CN105365602A - 一种四轮驱动纯电动微耕机动力系统及控制方法 - Google Patents

一种四轮驱动纯电动微耕机动力系统及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种四轮驱动纯电动微耕机动力系统及控制方法，该系统包括动力输出单元和控制单元，动力输出单元的四个轮毂电机由第一锂电池组供电，并由各自对应的轮毂控制器控制其转速；旋耕电机由第二锂电池组供电，由电机控制器控制其转速；控制单元中的主控器采集现场图像信息并通过无线通信方式发送给手持遥控器，操作人员通过手持遥控器向主控制器发送微耕机的控制命令，主控制器通过向动力输出单元的四个轮毂控制器发送转速调节命令控制微耕机的前进、后退和转弯行走路径，通过向电机控制器发送转速调节命令控制微耕电机输出轴的转速，带动刀具进行作业，本发明清洁、无污染、操作方便、适应性强，可广泛应用于蔬菜大棚环境的微耕作业。

Description

一种四轮驱动纯电动微耕机动力系统及控制方法
技术领域：
本发明属于新能源农业机械技术领域，涉及一种动力系统及控制方法，具体涉及一种四轮驱动纯电动微耕机动力系统及方法。
背景技术：
由于农业从业人员的减少以及农业劳动力成本的增加，发展农业机械取代人的操作是提高农业生产效率和实现农业现代化的一个重要途径。目前，大多数农业作业中使用的农机机械采用传统的燃油机作为主要动力源，尾气的排放、燃油的泄漏等会进一步污染作物和土壤，燃油机的噪声严重损害现场操作人员的身心健康，在人们追求绿色蔬菜和健康生活的今天，特别是针对蔬菜大棚等环境开发新能源农机装备是世界各国的研究热点，在借鉴现有的新能源汽车动力系统及相关技术的基础上，开发纯电动微耕机及其动力系统，结合具体农艺进行耕作，既满足了动力输出的要求，又杜绝了对蔬菜和土壤的污染，具有良好的市场前景。杂志《广东农业科学》，2013年第14期刊登的文章：《两轮独立驱动电动微耕机的控制系统研究》，报道了一种小型手扶式两轮独立驱动的电动微耕机，针对该电动微耕机的驱动控制，设计了基于模糊控制方法的模糊PID控制器，有效改善其操作性能，减少驾驶员的操纵强度，但是需要给直流电机另外供电，温室内需要架设电网，增加了温室成本；杂志《安徽农业科学》，2013年第41卷14期刊登的文章：《基于轮毂电机驱动的电动微耕机机架设计与分析》，提供了基于锂电池供电的轮毂电机驱动的微耕机，该设计降低了温室成本，同时以轮毂电机为驱动的微耕机取代了传统的驱动系统，轻便的轮毂电机直接驱动轮胎或旋耕刀，省去了中间传动装置，如减速器、行走箱等，整体结构简化，温室成本降低，效率提高，但是这些微耕机都是采用人跟机走的操作模式，给操作带来诸多不便。
发明内容：
本发明针对上述问题，提供一种四轮驱动的纯电动微耕机动力系统，以锂电池组作为轮毂电机和旋耕电机的动力来源，通过单独控制四个轮毂电机实现微耕机的前进、后退和转弯等运动，具有清洁、高效、无污染、操作方便等优点。
本发明所采用的技术方案为：一种四轮驱动纯电动微耕机动力系统，其特征在于：包括动力输出单元和控制单元；
所述的动力输出单元通过第一轮毂电机、第二轮毂电机、第三轮毂电机和第四轮毂电机驱动微耕机的车轮进行运动，四个轮毂电机依次对应由第一轮毂控制器、第二轮毂控制器、第三轮毂控制器和第四轮毂控制器控制其转速，四个轮毂控制器统一由第一锂电池组供电；
所述的控制单元中的主控制器通过CCD相机和GPS/GIS模块采集现场图像信息和定位信息并通过无线通信方式发送给手持遥控器，操作人员通过手持遥控器向主控制器发送微耕机的无线通信操作命令：主控制器通过D/A输出模块输出电压信号给第一轮毂控制器、第二轮毂控制器、第三轮毂控制器、第四轮毂控制器和电机控制器分别调节上述四个轮毂电机和旋耕电机的转速，一方面实现微耕机的前进、后退和转弯行走路径，另一方面实现旋耕电机的输出轴带动刀具进行农业作业。主控制器通过CAN总线与第一DC/DC、第一管理单元、第二DC/DC和第二管理单元相连进行通信，接收第一锂电池组和第二锂电池组的电压、电流、温度和SOC值信息，控制第一DC/DC和第二DC/DC的开关状态和目标输出电压。
