CN106427451A - 农用动力底盘调平系统及其调平方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种农用动力底盘调平系统及其调平方法，属于车辆底盘技术领域。农用动力底盘调平系统包括：测距传感器、位置传感器、中央处理器、车架、悬架、车轮，四组悬架按给定的轴距和轮距左右对称安装在车架上、下部与车轮联接；由测距传感器测量车轮前方地面高度信息，由位置传感器测量悬架高度、获取车轮地面高度信息，中央处理器进行计算分析，由伺服电机驱动、实时调整各悬架高度，车轮主动对地面仿形，实现农用动力底盘行走作业过程中车身动态调平。

Description

农用动力底盘调平系统及其调平方法

技术领域

本发明涉及车辆底盘技术领域，是一种农用动力底盘调平系统及其调平方法，适用于具有可独立升降悬架的农用动力底盘。

背景技术

我国是一个多山、多丘陵的国家，平原面积只占全国总面积的1/3，在可耕地面积中，丘陵坡地占有面积较多，随着我国农业机械化进程加快，农民对适应丘陵坡地作业的小型农机具需求日趋迫切，但丘陵坡地地形复杂，地面凹凸不平，车辆底盘较难保持水平，从而影响车辆在丘陵坡地上的行走作业，因此更为迫切的需要行走作业过程中调节车辆底盘水平以提高对丘陵坡地的适应性；同时依据农用车辆在丘陵坡地行走作业特性，要求在一定允许调平误差范围内，实现农用动力底盘车身动态调平，满足高速行走作业要求。

农用动力底盘在丘陵坡地行走作业过程中动态调平主要有工作台调平和车身调平两种方式，工作台调平有三点或四点式调平方法，工程机械作业部件调平应用较多，车身调平是通过调整各悬架高度实现底盘调平；所采用的调平原理是通过工作台或车身上安装倾角传感器来获取倾斜角度，利用计算机通过滚珠丝杠或液压油缸来调节工作台或车身实现调平；这种调平方法是在车身出现瞬时倾斜时执行调平工作，属于滞后调平，适用于低速或超低速行走作业，是被动对地仿形，并具有一定的延后性，不具备提前检测路面信息，主动对地仿形，实现车身动态调平。专利CN104058023A和CN104070958A分别公开了一种车辆底盘水平调节装置和一种车辆底盘高度调节装置，均提供了具有高度调节功能的悬架，为丘陵坡地农用动力底盘车身调平提供了技术方案。

发明内容

本发明的目的是要提供一种农用动力底盘调平系统及其调平方法，通过检测车轮前方地面状况及车轮瞬时位置高度，计算各悬架调整量，提前开始、在一定时间内完成对各悬架高度的调整，使车轮主动对地仿形，实现农用动力底盘在丘陵坡地行走作业过程中车身动态调平。

农用动力底盘调平系统包括：测距传感器、位置传感器、中央处理器、车架、悬架、车轮，四组悬架按给定的轴距和轮距左右对称安装在车架上、下部与车轮联接，形成四轮农用动力底盘，四组测距传感器分别安装在车架上、位于各车轮正前方距离s处，四组位置传感器分别安装在悬架上，车架上设置有中央处理器，形成四轮农用动力底盘调平系统；其中悬架由减震器、高度调节机构、减速器、伺服电机组成，减震器下端与车轮联接、上端通过高度调节机构安装在车架上，高度调节机构通过减速器由伺服电机驱动、改变悬架的高度；由测距传感器测量车轮前方s处地面高度信息，由位置传感器测量悬架高度、获取车轮地面高度信息，中央处理器进行计算分析，由伺服电机驱动、实时调整各悬架高度，车轮主动对地面仿形，实现农用动力底盘行走作业过程中车架动态调平。

上述的高度调节机构，采用具有单向自锁功能的螺旋副，配备行星减速器，由螺旋副反向传动自锁功能保持悬架高度；或者采用齿轮齿条副，配备具有单向自锁功能的蜗轮蜗杆减速器，由蜗轮蜗杆副反向传动自锁功能保持悬架高度；由伺服电机驱动，实时调整各悬架高度，实现车轮主动对地线性仿形。

上述的悬架，采用专利CN104058023A的一种车辆底盘水平调节装置、或CN104070958A的一种车辆底盘高度调节装置中具有高度调节功能的悬架，由伺服电机驱动，实时调整各悬架高度，实现车轮主动对地非线性仿形。

