CN103900496A - 连杆式农机车轮转角测量机构及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明解决的技术问题在于为农机自动导航控制系统提供一种结构简单、易于安装的高精度车轮转角测量装置及测量方法。测量装置包括：连杆机构、采集模块和角度传感器。连杆机构与农机转向机构连接，将农机转向油缸的直线运动转换成角度传感器转动，或将农机转向臂的摆动转换成角度传感器转动；采集模块以32位嵌入式处理器为核心，具有多种角度传感器数据采集接口。测量方法根据车轮转角和角度传感器输出值之间的关系模型，把角度传感器的原始数据转换为车轮转角值。车轮转角测量装置及测量方法实现了机构、测量一体化设计，为农机自动导航控制系统提供新的车轮转角测量装置与测量方法。

Description

连杆式农机车轮转角测量机构及测量方法

技术领域

本发明涉及车轮转角测量技术，具体地说是一种用于农机自动导航的车轮转角测量装置及测量方法。 

背景技术

农机自动导航技术是现代农机装备的重要支持技术之一。实现农机的智能化导航，可以有效减少驾驶员的劳动强度，提高农田作业质量，具有重要的理论研究意义和实际应用价值。 

在农机自动导航控制系统中，车轮转角测量精度是影响导航控制精度的重要因素之一。现有测量农机车轮转角的传感器主要有电子尺、磁敏电阻式角度传感器和角度编码器。角度编码器需要一套连杆机构与其配合测量车轮转角，最常用的连杆机构是平行四杆机构。平行四杆机构的作用把车轮转角等量地转换到角度编码器上。 

采用电子尺测量车轮转角需要高精度车轮转角仪对车轮转角标定，这无疑增加了成本；磁敏电阻式角度传感器对安装精度有较高的要求，需要角度传感器的旋转中心与主销中心同轴；采用平行四杆机构这种方法简单实用，但农机前桥结构复杂，建立平行四杆机构比较困难，不易于广泛推广。因此，针对农机自动导航中车轮转角测量存在的问题，研制开发一个经济、简单实用和能够广泛推广的车轮转角测量机构是很有必要的。 

发明内容

针对上述问题，本发明解决的技术问题在于为农机自动导航控制系统提供一种结构简单、易于安装的高精度车轮转角测量装置及测量方法。 

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种连杆式农机车轮转角测量机构及测量方法，包括连杆机构、角度传感器、转向油缸、主销及转向臂，其中连杆机构的一端与农机的前桥连接，另一端与转向油缸输出端连接，所述转向臂的一端与转动安装于农机前桥上的主销连接，另一端与转向油缸输出端 连接，所述角度传感器设置于连杆机构的一端，所述转向油缸驱动转向臂和连杆机构转动。 

所述连杆机构包括连接架、底架、上架、角度传感器支架、从动摆杆及主动杆，其中连接架的下端与转向油缸的输出端连接，上端与主动杆的一端铰接，所述主动杆的另一端与从动摆杆的一端铰接，所述底架和上架固接于农机前桥上，所述角度传感器支架安装于上架上，所述角度传感器设置于角度传感器支架上，所述从动摆杆的另一端与角度传感器连接。 

所述角度传感器支架上设有用于保护传感器旋转轴的盖板。 

所述从动摆杆的另一端通过顶丝与角度传感器的旋转轴连接。 

所述主动杆包括拉杆、旋紧螺母、球头轴承、弹簧垫片及双紧固螺母，其中球头轴承包括球头杆和球头座，所述拉杆的两端为螺杆、并与球头轴承的球头座螺孔配合，所述旋紧螺母设置于拉杆两端，所述球头杆通过簧垫片及双紧固螺母与从动摆杆的一端连接。 

所述角度传感器支架呈倒L型，角度传感器支架平行于地面的一侧为方形法兰，所述方形法兰上设有角度传感器定位孔和盖板定位孔，角度传感器支架垂直于地面的一侧设有用于与上架连接的定位孔。 

