机构1后，也保留了手动转向功能。电动机2安装在转向机构1的下端，通过螺栓与转向机构1的外壳固定。转向扭矩传感器4安装在转向杆9上，用于检测到当前转向杆9上被施加的扭矩。本实施例中，转向角传感器5安装在与转向轮7的旋转轴相连的杆上，通过测量杆的伸缩长度，可以计算得到转向轮7的转动角度。转向控制器3与电动机2、转向扭矩传感器4、转向角传感器5和CAN总线分别通过对应接口线路相连，完成CAN通信、传感器数据采集和电动机控制。

本发明的转向控制装置包括转向机构1及电动机2，其中转向机构1包括传动机构、外壳、方向盘安装结构及防转机构，所述电动机2及方向盘安装结构分别安装在外壳上，电动机2的输出端通过安装在外壳内部的传动机构与方向盘安装结构的一端相连接，方向盘安装结构的另一端连接有农业机械的方向盘6。在外壳上连接有防转机构，该防转机构的一端与外壳相连，另一端与农业机械转向杆的外套连接。如图2所示，为本实施例中转向机构1的装配示意图。传动机构通过轴承安装在封闭的外壳内部，为齿轮式传动机构，包括主动齿轮13、被动齿轮20、第一滚珠轴承12、第二滚珠轴承14、第三滚珠轴承19及第四滚珠轴承21；方向盘安装结构为花键轴形式；外壳包括上盖15和壳体11；防转结构包括连扳22和夹件23；其他配件有电动机2和垫板11。

壳体11及上盖15均呈扇贝形状，即壳体11及上盖15的主体在圆形，在圆形的边缘处沿径向向外延伸，形成方形的延伸部；所述传动机构通过轴承安装在封闭的外壳内部，在壳体11及上盖15的内部分别带有轴承内嵌槽。主动齿轮13通过第一、二滚珠轴承12、14固定在外壳上。第一、二滚珠轴承12、14外环分别镶嵌在壳体11和上盖15中，主动齿轮13与第一滚珠轴承12和第二滚珠轴承14的内圈连接，保证了主动齿轮13轴心与轴线Z2同轴。主动齿轮13带有平键套，用于连接电动机2的轴。平键套的形式可根据不同类型的电动机设计。

被动齿轮20通过第三、四滚珠轴承19、21固定在外壳上。第三、四滚珠轴承19、21外环分别镶嵌在壳体11和上盖15中，被动齿轮20与第三滚珠轴承19和第四滚珠轴承21的内圈连接，保证了被动齿轮轴20轴心与轴线Z1同轴。被动齿轮20带有锥孔和花键套。锥孔用来防止方向盘的轴向移动，花键套用于传动扭矩。锥孔和花键套根据农业机械转向杆的结构进行设计，以适用于各种方向盘式农业机械转向系统。

方向盘安装结构穿过上盖15利用法兰和螺栓18固定在被动齿轮20上，方向盘安装结构包括连接轴17及法兰，连接轴17带有用于安装方向盘6的花键和外螺纹。花键与方向盘花键套配合形成花键连接用于传递扭矩；外螺纹与螺母配合用来紧固方向盘。当被动齿轮20转动时，方向盘安装结构17随其同步转动，同时带动安装在方向盘安装结构17上的方向盘6同步转动。

电动机2通过垫板10与外壳连接，垫板10结构如图3所示。垫板10用于将电动机2进行安装固定，并调整电动机轴插入平键套的长度。垫板10为长方体或正方体，四角开有通孔10a、与电动机2的安装孔相对应，用于连接电动机和壳体，这样能方便快捷地拆卸和更换电动机。垫板10的中间开有中心通孔10b，中心通孔10b的直径大于主动齿轮的直径，这样目的是使主动齿轮穿过中心通孔10b与电动机轴配合。另外，垫板上环绕中心通孔10b还设计了一个环状凹槽10c，目的是为了减轻垫板的重量。为适应不同类型或大小的电动机，垫板是可根据实际需要设计。

