CN108437733B - 高速农用车辆平台预检测主动调平系统及调平方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高速农用车辆平台预检测主动调平系统及调平方法，属于车辆平台调平技术领域。包括：平台、支架、底座、车身、悬架、车轮、测距传感器、车身倾角传感器、平台倾角传感器、支架倾角调整电机、平台倾角调整电机、中央处理器，农用车辆在行走作业过程中，车身倾角传感器周期性读取车身的俯仰角和侧倾角，同时测距传感器周期性同步测量车轮前方地面的相对高度信息，计算出下一时刻车身的俯仰角、侧倾角变化量，预先获取在保持平台水平条件下、支架倾角调整电机和平台倾角调整电机的角度调整量，两个倾角调整电机在调整周期内完成预定角度调整，实现农用车辆在行走作业过程中平台的预检测主动调平。

Description

高速农用车辆平台预检测主动调平系统及调平方法
技术领域
本发明属于车辆平台调平技术领域，涉及一种高速农用车辆平台预检测主动调平系统及调平方法。
背景技术
在我国农作物种植用地中丘陵、盆地占有面积较多，农用车辆在丘陵、盆地等地形上行走作业时，存在着丘陵、盆地等复杂地形变化会引起车身侧倾角和俯仰角产生较大变化的问题，导致车辆平台或车身上的工作部件的作业效果产生较大的波动；因此，需要采取一定的调平技术措施使车辆平台或车身上的工作部件在一定误差允许范围内保持水平，从而保障工作部件的作业质量，常见的农用车辆动态调平技术措施主要有车辆平台调平和车身调平两种。
车辆平台调平和车身调平这两种调平方式都可以采用位置误差调平法、角度误差调平法或基于“离散平面”的调平策略，无论何种动态调平技术措施都是利用传感器检测车辆平台或者车身的倾角信息，然后把检测到的倾角信息传送到控制器进行处理，执行机构按照控制器的计算结果进行调整，从而实现车辆平台或车身的动态调平；以上的调平方法都属于被动调平方法，适用于低速或超低速行走作业，调整动作发生在不平状态出现之后具有一定的延后性，导致调平精度低或调整功耗大，不能够预先检测要通过的地面的高度信息并提前进行调整动作，不能实现车身预检测主动调平；CN106427451A公开了一种农用动力底盘调平系统和调平方法，通过提前检测地面的高度信息，计算下一时刻各悬架调整量来实现对车身的主动调平，此种方法需要调整四组悬架的高度，因此调整过程比较复杂、缓慢、且调整功耗大，适用于重载、低速车辆的车身调平；不能满足农用车辆高速、高效作业的发展趋势，因此，探索一种能够满足高速作业要求的农用车辆平台预检测主动调平系统及调平方法具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的是要提供一种高速农用车辆平台预检测主动调平系统及调平方法，针对丘陵、盆地等复杂地形变化引起车身俯仰角和侧倾角变化较大问题，实现农用车辆行走作业过程中车辆平台预检测主动调平；通过检测各车轮前方地面相对高度信息，计算出下一时刻车身俯仰角、侧倾角的变化量，预先获得在保持车辆平台水平条件下、平台的俯仰角和侧倾角调整量，从而可以提前一段时间开始调整平台的俯仰角、侧倾角，实现农用车辆在丘陵、盆地等复杂地形高速度行走作业中车辆平台的主动调平。
高速农用车辆平台预检测主动调平系统包括：平台(1)、支架(2)、底座(3)、车身(4)、悬架(5)、车轮(6)、测距传感器(7)、车身倾角传感器(8)、平台倾角传感器(9)、支架倾角调整电机(10)、平台倾角调整电机(11)、中央处理器(12)，四组悬架(5)按给定的轴距b和轮距a左右对称安装在车身(4)上、四组悬架(5)下部分别与四个车轮(6)联接，四个测距传感器(7)分别安装在车身(4)上、位于各车轮(6)前方距离s处，平台(1)和支架(2)转动连接、转角由平台倾角调整电机(11)控制，支架(2)和底座(3)转动连接、转角由支架倾角调整电机(10)控制，平台(1)和支架(2)的转动轴线与支架(2)和底座(3)的转动轴线垂直，底座(3)固连在车身(4)上、保持支架(2)和底座(3)的转动轴线与车身(4)前进方向平行，车身倾角传感器(8)安装在车身(4)上、测量车身(4)的俯仰角和侧倾角，平台倾角传感器(9)安装在平台(1)上、测量平台(1)的俯仰角和侧倾角残留量，中央处理器(12)设置在车身(4)上，组成高速农用车辆平台预检测主动调平系统。
