CN104677650B - 液压式农机自动转向控制实验平台及实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种液压式农机自动转向控制实验平台及实验方法，实验平台由液压转向系统、转向控制器和实验控制台三部分构成。液压转向系统由液压站、农机转向前桥和转向阀块构成，用于提供与农机相同的液压式转向系统；转向控制器由自动转向控制单元和转向角度测量单元构成，用于实现自动转向的闭环控制；实验控制台由液压调控单元及实验测量单元构成，用于控制液压系统运转，并对实验效果进行测量。本发明的液压式农机自动转向控制实验平台和实验方法能够对自动转向控制实验过程中的转向角度、转向角速度和转向角加速度进行测量和记录，为分析转向控制实验性能、改进转向角度测量单元精度和提高自动转向控制算法精度提供了详尽、可靠的依据。

Description

液压式农机自动转向控制实验平台及实验方法

技术领域

本发明涉及农机自动转向控制、导航控制技术领域，尤其是用于进行液压式农机自动转向控制相关的转向角度测量单元性能、转向算法精度等方面研究分析的实验平台及实验方法。

背景技术

随着精准农业技术的推广，农机导航控制技术在农业领域中的应用越来越广泛。作为农机导航控制系统的基础，农机自动转向控制技术具有很高的重要性。目前大中型农机大多使用液压转向系统，无论是出厂时带有的、或出厂后改造的农机自动转向接口，大多为由比例换向阀和电磁开关阀等构成的电控液压阀组。通过控制电磁开关阀的开闭，可以实现手动转向/自动转向的切换；通过控制比例换向阀的方向和开度，可以实现对转向方向及转动快慢的控制。

在实现农机自动导航驾驶的过程中，要求转向车轮的转动过程平稳、快速，这需要转向角度测量装置具有较高的测量精度，并需要对转向控制算法、传感器数据处理方法等进行反复实验及分析改进。传统方式通常在实际车辆上进行上述实验，不仅实验过程较长、实验环境较差，而且不易获得精确的实验效果测量数据。

发明内容

为了解决自动转向控制实验过程中进行实车实验带来的上述缺点，本发明提出了一种液压式农机自动转向控制实验平台及实验方法。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种液压式农机自动转向控制实验平台，包括：

液压转向系统，由液压站和农机转向前桥构成与实际农机相同的手动液压转向系统，还包括转向阀块，并联安装在原农机转向系统上，用于自动转向模式下的转向轮调节；

转向控制器，包括自动转向控制单元和转向角度测量单元；所述转向角度测量单元连接转向油缸；所述自动转向控制单元连接所述转向阀块、转向角度测量单元和数据采集计算机；

实验控制台，包括液压调控单元、高精度三轴陀螺仪、数据采集计算机和安装支架；所述液压调控单元连接液压站；所述高精度三轴陀螺仪通过安装支架安装在转向轮的主销轴上；所述数据采集计算机连接所述高精度三轴陀螺仪，通过CAN总线连接所述自动转向控制单元，用于采集和记录所述高精度三轴陀螺仪的输出数据，向所述自动转向控制单元发送转向控制指令和转向角度数据。

所述转向阀块包括：

第一电磁开关阀，公共端口与液压站的压力输出端口相连，常开端口与比例换向阀的压力输入端口相连，常闭端口与液压转向器的压力输入端口相连；

第二电磁开关阀，公共端口与转向油缸的端口A相连，常开端口与比例换向阀的A端口相连，常闭端口与液压转向器的A端口相连；

第三电磁开关阀，公共端口与转向油缸的端口B相连，常开端口与比例换向阀的B端口相连，常闭端口与液压转向器的B端口相连；

比例换向阀，压力输入端口与第一电磁开关阀的常开端口相连，回流端口与液压站中的油箱相连，A端口与第二电磁开关阀的A端口相连，B端口与第二电磁开关阀的B端口相连；

安全阀，连接在液压站的压力输出端口与回流入油箱的油路之间；

放大器，为两个，输入端均连接所述自动转向控制单元的比例换向阀控制模块，其中一个的输出端连接所述比例换向阀的控制线圈A，另一个的输出端连接所述比例换向阀的控制线圈B。