作为本发明的技术优选，所述的动力输出单元包括底盘、第一轮毂电机、第二轮毂电机、第三轮毂电机、第四轮毂电机、第一轮毂控制器、第二轮毂控制器、第三轮毂控制器、第四轮毂控制器、第一DC/DC、第二DC/DC、第一锂电池组、第一管理单元、第二锂电池组、第二管理单元、电机控制器和旋耕电机；第一轮毂电机、第二轮毂电机、第三轮毂电机和第四轮毂电机安装固定在底盘的下表面，第一轮毂控制器、第二轮毂控制器、第三轮毂控制器、第四轮毂控制器、第一DC/DC、第二DC/DC、第一锂电池组、第一管理单元、第二锂电池组、第二管理单元、电机控制器和旋耕电机安装固定在底盘的上表面。第一锂电池组的输出端与第一DC/DC的输入端相连，第一DC/DC的输出端与第一轮毂控制器、第二轮毂控制器、第三轮毂控制器和第四轮毂控制器的供电端相连，第一轮毂控制器、第二轮毂控制器、第三轮毂控制器和第四轮毂控制器的三相输出端分别对应与第一轮毂电机、第二轮毂电机、第三轮毂电机和第四轮毂电机相连。第二锂电池组的输出端与第二DC/DC的输入端相连，第二DC/DC的输出端与电机控制器的供电端相连，电机控制器的三相输出端与旋耕电机相连，旋耕电机的输出轴与刀具相连。
作为本发明的技术优选，所述的控制单元包括CCD相机、GPS/GIS模块、主控制器和手持遥控器；主控制器的供电端与动力输出单元中第一DC/DC的输出端相连，CCD相机和GPS/GIS模块通过数据线与主控制器相连，主控制器的D/A模块与第一轮毂控制器、第二轮毂控制器、第三轮毂控制器、第四轮毂控制器和电机控制器的信号控制端相连，主控制器的CAN模块通过CAN总线与第一DC/DC、第一管理单元、第二DC/DC、第二管理单元相连进行通信。
本发明提供了一种四轮驱动纯电动微耕机动力系统的控制方法，其特征在于，包括的步骤如下：
步骤1：主控制器通过CCD相机采集微耕机前方的图像信息，利用GPS/GIS模块获取微耕机的定位信息，利用CAN总线获取第一锂电池组和第二锂电池组的电压、温度、电流和SOC值，通过无线通信方式将这些信息发送给手持遥控器进行显示；
步骤2：操作人员基于手持遥控器接收到的图像和定位信息拨动摇杆产生微耕机的运动控制命令，并由手持遥控器通过无线通信方式发送给主控制器；
步骤3：主控制器通过无线通信方式接收手持遥控器的操作命令，利用CAN总线分别向第一DC/DC和第二DC/DC发送开关命令和输出目标电压命令，同时利用D/A模块分别向第一轮毂控制器、第二轮毂控制器、第三轮毂控制器、第四轮毂控制器和电机控制器输出电压信号调节第一轮毂电机、第二轮毂电机、第三轮毂电机、第四轮毂电机和旋耕电机的转速；
步骤4：当主控制器通过CAN总线接收到来自第一锂电池组或第二锂电池组出现欠压、过流、过温、SOC值低于0.3时，主控制器通过CAN总线向第一DC/DC或第二DC/DC发送关断输出命令，同时通过无线通信方式向手持遥控器发送报警信息提示操作人员更换第一锂电池组或第二锂电池组或对它们进行充电。
作为本发明的技术优选，上述步骤3中主控制器通过无线通信方式接收到手持遥控器的开机命令时，主控制器通过CAN总线分别向第一DC/DC发送输出+48V，向第二DC/DC发送输出+60V的目标电压命令，第一DC/DC和第二DC/DC内部的控制器通过输出不同占空比的PWM波形驱动开关管的开关时间实现目标电压的输出；当主控制器通过无线通信方式接收到手持遥控器的右转命令时，主控制器通过D/A模块向第二轮毂控制器和第三轮毂控制器发送电压信号V1，同时向第一轮毂控制器和第四轮毂控制器发送电压信号V2，并且保证V1>V2；当主控制器通过无线通信方式接收到手持遥控器的左转命令时，主控制器通过D/A模块向第一轮毂控制器和第四轮毂控制器发送电压信号V3，同时向第二轮毂控制器和第三轮毂控制器发送电压信号V4，并且保证V3>V4；当主控制器通过无线通信方式接收到手持遥控器的前进命令时，主控制器通过D/A模块向第一轮毂控制器、第二轮毂控制器、第三轮毂控制器和第四轮毂控制器发送电压信号V5；当主控制器通过无线通信方式接收到手持遥控器的后退命令时，主控制器通过D/A模块向第一轮毂控制器、第二轮毂控制器、第三轮毂控制器和第四轮毂控制器发送电压信号-V5。