所述从动摆杆的一端设有角度传感器旋转轴固定孔和顶丝孔，另一端沿长度方向设有多个通孔。 

所述连接架上沿高度方向设有多个连接孔。 

所述上架的形状与农机前桥的截面轮廓相对应，上架的一端设有螺孔，另一端设有固定板，所述固定板与角度传感器支架连接。 

所述固定板上设有椭圆孔，在该椭圆孔处将固定板与角度传感器支架连接、并通过椭圆孔调节角度传感器支架的高度。 

一种连杆式农机车轮转角测量方法，包括以下步骤： 

采集角度传感器的输出值； 

通过下式计算农机车轮转角α₂： 

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_1={\mathrm{\α}}_1+{\mathrm{\θ}}_1\\ {\mathrm{\ψ}}_2={\mathrm{\α}}_2+{\mathrm{\θ}}_2\\ A\cos {\mathrm{\θ}}_2+B\sin {\mathrm{\θ}}_2+C=0\end{array}\right.$

系数：A=2L₃L₄-2L₁L₃cosθ₁； 

B=-2L₁L₃sinθ₁-2L₃L₅； 

$C=L_1^2+L_3^2+L_4^2+L_5^2+2L_1{L}_5\sin {\mathrm{\θ}}_1-L_2^2-2L_1{L}_4\cos {\mathrm{\θ}}_1;$

式中：ψ₁为连杆机构在初始位置时，从动摆杆与水平方向的夹角； 

ψ₂为连杆机构在初始位置时，主销轴中心和主动杆端点连线与水平方向的夹角； 

α₁为角度传感器转角，角度传感器的输出值； 

θ₁为连杆机构的输入角； 

θ₂为连杆机构的输出角； 

L₁为从动摆杆的长度； 

L₂为主动杆长度； 

L₃为主销轴中心到主动杆端点的长度； 

L₄为主销轴中心与角度传感器旋转轴中心在水平方向上的距离； 

L₅为主销轴中心与角度传感器旋转轴中心在垂直方向上的距离。 

本发明具有以下优点及有益效果： 

1.本发明结构简单、易于安装。 

2.本发明实现了机构、测量一体化设计。 

3.本发明的测量方法是从测量机构的精确机理模型推导得出，具有较高的精度度；同时，因为不需要对安装后的转角检测装置进行模型辨识，所以通用性较强。 

附图说明

图1是本发明的结构示意图； 

图2是本发明中连杆机构的机构示意图； 

图3是本发明中主动杆的结构示意图； 

图4是本发明中角度传感器支架的结构示意图； 

图5是本发明中从动摆杆的结构示意图； 

图6是本发明中上架的结构示意图。 

图7是本发明中测量装置的测量原理示意图； 

图8是本发明中采集模块的硬件结构图。 

其中：1为连杆机构，2为角度传感器，3为转向油缸，4为转向臂，5为主销，6为前桥，7为连接架，8为底架，9为上架，9a为螺孔，9b为椭圆孔，9c为固定板，10为盖板，11为角度传感器支架，11a为定位孔，11b为盖板定位孔，11c固定板，12为从动摆杆，12a为角度传感器旋转轴固定孔，12b为顶丝孔，12c为通孔，13为主动杆，13a为拉杆，13b为旋紧螺母，13c为球头轴承，13d为弹簧垫圈，13e为双紧固螺母，A为主销旋转中心，E为角度传感器旋转中心，B、F为球头轴承的两个铰接点。 

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。 

如图1所示，本发明包括连杆机构1、角度传感器2、转向油缸3、主销5及转向臂4，其中连杆机构1的一端与农机的前桥6连接，另一端与转向油缸3输出端连接。转向臂4的一端与转动安装于农机前桥6上的主销5连接，另一端与转向油缸3输出端连接，角度传感器2设置于连杆机构1的一端，主销旋转中心A、角度传感器旋转中心E和球头轴承的两个铰接点B、F构成任意四边形。转向油缸3驱动转向臂4和连杆机构1转动。 