农用动力底盘调平系统在行走作业过程中，底盘载荷分布至各悬架的载荷力由悬架中机械反向传动自锁功能保持平衡，当悬架所承受的载荷力一定时，改变减速器的传动比可以改变农用动力底盘动态调平特性，增大减速器的传动比可以减小伺服电机驱动功率，减小减速器的传动比可以适应农用动力底盘高速作业中动态调平。

农用动力底盘调平方法包括：

步骤1：系统启动初始化，调入设定参数：悬架高度最大值h_m、最小值h_n，底盘轮距a_x、轴距a_y、测距传感器安装距离s，由作业要求给定底盘许用侧倾角f_x、俯仰角f_y，依据f_x、f_y结合a_x、a_y换算得到悬架高度误差许用值c；设定底盘行走作业速度v，测距周期t＝s/v，将悬架调整至中位(h_m+h_n)/2；

步骤2：测距传感器以周期t测量车轮前方s处地面高度信息p₁、p₂、p₃、p₄，位置传感器以同一周期t同时测量悬架高度，获取车轮地面高度信息h₁、h₂、h₃、h₄，并将信息传输给中央处理器；

步骤3：中央处理器进行计算分析，数据输出：

⑴、地面高差计算：z₀₁＝h₁-p₁、z₀₂＝h₂-p₂、z₀₃＝h₃-p₃、z₀₄＝h₄-p₄，最大值z_m＝min(z₀₁，z₀₂，z₀₃，z₀₄)最小值z_n＝min(z₀₁，z₀₂，z₀₃，z₀₄)，平均值z₀＝(z₀₁+z₀₂+z₀₃+z₀₄)/4；

⑵、调整量计算：

①如果z_n>0，底盘上坡，z₁＝z₀₁-z_n，z₂＝z₀₂-z_n，z₃＝z₀₃-z_n，z₄＝z₀₄-z_n；

②如果z_m<0，底盘下坡，z₁＝z₀₁-z_m，z₂＝z₀₂-z_m，z₃＝z₀₃-z_m，z₄＝z₀₄-z_m；

③底盘上、下坡之外，其它地面，z₁＝z₀₁-z₀，z₂＝z₀₂-z₀，z₃＝z₀₃-z₀，z₄＝z₀₄-z₀；

⑶、超限判断：

①不超限条件：对于悬架号k＝1、2、3、4，如果全部满足h_m>(h_k+z_k)>h_n，不超限，正常调平；

②超上限条件：在悬架1、2、3、4中，存在一个超上限悬架号i、满足(h_i+z_i)>h_m，取z₁＝z₁-z_i，z₂＝z₂-z_i，z₃＝z₃-z_i，z₄＝z₄-z_i，继续调平；

③超下限条件：在悬架1、2、3、4中，存在一个超下限悬架号j、满足(h_j+z_j)<h_n，取z₁＝z₁-z_j，z₂＝z₂-z_j，z₃＝z₃-z_j，z₄＝z₄-z_j，继续调平；

④同时超上下限条件：在悬架1、2、3、4中，同时存在一个超上限悬架号i和超下限悬架号j、满足(h_i+z_i)>h_m且(h_j+z_j)<h_n，取z₁＝z₂＝z₃＝z₄＝0，未调平、警报；

⑷、数据输出：k＝1、2、3、4，如果|z_k|<c取u_k＝0，否则u_k＝z_k/t，输出升降速度u₁、u₂、u₃、u₄，以测距周期t为调整时间，u_i>0悬架降低、u_i<0悬架升高；

步骤4：在调整时间t内，依据悬架调节速度u₁、u₂、u₃、u₄，对各悬架进行独立调整，车轮主动对地仿形，调整完成后重复步骤2、继续下一循环周期，当系统发出超上下限警报，提示调平失效；

步骤5：作业完成后，各悬架调整至最低位置h_n，进入公路行驶状态。

本发明的有益效果在于，农用动力底盘在丘陵坡地行走作业过程中实时检测车轮前方地面信息及悬架高度信息，自动调节各悬架高度、车轮主动对地仿形，实现底盘的动态调平，满足农用动力底盘在丘陵坡地植保、收获、运输等作业要求，提高了丘陵坡地农用动力底盘的作业质量和应用范围。