由于本发明充分利用了锂电池组作为微耕机四个车轮和旋耕电机的动力源，避免了传统燃油机动力的尾气排放和燃油泄漏造成的土壤和作物污染，同时采用机器视觉和GPS导航实现微耕机行驶环境的识别和行驶轨迹的运动控制，提高了系统的智能化水平；该系统巡航里程大、实时性强、操作简单，适用于各种蔬菜大棚所需的播种、施肥、喷药和旋耕等应用场合。
附图说明：
图1：为本发明实施例的系统结构原理框图。
图2：为本发明实施例的控制方法流程图。
具体实施方式：
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
请见图1，本发明提供的一种四轮驱动纯电动微耕机动力系统，包括动力输出单元和控制单元；动力输出单元通过第一轮毂电机、第二轮毂电机、第三轮毂电机和第四轮毂电机驱动微耕机的车轮进行运动，四个轮毂电机依次对应由第一轮毂控制器、第二轮毂控制器、第三轮毂控制器和第四轮毂控制器控制其转速，四个轮毂控制器统一由第一锂电池组供电；控制单元中的主控制器通过CCD相机和GPS/GIS模块采集现场图像信息和定位信息并通过无线通信方式发送给手持遥控器，操作人员通过手持遥控器向主控制器发送微耕机的无线通信操作命令，主控制器通过D/A输出模块输出电压信号给第一轮毂控制器、第二轮毂控制器、第三轮毂控制器、第四轮毂控制器和电机控制器分别调节上述四个轮毂电机和旋耕电机的转速，一方面实现微耕机的前进、后退和转弯行走路径，另一方面实现旋耕电机的输出轴带动刀具进行农业作业。主控制器通过CAN总线与第一DC/DC、第一管理单元、第二DC/DC和第二管理单元相连进行通信，接收第一锂电池组和第二锂电池组的电压、电流、温度和SOC值信息，控制第一DC/DC和第二DC/DC的开关状态和目标输出电压。
请见图1，本发明实施例的动力输出单元由底盘、第一轮毂电机、第二轮毂电机、第三轮毂电机、第四轮毂电机、第一轮毂控制器、第二轮毂控制器、第三轮毂控制器、第四轮毂控制器、第一DC/DC、第二DC/DC、第一锂电池组、第一管理单元、第二锂电池组、第二管理单元、电机控制器和旋耕电机构成；第一轮毂电机、第二轮毂电机、第三轮毂电机和第四轮毂电机的固定轴分别安装在底盘的下方，第一轮毂控制器、第二轮毂控制器、第三轮毂控制器、第四轮毂控制器、第一DC/DC、第二DC/DC、第一锂电池组、第一管理单元、第二锂电池组、第二管理单元、电机控制器和旋耕电机安装固定在底盘的上表面。第一锂电池组的输出端与第一DC/DC的输入端相连，第一DC/DC的输出端与第一轮毂控制器、第二轮毂控制器、第三轮毂控制器和第四轮毂控制器的供电端相连，第一轮毂控制器、第二轮毂控制器、第三轮毂控制器和第四轮毂控制器的三相输出端分别对应与第一轮毂电机、第二轮毂电机、第三轮毂电机和第四轮毂电机相连。第二锂电池组的输出端与第二DC/DC的输入端相连，第二DC/DC的输出端与电机控制器的供电端相连，电机控制器的三相输出端与旋耕电机相连，旋耕电机的输出轴与刀具相连。
请见图1，本发明实施例的控制单元由CCD相机、GPS/GIS模块、主控制器和手持遥控器构成；主控制器的供电端与动力输出单元中第一DC/DC的输出端相连，CCD相机和GPS/GIS模块通过数据线与主控制器相连，主控制器的D/A模块与第一轮毂控制器、第二轮毂控制器、第三轮毂控制器、第四轮毂控制器和电机控制器的信号控制端相连，主控制器的CAN模块通过CAN总线与第一DC/DC、第一管理单元、第二DC/DC、第二管理单元相连进行通信。
请见图2，本发明提供的一种四轮驱动纯电动微耕机动力系统的控制方法，包括以下步骤：