由于在本发明中，整个外壳(壳体11、上盖15)是可以绕着Z1轴转动的，所以这里设计了防转机构(包括连扳22和夹件23)，如图4所示。连板22利用螺栓一端固定于壳体11上，另一端与夹件23的一端连接，夹件23的另一端夹在车体上(比如可以固定在农业机械车辆的转向杆上或转向杆外部的起保护作用的壳体上)，从而使转向机构1的外壳不会绕着Z1轴方向产生相对转动。固定件是可替换件，连板和夹件的尺寸、结构可根据农业机械转向杆的实际结构进行设计。

电动机可以选用两相或三相步进电机，并可以根据原车辆转向系统扭矩的不同，来选择相应扭矩的步进电机。

转向控制单元包括转向控制器3、转向角传感器5和转向扭矩传感器4三部分。转向控制器3用于接收、解析和发送CAN通信数据，为电动机提供驱动电流、控制电动机转动，进行手动转向输入检测与切换等。转向角传感器4用作农业机械转向角度检测，转向控制器3以该角度为反馈，以指令转向角度为目标，控制电动机2的转动和停止。转向扭矩传感器5用作农业机械转向扭矩检测，转向控制器3根据该扭矩值与理论扭矩值的差值大小，对是否有手动转向输入进行判断，当判断为有手动转向输入时，转向控制器3停止自动转向，切换为手动转向输入。

转向控制器3由六个模块构成，如图5所示。其中，单片机最小系统由单片机芯片、电源系统和晶振等组成，是转向控制器3的运算平台。本实施例中选用的单片机内部带有足够使用的RAM和Flash，并带有控制器局部网(CAN)控制器、模拟/数字转换器(ADC)、通用异步收发器(UART)，这样可以简化转向控制器3的硬件设计，提高硬件系统的稳定性。

开关量输入模块以去抖动芯片为核心构成，去抖动芯片可以消除开关量输入时的抖动，并能够扩展开关量输入的电压范围，且去抖动芯片一般都具有中断输入状态指示引脚，可以简化开关量输入相关的编程处理工作，并提高单片机系统对开关量输入的响应速度。外部的开关输入连接至去抖动芯片，经芯片内部去抖动电路处理后，输出至单片机的I/O引脚，由单片机程序进行处理。开关量输入模块用于接受外部的开关输入，比如用于开启或停止本装置自动转向功能的“启动/停止”开关的输入等。

本实施例中采用CAN通信作为本自动转向装置的对外通信接口，连接在通信线路8上。CAN是一种支持实时分布式控制的串行通信网络，数据通信可靠性高、实时性强，能够满足本自动转向装置对通信的需求。在由于本实施例中选用的单片机内部带有CAN控制器，所以CAN通信接口模块主要由CAN驱动器构成，主要功能是将CAN控制器的逻辑电平转换为CAN总线的差分电平，并且具有DC 2500V的隔离功能。

本实施例中选用的转向扭矩传感器4为模拟电压输出型，所以转向扭矩传感器输入接口模块主要由电压信号调理电路组成。转向扭矩传感器4输出的电压信号经过调理后进入单片机的ADC采样输入引脚，单片机对其进行采样、计算后得到当前的扭矩值。

本实施例中选用的转向角传感器为RS485输出的单圈绝对值光电编码器，所以转向角传感器输入接口模块主要由RS485通信接口电路组成，主要功能是将转向角传感器5输出的RS485差分电平信号，转换成TTL逻辑电平信号，并发送给单片机的UART接口，由单片机中的UART中断服务程序进行处理，获取当前农业机械的转向角度值。

本实施例中选用的电动机类型为两相步进电机，所以电动机驱动模块主要由两相功率驱动电路、两相电流检测电路和DC/DC转换电路组成。功率驱动电路采用双H桥高电压大电流功率集成电路实现，由单片机的PWM接口输出对应的控制脉冲。相电流检测电路，对双H桥的电流输出检测端电压进行信号调理，并送入单片机的ADC采样输入引脚，由单片机对其进行采样、计算得到当前各相的电流值。DC/DC转换电路主要是为功率驱动电路提供所需要的多种直流电压。