附图说明

图1为农用动力底盘调平系统原理图；

图2为农用动力底盘调平系统中传感器采集信息方式图；

图3为农用动力底盘调平方法流程图；

其中，1：测距传感器；2：位置传感器；3：中央处理器；4：车架；5：悬架；6：车轮；7：减震器；8：高度调节机构；9：减速器；10：伺服电机。

具体实施方式

下面根据附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

图1所示的农用动力底盘调平系统原理图，农用动力底盘调平系统包括：测距传感器1、位置传感器2、中央处理器3、车架4、悬架5、车轮6，四组悬架5按给定的轴距和轮距左右对称安装在车架4上、下部与车轮6联接，形成四轮农用动力底盘，四组测距传感器1分别安装在车架4上、位于各车轮正前方距离s处，四组位置传感器2分别安装在悬架5上，车架4上设置有中央处理器3，形成四轮农用动力底盘调平系统；其中悬架5由减震器7、高度调节机构8、减速器9、伺服电机10组成，减震器7下端与车轮6联接、上端通过高度调节机构8安装在车架4上，高度调节机构8通过减速器9由伺服电机10驱动、改变悬架5的高度；由测距传感器测量车轮前方s处地面高度信息p₁、p₂、p₃、p₄，由位置传感器测量悬架高度、获取车轮地面高度信息h₁、h₂、h₃、h₄(如图2所示)，将两组地面高度信息传输给中央处理器，中央处理器进行计算分析，由伺服电机驱动、实时调整各悬架高度，车轮主动对地面仿形，实现农用动力底盘直线行走作业过程中车架动态调平。

上述的高度调节机构，采用具有单向自锁功能的螺旋副，配备行星减速器，由螺旋副反向传动自锁功能保持悬架高度；或者采用齿轮齿条副，配备具有单向自锁功能的蜗轮蜗杆减速器，由蜗轮蜗杆副反向传动自锁功能保持悬架高度；由伺服电机驱动，实时调整各悬架高度，实现车轮主动对地面仿形。农用动力底盘调平系统在行走作业过程中，底盘载荷分布至各悬架的载荷力由悬架中机械反向传动自锁功能保持平衡，当悬架所承受的载荷力一定时，改变减速器的传动比可以改变农用动力底盘动态调平特性，增大减速器的传动比可以减小伺服电机驱动功率，减小减速器的传动比可以适应农用动力底盘高速作业中动态调平。

图3所示的农用动力底盘调平方法流程图，农用动力底盘调平方法包括如下步骤：

步骤1：农用动力底盘进入田间作业模式，系统启动初始化，调入设定参数：悬架高度最大值h_m、最小值h_n，底盘轮距a_x、轴距a_y、测距传感器安装距离s，由作业要求给定底盘许用侧倾角f_x、俯仰角f_y，依据f_x、f_y结合a_x、a_y换算得到悬架高度误差许用值c＝0.5a_x*sinf_x+0.5a_y*cosf_x*sinf_y；设定底盘行走作业速度v，测距周期t＝s/v，将悬架调整至中位(h_m+h_n)/2；

步骤2：测距传感器以周期t测量车轮前方s处地面高度信息p₁、p₂、p₃、p₄，位置传感器以同一周期t同时测量悬架高度，获取车轮地面高度信息h₁、h₂、h₃、h₄，并将信息传输给中央处理器；

步骤3：中央处理器进行计算分析，数据输出：

⑴、地面高差计算：z₀₁＝h₁-p₁，z₀₂＝h₂-p₂，z₀₃＝h₃-p₃，z₀₄＝h₄-p₄；最大值z_m＝max(z₀₁,z₀₂,z₀₃,z₀₄)，最小值z_n＝min(z₀₁,z₀₂,z₀₃,z₀₄)，平均值z₀＝(z₀₁+z₀₂+z₀₃+z₀₄)/4；

⑵、调整量计算：

①如果z_n>0，底盘上坡，z₁＝z₀₁-z_n，z₂＝z₀₂-z_n，z₃＝z₀₃-z_n，z₄＝z₀₄-z_n；

②如果z_m<0，底盘下坡，z₁＝z₀₁-z_m，z₂＝z₀₂-z_m，z₃＝z₀₃-z_m，z₄＝z₀₄-z_m；

③底盘上、下坡之外，其它地面，z₁＝z₀₁-z₀，z₂＝z₀₂-z₀，z₃＝z₀₃-z₀，z₄＝z₀₄-z₀；

⑶、超限判断：

①不超限条件：对于悬架号k＝1、2、3、4，如果全部满足h_m>(h_k+z_k)>h_n，不超限、正常调平，转至数据输出⑷；

②超上限条件：在悬架1、2、3、4中，存在一个超上限悬架号i、满足(h_i+z_i)>h_m，取z₁＝z₁-z_i，z₂＝z₂-z_i，z₃＝z₃-z_i，z₄＝z₄-z_i，超上限、继续调平，转至数据输出⑷；