步骤1：主控制器通过CCD相机采集微耕机前方的图像信息，利用GPS/GIS模块获取微耕机的定位信息，利用CAN总线获取第一锂电池组和第二锂电池组的电压、温度、电流和SOC值，通过无线通信方式将这些信息发送给手持遥控器进行显示；
步骤2：操作人员基于手持遥控器接收到的图像和定位信息拨动摇杆产生微耕机的运动控制命令，并由手持遥控器通过无线通信方式发送给主控制器；
步骤3：主控制器通过无线通信方式接收手持遥控器的操作命令，利用CAN总线分别向第一DC/DC和第二DC/DC发送开关命令和输出目标电压命令，同时利用D/A模块分别向第一轮毂控制器、第二轮毂控制器、第三轮毂控制器、第四轮毂控制器和电机控制器输出电压信号调节第一轮毂电机、第二轮毂电机、第三轮毂电机、第四轮毂电机和旋耕电机的转速；
步骤4：当主控制器通过CAN总线接收到来自第一管理单元或第二管理单元的第一锂电池组或第二锂电池组出现欠压、过流、过温、SOC值低于0.3时，主控制器通过CAN总线向第一DC/DC或第二DC/DC发送关断输出命令，同时通过无线通信方式向手持遥控器发送报警信息提示操作人员更换第一锂电池组或第二锂电池组或对它们进行充电。
请见图2，上述步骤3中主控制器通过无线通信方式接收到手持遥控器的开机命令时，主控制器通过CAN总线分别向第一DC/DC发送输出+48V，向第二DC/DC发送输出+60V的目标电压命令，第一DC/DC和第二DC/DC内部的控制器通过输出不同占空比的PWM波形驱动开关管的开关时间实现目标电压的输出；当主控制器通过无线通信方式接收到手持遥控器的右转命令时，主控制器通过D/A模块向第二轮毂控制器和第三轮毂控制器发送电压信号V1，同时向第一轮毂控制器和第四轮毂控制器发送电压信号V2，并且保证V1>V2；当主控制器通过无线通信方式接收到手持遥控器的左转命令时，主控制器通过D/A模块向第一轮毂控制器和第四轮毂控制器发送电压信号V3，同时向第二轮毂控制器和第三轮毂控制器发送电压信号V4，并且保证V3>V4；当主控制器通过无线通信方式接收到手持遥控器的前进命令时，主控制器通过D/A模块向第一轮毂控制器、第二轮毂控制器、第三轮毂控制器和第四轮毂控制器发送电压信号V5；当主控制器通过无线通信方式接收到手持遥控器的后退命令时，主控制器通过D/A模块向第一轮毂控制器、第二轮毂控制器、第三轮毂控制器和第四轮毂控制器发送电压信号-V5。
应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。
应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种四轮驱动纯电动微耕机动力系统，包括动力输出单元和控制单元，其特征在于：所述的动力输出单元通过第一轮毂电机、第二轮毂电机、第三轮毂电机和第四轮毂电机驱动微耕机的车轮进行运动，四个轮毂电机依次分别由第一轮毂控制器、第二轮毂控制器、第三轮毂控制器和第四轮毂控制器控制其转速，四个轮毂控制器统一由第一锂电池组供电；
所述的控制单元中的主控制器通过CCD相机和GPS/GIS模块采集现场图像信息和定位信息并通过无线通信方式发送给手持遥控器，再通过手持遥控器向主控制器发送微耕机的无线通信操作命令：主控制器通过D/A输出模块输出电压信号给第一轮毂控制器、第二轮毂控制器、第三轮毂控制器、第四轮毂控制器和电机控制器分别调节上述四个轮毂电机和旋耕电机的转速；主控制器通过CAN总线与第一DC/DC、第一管理单元、第二DC/DC和第二管理单元相连，接收第一锂电池组和第二锂电池组的电压、电流、温度和SOC值信息，并控制第一DC/DC和第二DC/DC的开关状态和输出目标电压。
