CN107505144A - 一种四轮独立驱动独立转向电动喷雾机作业车试验平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自走式四轮独立驱动独立转向电动喷雾机作业车试验平台，包括硬件结构和控制系统；实体结构主要由底盘车架和车轮组件两部分组成，总体转向与总体行走机构由四个结构完全相同的单轮组成，单轮组件包括独立行走和独立转向部分，独立行走部分由直流电机驱动器和直流电机以及减速器组成，独立转向由步进电机驱动器、步进电机共同完成；控制系统主要由中央控制单元、反馈装置、报警装置和供电装置组成；中央控制单元由单片机和计算机组成；速度传感器、陀螺仪、加速度计、Zigbee以及外围电路共同组成系统反馈装置；报警装置主要由报警指示灯和语音提示模块组成；供电装置由蓄电池和稳压模块组成，起供电和稳压作用，本试验平台的发明实现了多种作业模式，可加快针对该作业车侧翻稳定性控制器的研究与开发。

Description

一种四轮独立驱动独立转向电动喷雾机作业车试验平台

技术领域

本发明涉及一种喷雾机作业车试验平台，尤其是针对研究在复杂工况下四轮独立驱动独立转向作业车侧倾稳定性问题。

背景技术

玉米已成为我国第一大粮食作物，玉米中后期的植保施药已成为保证玉米，特别是制种玉米优质、高产和稳产的最有效办法。玉米种植业的迅速发展也推动了我国在玉米植保施药机械方面的进步，但总体来说，我国玉米植保施药机械处于起步阶段，虽然已有一些植保施药作业车，但由于作业车重心较高，作业时受路面激励影响，作业车的行驶安全性和作业质量、效率难以保证，从欧美国家引进又具有明显的技术推广地域局限性，故迫切需要开发并利用一种适合我国玉米中后期的植保喷雾作业车。

自走式高地隙喷雾机受外界路面随机输入，非满载药箱药液晃动等不确定因素干扰，以及自身重心高特点，作业车在田间作业时发生垂直载荷转移明显，极易因侧倾加速度过大发生绊倒性侧翻或仰翻，造成人员伤亡和环境污染，显然侧倾稳定性问题亟待解决；以及针对适应玉米中后期自走式高地隙喷雾机还未见相关机型的情况下，搭建一种四轮独立驱动独立转向电动喷雾机作业车试验平台，研究在复杂工况下作业车侧倾稳定性问题，可以加快针对该作业车侧翻稳定性控制器开发。

相对于电动喷雾机，电动汽车的发展已经比较成熟，自1881年法国工程师发明了第一辆电动车，到如今随处可见的全方位四轮转向的电动车身影，电动汽车相关的转向、导向、驱动和控制都取得了很好的研究和应用成果；依据作业车对作业环境和工作要求，并结合电动汽车的技术优势，搭建一种四轮独立驱动独立转向电动喷雾机作业车试验平台，研究作业车变负载，复杂路况下作业车侧倾稳定性问题，对研究适应田间作业的自走式高底隙电动喷雾机并保持原有优点有重要意义和价值。

发明内容

（一）要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是提供一种四轮独立驱动独立转向电动喷雾机作业车试验平台，来研究作业车在不同作业模式下路面激励对侧倾稳定性影响，并提出相应的控制策略。

我国现有的自走式喷雾机底盘车架离地间隙均在0.6-1.35m之间，仅能满足小麦、棉花以及玉米前期植保施药，且同样存在行车模式单一、变负载重心不稳、易发生侧翻或仰翻问题，明显的限制作业效率。此外，适应玉米中后期自走式高地隙喷雾机还未见相关机型，而研究作业车侧倾稳定性是一个极其危险问题，特别是药箱满载达5t药液，稍有不慎会造成重大环境污染以及经济损失。