所述转向角度测量单元包括角度测量传感器、对应安装配件及角度数据转换模块；角度测量传感器包括直线位移传感器、旋转编码器和角速度传感器中的一种；角度数据转换模块能够将不同类型的角度测量传感器的输出转换为角度值，并发送到CAN总线上；所述角度测量传感器的活动端与转向油缸的活塞杆端固定相连、主体与转向油缸的缸筒固定相连，通过检测转向油缸的伸缩长度，推算出转向轮的转动角度。

所述自动转向控制单元以转向角度测量单元作为转向控制的传感器，以转向阀块作为执行器，构成闭环的自动转向控制系统，包括：

CAN通信模块，与外部CAN总线相连，用于接收所述数据采集计算机发出的转向控制指令和转向角度测量单元发出的转向角度数据；

32位处理器最小系统，由32位处理器及其外围电路构成，连接CAN通信模块；

电磁开关阀控制模块，连接32位处理器最小系统和转向阀块，用于控制转向阀块中的电磁开关阀进行液压转向系统的手动/自动油路切换；

比例换向阀控制模块，连接32位处理器最小系统和转向阀块，通过电压输入型放大器，控制转向阀块中的比例换向阀的流向与流量。

所述电磁开关阀控制模块包括：

三组达林顿晶体管，连接32位处理器最小系统，用于对所述32位处理器最小系统的输出信号反向并增加驱动能力后分别连接三个常开型继电器的控制线圈上；

三个常开型继电器，分别串联在三个电磁开关阀的供电回路中，当常开型继电器开路时，转向方式为手动转向；当常开型继电器闭合时，转向方式为自动转向。

所述比例换向阀控制模块包括

两片数字隔离芯片，分别连接所述32位处理器最小系统的两个SPI接口，同一时刻只可以有一片处于工作状态，其输出电压的大小，决定比例换向阀中液压油的流量；

两片电压型数模转换芯片，分别连接两片所述数字隔离芯片，输出端分别连接所述转向阀块中的两个放大器。

所述液压调控单元包括液压站交流电机控制开关、压力表及油压调节阀门；压站交流电机控制开关用于控制液压站的启动或停止，压力表用于显式液压站当前输出端口的油压，油压调节阀门用于调节液压站输出的油压高低。

一种液压式农机自动转向控制实验方法，包括以下步骤：

S01：启动液压站，并通过油压调节阀门调整液压回路的压力至期望值；

S02：启动实验测量单元中的高精度三轴陀螺仪，并使用数据采集计算机对其输出的角度、角速度和角加速度数据进行持续采集；

S03：使用待实验的转向角度测量单元，将自动转向控制算法写入自动转向控制单元中，运行自动转向控制单元；

S04：当自动转向控制单元接收到数据采集计算机发出的开始信号时，首先闭合三个继电器，从而使三个电磁开关阀闭合，转向方式由手动转向切换为自动转向；

S05：自动转向控制单元接收数据采集计算机发出的转向角度设定值，并与最近一次的车轮转角测量值，一同作为自动转向控制算法的输入，根据算法的运算结果，通过选择电压型数模转换芯片来控制转向方向，并设定电压型数模转换芯片输出电压的大小控制转向角速度；

S06：自动转向控制单元输出电压信号，通过放大器，控制比例换向阀中液压油的流向和流量，从而驱动转向油缸运动、带动转向车轮转动；

S07：循环执行步骤S05-S06，实现自动转向控制算法的持续运行；

S08：当自动转向控制单元接收到数据采集计算机发出的停止信号时，控制三个继电器断开，从而使三个电磁开关阀开路，转向方式由自动转向切换为手动转向，同时停止电压信号的输出，使得比例换向阀停止在中位；