2.根据权利要求1所述的一种四轮驱动纯电动微耕机动力系统，其特征在于：所述的动力输出单元包括底盘、第一轮毂电机、第二轮毂电机、第三轮毂电机、第四轮毂电机、第一轮毂控制器、第二轮毂控制器、第三轮毂控制器、第四轮毂控制器、第一DC/DC、第二DC/DC、第一锂电池组、第一管理单元、第二锂电池组、第二管理单元、电机控制器和旋耕电机；第一轮毂电机、第二轮毂电机、第三轮毂电机和第四轮毂电机安装固定在底盘的下表面；第一轮毂控制器、第二轮毂控制器、第三轮毂控制器、第四轮毂控制器、第一DC/DC、第二DC/DC、第一锂电池组、第一管理单元、第二锂电池组、第二管理单元、电机控制器和旋耕电机安装固定在底盘的上表面；第一锂电池组的输出端与第一DC/DC的输入端相连，第一DC/DC的输出端与第一轮毂控制器、第二轮毂控制器、第三轮毂控制器和第四轮毂控制器的供电端相连，第一轮毂控制器、第二轮毂控制器、第三轮毂控制器和第四轮毂控制器的三相输出端分别对应与第一轮毂电机、第二轮毂电机、第三轮毂电机和第四轮毂电机相连；第二锂电池组的输出端与第二DC/DC的输入端相连，第二DC/DC的输出端与电机控制器的供电端相连，电机控制器的三相输出端与旋耕电机相连，旋耕电机的输出轴与刀具相连。
3.根据权利要求1所述的一种四轮驱动纯电动微耕机动力系统，其特征在于：所述的控制单元包括CCD相机、GPS/GIS模块、主控制器和手持遥控器；主控制器的供电端与动力输出单元中第一DC/DC的输出端相连，CCD相机和GPS/GIS模块与主控制器相连，主控制器的D/A模块与第一轮毂控制器、第二轮毂控制器、第三轮毂控制器、第四轮毂控制器和电机控制器的信号控制端相连，主控制器的CAN模块通过CAN总线与第一DC/DC、第一管理单元、第二DC/DC、第二管理单元相连。
4.一种四轮驱动纯电动微耕机动力系统的控制方法，其特征在于：包括的步骤如下：
步骤1：主控制器通过CCD相机采集微耕机前方的图像信息，利用GPS/GIS模块获取微耕机的定位信息，利用CAN总线获取第一锂电池组和第二锂电池组的电压、温度、电流和SOC值，然后通过无线通信方式将这些信息发送给手持遥控器；
步骤2：基于手持遥控器接收到的图像和定位信息，拨动摇杆产生微耕机的运动控制命令，并由手持遥控器通过无线通信方式发送给主控制器；
步骤3：主控制器通过无线通信方式接收手持遥控器的操作命令，利用CAN总线分别向第一DC/DC和第二DC/DC发送开关命令和输出目标电压命令，同时利用D/A模块分别向第一轮毂控制器、第二轮毂控制器、第三轮毂控制器、第四轮毂控制器和电机控制器输出电压信号调节第一轮毂电机、第二轮毂电机、第三轮毂电机、第四轮毂电机和旋耕电机的转速；
步骤4：当主控制器通过CAN总线接收到来自第一锂电池组或第二锂电池组出现欠压、过流、过温、SOC值低于0.3时，主控制器通过CAN总线向第一DC/DC或第二DC/DC发送关断输出命令，同时通过无线通信方式向手持遥控器发送报警信息。
5.根据权利要求4所述的一种四轮驱动纯电动微耕机动力系统的控制方法，其特征在于：上述步骤3中的主控制器通过无线通信方式接收到手持遥控器的开机命令时，主控制器通过CAN总线分别向第一DC/DC发送输出+48V，向第二DC/DC发送输出+60V的目标电压命令，第一DC/DC和第二DC/DC内部的控制器通过输出不同占空比的PWM波形驱动开关管的开关时间进行反馈控制实现目标电压的输出；当主控制器通过无线通信方式接收到手持遥控器的右转命令时，主控制器通过D/A模块向第二轮毂控制器和第三轮毂控制器发送电压信号V1，同时向第一轮毂控制器和第四轮毂控制器发送电压信号V2，并且保证V1>V2；当主控制器通过无线通信方式接收到手持遥控器的左转命令时，主控制器通过D/A模块向第一轮毂控制器和第四轮毂控制器发送电压信号V3，同时向第二轮毂控制器和第三轮毂控制器发送电压信号V4，并且保证V3>V4；当主控制器通过无线通信方式接收到手持遥控器的前进命令时，主控制器通过D/A模块向第一轮毂控制器、第二轮毂控制器、第三轮毂控制器和第四轮毂控制器发送电压信号V5；当主控制器通过无线通信方式接收到手持遥控器的后退命令时，主控制器通过D/A模块向第一轮毂控制器、第二轮毂控制器、第三轮毂控制器和第四轮毂控制器发送电压信号-V5。
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