（二）技术方案

为了解决自走式高地隙喷雾机行车模式单一，难以适应田间作业复杂工况，易发生侧翻或仰翻问题，综合电动车的运动控制特性，搭建一种四轮独立驱动独立转向电动喷雾机作业车试验平台，包括；作业车试验平台的总体结构以底盘车架为承载基础，设计单轮独立驱动独立转向机构，其中独立行走机构主要由J45LY804型永磁直流力矩电机以及相应的直流电机驱动器以及减速器所组成，而独立转向机构主要由110BF01型步进电机以及相应的步进电机驱动器所组成，这样单轮可以独立完成转向和驱动；以单轮为单元，设计的作业车试验台具有相同的结构，即四轮均可以独立完成转向和驱动；在此基础上，将四轮行走机构统一由单片机控制，形成整车行走机构；将四轮转向机构统一由9S12XS128MAL单片机控制，形成整车转向机构。

本发明的特征为：作业车四轮具有相同的结构，对于单轮而言，中央控制单元的单片机统一对各轮进行行驶模式控制，并控制行走机构的直流电机开、停和转动方向；并控制转向机构的步进电机开、停和转动方向，以实现整车的方向调整；反馈装置将采集作业车转速，加速度和侧倾角等信息经串口传递给单片机，同时将采集到的信息经过ZigBee无线传输到计算机中，对数据分析，可随时修改控制参数和指令，并经ZigBee传递给单片机，实现实时数据分析和电机的实时控制；供电装置由蓄电池和稳压模块组成，为所有电力机构、驱动机构、控制系统供电，并满足不同模块工作电压的需要。

本发明的进一步技术方案为：对于单个车轮而言，需要采集转角以及转速信号，速度传感器采用EPC-755A双向输出光码盘，并固定在电机输出轴上；对于整车而言，需要采集整车的加速度以及侧倾角，采用MPU-6050型6轴运动处理传感器，该传感器集成3轴MEMS陀螺仪和3轴MEMS加速度计，故只需将该传感器固定在整车质心附近就可以采集到作业车在各个作业模式（工况）下瞬时加速度和侧倾角，对采集到的侧倾角积分后得到实时侧倾加速度；上述传感器采集到的信号经过数据采集卡处理后，传递给中央控制单元，同时单片机将信号经无线传输技术传递给计算机完成信息反馈；对于报警装置而言，采用报警指示灯和内含23条控制指令的ISD1730芯片语音提示模块，该模块直接与单片机相连，一旦反馈装置检测到作业车侧倾加速度超过安全阈值，自启动报警装置，单片机最优先中断停止，防止作业车因侧倾加速度过大发生绊倒性侧翻或仰翻。

（三）有益效果。

作业车试验平台为电能驱动，体现了清洁、环保、高效的设计理念。其中底盘车架尽量采用螺栓连接方式，关键部位选择焊接；此外选择直流力矩电机直接驱动车轮，可实现无级变速，省去中间的机械传动部分，传动效率明显提高。

作业车试验平台转向系统为角位移闭环控制系统，以步进电机和角速度传感器代替复杂昂贵的伺服电机作为转向电机，可以大大减少试验台的搭建成本，且步进电机维修方便。

作业车试验平台的反馈装置采用了Zigbee技术，通过与9S12XS128MAL单片机P0口连接，设定无线局域网协议与计算机连接，实现传感器、单片机与计算机实时信息共享，随时更改控制参数和电机指令，最快寻优，加快针对该作业车侧翻稳定性控制器的研究与开发。