S09：数据采集计算机停止对高精度三轴陀螺仪输出数据的记录，通过该测量数据，对当前使用的转向角度测量单元或自动转向控制算法的性能进行分析。

本发明具有以下优点及有益效果：

1.本发明所提出的转向控制实验平台，转向机构以农机转向前桥为基础构成，所以转向系统特性与实际农机相同，在此平台上得到的转向控制实验效果与真实农机相同。

2.采用液压站作为转向系统液压动力源，可以方便地调节液压系统压力，从而为研究转向系统在不同油压下的特性提供了便利。

3.采用的自动转向控制单元具备CAN总线通信接口，与常见的农机车载电子系统兼容性好，方便进行替代测试。

4.平台采用高精度三轴陀螺仪对转向轮的转动角度、角速度和角加速度进行测量和记录，为分析转向控制实验性能提供了详尽、可靠的依据。

附图说明

图1为本发明的实验平台结构及连接示意图；

图2为本发明的转向阀块结构及连接示意图；

图3为本发明的自动转向控制单元结构框图；

图4为本发明的电磁开关阀控制模块结构及连接示意图；

图5为本发明的比例换向阀控制模块结构及连接示意图；

图6为本发明的自动转向控制实验典型工作过程流程图。

其中，1-液压站；2-转向阀块；3-方向盘；4-液压转向器；5-前桥；6-转向轮；7-自动转向控制单元；8-转向角度测量单元；9-液压调控单元；10-高精度三轴陀螺仪；11-数据采集计算机；12-转向油缸；21-电磁开关阀；22-比例换向阀；23-安全阀；24-放大器；31-32位处理器最小系统；32-CAN通信模块；33-电磁开关阀控制模块；34-比例换向阀控制模块；36-达林顿晶体管；37-常开型继电器；38-电压型数模转换芯片；39-数字隔离芯片。

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，本发明的自动转向控制实验平台包括液压转向系统、转向控制器和实验控制台三大部分。液压转向系统具体包括：液压站1、农机转向前桥、和转向阀块2，其中农机转向前桥由方向盘3、液压转向器4、前桥5、转向油缸12和转向轮6构成；转向驱动系统包括自动转向控制单元7和转向角度测量单元8；测试控制系统包括：液压调控单元9和实验测量单元，其中实验测量单元由高精度三轴陀螺仪10、数据采集计算机11及安装支架（未示出）构成。液压站1与方向盘3、液压转向器4、前桥5和转向轮6，构成与实际农机相同的完整手动液压转向系统。转向阀块2并联安装在手动液压转向系统上，用于自动转向模式下的转向轮调节；转向角度测量单元8采用高精度直线电位器式，电位器的活动端与转向油缸12的活塞杆端固定相连、主体与转向油缸12的缸筒固定相连，通过检测转向油缸12的伸缩长度，推算出转向轮6的转动角度；自动转向控制单元7以转向角度测量单元8作为转向控制的传感器，以转向阀块2作为执行器，构成闭环的自动转向控制系统。高精度三轴陀螺仪10安装在转向轮主销轴上，通过数据采集计算机11对高精度三轴陀螺仪10输出的角度、角速度和角加速度数据进行采集和记录，从而实现对自动转向控制实验效果即转向轮转动角度、角速度和角加速度的测量。

