CN105196891B - 一种线控技术的设施农业通用型电动底盘控制系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种线控技术的设施农业通用型电动底盘控制系统及其方法，包括底盘控制器以及分别同所述底盘控制器相连接的外围设备和接口单元；所述底盘控制器用于接收输入命令和反馈信号，并发送底盘的基本操作命令；所述方法能容易的实现原地转向，在有限的设施空间内，极大的提高了车辆的灵活性；通用操作平台和电动农用工作机通过CAN总线安装在底盘上，布置具有极大的自由度；底盘可以给电动农用工作机反馈一些底盘状态信号，使得农用工作机能及时调整工作状态。采用电动机驱动，相对于柴油机、汽油机而言，实现了零污染，保证了农产品的品质。

Description

一种线控技术的设施农业通用型电动底盘控制系统及其方法

技术领域

本发明涉及一种设施农用机械的控制系统领域，特别是一种采用线控技术的用于设施农业的可挂接操作平台和电动农用工作机的电动底盘控制系统及其方法。

背景技术

设施农业是现代农业的重要内容，是农业增效，农民增收的重要途径。由于受到生产过程精耕细作的要求及劳动强度大等影响，主要生产环节实现机械化是推动设施农业快速发展的重要手段。我国设施农业机械化的发展在近几年有很大的进展，但仍存在较大的问题。比如，设施农业机械的通用性较差，农民需购买各种不同功能的设施农业机械来完成不同的作业，其增大了农民的负担。设计一种设施农业使用的通用底盘，该底盘通过挂接通用操作平台和电动农用工作机来实现不同的功能，是降低农民负担的一种有效方法。此外，这种方式还可以使得通用操作平台和电动农用工作机在底盘上的布置具有极大的灵活性，以便于操作者可以安排在任何位置进行操作。

其次，目前的设施农业机械基本是以柴油或汽油作为其动力源。在某些相对封闭的区域内，例如大棚这样的环境，势必造成一定的污染，影响农产品的品质。针对这种情况，非常有必要开发一种电驱动的无污染的设施农业机械装置。

发明内容

本发明旨在解决目前的设施农业机械的通用性和环保性差，影响农产品品质的问题。设计一种采用线控技术的设施农业通用型电动底盘控制系统及其方法，该底盘控制系统对外只提供两个接口，一是个电源接口，另一个是总线接口。可以方便可靠的挂接各种操作平台和电动农用工作机。

本发明装置的技术方案为：

一种线控技术的设施农业通用型电动底盘控制系统，包括底盘控制器以及分别同所述底盘控制器相连接的外围设备和接口单元；

所述底盘控制器用于接收输入命令和反馈信号，并发送底盘的基本操作命令；所述外围设备包括电池管理系统、电机驱动的履带或轮式行走机构、线控转向机构、线控电磁制动器、传感器组，所述底盘控制器分别和电池管理系统、电机驱动的履带或轮式行走机构、线控转向机构、线控电磁制动器相连接，所述底盘控制器的A/D转换接口分别同传感器组连接；所述接口单元包括电源接口以及总线接口，所述总线接口用于挂接各种通用操作平台和电动农用工作机，所述总线有两路，一路为控制总线，另一路为冗余总线。

进一步，所述电机驱动的履带或轮式行走机构用于控制车辆的行走速度和行走方向，包括直流电机，电机控制器，电变速器，所述电机控制器分别和直流电机和电变速器电连接。

进一步，所述线控转向机构用于控制车辆前、后轮内外侧的转向，包括四轮独立转向、前轮线控转向两种模式。

进一步，所述线控电磁制动器用于控制前、后轮内外侧的制动，包括电制动器、电制动控制单元、轮速传感器，所述电制动器和轮速传感器安装在轮毂上，所述电制动控制单元通过导线分别和电制动器和轮速传感器相连接。