作业车试验平台的四轮转向可以实现前轮转向、后轮转向、四轮转向、斜行和蟹行转向，适地形能力强，可显著提高作业车稳定性。

附图说明

图1是本发明实施例的总体方案示意图。

图2是本发明实施例的信息传递示意图。

图3是本发明实施例的底盘车架示意图。

图4是本发明实施例的不同行车模式图。

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。以下实施例仅用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1所示，图1是本发明实施例的总体方案示意图。本实施例提供了一种四轮独立驱动独立转向电动喷雾机试验平台，其目的是研究作业车在复杂工况下侧倾稳定性问题。该平台以底盘车架为承载基础，设计单轮独立驱动独立转向机构，其中独立行走机构主要由J45LY804型永磁直流力矩电机以及相应的直流电机驱动器以及减速器所组成，而独立转向机构主要由110BF01型步进电机以及相应的步进电机驱动器所组成，这样单轮可以独立完成转向和驱动，以单轮为单元，设计的作业车试验台具有相同的结构，即四轮均可以独立完成转向和驱动。在此基础上，将四轮行走机构统一由单片机控制，形成整车行走机构；将四轮转向机构统一由9S12XS128MAL单片机控制，形成整车转向机构。

如图1、2结合图3，图1是本发明实施例的总体方案示意图，图2是本发明实施例的信息传递示意图，图3是本发明实施例的底盘车架示意图。作业车的底盘车架采用焊接性能好的Q235型钢，尽量用螺栓代替焊接连接；作业车的四轮具有相同的结构，对于单轮而言，中央控制单元的9S12XS128MAL单片机统一对各轮进行行驶模式控制，并控制行走机构的直流电机开、停和转动方向；并控制转向机构的步进电机开、停和转动方向，以实现整车的方向调整。反馈装置则将采集到作业车转速，加速度和侧倾角等信息经串口传递给单片机，同时将采集到的信息经过ZigBee无线传输到计算机中，对数据分析，可随时修改控制参数和指令，并经ZigBee传递给单片机，实现实时数据分析和电机的实时控制。供电装置由蓄电池和稳压模块组成，为所有电力机构、驱动机构、控制系统供电，并满足不同模块工作电压的需要。

对于单个车轮而言，需要采集转角以及转速信号，速度传感器采用EPC-755A双向输出光码盘，并固定在电机输出轴上；对于整车而言，需要采集整车的加速度以及侧倾角，采用MPU-6050型6轴运动处理传感器，该传感器集成3轴MEMS陀螺仪和3轴MEMS加速度计，故只需将该传感器固定在整车质心附近就可以采集到作业车在各个作业模式（工况）下瞬时加速度和侧倾角，对采集到的侧倾角积分后得到实时侧倾加速度；上述传感器采集到的信号经过数据采集卡处理后，传递给中央控制单元，同时单片机将信号经无线传输技术传递给计算机完成信息反馈；对于报警装置而言，采用报警指示灯和内含23条控制指令的ISD1730芯片语音提示模块，该模块直接与单片机相连，一旦反馈装置检测到作业车侧倾加速度超过安全阈值，自启动报警装置，单片机最优先中断停止，防止作业车因侧倾加速度过大发生绊倒性侧翻或仰翻。

如图4所示，图4是本发明实施例的不同行车模式图。正因为转向机构采用了步进电机和角速度传感器所形成的闭环控制系统，可保证360度转向，使作业车可实现前轮转向、后轮转向、四轮转向、斜行和蟹行转向，适地形能力强，可显著提高作业车稳定性。

作业车试验平台的反馈装置采用了Zigbee技术，通过与9S12XS128MAL单片机P0口连接，设定无线局域网协议与计算机连接，实现传感器、单片机与计算机实时信息共享，随时更改控制参数和电机指令，最快寻优，加快针对该作业车侧翻稳定性控制器的研究与开发。

Claims (9)

1.一种四轮独立驱动独立转向电动喷雾机作业车试验平台，其特征在于，所述作业车试验平台硬件包括；底盘车架，所述车架结构提供承载平台，是作业车试验平台的基础，尽量用螺栓连接代替焊接；行走机构，所述作业车的行驶由四个结构完全相同的单轮独立驱动所完成，而独立行走部分由直流力矩电机以及相应的直流电机驱动器以及减速器所组成，统一控制，用于输出作业车行驶所需的转速、扭矩和车轮转向；转向机构，所述作业车的转向由四个完全相同的单轮独立转向所完成，而独立转向部分由步进电机以及相应的步进电机驱动器所组成，统一控制，用于作业车的转向，可实现多种作业模式。