如图2所示，连杆机构1包括连接架7、底架8、上架9、角度传感器支架11、从动摆杆12、盖板10及主动杆13，其中连接架7的下端通过螺栓与转向油缸3的输出端连接，上端与主动杆13的一端铰接，主动杆13的另一端与从动摆杆12的一端铰接，底架8和上架9通过螺栓固接于农机前桥6上，角度传感器支架11安装于上架9上，角度传感器2设置于角度传感器支架11上，从 动摆杆12的另一端与通过顶丝与角度传感器2的旋转轴连接。角度传感器支架11上设有用于保护传感器旋转轴的盖板10。 

如图3所示，主动杆13包括拉杆13a、旋紧螺母13b、球头轴承13c、弹簧垫片13d及双紧固螺母13e，其中球头轴承13c包括球头杆和球头座，拉杆13a的两端为螺杆、并与球头轴承13c的球头座螺孔配合。旋紧螺母13b设置于拉杆13a两端，球头杆通过簧垫片13d及双紧固螺母13e与从动摆杆12的一端连接。球头杆在一定角度范围内作倾斜运动，当主动杆13不平行与地面时，连杆机构1仍能正常工作。调整拉杆13a两端的螺杆与球头座螺孔的旋合长度进而调整主动杆13的长度，拉杆13a两端的螺杆上配有旋紧螺母13b，起紧固作用。弹簧垫圈13d和双紧固螺母13e起到防止松动的作用。 

如图4所示，角度传感器支架11呈倒L型，角度传感器支架11平行于地面的一侧为方形法兰，方形法兰上设有两种定位孔，第一种是角度传感器定位孔11a，方形法兰中间是一大孔，大孔周围设有三个呈120°分布的小孔，用来安装固定角度传感器2；另一种是盖板定位孔11b，分布在方形法兰的四周，使角度传感器支架11与盖板10之间呈0°、90°、180°或270°固定。角度传感器支架11垂直于地面的一侧设有两个用于与上架9连接的定位孔。 

如图5所示，从动摆杆12的一端设有角度传感器旋转轴固定孔12a和顶丝孔12b，另一端沿长度方向设有五个通孔12c。角度传感器2的旋转轴与角度传感器旋转轴固定孔12a为间隙配合，利用顶丝穿过顶丝孔12b，使从动摆杆12固定在角度传感器旋转轴上。球头轴承13c的球头杆穿过通孔12c，并采用弹簧垫圈13d、双紧固螺母13e紧固。五个通孔12c可以调整主动杆13在一侧的位置，连接架7上沿高度方向设有的四个通孔也具有相同的作用。 

如图6所示，上架9的形状与农机前桥6的截面轮廓相对应，其形状更利于固定。上架9的一端设有两个螺孔9a,螺孔9a的作用是可以利用顶丝穿过螺孔9a使上架9顶在农机前桥6上。上架9的另一端焊接有固定板9c，固定板9c上设有两个椭圆孔9b，在两个椭圆孔9b处将固定板9c与角度传感器支架11连 接，通过两个椭圆孔9b可以调整角度传感器2的高度，进而调整从动摆杆12的高度，最终使主动杆13与地面平行。 

图7是测量装置的测量原理示意图。图7所示Y轴与地面平行指向拖拉机正前方且与从动摆杆重合，X轴与主销轴垂直。图7（a）为连杆机构的初始位置，即车轮方向为正前方。图7（b）为车轮转动一定角度后的简图。 

A、B分别为主动杆的两个铰接点，E点为角度传感器旋转轴中心，F点为主销中心。规定从动摆杆在Y轴的右侧时，α₁、 

为负；从动摆杆在在Y轴的左侧时，α₁、 为正。根据测量原理示意图可以推出车轮转角与角度传感器转角如下关系： 

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_1={\mathrm{\α}}_1+{\mathrm{\θ}}_1\\ {\mathrm{\ψ}}_2={\mathrm{\α}}_2+{\mathrm{\θ}}_2\\ A\cos {\mathrm{\θ}}_2+B\sin {\mathrm{\θ}}_2+C=0\end{array}\right.$