转向控制器3的程序流程图如图6所示。上电后，首先进行系统初始化工作，对所有使用到的单片机资源进行初始化(步骤S1)，包括系统时钟、中断系统、UART、CAN、ADC、Timer等。然后控制器等待通信线路上的开始指令(步骤S2)和转向指令(步骤S3)，之后系统进行数据采集和更新(步骤S4)，判断是否有手动操作输入(步骤S5)，然后执行PD控制算法(步骤S6)，控制电动机的运行(步骤S7)。最后，当接收到停止指令后，停止自动导航(步骤S8)。

步骤S2、S3和S7都属于通信指令响应部分，负责处理来自CAN通信线路上的启动、转向、停止等指令；另外，来自手动开关输入的启动停止指令，由单片机的I/O引脚中断服务程序进行处理，程序流程如图7所示。其中，步骤S11从相应的单片机输入/输出引脚上读取到去抖动芯片的输出，则可获得手动开关的输入状态；步骤S12对开关状态进行判断，当开关状态表示“停止转向操作”时，则在步骤S13中程序跳转到图6中的步骤2之前。

数据采集与更新部分，包括：(1)从CAN通信接收缓冲区更新来自于转向指令的指令转角；(2)串行通信，更新来自于转向角传感器5的转向角；(3)ADC采集计算，更新来自于转向扭矩传感器4的转向扭矩。

PD控制算法根据指令转角和当前实际转向角的误差，采用比例--微分控制方法，对执行机构中步进电机的启停、转动速度和方向等进行控制。算法原理框图如图8所示。其中，控制量转换模块M1将PD控制算法输出的离散控制量P(k)进行归一化，并转换成对电动机转速进行控制的PWM波形、和对转动方向等进行控制的电平信号。

实现PD控制算法的程序流程图如图9所示。其中，步骤S21进行指令转向角R(k)和实际转向角Y(k)的更新，当两次更新指令转向角之间没有接收到新的转向指令时，则继续使用上一次的指令转向角的值，即R(k)＝R(k-1)；实际转向角Y(k)每次都从转向角传感器5重新获取。步骤S22计算第k次的偏差值，用于步骤S23进行比例控制增量计算，和步骤S24进行微分控制增量计算。步骤S25对PD控制的控制量增量求和，步骤26计算出第k次的控制量总量，步骤S27保存相关误差值，为第k+1次PD控制计算做准备。

转向角传感器5安装在农业机械的转向轮7附近，用于检测转向角大小。该转向角用作转向控制器3中运行的转向控制算法的反馈量，当检测到的转向角大小与从通信线路8上接收到的转向指令中所要求的角度误差小于某个门限值时，则认为完成转向指令，否则继续执行转向操作。

转向扭矩传感器4安装在转向杆上，用于检测当前加入到转向杆9上的扭矩大小。在本自动转向装置运行时，控制器3能够根据电动机2的“转矩-速度”曲线、减速比等参数计算出当前转向杆9上的扭矩的理论值。该理论扭矩与转向扭矩传感器4测得的实际扭矩对比，当实际值与理论值的差值超出一定范围时，则判定为有外部扭矩加入(如手动转动了方向盘)，在这种情况下，控制器3会立即停止自动转向操作，释放电动机2为自由转动状态，完成从自动转向到手动转向的自动切换。

虽然通过参考本发明的一个实施例描述了本发明，但是，本发明中使用的电动机2不限定于本实施例中使用的步进电机，也可以为直流电动机；本发明中使用的转向扭矩传感器4不限定于本实施例中使用的模拟电压输出型扭矩传感器，也可以为4-20mA模拟电流输出型、频率输出型或RS485数字输出型；本发明中使用的转向角传感器5不限定于本实施例中使用的RS485输出的单圈绝对值光电编码器，也可以为4-20mA模拟电流输出型或并行数字输出型的单圈或者多圈编码器。