如图2所示，转向阀块2包括电磁开关阀21、比例换向阀22、安全阀23、放大器24、以及集成阀座（未示出）。其中，电磁开关阀21，共三个，用于手动转向/自动转向的工作方式切换；当默认状态，即电磁开关阀21断开时，农机原转向液压通路导通，保持手动转向方式，此时自动转向装置不工作；当电磁开关阀21导通时，液压转向器4的液压通路关闭，自动转向液压通路打开，农机由手动转向切换为电控自动转向的工作方式。比例换向阀22，三位四通，配备两个线圈，通过选择动作的线圈，决定转向油缸12的动作方向，通过线圈中的电流大小，决定转向油缸12的动作速度。安全阀23，用于保护液压油路的压力，保证转向系统在手动转向和自动转向时都能够正常工作；放大器24，连接在比例换向阀22的两个线圈上，用于将自动转向控制单元7中输出的0-5V控制信号转换为对应的比例阀驱动电流。电磁开关阀21、比例换向阀22、安全阀23都为插式阀，集成阀座用于集成上述阀体，并在内部为各插式阀提供连接油路，在外部留出与原液压转向系统进行并联安装的接头。

如图3所示，自动转向控制单元7由32位处理器最小系统31、CAN通信模块32、电磁开关阀控制模块33、比例换向阀控制模块34构成。其中，32位处理器最小系统31，由32位处理器和晶振、电源等基本外围电路构成，是控制器的核心，完成所有通信、信号处理等相关的逻辑和计算工作；CAN通信模块32，主要由处理器外围设备CAN控制器和CAN隔离收发器构成，与外部CAN总线相连，用于接收转向开始、停止指令和转向角度数据。如图4所示，电磁开关阀控制模块33主要由三组达林顿晶体管36和三个常开型继电器37构成，三组达林顿晶体管36对来自处理器的数字电平输出信号进行反相，并增加驱动能力后输出到三个常开型继电器37的控制线圈上，当继电器37线圈上有控制电压时，继电器37吸合，否则断开；继电器37分别串联在三个电磁开关阀21的供电回路中，当继电器37断开时，则电磁开关阀21断开，转向方式为手动转向；当继电器37闭合时，则电磁开关阀21导通，转向方式为自动转向。如图5所示，比例换向阀控制模块34主要由两片电压型数模转换芯片38、两片数字隔离芯片39构成；两片电压型数模转换芯片38，输入端分别与处理器的两个SPI接口相连，且连线均通过数字隔离芯片39进行数字隔离，输出端分别与安装在比例换向阀22的两个放大器24相连；同一时刻只可以有一个SPI口工作，处理器通过确定工作的SPI口，选择比例换向阀22中工作的线圈，实现转向方向的控制；处理器通过SPI口向电压型数模转换芯片38发送电压设置命令，改变输入到对应放大器24中的控制电压大小，从而实现对比例换向阀22中阀芯开度的控制，达到控制转向速度的目的。

下面对利用上述液压式农机自动转向控制实验平台进行农机自动转向控制实验的典型工作过程进行详细描述。

如图6所示，本发明的农机自动转向控制实验典型工作过程包括如下步骤：

S01：启动液压站，并通过油压调节阀门调整液压回路的压力至期望值；

S02：启动实验测量单元中的陀螺仪，并使用数据采集计算机对其输出的角度、角速度和角加速度数据进行持续采集；

S03：使用待实验的转向角度测量单元，将自动转向控制算法写入自动转向控制单元中，运行自动转向控制单元；

S04：当自动转向控制单元接收到数据采集计算机发出的开始信号时，首先闭合三个继电器，从而使三个电磁开关阀闭合，转向方式由手动转向切换为自动转向；

S05：自动转向控制单元接收数据采集计算机发出的转向角度设定值，并与最近一次的车轮转角测量值，一同作为自动转向控制算法的输入，根据算法的运算结果，通过选择电压型数模转换芯片来控制转向方向，并设定电压型数模转换芯片输出电压的大小控制转向角速度；

S06：自动转向控制单元输出电压信号，通过放大器，控制比例换向阀中液压油的流向和流量，从而驱动转向油缸运动、带动转向车轮转动；

S07：循环执行步骤S05-S06，实现自动转向控制算法的持续运行；

S08：当自动转向控制单元接收到数据采集计算机发出的停止信号时，控制三个继电器断开，从而使三个电磁开关阀开路，转向方式由自动转向切换为手动转向，同时停止电压信号的输出，使得比例换向阀停止在中位；