③超下限条件：在悬架1、2、3、4中，存在一个超下限悬架号j、满足(h_j+z_j)<h_n，取z₁＝z₁-z_j，z₂＝z₂-z_j，z₃＝z₃-z_j，z₄＝z₄-z_j，超下限、继续调平，转至数据输出⑷；

④同时超上下限条件：在悬架1、2、3、4中，同时存在一个超上限悬架号i和超下限悬架号j、满足(h_i+z_i)>h_m且(h_j+z_j)<h_n，取z₁＝z₂＝z₃＝z₄＝0，u₁＝u₂＝u₃＝u₄＝0，未调平、警报；

⑷、数据输出：k＝1、2、3、4，如果|z_k|<c取u_k＝0，否则u_k＝z_k/t，输出升降速度u₁、u₂、u₃、u₄，以测距周期t为调整时间，u_i>0悬架降低、u_i<0悬架升高；

步骤4：调节各悬架高度、车轮主动对地仿形，在调整时间t内，依据悬架调节速度u₁、u₂、u₃、u₄，对各悬架进行独立调整，悬架升降、车轮主动对地仿形，调整完成后重复步骤2、继续下一循环周期；当系统发出超上下限警报，提示人工干预，当不进行人工干预则调平系统重复步骤2、继续下一循环周期；

步骤5：作业完成后，农用动力底盘驶离田间，各悬架调整至最低位置h_n，进入公路行驶状态。

参考奇瑞PK400-B拖拉机底盘，试验样机设计参数：轴距a_y＝1966mm，轮距a_x＝1300mm，车轮半径r＝400mm，测距传感器分别安装在车架上位于车轮正前方距离s＝1400mm，可独立升降悬架的伸缩范围0～600mm，即h_m-h_n＝600mm，农用动力底盘调平系统能适应地面高差在600mm以内的作业要求；设定车辆的作业为喷药作业，车辆保持v＝5km/h匀速直线运动，传感器地面信息采集周期和悬架伸缩调整时间t＝1.008s,底盘许用侧倾角f_x＝1°、俯仰角f_y＝2°，悬架高度误差许用值c＝45.645mm，作业幅宽B＝20m，喷杆末端最大垂直位移220mm。

农用动力底盘调平系统及调平方法，由测距传感器测量车轮前方地面高度信息，由位置传感器测量悬架高度、获取车轮地面高度信息，将两组地面高度信息传输给中央处理器进行计算分析，由伺服电机驱动、实时调整各悬架高度，车轮主动对地面仿形，实现农用动力底盘行走作业过程中车架及其上的工作部件动态调平；行走作业过程中底盘载荷分布至各悬架的载荷力由悬架中机械反向传动自锁功能保持平衡，当悬架所承受的载荷力一定时，改变减速器的传动比可以改变农用动力底盘动态调平特性，由于提前检测获取车轮前方地面信息，实时调整各悬架高度，车轮主动对地面仿形，增大减速器的传动比可以减小伺服电机驱动功率，减小减速器的传动比可以适应农用动力底盘高速作业中动态调平。

Claims (4)

1.农用动力底盘调平系统，其特征在于，包括：测距传感器、位置传感器、中央处理器、车架、悬架、车轮，四组悬架按给定的轴距和轮距左右对称安装在车架上、下部与车轮联接，四组测距传感器分别安装在车架上、位于各车轮正前方距离s处，四组位置传感器分别安装在悬架上，车架上设置有中央处理器；其中悬架由减震器、高度调节机构、减速器、伺服电机组成，减震器下端与车轮联接、上端通过高度调节机构安装在车架上，高度调节机构通过减速器由伺服电机驱动、改变悬架的高度；由测距传感器测量车轮前方s处地面高度信息，由位置传感器测量悬架高度、获取车轮地面高度信息，中央处理器进行计算分析，由伺服电机驱动、实时调整各悬架高度，车轮主动对地面仿形，实现农用动力底盘行走作业过程中车架动态调平。

