CN103247213A - 拖拉机自动导航实验台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及农机领域，尤其涉及一种可实现自动转向功能的拖拉机自动导航实验台，其包括车体转向装置、驱动装置和控制系统，所述车体转向装置与驱动装置连接，所述驱动装置与控制系统连接，所述控制系统包括转向控制器（21），所述转向控制器（21）控制驱动装置使车体转向装置进行自动转向。所述控制系统还包括与所述转向控制器（21）连接的自动导航操作终端（22）。采用上述技术方案提供的拖拉机自动导航实验台，可实现车体转向装置的自动转向和拖拉机自动导航路径的模拟演示功能，还可以进行自动导航系统以及关键零部件的检验测试。

Description

拖拉机自动导航实验台

技术领域

本发明涉及农机领域，尤其涉及一种可实现自动转向功能的拖拉机自动导航实验台。 

背景技术

目前，市场上没有拖拉机GPS自动导航系统实验台，大都是教学用的汽车转向实验台和实训台，其中包括液压助力转向实验台、电动助力转向实验台、电控液压助力转向实验台等。现有实验台只能简单模拟汽车转向功能，演示汽车转向的基本原理，但是不能进行转向有关的实验和测试，也不具备拖拉机自动转向功能。其次，现有实验台没有GPS模拟信号，不能实现拖拉机自动导航路径的模拟演示，也不能进行自动导航有关的实验和测试。还有，现有实验台不能实时进行姿态调整实现拖拉机姿态模拟。最后，现有实验台将所有系统放在一起，不便于分类讲述，也没有专门的操控平台，操作演示不方便。 

发明内容

（一）要解决的技术问题 

本发明要解决的技术问题是提供一种可实现自动转向功能的拖拉机自动导航实验台，其进一步地解决了不能实现拖拉机自动导航路径模拟演示的问题。 

（二）技术方案 

为达上述目的，本发明提供一种拖拉机自动导航实验台，包括车体转向装置、驱动装置和控制系统，所述车体转向装置与驱动装置连接，所述驱动装置与控制系统连接，所述控制系统包括转向控制器，所述转向控制器控制驱动装置使车体转向装置进行自动转向。 

优选的，所述控制系统还包括自动导航操作终端，所述自动导航 操作终端与所述转向控制器连接。 

优选的，所述控制系统还包括方向盘，所述方向盘控制驱动装置使车体转向装置进行手动转向。 

优选的，所述驱动装置包括依次连接的液压泵、液压阀组、液压转向器和液压油缸；所述液压转向器与所述方向盘连接；所述液压阀组与所述转向控制器连接。 

优选的，所述方向盘上设有转速测量光电编码器，所述转速测量光电编码器将转速信号传递给所述转向控制器。 

优选的，所述车体转向装置包括转向底盘架、转向桥、导向轮和轮胎托盘；所述方向盘、液压转向器、转向桥和轮胎托盘安装于所述转向底盘架上；所述导向轮固定安装于所述转向桥且放置于轮胎托盘上；所述导向轮与所述液压油缸连接。 

优选的，所述导向轮上设有转向角传感器，所述转向角传感器将转向角信号传递给所述转向控制器。 

优选的，所述液压阀组、转向控制器和自动导航操作终端安装于操作平台上；所述控制系统还包括设置于操作平台上的操作按钮、指示灯、指示仪表、GPS天线。 

优选的，所述液压泵设置于泵站底盘架上，所述泵站底盘架上设有与所述液压泵连接的液压油箱和电机；所述液压油箱下方设有固定于泵站底盘架的接油盘。 

优选的，所述自动导航操作终端包括参数初始化模块、自动导航控制模块、拖拉机运动仿真模块和拖拉机姿态仿真模块； 

所述自动导航控制模块用于实现拖拉机自动导航路径模拟演示； 

所述拖拉机运动仿真模块用于无GPS模拟信号时进行拖拉机自动导航模拟演示； 

拖拉机姿态仿真模块用于实时调整试验台姿态进行拖拉机姿态模拟。 

（三）有益效果 

本发明采用上述技术方案提供的拖拉机自动导航实验台，通过转向控制器控制驱动装置使车体转向装置进行自动转向，实现了实验台的自动转向功能；进一步地，转向控制器与自动导航操作终端连接，实现拖拉机自动导航路径模拟演示；另外，本发明还可以进行自动导航系统以及关键零部件的检验测试。本发明具有操作简单、演示便捷、安全、环保等优点；整体安装简单，移动方便，清洁环保，外表美观；元器件外置，既便于元器件更换，也利于演示和教学，以及拖拉机导航新产品的展览与演示。其中，拖拉机自动导航系统是一套农机驾驶辅助系统，它的应用不但减轻了驾驶员的劳动强度，更主要的是提高了农机作业质量和效率，可以说拖拉机自动导航技术在现代精准农业的发展中起到了至关重要的作用。自动导航系统性能的好坏直接影响到农机作业的质量和效率，建立一套拖拉机自动导航实验台对研究和测试拖拉机自动导航系统的性能参数具有非常重要的意义。 