进一步，所述传感器组包括：转向力矩传感器、车轮转向角传感器、制动力传感器、行走速度传感器、驱动系统输出速度传感器以及电机电流传感器。

进一步，所述总线为CAN总线，所述的CAN总线上传递三类信号，第一类是操作平台发出的操作人员对设备的所有操控命令包括转向、前进后退、制动、换档、充电；第二类是底盘控制系统中的传感器组测量到的各类信号以及连接在总线上的所有电控机构的传感器数据，第三类是是通过底盘控制器计算后获得的设备的状态信号，状态信号包括变速器档位信息、当前速比、电机及电池的状态、底盘系统的故障诊断信息。

所述CAN总线上包括两路信号：通过传感器组回馈给底盘控制器上的信号、CAN总线回馈给操作平台或者电动农用工作机的信号。

进一步，所述的线控技术的设施农业通用型电动底盘控制系统通过总线和普通操作平台相连接，用于实现底盘的加速、减速和转向。

进一步，所述的线控技术的设施农业通用型电动底盘控制系统通过总线和无线操作平台相连接，用于实现远程操控底盘的加速、减速和转向。

进一步，所述的线控技术的设施农业通用型电动底盘控制系统通过总线挂接电动农用工作机。

本发明方法的技术方案为：一种线控技术的设施农业通用型电动底盘控制方法，包括如下控制步骤：

步骤1，底盘控制器通过总线读取操作平台或电动农用工作机的控制信息，包括转向，制动，驱动信息；

步骤2，底盘控制器的A/D转换接口采集传感器组回馈的信号，包括转向力矩值的信号、转向角的值的信号、制动力的值的信号、行走速度的值的信号、驱动系统输出速度的值的信号、电机电流信号；

步骤3，底盘控制器将总线上读取的转向，制动，驱动信息以及传感器组回馈的信号进行处理，然后通过总线分别传输给线控转向机构，线控电磁制动器，电机驱动的履带或轮式行走机构；

步骤4，线控转向机构，线控电磁制动器，电机驱动的履带或轮式行走机构做出动作，同时将各自相应的工作状态通过传感器组再发送到底盘控制器上。

本发明采用上述技术方案后，具有的有益效果是：

(1)采用电动机驱动，相对于柴油机、汽油机而言，实现了零污染，保证了农产品的品质；

(2)能容易的实现原地转向，在有限的设施空间内，极大的提高了车辆的灵活性；

(3)通用操作平台和电动农用工作机通过CAN总线安装在底盘上，布置具有极大的自由度；

(4)底盘可以给电动农用工作机反馈一些底盘状态信号，使得农用工作机能及时调整工作状态。

附图说明

图1是本发明采用线控技术的设施农业通用型电动底盘控制系统硬件结构示意图。

图2是本发明采用线控技术的设施农业通用型电动底盘控制系统电气结构示意图。

图3是本发明采用线控技术的设施农业通用型电动底盘控制系统的控制策略流程图。

图4是实施实例一外接普通操作平台的示意图。

图5是实施实例二外接无线操作平台的示意图。

图6是实施实例三外接电动农用工作机的示意图。

图中：1为线控转向机构；2为线控电磁制动器；3为电机驱动的履带或轮式行走机构；4为底盘控制器；5为蓄电池以及电池管理系统；6为电源接口；7为总线接口。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

如图1-2所示，一种线控技术的设施农业通用型电动底盘控制系统，包括底盘控制器4以及分别同所述底盘控制器4相连接的外围设备和接口单元；所述底盘控制器4用于接收输入命令和反馈信号，并发送底盘的基本操作命令；所述外围设备包括电池管理系统、电机驱动的履带或轮式行走机构3、线控转向机构1、线控电磁制动器2、传感器组，所述底盘控制器4分别和电池管理系统、电机驱动的履带或轮式行走机构3、线控转向机构1、线控电磁制动器2相连接，所述底盘控制器4的A/D转换接口分别同传感器组连接；所述接口单元包括电源接口6以及总线接口7，所述总线接口7用于挂接各种通用操作平台和电动农用工作机，所述总线有两路，一路为控制总线，另一路为冗余总线。

所述传感器组包括：用于检测制动力大小的制动力传感器，用于检测各个车轮转角大小的车轮转向角传感器，用于检测转向力矩大小的转向力矩传感器，用于检测行走速度大小的行走速度传感器，用于检测驱动系统输出速度大小的驱动系统输出速度传感器，用于检测电机电流大小的电机电流传感器。