系数：A＝2L₃L₄-2L₁L₃cosθ₁

B＝-2L₁L₃sinθ₁-2L₃L₅

$C=L_1^2+L_3^2+L_4^2+L_5^2+2L_1{L}_5\sin {\mathrm{\θ}}_1-L_2^2-2L_1{L}_4\cos {\mathrm{\θ}}_1;$

式中： 

ψ₁为连杆机构在初始位置时，摆杆与水平方向的夹角。 

ψ₂为连杆机构在初始位置时，主销轴中心和主动杆端点连线与水平方向的夹角。 

α₁为角度传感器转角。 

α₂为车轮转角。 

θ₁为连杆机构的输入角。 

θ₂为连杆机构的输出角。 

L₁为摆杆的长度。 

L₂为主动杆长度。 

L₃为主销轴中心到主动杆端点的长度。 

L₄为主销轴中心与角度传感器旋转轴中心在水平方向上的距离。 

L₅为主销轴中心与角度传感器旋转轴中心在垂直方向上的距离。 

上式中需要测量的参数有ψ₁、ψ₂、α₁、L₁、L₂、L₃、L₄、L₅。 

图8是采集模块的硬件结构图。采集模块由六部分组成，主要有最小单片机系统、电源模块、模拟量调理电路、CAN驱动器、RS232驱动器、RS485驱动器。 

单片机最小系统由单片机芯片、电源系统和晶振等组成，是模型的运算平台。采集模块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），这样可以简化硬件设计，提高硬件系统的稳定性。 

电源模块一款PWM控制模式的异步DC-DC降压型稳压器。电源模块提供的4.5V-29V的宽范围输入电压，使其同时能够适用于12V和24V的应用场合。 

模拟量调理电路能增大电压信号的输入阻抗，将采样电阻的影响去除，并可以起到对电压信号进行缓冲、隔离的作用。 

采集模块中采用CAN通信作为对外通信接口，连接在CAN总线上。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，能够满足本测量装置对通信的需求。由于采集模块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。 

本发明中选用的角度传感器为RS485输出的单圈绝对值光电编码器，所以角传感器输入接是RS485驱动器，主要功能是将角度传感器3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，计算当前农机车轮转角的值。 

农机车轮转角测量方法，它通过建立车轮转角和角度传感器之间的线性关系模型，测量角度传感器的输出值来计算车轮转角值，其特征在于，具体步骤 包括： 

S1：测量装置建模，根据测量装置的实际安装位置参数，采用解析法建立车轮转角和角度传感器输出值之间的关系模型。 

S2：测量装置初始校准，将农机沿直线行驶10m，记录行驶过程中角度传感器的输出值，计算平均值作为测量装置的零点； 

S3：车轮转角测量，采集模块获取角度传感器的输出值，利用步骤S1所建立的模型计算车轮转角，并发送到CAN总线上。 

Claims (11)

1.一种连杆式农机车轮转角测量机构，其特征在于：包括连杆机构（1）、角度传感器（2）、转向油缸（3）、主销（5）及转向臂（4），其中连杆机构（1）的一端与农机的前桥（6）连接，另一端与转向油缸（3）输出端连接，所述转向臂（4）的一端与转动安装于农机前桥（6）上的主销（5）连接，另一端与转向油缸（3）输出端连接，所述角度传感器（2）设置于连杆机构（1）的一端，所述转向油缸（3）驱动转向臂（4）和连杆机构（1）转动。

2.按权利要求1所述的连杆式农机车轮转角测量机构，其特征在于：所述连杆机构（1）包括连接架（7）、底架（8）、上架（9）、角度传感器支架（11）、从动摆杆（12）及主动杆（13），其中连接架（7）的下端与转向油缸（3）的输出端连接，上端与主动杆（13）的一端铰接，所述主动杆（13）的另一端与从动摆杆（12）的一端铰接，所述底架（8）和上架（9）固接于农机前桥（6）上，所述角度传感器支架（11）安装于上架（9）上，所述角度传感器（2）设置于角度传感器支架（11）上，所述从动摆杆（12）的另一端与角度传感器（2）连接。