农用车辆在行走作业过程中车身倾角传感器(8)周期性读取车身(4)的俯仰角和侧倾角，同时测距传感器(7)周期性同步测量车轮(6)前方s处地面的相对高度信息，由车轮(6)前方地面的相对高度信息、结合车身(4)的结构参数和悬架(5)协调变形原理，由中央处理器(12)计算出下一时刻车身的俯仰角、侧倾角变化量，预先获取在保持平台(1)水平条件下、支架倾角调整电机(10)和平台倾角调整电机(11)的角度调整量，两个倾角调整电机在调整周期内完成预定角度调整，实现农用车辆在行走作业过程中平台(1)的预检测主动调平；由高精度的平台倾角传感器(9)获得调平后平台(1)的俯仰角、侧倾角残留量，用作下一调整周期两个倾角调整电机角度调整量的补偿值；由于可以检测车辆前方地面的相对高度信息，并预先按照计算量驱动各调整电机完成调整过程，高速农用车辆平台预检测主动调平系统可以实现农用车辆在丘陵、盆地高速度行走作业时车辆平台的主动调平。
农用车辆根据不同作业任务对作业速度有不同的要求，当作业速度较低时，将支架倾角调整电机(10)和平台倾角调整电机(11)改用减速电机，在平台载荷相同条件下可以降低调整电机功率，实现农用车辆节本增效作业。
高速农用车辆平台预检测主动调平方法包括：
步骤1：系统启动初始化
设定系统参数：车辆底盘的轴距为b、轮距为a，测距传感器布置在车轮前方距离s处位于车身的F1、F2、F3、F4点，F1F2＝F3F4＝a、F1F4＝F2F3＝b，车辆的行走作业速度v，测距周期T＝s/v，调整平台俯仰角、侧倾角为0°；
步骤2：传感器读取测量信息
j时刻，读取测距传感器的四点测量值
Figure GDA0002466924180000021
读取车身倾角传感器的俯仰角
Figure GDA0002466924180000022
侧倾角
Figure GDA0002466924180000023
读取平台倾角传感器的俯仰角
Figure GDA0002466924180000024
和侧倾角
Figure GDA0002466924180000025
将读取到的信息传输到中央处理器；
步骤3：中央处理器进行分析计算
⑴计算j+1时刻各个车轮中心的相对高度
由j时刻车身俯仰角
Figure GDA0002466924180000026
侧倾角
Figure GDA0002466924180000027
计算F1、F2、F3、F4各点与F1点在铅垂方向相对高度差，分别为：ΔH1＝0，
Figure GDA0002466924180000028
计算j+1时刻各个车轮中心到F1点所在水平面的距离为：
Figure GDA0002466924180000031
得到j+1时刻各个车轮中心的相对高度为：
Figure GDA0002466924180000032
⑵计算j+1时刻车身俯仰角、侧倾角
根据协调变形原理，设定x、y分别为j+1时刻对应悬架1、3和2、4的变形量，令
Figure GDA0002466924180000033
Figure GDA0002466924180000034
联立以下公式：
Figure GDA0002466924180000035
h1-h2＝h4-h3、
Figure GDA0002466924180000036
可以解得j+1时刻车身的俯仰角
Figure GDA0002466924180000037
侧倾角
Figure GDA0002466924180000038
⑶计算支架倾角调整电机、平台倾角调整电机理论调整角
平台倾角调整电机在周期T内的理论调整角为
Figure GDA0002466924180000039
支架倾角调整电机在周期T内的理论调整角
Figure GDA00024669241800000310
⑷计算支架倾角调整电机、平台倾角调整电机实际调整角
平台倾角调整电机在周期T内的实际调整角为
Figure GDA00024669241800000311
支架倾角调整电机在周期T内的实际调整角
Figure GDA00024669241800000312
输出αt、βt；
步骤4：两个倾角调整电机完成调整动作
在周期T内，平台倾角调整电机调整αt，支架倾角调整电机调整βt，进行下一步；
步骤5：判断是否继续调平
若要继续调平则令j＝j+1重复步骤2、继续下一调平周期，否则结束调平。
本发明的有益效果在于，农用车辆在行走作业过程中，通过检测各车轮前方地面相对高度信息，计算出下一时刻车身俯仰角、侧倾角的变化量，预先获得在保持车辆平台水平条件下、平台的俯仰角和侧倾角调整量，从而可以提前一段时间开始调整平台的俯仰角、侧倾角，实现农用车辆在丘陵、盆地等复杂地形高速度行走作业中车辆平台的主动调平。满足农用车辆在丘陵盆地植保、收获、运输高速度作业要求，提高了丘陵盆地农用车辆的作业质量和应用范围；本套预检测主动调平台系统采用现有成熟技术实现，系统工作原理和平台的载具关联性不强，因此除了满足农用车辆使用外，还适用于其他车辆的平台调平。