在本发明采用线控技术的设施农业通用型电动底盘控制系统中，电机驱动的履带或轮式行走机构3，用于控制车辆的行走速度和行走方向，主要包括直流电机，电机控制器，电变速器构成。其中，电机控制器通过导线分别和直流电机和电变速器相连接，直流电机的输出轴和电变速器的输入轴相连接。电机控制器能够控制直流电机的转速和旋转方向。电变速器能够实现车速档位的控制。

在本发明采用线控技术的设施农业通用型电动底盘控制系统中，线控转向机构1采用两种模式，用于控制车辆的前轮内侧、前轮外侧、后轮内侧、后轮外侧的转向。第一种模式为四轮独立转向，这种模式适合较为复杂的转向控制，四轮独立转向主要包括转向电机，转向拉杆以及传感器，该转向装置除了能实现常规转向以外，还能实现底盘的原地转向；第二种模式为前轮线控转向，这种模式适合一般常规的转向控制，前轮线控转向主要包括转向电机，齿轮齿条机构以及传感器。

在本发明采用线控技术的设施农业通用型电动底盘控制系统中，线控电磁制动器2用于控制前轮外侧、后轮内侧、后轮外侧的制动，主要包括电制动器(盘式或鼓式)，电制动控制单元以及轮速传感器。其中，电制动器和轮速传感器安装在轮毂上，电制动控制单元通过导线分别和电制动器和轮速传感器相连接，电制动控制单元操纵电制动器动作，产生相应的制动力，电制动控制单元和底盘控制器4通过总线连接，制动包括机械制动以及能量回馈制动两种方式。

在本发明采用线控技术的设施农业通用型电动底盘控制系统中，底盘控制器4采用16位或32位汽车级单片微型计算机(例如MC9S12XS系列单片机、英飞凌XC2300系列单片机)，底盘控制器4的作用是接收输入命令和反馈信号，并发送底盘的基本操作命令。

在本发明采用线控技术的设施农业通用型电动底盘控制系统中，底盘控制器4和电机驱动的履带或轮式行走机构3，线控转向机构1，线控电磁制动器2、电池管理系统相连接。操作平台或电动农用工作机可以挂接在底盘提供的CAN总线上。进一步地，本发明一共设置了两路CAN总线。其中，一路CAN总线作为控制总线，另一路CAN总线作为冗余使用。由此保证了系统很高的可靠性。

所述总线为CAN总线，所述的CAN总线上传递三类信号，第一类是操作平台发出的操作人员对设备的所有操控命令包括转向、前进后退、制动、换档、充电；第二类是底盘控制系统中的传感器组测量到的各类信号以及连接在总线上的所有电控机构的传感器数据，第三类是是通过底盘控制器计算后获得的设备的状态信号，状态信号包括变速器档位信息、当前速比、电机及电池的状态、底盘系统的故障诊断信息。

CAN总线上通过传感器组回馈给底盘控制器4上的信号有：转向力矩的大小，转向角的大小，制动力的大小，驱动系统输出速度的大小，行走速度的大小以及电机电流大小等；底盘控制器4主要通过外接的操作平台的输入信号以及检测装置的回馈信号来发送行走装置的前进，后退，加速，减速命令，转向装置的常规转向命令以及原地转向命令，制动装置的制动命令等；CAN总线上回馈给电动农用工作机的信号有：底盘行驶的当前状态和蓄电池状态等。进一步的，电动农用工作机可以根据CAN总线上回馈的信号进行工作状态的调整。

如图3所示，本发明采用线控技术的设施农业通用型电动底盘控制系统底盘实现的基本步骤如下：

步骤1，底盘控制器4通过总线读取操作平台或电动农用工作机的控制信息，包括转向，制动，驱动信息；

步骤2，底盘控制器4的A/D转换接口采集传感器组回馈的信号，包括转向力矩值的信号、转向角的值的信号、制动力的值的信号、行走速度的值的信号、驱动系统输出速度的值的信号、电机电流信号；