附图说明

图1是本发明拖拉机自动导航实验台的俯视图； 

图2是本发明拖拉机自动导航实验台的主视图； 

图3是本发明拖拉机自动导航实验台的车体转向装置的结构图； 

图4是本发明拖拉机自动导航实验台的泵站的结构图； 

图5是本发明拖拉机自动导航实验台的操作平台的结构图； 

图6是本发明的自动导航实验台原理图； 

图7是本发明的自动导航场景模拟流程框图。 

图中，2：转向底盘架；3：转向桥；4：导向轮；5：转向油缸；6：液压转向器；7：方向盘；8：轮胎托盘；9：油管；10：第一支撑螺栓；11：第一手推杆；12：泵站底盘架；13：液压油箱；14：液压泵；15：电机；16：第二手推杆；17：接油盘；18：第二支撑螺栓；19：操作平台；20：液压阀组；21：转向控制器；22：自动导航操作终端；23：GPS天线；24：操作按钮；25：指示灯；26：指示仪表；27：自动导航 实验台原理图。 

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的拖拉机自动导航实验台作进一步详细说明。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。 

如图1至图5所示，本发明的拖拉机自动导航实验台包括车体转向装置、驱动装置和控制系统。其中，驱动装置为液压系统驱动，从图6可知，液压系统包括依次通过油管快速接头和油管9连接的液压泵14、液压阀组20、液压转向器6和液压油缸5。液压泵14由电机15提供动力源。另外，驱动装置还可以由伺服电机与传动部件组成等，伺服电机与控制系统配合以实现对车体转向装置的控制和实时监测。 

控制系统包括转向控制器21和自动导航操作终端22，而构成的电控自动转向系统，另外，控制系统还包括方向盘7，该方向盘跟驱动装置连接。具体地，方向盘7与液压转向器6连接，液压阀组20与所述转向控制器21连接。通过方向盘7可实现车体转向装置的手动转向操作，通过转向控制器21和自动导航操作终端22可实现车体转向装置的电控及液控的自动转向操作。 

车体转向装置包括转向底盘架2、转向桥3、导向轮4和轮胎托盘8，方向盘7、液压转向器6、转向桥3和轮胎托盘8安装于转向底盘架2上，导向轮4固定安装于转向桥3且放置于轮胎托盘8上，导向轮4与液压油缸5连接，液压油缸带动转向轮转动，实现转向。转向底盘架2的底部还设有多个第一支撑螺栓10和多个滚轮，且第一支撑螺栓10的高度可调，滚轮用于移动转向底盘架2，第一支撑螺栓10用于将转向底盘架2固定于地面。另外，转向底盘架2上还设有插拔式连接的第一手推杆11，用于推动转向底盘架2。 

导向轮4上设有转向角传感器，转向角传感器将转向角信号传递给转向控制器21，方向盘7上设有转速测量光电编码器，所述转速测 量光电编码器将转速信号传递给转向控制器21，转向控制器21将接收到的转速信号和转向角信号进行数据处理，并与自动导航操作终端22中设置的目标转向角度进行比对后，将比对结果传递给转向控制器21，转向控制器21根据比对结果控制驱动装置使转向装置进行相应的转向，从而实现转向控制器21对车体转向装置的转速、转向角的精确控制和实时监测。 

在本实施例中，液压阀组20、转向控制器21和自动导航操作终端22安装于操作平台19上。控制系统还包括设置于操作平台19上的操作按钮24、指示灯25、指示仪表26、GPS天线23。操作平台19上还设有自动导航实验台原理图（图5中的27）。操作按钮24包括“启动”和“停止”按钮。指示灯25、指示仪表26、操作按钮24并不是服务于单一元器件，不同颜色的指示灯25可以显示不同工作单元（车体转向装置、驱动装置、控制系统、自动导航操作终端）的工作状态；指示仪表26可以显示转向压力、系统压力等参数；操作按钮24可以控制不同工作单元的运行。 

更进一步地，液压泵14设置于泵站底盘架12上，泵站底盘架12上设有与液压泵14连接的液压油箱13和电机15；所述液压油箱13下方设有固定于泵站底盘架12的接油盘17。泵站底盘架12、液压泵14、液压油箱13、电机15和接油盘17组成可移动的泵站，使实验台使用过程更方便。泵站底盘架12的底部还设有多个第二支撑螺栓18和多个滚轮，其用于移动和固定泵站底盘架12，作用方式与转向底盘架2底部的第一支撑螺栓10和滚轮相同。另外，泵站底盘架12上还设有插拔式连接的第二手推杆16，用于推动泵站底盘架12。本发明的拖拉机自动导航实验台如此使各部件外置，可方便教学演示。 