S09：数据采集计算机停止对陀螺仪输出数据的记录，通过该测量数据，对当前使用的转向角度测量单元或自动转向控制算法的性能进行分析。

综上所述，本发明的液压式农机自动转向控制实验平台，与实际农机转向系统结构相同，在该平台上能够真实方便地进行农机自动转向控制相关的转向角度测量单元性能、转向算法精度等方面的实验分析，能够对自动转向控制实验过程中转向角度、转向角速度和转向角加速度的响应特性进行测量和记录，为转向角度测量单元、自动转向控制算法的性能分析和改进提供了可靠依据。

Claims (6)

1.一种液压式农机自动转向控制实验平台，其特征在于，包括：

液压转向系统，由液压站(1)和农机转向前桥构成与实际农机相同的手动液压转向系统，还包括转向阀块(2)，并联安装在原农机转向系统上，用于自动转向模式下的转向轮调节；

转向控制器，包括自动转向控制单元(7)和转向角度测量单元(8)；所述转向角度测量单元(8)连接转向油缸(12)；所述自动转向控制单元(7)连接所述转向阀块(2)、转向角度测量单元(8)和数据采集计算机(11)；

实验控制台，包括液压调控单元(9)、高精度三轴陀螺仪(10)、数据采集计算机(11)和安装支架；所述液压调控单元(9)连接液压站(1)；所述高精度三轴陀螺仪(10)通过安装支架安装在转向轮(6)的主销轴上；所述数据采集计算机(11)连接所述高精度三轴陀螺仪(10)，通过CAN总线连接所述自动转向控制单元(7)，用于采集和记录所述高精度三轴陀螺仪(10)的输出数据，向所述自动转向控制单元(7)发送转向控制指令和转向角度数据；

所述转向阀块(2)包括：

第一电磁开关阀(21_1)，公共端口与液压站(1)的压力输出端口相连，常开端口与比例换向阀(22)的压力输入端口相连，常闭端口与液压转向器(4)的压力输入端口相连；

第二电磁开关阀(21_2)，公共端口与转向油缸(12)的端口A相连，常开端口与比例换向阀(22)的A端口相连，常闭端口与液压转向器(4)的A端口相连；

第三电磁开关阀(21_3)，公共端口与转向油缸(12)的端口B相连，常开端口与比例换向阀(22)的B端口相连，常闭端口与液压转向器(4)的B端口相连；

比例换向阀(22)，压力输入端口与第一电磁开关阀(21_1)的常开端口相连，回流端口与液压站(1)中的油箱相连，A端口与第二电磁开关阀(21_2)的A端口相连，B端口与第二电磁开关阀(21_2)的B端口相连；

安全阀(23)，连接在液压站(1)的压力输出端口与回流入油箱的油路之间；

放大器(24)，为两个，输入端均连接所述自动转向控制单元(7)的比例换向阀控制模块(34)，其中一个的输出端连接所述比例换向阀(22)的控制线圈A，另一个的输出端连接所述比例换向阀(22)的控制线圈B；

所述转向角度测量单元(8)包括角度测量传感器、对应安装配件及角度数据转换模块；角度测量传感器包括直线位移传感器、旋转编码器和角速度传感器中的一种；角度数据转换模块能够将不同类型的角度测量传感器的输出转换为角度值，并发送到CAN总线上；所述角度测量传感器的活动端与转向油缸(12)的活塞杆端固定相连、主体与转向油缸(12)的缸筒固定相连，通过检测转向油缸(12)的伸缩长度，推算出转向轮(6)的转动角度。

2.根据权利要求1所述的液压式农机自动转向控制实验平台，其特征在于，所述自动转向控制单元(7)以转向角度测量单元(8)作为转向控制的传感器，以转向阀块(2)作为执行器，构成闭环的自动转向控制系统，包括：