步骤3，底盘控制器4将总线上读取的转向，制动，驱动信息以及传感器组回馈的信号进行处理，然后通过总线分别传输给线控转向机构1，线控电磁制动器2，电机驱动的履带或轮式行走机构3；

步骤4，线控转向机构1，线控电磁制动器2，电机驱动的履带或轮式行走机构3做出动作，使它们实现预期的动作，同时将各自相应的工作状态通过传感器组再发送到底盘控制器4上。

下面实施例采用线控技术的设施农业通用型电动底盘控制系统通过总线能够连接操作平台、电动农用工作机，实现相应的动作。其中，操作平台包括普通操作平台、无线操作平台。

实施实例1：

如图4所示是在本发明采用线控技术的设施农业通用型电动底盘控制系统上挂接独立的普通操作平台的情况。此普通操作平台通过总线连接在底盘上，因此普通操作平台在底盘上的安置具有很大的灵活性。该普通操作平台包括：方向盘模块，制动踏板模块，油门踏板模块。此实例可以实现底盘的基本的操作功能。具体的操控过程如下：用户通过启动钥匙，将电源接通。当用户踩下或松开油门踏板时，油门踏板的状态信号会发送到CAN总线上，底盘控制器4从CAN总线上获得此信号，底盘控制器4根据这个信号以及底盘上回馈回来的底盘行走速度大小等信号来对电机驱动的履带或轮式行走机构3发送相应的命令，控制其输出功率从而控制底盘的加速、减速。进一步的，底盘行走的当前速度也可以通过CAN总线反馈到驾驶员仪表台上；用户转动方向盘时，方向盘的转动信号会发送到CAN总线上，底盘控制器4根据此信号以及底盘上相应传感器回馈的转向角大小信号和转向力矩大小信号等，通过一定的转向比算法，对线控转向机构1发送相应的命令，实现预期的转向。进一步的，用户还可以通过方向盘上的原地转向按钮，来实现底盘的原地转向；用户踩下制动踏板时，制动踏板的状态信号会发送到CAN总线上，底盘控制器4根据此信号以及底盘上回馈的制动力大小信号，底盘行走速度大小等，通过一定的算法，对线控电磁制动器2发送相应的命令，从而实现预期的制动效果。

实施实例2：

如图5所示是在本发明采用线控技术的设施农业通用型电动底盘控制系统上挂接无线操作平台的情况。无线操作平台包括挂接在CAN总线上的无线收发装置以及通过遥控操作的无线操作装置。该操作平台可以实现用户在远程(例如控制室)操控底盘的基本功能。具体的操控过程如下：用户通过转向操作装置、制动操作装置、行走操作装置输入控制命令到无线操作平台。无线操作平台将命令发送出去，挂接在底盘总线上的无线收发装置可以接收这些命令，最终通过总线传输给底盘控制器4。同时，底盘行驶的当前状态也可以通过挂接在底盘总线上的无线收发装置发送出去，无线操作平台接收此信号并通过显示屏幕将底盘行驶的当前状态显示出来。

实施实例3：

如图6所示是在本发明采用线控技术的设施农业通用型电动底盘控制系统上挂接电动农用工作机的情况。电动农用工作机同通用操作平台一样，通过总线接口7安装在底盘上，因此电动农用工作机在底盘上的安装也具有很大的灵活性。例如，电动喷农药装置、电动开沟装置等。本实施实例说明外挂电动喷农药装置的具体情况。该装置包括喷农药的操作装置，喷农药的执行装置，这两个装置都是与CAN总线相连接。进一步的，底盘上提供一个独立的电源系统为其供电。喷农药装置的喷药量和电源系统的电流、电压大小以及底盘行走速度大小有直接的关系。本发明在喷农药装置运行的过程中，底盘可以通过CAN总线反馈给喷农药装置电源电流、电压状态和底盘行走速度状态以及其他底盘当前行驶状态。从而使得喷农药装置能在任意状态下将喷药量调整到最佳的状态。

Claims (9)

