CN108082279A - 一种拖拉机自动转向控制系统 - Google Patents
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Abstract
一种拖拉机自动转向控制系统，包括单片机(C8051F040)，角度传感器(KMA199 )以及CAN总线网络，实现了SD卡存储系统，实时存储试验过程中的数据。该控制系统弥补了使用电动机传动控制对大型机器控制的不足，解决了转向动力的问题。角度传感器KMA199和CAN总线在长时间田间等恶劣条件下，工作稳定。SD卡存储系统的使用，避免了使用传统PC机和串口线采集数据操作繁琐、速度慢等问题，试验数据的采集更加实时、方便，可以存储大容量的数据。
Description
技术领域
本发明涉及一种拖拉机自动转向控制系统，适用于机械领域。
背景技术
自动转向控制系统是实现农业机械自动导航的关键技术之一。国内外对自动转向技术进行了大量的研究。目前.常用方法有电动机控制和电液控制两种。国外，自动转向技术研究比较成熟，如Qiu H与Zhane Q设计了由液压泵、比例换向阀和转向控制器(ECU)等组成的拖拉机电液操控系统。在国内，电动机控制方法比较常见，如张智刚等采用张紧带和同步齿形带将电动机转矩传递至方向盘转轴上，实现了插秧机的自动转向控制。胡炼等采用小功率直流电动机驱动摩擦轮，与方向盘产生摩擦，实现插秧机的自动转向控制。陈文良等通过加装全液压转向器、步进电动机及其驱动器、电磁换向阀和液压连接部件，实现了拖拉机的自动转向。
电液控制转向系统具有控制功率大、响应速度快等特点，更适合用于大中型农田作业机械导航中。本文重点阐述自动转向控制系统的结构，包括电控液压比例换向阀的应用和油路的改装、电控单元的实现、无触式磁阻角度传感器KMA199的安装与使用、SD卡存储系统的使用以及CAN总线通信网络的搭建。最后，使用即算法，通过实验室和田间试验，获得试验结果。
发明内容
本发明提出了一种拖拉机自动转向控制系统，包括单片机(C8051F040)，角度传感器(KMA199 )以及CAN总线网络，实现了SD卡存储系统，实时存储试验过程中的数据。
本发明所采用的技术方案是：
所述拖拉机自动转向控制系统主要由2大部分组成：①液压部分，主要是比例电控阀与改装后的油路。②控制单元，包括单片机(MCU)及其外围电路、角度传感器和上位机(ARM9嵌入式系统)。上位机决策给出输入控制量，角度传感器测量得到车轮当前位置作为反馈量。
所述控制系统的电控液压阀部分（比例阀、换向阀） 经过流量控制，达到控制转向速度的目的，换向电磁阀实现油路方向的切换控制，以控制前轮左、右转向，溢流阀保护整个油路。
所述转向控制单元硬件电路主要选用C8051F040单片机作为控制器。结合单片机外围电路，实现驱动电控液压阀、测量转向角度和与上位机通信等功能。
所述控制系统将CAN总线通信网络应用到拖拉机导航系统中，整个导航拖拉机控制系统建立在CAN总线网络结构上。CAN总线挂接和卸载其他节点都没有对整个网络造成影响。在实现转向控制节点之后，试验又相继挂接了挡位控制单元、刹车控制单元等其他的控制节点。
本发明的有益效果是：该控制系统弥补了使用电动机传动控制对大型机器控制的不足，解决了转向动力的问题。角度传感器KMA199和CAN总线在长时间田间等恶劣条件下，工作稳定。SD卡存储系统的使用，避免了使用传统PC机和串口线采集数据操作繁琐、速度慢等问题，试验数据的采集更加实时、方便，可以存储大容量的数据。
附图说明
图1是本发明的自动转向控制系统总体结构。
图2是本发明的转向控制单元硬件电路框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1，拖拉机自动转向控制系统主要由2大部分组成:①液压部分，主要是比例电控阀与改装后的油路。②控制单元，包括单片机(MCU)及其外围电路、角度传感器和上位机(ARM9嵌入式系统)。上位机决策给出输入控制量，角度传感器测量得到车轮当前位置作为反馈量。
拖拉机自动转向控制系统是一个闭环系统。其中，θ1为上位机的控制信号，也就是目标值，θ为转向前轮的实际转向角，θ2为角度传感器测得的车轮转角，e为输入控制角度与反馈角度之间的偏差。单片机通过分析上述角度变量，设计控制算法和程序，输出驱动控制电控液压阀，实现电控自动转向。
转向控制单元硬件电路主要选用C8051F040单片机作为控制器，结合单片机外围电路，实现驱动电控液压阀、测量转向角度和与上位机通信等功能。
如图2，上位机ARM9嵌入式系统通过接收RTK-DGPS信号，通过路线规划和算法决策，给出转向控制指令。主控单片机C8051F040通过CAN总线与上位机通信，得到上位机的转向控制信号。KMA199角度传感器实测得到当前车轮的转向角，通过ADC接口输入给单片机。单片机通过分析、运算和决策，得到控制比例阀开度的DACO控制量和左、右换向阀通断控制量，输出给单片机的外围电路，外围电路连接比例换向阀的线圈，控制前轮动作。前轮动作后，KMA199又实时检测和反馈给单片机，单片机通过CAN总线反馈给上位机。如此循环形成一个闭环控制系统。