附图说明
图1为高速农用车辆平台预检测主动调平系统原理图；
图2为高速农用车辆平台预检测主动调平系统中测距传感器布置方式图；
图3为高速农用车辆平台预检测主动调平方法流程图；
其中，1：平台；2：支架；3：底座；4：车身；5：悬架；6：车轮；7：测距传感器；8：车身倾角传感器；9：平台倾角传感器；10：支架倾角调整电机；11：平台倾角调整电机；12:中央处理器。
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。
图1所示的高速农用车辆平台预检测主动调平系统原理图，高速农用车辆平台预检测主动调平系统包括：平台(1)、支架(2)、底座(3)、车身(4)、悬架(5)、车轮(6)、测距传感器(7)、车身倾角传感器(8)、平台倾角传感器(9)、支架倾角调整电机(10)、平台倾角调整电机(11)、中央处理器(12)，四组悬架(5)按给定的轴距b和轮距a左右对称安装在车身(4)上、四组悬架(5)下部分别与四个车轮(6)联接，四个测距传感器(7)分别安装在车身(4)上、位于各车轮(6)前方距离s处，位于车身的F1、F2、F3、F4点，如图2所示，为了保证测距传感器测量地面相对高度信息时不受车轮的影响，保证r<s<b-2r；平台(1)和支架(2)转动连接、转角由平台倾角调整电机(11)控制，调整平台倾角调整电机(11)可以改变平台(1)的俯仰角；支架(2)和底座(3)转动连接、转角由支架倾角调整电机(10)控制，平台(1)和支架(2)的转动轴线与支架(2)和底座(3)的转动轴线垂直，调整支架倾角调整电机(10)可以改变平台(1)的侧倾角；底座(3)固连在车身(4)上、保持支架(2)和底座(3)的转动轴线与车身(4)前进方向平行，车身倾角传感器(8)安装在车身(4)上、测量车身(4)的侧倾角和俯仰角，平台倾角传感器(9)安装在平台(1)上、测量平台(1)的俯仰角和侧倾角残留量，平台倾角传感器(9)相较于车身倾角传感器(8)测量精度更高；中央处理器(12)设置在车身(4)上，组成高速农用车辆平台预检测主动调平系统。
农用车辆在行走作业过程中车身倾角传感器(8)周期性读取车身(4)的俯仰角和侧倾角，同时测距传感器(7)周期性同步测量车轮(6)前方s处地面的相对高度信息，由车轮(6)前方地面的相对高度信息、结合车身(4)的结构参数和悬架(5)协调变形原理，由中央处理器(12)计算出下一时刻车身的俯仰角、侧倾角变化量，预先获取在保持平台(1)水平条件下、支架倾角调整电机(10)和平台倾角调整电机(11)的角度调整量，两个倾角调整电机在调整周期内完成预定角度调整，实现农用车辆在行走作业过程中平台(1)的预检测主动调平；由于调整过程中会存在一定的误差，会使调整后的平台(1)的俯仰角、侧倾角不为0°，为了避免误差的积累需要消除误差，由高精度的平台倾角传感器(9)获得调平后平台(1)的俯仰角、侧倾角残留量，用作下一调整周期两个倾角调整电机角度调整量的补偿值，以达到消除误差的目的；由于可以检测车辆前方地面的相对高度信息，并预先按照计算量驱动各调整电机完成调整过程，高速农用车辆平台预检测主动调平系统可以实现农用车辆在丘陵、盆地高速度行走作业时车辆平台的主动调平。
农用车辆根据不同作业任务对作业速度有不同的要求，当作业速度较低时，v＝1-5km/h，将支架倾角调整电机(10)和平台倾角调整电机(11)改用减速电机，在平台载荷相同条件下可以降低调整电机功率，实现农用车辆节本增效作业。
图3所示的高速农用车辆平台预检测主动调平方法流程图，高速农用车辆平台预检测主动调平方法包括：
建立右旋直角坐标系XYZ，Y正向为车身(4)前进方向，Z正向为车身(4)向上方向，由右旋正交确定X正向，以下各角度值的符号由X、Y方向确定；
步骤1：系统启动初始化
设定系统参数：车辆底盘的轴距为b、轮距为a，测距传感器布置在车轮前方距离s处位于车身的F1、F2、F3、F4点，F1F2＝F3F4＝a、F1F4＝F2F3＝b，车辆的行走作业速度v，测距周期T＝s/v，调整平台俯仰角、侧倾角为0°，j＝0；
步骤2：传感器读取测量信息
j时刻，读取测距传感器的四点测量值
Figure GDA0002466924180000051
预先获取j+1时刻地面相对高度信息；读取车身倾角传感器的俯仰角
Figure GDA0002466924180000052
侧倾角
Figure GDA0002466924180000053
读取平台倾角传感器的俯仰角
Figure GDA0002466924180000054
和侧倾角