Claims

1.一种方向盘式农业机械自动驾驶转向控制装置，其特征在于：包括转向机构(1)、电动机(2)及转向控制单元，其中转向机构(1)包括传动机构、外壳及方向盘安装结构，所述电动机(2)及方向盘安装结构分别安装在外壳上，电动机(2)与所述转向控制单元电连接，电动机(2)的输出端通过安装在外壳内部的传动机构与方向盘安装结构的一端相连接，方向盘安装结构的另一端连接有农业机械的方向盘(6)。

2.按权利要求1所述的方向盘式农业机械自动驾驶转向控制装置，其特征在于：在外壳上连接有防转机构，该防转机构的一端与外壳相连，另一端与农业机械转向杆的外套连接。

3.按权利要求2所述的方向盘式农业机械自动驾驶转向控制装置，其特征在于：所述防转机构包括连板(22)和夹件(23)，其中连板(22)的一端固接在所述外壳上，另一端与夹件(23)的一端连接，所述夹件(23)的另一端固接在农业机械转向杆的外套上。

4.按权利要求1或2所述的方向盘式农业机械自动驾驶转向控制装置，其特征在于：所述外壳包括壳体(11)及上盖(15)，上盖(15)及壳体(11)通过螺栓(16)连接成一封闭空间，所述传动机构通过轴承安装在外壳内。

5.按权利要求4所述的方向盘式农业机械自动驾驶转向控制装置，其特征在于：所述壳体(11)及上盖(15)均呈扇贝形状，即壳体(11)及上盖(15)的主体在圆形，在圆形的边缘处沿径向向外延伸，形成方形的延伸部；所述传动机构通过轴承安装在封闭的外壳内部，在壳体(11)及上盖(15)的内部分别带有轴承内嵌槽。

6.按权利要求1或2所述的方向盘式农业机械自动驾驶转向控制装置，其特征在于：所述传动机构通过轴承安装在封闭的外壳内部，为齿轮式传动机构，包括相互啮合的主动齿轮(13)及被动齿轮(20)；所述主动齿轮(13)通过上、下两个轴承可转动地安装在外壳内，并与电动机(2)的输出轴相连；所述被动齿轮(20)位于主动齿轮(13)的一侧、通过上、下两个轴承可转动地安装在外壳内，并与农业机械的转向杆相连，在被动齿轮(20)上连接有方向盘安装结构。

7.按权利要求1或2所述的方向盘式农业机械自动驾驶转向控制装置，其特征在于：所述方向盘安装结构包括连接轴(17)及法兰，其中连接轴(17)的下端通过法兰安装在所述传动机构上，另一端由外壳穿出与方向盘(6)相连接。

8.按权利要求1或2所述的方向盘式农业机械自动驾驶转向控制装置，其特征在于：所述电动机(2)通过垫板(10)与外壳连接，该垫板(10)为长方体或正方体，四角开有与电动机(2)安装孔相对应的通孔(10a)，在所述垫板(10)的中间开有中心通孔(10b)，该中心通孔(10b)的外围设有环状凹槽(10c)。

9.按权利要求8所述的方向盘式农业机械自动驾驶转向控制装置，其特征在于：所述传动机构包括相互啮合的主动齿轮(13)及被动齿轮(20)，中心通孔(10b)的直径大于主动齿轮(13)的直径。

10.按权利要求1或2所述的方向盘式农业机械自动驾驶转向控制装置，其特征在于：

转向控制单元包括转向控制器(3)、转向角传感器(4)和转向扭矩传感器(5)；其中转向控制器(3)用于接收、解析和发送与导航控制器之间的通信数据，为电动机(2)提供驱动电流、控制电动机(2)转动，进行手动转向输入检测与切换；

转向角传感器(4)用作农业机械转向角度检测，转向控制器(3)以该角度为反馈，以指令转向角度为目标，控制电动机(2)的转动和停止；

转向扭矩传感器(5)用作农业机械转向扭矩检测，转向控制器(3)根据该扭矩值与理论扭矩值的差值大小，对是否有手动转向输入进行判断，当判断为有手动转向输入时，转向控制器(3)停止自动转向，切换为手动转向输入。