3.按权利要求2所述的连杆式农机车轮转角测量机构，其特征在于：所述角度传感器支架（11）上设有用于保护传感器旋转轴的盖板（10）。

4.按权利要求2所述的连杆式农机车轮转角测量机构，其特征在于：所述从动摆杆（12）的另一端通过顶丝与角度传感器（2）的旋转轴连接。

5.按权利要求2所述的连杆式农机车轮转角测量机构，其特征在于：所述主动杆（13）包括拉杆（13a）、旋紧螺母（13b）、球头轴承（13c）、弹簧垫片（13d）及双紧固螺母（13e），其中球头轴承（13c）包括球头杆和球头座，所述拉杆（13a）的两端为螺杆、并与球头轴承（13c）的球头座螺孔配合，所述旋紧螺母（13b）设置于拉杆（13a）两端，所述球头杆通过簧垫片（13d）及双紧固螺母（13e）与从动摆杆（12）的一端连接。

6.按权利要求2所述的连杆式农机车轮转角测量机构，其特征在于：所述角度传感器支架（11）呈倒L型，角度传感器支架（11）平行于地面的一侧为方形法兰，所述方形法兰上设有角度传感器定位孔（11a）和盖板定位孔（11b），角度传感器支架（11）垂直于地面的一侧设有用于与上架（9）连接的定位孔。

7.按权利要求2所述的连杆式农机车轮转角测量机构，其特征在于：所述从动摆杆（12）的一端设有角度传感器旋转轴固定孔（12a）和顶丝孔（12b），另一端沿长度方向设有多个通孔（12c）。

8.按权利要求2所述的连杆式农机车轮转角测量机构，其特征在于：所述连接架（7）上沿高度方向设有多个连接孔。

9.按权利要求2所述的连杆式农机车轮转角测量机构，其特征在于：所述上架（9）的形状与农机前桥（6）的截面轮廓相对应，上架（9）的一端设有螺孔（9a）,另一端设有固定板（9c），所述固定板（9c）与角度传感器支架（11）连接。

10.按权利要求9所述的连杆式农机车轮转角测量机构，其特征在于：所述固定板（9c）上设有椭圆孔（9b），在该椭圆孔（9b）处将固定板（9c）与角度传感器支架（11）连接、并通过椭圆孔（9b）调节角度传感器支架（11）的高度。

11.一种连杆式农机车轮转角测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

采集角度传感器（2）的输出值；

通过下式计算农机车轮转角α₂：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_1={\mathrm{\α}}_1+{\mathrm{\θ}}_1\\ {\mathrm{\ψ}}_2={\mathrm{\α}}_2+{\mathrm{\θ}}_2\\ A\cos {\mathrm{\θ}}_2+B\sin {\mathrm{\θ}}_2+C=0\end{array}\right.$

系数：A=2L₃L₄-2L₁L₃cosθ₁；

B=-2L₁L₃sinθ₁-2L₃L₅；

$C=L_1^2+L_3^2+L_4^2+L_5^2+2L_1{L}_5\sin {\mathrm{\θ}}_1-L_2^2-2L_1{L}_4\cos {\mathrm{\θ}}_1;$

式中：ψ₁为连杆机构（1）在初始位置时，从动摆杆（12）与水平方向的夹角；

ψ₂为连杆机构（1）在初始位置时，主销轴中心和主动杆（13）端点连线与水平方向的夹角；

α₁为角度传感器转角，角度传感器（2）的输出值；

θ₁为连杆机构（1）的输入角；

θ₂为连杆机构（1）的输出角；

L₁为从动摆杆（12）的长度；

L₂为主动杆（13）长度；

L₃为主销轴中心到主动杆（13）端点的长度；

L₄为主销轴中心与角度传感器旋转轴中心（E）在水平方向上的距离；

L₅为主销轴中心与角度传感器旋转轴中心（E）在垂直方向上的距离。

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