在进行自动导航演示时，先后对电机15、转向控制器21、自动导航操作终端22进行加电，运行自动导航操作终端22的自动导航演示软件，可以模拟自动导航、手动转向、自动/手动切换等场景。自动导航演示软件包含参数初始化模块、自动导航控制模块、拖拉机运动仿 真模块、拖拉机姿态仿真模块等组成。拖拉机运动仿真模块根据导向轮实际转角信息、拖拉机航向、拖拉机物理参数、拖拉机位置坐标、拖拉机速度等参数，结合拖拉机运动学模型，计算拖拉机实时位置坐标与实时航向，实现拖拉机位置实时模拟，解决室内无GPS模拟信号无法进行拖拉机自动导航模拟演示问题；拖拉机姿态仿真模块依据拖拉机位置坐标与航向等信息、拖拉机物理参数，结合地面模型计算拖拉机实时姿态信息，解决实验台姿态不能实时调整无法进行拖拉机姿态模拟的问题。 

以模拟自动导航场景为例进行说明（图7）： 

1）用户点击“启动”按钮，自动导航演示软件依次启动参数初始化模块、自动导航控制模块、拖拉机运动仿真模块、拖拉机姿态仿真模块： 

1.1）启动参数初始化模块，人工输入/导入目标路线、拖拉机初始航向、拖拉机物理参数、拖拉机初始位置坐标、拖拉机初始速度、地面模型等参数信息； 

1.2）启动自动导航控制模块，从参数初始化模块获取拖拉机物理参数、目标路线等信息； 

1.3）启动拖拉机运动仿真模块，从参数初始化模块获取拖拉机初始航向、拖拉机物理参数、拖拉机初始位置坐标、拖拉机初始速度等信息； 

1.4）启动拖拉机姿态仿真模块，从参数初始化模块获取拖拉机物理参数、地面模型等信息。 

2）自动导航演示软件初始化完成后，进入自动导航演示流程： 

2.1）自动导航控制模块从转向控制器21获取导向轮4实际转角信息； 

2.2）拖拉机运动仿真模块从导航控制模块实时获取导向轮4实际转角信息，依据拖拉机航向、拖拉机物理参数、拖拉机位置坐标、拖拉机速度等参数，结合拖拉机运动学模型，计算拖拉机实时位置坐标 与实时航向； 

2.3）拖拉机姿态仿真模块从拖拉机运动仿真模块实时获取拖拉机位置坐标与航向等信息，依据拖拉机物理参数，结合地面模型，计算拖拉机实时姿态信息； 

2.4）拖拉机运动仿真模块从拖拉机姿态仿真模块实时获取拖拉机姿态信息，依据拖拉机物理参数、拖拉机位置坐标，对拖拉机实时位置进行校准； 

2.5）自动导航控制模块从拖拉机运动仿真模块实时获取拖拉机行驶速度、拖拉机姿态、校准后的实时位置坐标等信息，计算与目标曲线的偏差（横向偏差）；自动导航控制算法依据横向偏差，结合拖拉机物理参数，计算导向轮4的目标转角，并将导向轮4的目标转角信息发送给转向控制器21； 

2.6）转向控制器21从自动导航控制模块获取到导向轮4的目标转角信息，从转向角传感器获取导向轮4的实际目标转角信息，采用转向控制算法计算控制量控制，通过液压系统驱动导向轮4的偏转到目标转角；同时转向控制器21通过转向角传感器实时获得导向轮4的实际转角信息，并将导向轮4的实际转角信息发送给自动导航控制模块； 

2.7）判断“停止”按钮是否按下： 

2.7.1）若按下，程序停止运行； 

2.7.2）若未按下，程序跳转到2.1）。 

本发明的拖拉机自动导航实验台设计了适用于电液控制的转向控制器21，能够实现拖拉机自动转向功能，可进行手动/自动转向相关的试验和测试，以及产品的演示与教学示范。具体试验方法如下： 

a.液压转向器测试试验 

在对转向器性能进行测试时，用被测液压转向器替换实验台现有的液压转向器6，在方向盘7上安装有转速测量光电编码器，先后对电机15、转向控制器21、自动导航操作终端22进行加电。运行自动导航操作终端22的转向器测试软件，手动旋转方向盘7对被测液压转向 器能进行测试。转向器测试软件记录方向盘7的转速、导向轮4的偏移角度、测试日期、测试时间等。 