2.一种四轮独立驱动独立转向电动喷雾机作业车试验平台，其特征在于，所述作业车试验平台控制系统包括；中央控制单元，中央控制单元由单片机和计算机组成，可完成对作业车各种行驶模式控制、系统仿真和数据分析；反馈装置，所述反馈装置由速度传感器、陀螺仪、加速度计、Zigbee以及外围电路共同组成，对信号采集、转换、无线传输给控制单元，并完成对行驶作业状态实时反馈；报警装置，所述报警装置主要由报警指示灯和语音提示模块以及外围电路组成，通过串口与单片机相连，一旦反馈装置检测到作业车侧倾加速度超过安全阈值，自启动报警装置，单片机最优先中断停止，防止作业车因侧倾加速度过大发生绊倒性侧翻或仰翻；供电装置，所述供电装置由蓄电池和稳压模块组成，为所有电力机构、驱动机构、控制系统供电，并满足不同模块工作电压的需要。

3.根据权利要求1所述的四轮独立驱动独立转向电动喷雾机作业车试验平台，其特征在于，所述单轮独立驱动独立转向机构中的行走机构主要由J45LY804型永磁直流力矩电机以及相应的直流电机驱动器以及减速器所组成，其中，所述的直流电机以及减速器输出作业车行驶所需的转矩和转速。

4.根据权利要求1所述的四轮独立驱动独立转向电动喷雾机作业车试验平台，其特征在于，所述单轮独立驱动独立转向机构中的转向机构主要由110BF01型步进电机以及相应的步进电机驱动器所组成，其中，所述的步进电机驱动器以及步进电机输出转向所需的转矩及转速。

5.根据权利要求1所述的四轮独立驱动独立转向电动喷雾机作业车试验平台，其特征在于，所述的行车模式包括前轮转向，后轮转向，四轮转向，斜行行驶，蟹行行驶，原地转向六种作业行驶模式中的一种或多种。

6.根据权利要求2所述的四轮独立驱动独立转向电动喷雾机作业车试验平台，其特征在于，所述的速度传感器采用EPC-755A双向输出光码盘，该光码盘以及相互配合的光电器件固定在电机输出轴上，直接将光电器件发出的数字脉冲与9S12XS128MAL单片机的计数器端口连接，将车速和车轮正反转信号以及车轮转角信号反馈至中央控制单元。

7.根据权利要求2所述的四轮独立驱动独立转向电动喷雾机作业车试验平台，其特征在于，

所述反馈装置采用MPU-6050型6轴运动处理传感器，该传感器集成3轴MEMS陀螺仪、3轴MEMS加速度计以及一个可扩展的DMP，将该传感器固定在整车质心处，并将采集到作业车的瞬时侧倾角和加速度反馈中央控制单元。

8.根据权利要求2所述的四轮独立驱动独立转向电动喷雾机作业车试验平台，其特征在于，所述反馈装置通过串口和数据协议将ZigBee模块与单片机和计算机双向连接，将上述采集的信号经无线距离传输送到计算机，通过计算机数据分析与仿真，可及时修正控制程序，同时新产生的控制信号通过ZigBee技术传输给单片机，单片机下达指令实现电机实时控制。

9.根据权利要求2所述的四轮独立驱动独立转向电动喷雾机作业车试验平台，其特征于，所述报警装置采用报警指示灯和语音提示模块，其中采用内含23条控制指令ISD1730芯片语音提示模块，该模块通过串口与中央控制单元单片机连接，一旦反馈装置检测到作业车侧倾加速度超过安全阈值，自启动报警装置，单片机最优先中断停止，防止作业车因侧倾加速度过大发生绊倒性侧翻或仰翻。