C8051F040单片机是一款功能强大的单片机，包括很多丰富的片内外设，如模数转换器(ADC)、逻辑门阵列(PCA)和CAN总线控制器等，方便实现系统的搭建。转向控制单元通过CAN控制器接收上位机发送的控制指令，并发送给上位机反馈信息。KMA199实时测得车轮转向角，利用单片机的片内ADC采集得到角度值。C8051F040单片机还有一个SPI总线，用来实现SD卡连接。
一般使用连杆装置的传感器测量转向角，如苑志超在轻中型商用车电动助力转向系统的研究中，使用的日本OMRON公司的光学编码器是一个连杆机构的传感器。而目前电位器在农机转向角测量中仍有使用.如胡炼在插秧机电控操作机构中，使用的是高精度带连杆机构的电位器。连杆机构的传感器容易受机械传动和车辆振动影响而导致损坏，且因振动产生测量噪声。KMA199是一种磁敏电阻式角度传感器，采用非接触式测量，受振动影响小，在拖拉机处于污染环境和受到机械损伤情况下，仍可以稳定地工作。避免了连杆机构的传感器(如电位器、连杆式角度传感器)由于撞击等原因造成的角度测量不准确甚至传感器损坏。
农业机械智能导航控制技术的试验中，有大量的实时数据需要保存。在室内试验和田间试验过程中，数据的采集存储一般都是通过串口连接计算机采集数据。在长期使用串口线采集数据的试验中，电磁干扰、串口线不慎断开等原因容易造成数据丢失。而且，串口数据采集方式在实时监控方面不方便。本文使用SD卡数据存储系统实现了数据的实时存储。SD卡与单片机的SPI总线连接，实现通信。单片机系统时钟设置为11.059 2MHz，采用Fat32格式，将系统只设置为存储数据，试验测得系统最快的存储速度为128Kb/s。
CAN (controller area net)总线具有启动成本低、通信速率较高(最高可达1Mb/s)、可靠性高等优点，在农业机械控制中得到了应用。本设计将CAN总线通信网络应用到拖拉机导航系统中。整个导航拖拉机控制系统建立在CAN总线网络结构上。CAN总线挂接和卸载其他节点都没有对整个网络造成影响。在实现转向控制节点之后，试验又相继挂接了挡位控制单元、刹车控制单元等其他的控制节点。
Claims (6)
1.一种拖拉机自动转向控制系统，其特征是：所述拖拉机自动转向控制系统主要由液压部分和控制单元2大部分组成。
2.根据权利要求1所述的一种拖拉机自动转向控制系统，其特征是：所述液压部分主要是比例电控阀与改装后的油路。
3.根据权利要求1所述的一种拖拉机自动转向控制系统，其特征是：所述控制单元包括单片机(MCU)及其外围电路、角度传感器和上位机(ARM9嵌入式系统)，上位机决策给出输入控制量，角度传感器测量得到车轮当前位置作为反馈量。
4. 根据权利要求1所述的一种拖拉机自动转向控制系统，其特征是：所述控制系统的电控液压阀部分（比例阀、换向阀） 经过流量控制，达到控制转向速度的目的，换向电磁阀实现油路方向的切换控制，以控制前轮左、右转向，溢流阀保护整个油路。
5.根据权利要求1所述的一种拖拉机自动转向控制系统，其特征是：所述转向控制单元硬件电路主要选用C8051F040单片机作为控制器，结合单片机外围电路，实现驱动电控液压阀、测量转向角度和与上位机通信等功能。
6.根据权利要求1所述的一种拖拉机自动转向控制系统，其特征是：所述控制系统将CAN总线通信网络应用到拖拉机导航系统中，整个导航拖拉机控制系统建立在CAN总线网络结构上，CAN总线挂接和卸载其他节点都没有对整个网络造成影响，在实现转向控制节点之后，试验又相继挂接了挡位控制单元、刹车控制单元等其他的控制节点。
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|---|---|---|---|---|
| CN108762165A (zh) * | 2018-06-28 | 2018-11-06 | 辽宁工业大学 | 一种汽车状态测控方法 |
| CN109204193A (zh) * | 2018-10-12 | 2019-01-15 | 杭州小驹物联科技有限公司 | 一种快速识别汽车信号和参数的方法及系统 |
| CN109283923A (zh) * | 2018-07-02 | 2019-01-29 | 清博（昆山）智能科技有限公司 | 一种拖拉机自动转向系统的建模系统 |
| CN112148020A (zh) * | 2020-09-10 | 2020-12-29 | 无锡卡尔曼导航技术有限公司 | 一种基于eps的农机自动驾驶系统及控制方法 |
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2016
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