b.自动转向液压系统测试试验 

在进行自动转向液压系统测试试验时，将被测液压阀组（比例换向阀、优先阀）替换实验台现有的液压阀组20，先后对电机15、转向控制器21、自动导航操作终端22进行加电。运行自动导航操作终端22的自动转向液压系统测试软件，对自动转向液压系统进行测试。自动转向液压系统测试软件记录系统比例阀、方向阀的电流、导向轮4的偏移角度、测试日期、测试时间等。 

c.自动转向电控测试试验 

在进行自动转向电控系统测试试验时，将被测转向控制器替换现有转向控制器21，先后对电机15、转向控制器21、自动导航操作终端22进行加电。运行自动导航操作终端22的自动转向电控系统测试软件，对自动转向电控系统进行测试。自动转向电控系统测试软件可以对电控系统进行开环、闭环测试，同时记录测试结果。 

d.自动导航演示 

在进行自动导航演示时，先后对电机15、转向控制器21、自动导航操作终端22进行加电。运行自动导航操作终端22的自动导航演示软件，可以模拟自动导航、手动转向、自动/手动切换等场景，进行教学与演示。 

本发明集成多种功能于一体，可实现拖拉机手动、自动转向试验；拖拉机自动导航试验；自动导航系统以及关键零部件的检验测试；拖拉机转向及导航的教学与示范；拖拉机导航新产品的展览与演示等功能。其中，拖拉机自动导航系统是一套农机驾驶辅助系统，它的应用不但减轻了驾驶员的劳动强度，更主要的是提高了农机作业质量和效率，可以说拖拉机自动导航技术在现代精准农业的发展中起到了至关重要的作用。自动导航系统性能的好坏直接影响到农机作业的质量和效率，建立一套拖拉机自动导航实验台对研究和测试拖拉机自动导航 系统的性能参数具有非常重要的意义。 

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴。 

Claims (10)

1.一种拖拉机自动导航实验台，其特征在于：包括车体转向装置、驱动装置和控制系统，所述车体转向装置与驱动装置连接，所述驱动装置与控制系统连接，所述控制系统包括转向控制器（21），所述转向控制器（21）控制驱动装置使车体转向装置进行自动转向。

2.根据权利要求1所述的拖拉机自动导航实验台，其特征在于：所述控制系统还包括自动导航操作终端（22），所述自动导航操作终端（22）与所述转向控制器（21）连接。

3.根据权利要求2所述的拖拉机自动导航实验台，其特征在于：所述控制系统还包括方向盘（7），所述方向盘控制驱动装置使车体转向装置进行手动转向。

4.根据权利要求3所述的拖拉机自动导航实验台，其特征在于：所述驱动装置包括依次连接的液压泵（14）、液压阀组（20）、液压转向器（6）和液压油缸（5）；所述液压转向器（6）与所述方向盘（7）连接；所述液压阀组（20）与所述转向控制器（21）连接。

5.根据权利要求4所述的拖拉机自动导航实验台，其特征在于：所述方向盘（7）上设有转速测量光电编码器，所述转速测量光电编码器将转速信号传递给所述转向控制器（21）。

6.根据权利要求5所述的拖拉机自动导航实验台，其特征在于：所述车体转向装置包括转向底盘架（2）、转向桥（3）、导向轮（4）和轮胎托盘（8）；所述方向盘（7）、液压转向器（6）、转向桥（3）和轮胎托盘（8）安装于所述转向底盘架（2）上；所述导向轮（4）固定安装于所述转向桥（3）且放置于轮胎托盘（8）上；所述导向轮（4）与所述液压油缸（5）连接。

7.根据权利要求6所述的拖拉机自动导航实验台，其特征在于：所述导向轮（4）上设有转向角传感器，所述转向角传感器将转向角信号传递给所述转向控制器（21）。

8.根据权利要求4所述的拖拉机自动导航实验台，其特征在于：所述液压阀组（20）、转向控制器（21）和自动导航操作终端（22）安装于操作平台（19）上；所述控制系统还包括设置于操作平台（19）上的操作按钮（24）、指示灯（25）、指示仪表（26）、GPS天线（23）。

9.根据权利要求4所述的拖拉机自动导航实验台，其特征在于：所述液压泵（14）设置于泵站底盘架（12）上，所述泵站底盘架（12）上设有与所述液压泵（14）连接的液压油箱（13）和电机（15）；所述液压油箱（13）下方设有固定于泵站底盘架（12）的接油盘（17）。

10.根据权利要求2-9任一项所述的拖拉机自动导航实验台，其特征在于：所述自动导航操作终端（22）包括参数初始化模块、自动导航控制模块、拖拉机运动仿真模块和拖拉机姿态仿真模块；

所述自动导航控制模块用于实现拖拉机自动导航路径模拟演示；

所述拖拉机运动仿真模块用于无GPS模拟信号时进行拖拉机自动导航模拟演示；

拖拉机姿态仿真模块用于实时调整试验台姿态进行拖拉机姿态模拟。

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