Figure GDA0002466924180000055
因为
Figure GDA0002466924180000056
的理论值为0°，所以俯仰角调平误差为
Figure GDA0002466924180000057
侧倾角调平误差为
Figure GDA0002466924180000058
将读取到的信息传输到中央处理器；
步骤3：中央处理器进行分析计算
⑴计算j+1时刻各个车轮中心的相对高度
由j时刻车身俯仰角
Figure GDA0002466924180000059
侧倾角
Figure GDA00024669241800000510
计算F1、F2、F3、F4各点与F1点在铅垂方向相对高度差，分别为：ΔH1＝0，
Figure GDA00024669241800000511
计算j+1时刻各个车轮中心到F1点所在水平面的距离为：
Figure GDA00024669241800000512
得到j+1时刻各个车轮中心的相对高度为：
Figure GDA00024669241800000513
⑵计算j+1时刻车身俯仰角、侧倾角
根据协调变形原理，设定x、y分别为j+1时刻对应悬架1、3和2、4的变形量，令
Figure GDA00024669241800000514
Figure GDA00024669241800000515
联立以下公式：
Figure GDA00024669241800000516
h1-h2＝h4-h3、
Figure GDA00024669241800000517
可以解得j+1时刻车身的俯仰角
Figure GDA00024669241800000518
侧倾角
Figure GDA00024669241800000519
⑶计算支架倾角调整电机、平台倾角调整电机理论调整角
从j时刻到j+1时刻，车身的俯仰角变化量为
Figure GDA00024669241800000520
侧倾角变化量为
Figure GDA00024669241800000521
平台倾角调整电机在周期T内的理论调整角为
Figure GDA00024669241800000522
在保持平台水平的前提下，支架倾角调整电机在周期T内的理论调整角βm和Δα、Δβ的关系式为
Figure GDA0002466924180000061
因此支架倾角调整电机在周期T内的理论调整角
Figure GDA0002466924180000062
⑷计算支架倾角调整电机、平台倾角调整电机实际调整角
平台倾角调整电机在周期T内的实际调整角为
Figure GDA0002466924180000063
匀速动作的角速度为
Figure GDA0002466924180000064
支架倾角调整电机在周期T内的实际调整角
Figure GDA0002466924180000065
匀速动作的角速度为
Figure GDA0002466924180000066
输出αt、βt、ω1、ω2；
步骤4：两个倾角调整电机完成调整动作
在周期T内，平台倾角调整电机调整αt，角速度为ω1，支架倾角调整电机调整βt，角速度为ω2，电机转向由αt、βt符号确定，进行下一步；
步骤5：判断是否继续调平
若要继续调平则令j＝j+1重复步骤2、继续下一调平周期，否则结束调平。
参考奇瑞PK400-B拖拉机底盘，试验样机设计参数：轴距b＝1966mm，轮距a＝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＝600mm；设定车辆的作业为喷药作业，车辆保持v＝10km/h匀速直线运动，传感器地面信息采集周期和两个倾角调整电机调整周期T＝0.216s。
试验过程中，通过检测各车轮前方地面相对高度信息，计算出下一时刻车身俯仰角、侧倾角的变化量，预先获得在保持车辆平台水平条件下、平台的俯仰角和侧倾角调整量，从而可以提前一段时间开始调整平台的俯仰角、侧倾角，实现农用车辆在丘陵、盆地等复杂地形高速度行走作业中车辆平台的主动调平。对开沟机、采摘机械等有一定调平作业要求的农用机械具有较强的使用价值，除此之外，还可以应用于一些具有调平作业要求的工程机械等。

Claims (3)

1.高速农用车辆平台预检测主动调平系统，其特征在于，包括：平台、支架、底座、车身、悬架、车轮、测距传感器、车身倾角传感器、平台倾角传感器、支架倾角调整电机、平台倾角调整电机、中央处理器，四组悬架按给定的轴距b和轮距a左右对称安装在车身上、四组悬架下部分别与四个车轮联接，四个测距传感器分别安装在车身上、位于各车轮前方距离s处，平台和支架转动连接、转角由平台倾角调整电机控制，支架和底座转动连接、转角由支架倾角调整电机控制，平台和支架的转动轴线与支架和底座的转动轴线垂直，底座固连在车身上、保持支架和底座的转动轴线与车身前进方向平行，车身倾角传感器安装在车身上、测量车身的俯仰角和侧倾角，平台倾角传感器安装在平台上、测量平台的俯仰角和侧倾角残留量，中央处理器设置在车身上；