CAN通信模块(32)，与外部CAN总线相连，用于接收所述数据采集计算机(11)发出的转向控制指令和转向角度测量单元(8)发出的转向角度数据；

32位处理器最小系统(31)，由32位处理器及其外围电路构成，连接CAN通信模块；

电磁开关阀控制模块(33)，连接32位处理器最小系统(31)和转向阀块(2)，用于控制转向阀块(2)中的电磁开关阀(21)进行液压转向系统的手动/自动油路切换；

比例换向阀控制模块(34)，连接32位处理器最小系统(31)和转向阀块(2)，通过电压输入型放大器，控制转向阀块(2)中的比例换向阀(22)的流向与流量。

3.根据权利要求2所述的液压式农机自动转向控制实验平台，其特征在于，所述电磁开关阀控制模块(33)包括：

三组达林顿晶体管(36)，连接32位处理器最小系统(31)，用于对所述32位处理器最小系统(31)的输出信号反向并增加驱动能力后分别连接三个常开型继电器(37)的控制线圈上；

三个常开型继电器(37)，分别串联在三个电磁开关阀(21)的供电回路中，当常开型继电器(37)开路时，转向方式为手动转向；当常开型继电器(37)闭合时，转向方式为自动转向。

4.根据权利要求2所述的液压式农机自动转向控制实验平台，其特征在于，所述比例换向阀控制模块(34)包括

两片数字隔离芯片(39)，分别连接所述32位处理器最小系统(31)的两个SPI接口，同一时刻只可以有一片处于工作状态，其输出电压的大小，决定比例换向阀中液压油的流量；

两片电压型数模转换芯片(38)，分别连接两片所述数字隔离芯片(39)，输出端分别连接所述转向阀块(2)中的两个放大器(24)。

5.根据权利要求1所述的液压式农机自动转向控制实验平台，其特征在于，所述液压调控单元(9)包括液压站交流电机控制开关、压力表及油压调节阀门；压站交流电机控制开关用于控制液压站(1)的启动或停止，压力表用于显式液压站(1)当前输出端口的油压，油压调节阀门用于调节液压站(1)输出的油压高低。

6.一种液压式农机自动转向控制实验方法，其特征在于，包括以下步骤：

S01：启动液压站(1)，并通过油压调节阀门调整液压回路的压力至期望值；

S02：启动实验测量单元中的高精度三轴陀螺仪(10)，并使用数据采集计算机(11)对其输出的角度、角速度和角加速度数据进行持续采集；

S03：使用待实验的转向角度测量单元(8)，将自动转向控制算法写入自动转向控制单元(7)中，运行自动转向控制单元(7)；

S04：当自动转向控制单元(7)接收到数据采集计算机(11)发出的开始信号时，首先闭合三个继电器(37)，从而使三个电磁开关阀(21)闭合，转向方式 由手动转向切换为自动转向；

S05：自动转向控制单元(7)接收数据采集计算机(11)发出的转向角度设定值，并与最近一次的车轮转角测量值，一同作为自动转向控制算法的输入，根据算法的运算结果，通过选择电压型数模转换芯片(38)来控制转向方向，并设定电压型数模转换芯片(38)输出电压的大小控制转向角速度；

S06：自动转向控制单元(7)输出电压信号，通过放大器，控制比例换向阀中液压油的流向和流量，从而驱动转向油缸运动、带动转向车轮转动；

S07：循环执行步骤S05-S06，实现自动转向控制算法的持续运行；

S08：当自动转向控制单元(7)接收到数据采集计算机(11)发出的停止信号时，控制三个继电器(37)断开，从而使三个电磁开关阀(21)开路，转向方式由自动转向切换为手动转向，同时停止电压信号的输出，使得比例换向阀停止在中位；

S09：数据采集计算机(11)停止对高精度三轴陀螺仪(10)输出数据的记录，通过该测量数据，对当前使用的转向角度测量单元(8)或自动转向控制算法的性能进行分析。