1.一种线控技术的设施农业通用型电动底盘控制系统，其特征在于，包括底盘控制器(4)以及分别同所述底盘控制器(4)相连接的外围设备和接口单元；

所述底盘控制器(4)用于接收输入命令和反馈信号，并发送底盘的基本操作命令；

所述外围设备包括电池管理系统、电机驱动的履带或轮式行走机构(3)、线控转向机构(1)、线控电磁制动器(2)、传感器组，所述底盘控制器(4)分别和电池管理系统、电机驱动的履带或轮式行走机构(3)、线控转向机构(1)、线控电磁制动器(2)相连接，所述底盘控制器(4)的A/D转换接口分别同传感器组连接；

所述接口单元包括电源接口(6)以及总线接口(7)，所述总线接口(7)用于挂接各种通用操作平台和电动农用工作机，所述总线有两路，一路为控制总线，另一路为冗余总线；

所述总线为CAN总线，所述的CAN总线上传递三类信号，第一类是操作平台发出的操作人员对设备的所有操控命令；第二类是底盘控制系统中的传感器组测量到的各类信号以及连接在总线上的所有电控机构的传感器数据，第三类是是通过底盘控制器计算后获得的设备的状态信号。

2.根据权利要求1所述的线控技术的设施农业通用型电动底盘控制系统，其特征在于，所述电机驱动的履带或轮式行走机构(3)用于控制车辆的行走速度和行走方向，包括直流电机，电机控制器，电变速器，所述电机控制器分别和直流电机和电变速器电连接。

3.根据权利要求1所述的线控技术的设施农业通用型电动底盘控制系统，其特征在于，所述线控转向机构(1)用于控制车辆前、后轮内外侧的转向，包括四轮独立转向、前轮线控转向两种模式。

4.根据权利要求1所述的线控技术的设施农业通用型电动底盘控制系统，其特征在于，所述线控电磁制动器(2)用于控制前、后轮内外侧的制动，包括电制动器、电制动控制单元、轮速传感器，所述电制动器和轮速传感器安装在轮毂上，所述电制动控制单元通过导线分别和电制动器和轮速传感器相连接。

5.根据权利要求1所述的线控技术的设施农业通用型电动底盘控制系统，其特征在于，所述传感器组包括转向力矩传感器、车轮转向角传感器、制动力传感器、行走速度传感器、驱动系统输出速度传感器以及电机电流传感器。

6.根据权利要求1所述的线控技术的设施农业通用型电动底盘控制系统，其特征在于，所述的线控技术的设施农业通用型电动底盘控制系统通过总线和普通操作平台相连接，用于实现底盘的加速、减速和转向。

7.根据权利要求1所述的线控技术的设施农业通用型电动底盘控制系统，其特征在于，所述的线控技术的设施农业通用型电动底盘控制系统通过总线和无线操作平台相连接，用于实现远程操控底盘的加速、减速和转向。

8.根据权利要求1所述的线控技术的设施农业通用型电动底盘控制系统，其特征在于，所述的线控技术的设施农业通用型电动底盘控制系统通过总线挂接电动农用工作机。

9.一种根据权利要求1所述的线控技术的设施农业通用型电动底盘控制系统的方法，其特征在于，包括如下控制步骤：

步骤1，底盘控制器(4)通过总线读取操作平台或电动农用工作机的控制信息，包括转向，制动，驱动信息；

步骤2，底盘控制器(4)的A/D转换接口采集传感器组回馈的信号，包括转向力矩值的信号、转向角的值的信号、制动力的值的信号、行走速度的值的信号、驱动系统输出速度的值的信号、电机电流信号；

步骤3，底盘控制器(4)将总线上读取的转向，制动，驱动信息以及传感器组回馈的信号进行处理，然后通过总线分别传输给线控转向机构(1)，线控电磁制动器(2)，电机驱动的履带或轮式行走机构(3)；

步骤4，线控转向机构(1)，线控电磁制动器(2)，电机驱动的履带或轮式行走机构(3)做出动作，同时将各自相应的工作状态通过传感器组再发送到底盘控制器(4)上。