农用车辆在行走作业过程中：车身倾角传感器周期性读取车身的俯仰角和侧倾角，同时测距传感器周期性同步测量车轮前方s处地面的相对高度信息，由车轮前方地面的相对高度信息、结合车身的结构参数和悬架协调变形原理，由中央处理器计算出下一时刻车身的俯仰角、侧倾角变化量，预先获取在保持平台水平条件下、支架倾角调整电机和平台倾角调整电机的角度调整量，两个倾角调整电机在调整周期内完成预定角度调整，实现农用车辆在行走作业过程中平台的预检测主动调平；由高精度的平台倾角传感器获得调平后平台的俯仰角、侧倾角残留量，用作下一调整周期两个倾角调整电机角度调整量的补偿值。
2.根据权利要求1所述的高速农用车辆平台预检测主动调平系统，其特征在于，当作业速度较低时，将支架倾角调整电机和平台倾角调整电机改用减速电机，在平台载荷相同条件下可以降低调整电机功率。
3.高速农用车辆平台预检测主动调平方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：系统启动初始化
设定系统参数：车辆底盘的轴距为b、轮距为a，测距传感器布置在车轮前方距离s处位于车身的F1、F2、F3、F4点，F1F2＝F3F4＝a、F1F4＝F2F3＝b，车辆的行走作业速度v，测距周期T＝s/v，调整平台俯仰角、侧倾角为0°；
步骤2：传感器读取测量信息
j时刻，读取测距传感器的四点测量值
Figure FDA0002466924170000011
读取车身倾角传感器的俯仰角
Figure FDA0002466924170000012
侧倾角
Figure FDA0002466924170000013
读取平台倾角传感器的俯仰角
Figure FDA0002466924170000014
和侧倾角
Figure FDA0002466924170000015
将读取到的信息传输到中央处理器；
步骤3：中央处理器进行分析计算
⑴计算j+1时刻各个车轮中心的相对高度
由j时刻车身俯仰角
Figure FDA0002466924170000016
侧倾角
Figure FDA0002466924170000017
计算F1、F2、F3、F4各点与F1点在铅垂方向相对高度差，分别为：ΔH1＝0，
Figure FDA0002466924170000018
计算j+1时刻各个车轮中心到F1点所在水平面的距离为：
Figure FDA0002466924170000021
得到j+1时刻各个车轮中心的相对高度为：
Figure FDA0002466924170000022
⑵计算j+1时刻车身俯仰角、侧倾角
根据协调变形原理，设定x、y分别为j+1时刻对应悬架1、3和2、4的变形量，令
Figure FDA0002466924170000023
Figure FDA0002466924170000024
联立以下公式：
Figure FDA0002466924170000025
h1-h2＝h4-h3、
Figure FDA0002466924170000026
可以解得j+1时刻车身的俯仰角
Figure FDA0002466924170000027
侧倾角
Figure FDA0002466924170000028
⑶计算支架倾角调整电机、平台倾角调整电机理论调整角
平台倾角调整电机在周期T内的理论调整角为支架倾角调整电机在周期T内的理论调整角
Figure FDA00024669241700000210
⑷计算支架倾角调整电机、平台倾角调整电机实际调整角
平台倾角调整电机在周期T内的实际调整角为
Figure FDA00024669241700000211
支架倾角调整电机在周期T内的实际调整角
Figure FDA00024669241700000212
输出αt、βt；
步骤4：两个倾角调整电机完成调整动作
在周期T内，平台倾角调整电机调整αt，支架倾角调整电机调整βt，进行下一步；
步骤5：判断是否继续调平
若要继续调平则令j＝j+1重复步骤2、继续下一调平周期，否则结束调平；
其中：h1、h2、h3、h4分别为j+1时刻四组悬架1、2、3、4在车身上安装点的相对高度。
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