2.根据权利要求1所述的高度调节机构，其特征在于，采用具有单向自锁功能的螺旋副，配备行星减速器，由螺旋副反向传动自锁功能保持悬架高度；或者采用齿轮齿条副，配备具有单向自锁功能的蜗轮蜗杆减速器，由蜗轮蜗杆副反向传动自锁功能保持悬架高度；由伺服电机驱动，实时调整各悬架高度，实现车轮主动对地线性仿形。

3.根据权利要求1所述的悬架，其特征在于，采用专利CN104058023A的一种车辆底盘水平调节装置、或CN104070958A的一种车辆底盘高度调节装置中具有高度调节功能的悬架，由伺服电机驱动，实时调整各悬架高度，实现车轮主动对地非线性仿形。

4.农用动力底盘调平方法，其特征是包括以下步骤：

步骤1：系统启动初始化，调入设定参数：悬架高度最大值h_m、最小值h_n，底盘轮距a_x、轴距a_y、测距传感器安装距离s，由作业要求给定底盘许用侧倾角f_x、俯仰角f_y，依据f_x、f_y结合a_x、a_y换算得到悬架高度误差许用值c；设定底盘行走作业速度v，测距周期t＝s/v，将悬架调整至中位(h_m+h_n)/2；

步骤2：测距传感器以周期t测量车轮前方s处地面高度信息p₁、p₂、p₃、p₄，位置传感器以同一周期t同时测量悬架高度，获取车轮地面高度信息h₁、h₂、h₃、h₄，并将信息传输给中央处理器；

步骤3：中央处理器进行计算分析，数据输出：

⑴、地面高差计算：z₀₁＝h₁-p₁、z₀₂＝h₂-p₂、z₀₃＝h₃-p₃、z₀₄＝h₄-p₄，最大值z_m＝max(z₀₁,z₀₂,z₀₃,z₀₄)，最小值z_n＝min(z₀₁,z₀₂,z₀₃,z₀₄)，平均值z₀＝(z₀₁+z₀₂+z₀₃+z₀₄)/4；

⑵、调整量计算：

①如果z_n>0，底盘上坡，z₁＝z₀₁-z_n，z₂＝z₀₂-z_n，z₃＝z₀₃-z_n，z₄＝z₀₄-z_n；

②如果z_m<0，底盘下坡，z₁＝z₀₁-z_m，z₂＝z₀₂-z_m，z₃＝z₀₃-z_m，z₄＝z₀₄-z_m；

③底盘上、下坡之外，其它地面，z₁＝z₀₁-z₀，z₂＝z₀₂-z₀，z₃＝z₀₃-z₀，z₄＝z₀₄-z₀；

⑶、超限判断：

①不超限条件：对于悬架号k＝1、2、3、4，如果全部满足h_m>(h_k+z_k)>h_n，正常调平；

②超上限条件：在悬架1、2、3、4中，存在一个超上限悬架号i、满足(h_i+z_i)>h_m，取z₁＝z₁-z_i，z₂＝z₂-z_i，z₃＝z₃-z_i，z₄＝z₄-z_i，继续调平；

③超下限条件：在悬架1、2、3、4中，存在一个超下限悬架号j、满足(h_j+z_j)<h_n，取z₁＝z₁-z_j，z₂＝z₂-z_j，z₃＝z₃-z_j，z₄＝z₄-z_j，继续调平；

④同时超上下限条件：在悬架1、2、3、4中，同时存在一个超上限悬架号i和超下限悬架号j、满足(h_i+z_i)>h_m且(h_j+z_j)<h_n，取z₁＝z₂＝z₃＝z₄＝0，未调平、警报；

⑷、数据输出：k＝1、2、3、4，如果|z_k|<c取u_k＝0，否则u_k＝z_k/t，输出升降速度u₁、u₂、u₃、u₄，以测距周期t为调整时间，u_i>0悬架降低、u_i<0悬架升高；

步骤4：在调整时间t内，依据悬架调节速度u₁、u₂、u₃、u₄，对各悬架进行独立调整，车轮主动对地仿形，调整完成后重复步骤2、继续下一循环周期，当系统发出超上下限警报，提示调平失效；

步骤5：作业完成后，各悬架调整至最低位置h_n，进入公路行驶状态。