CN111396549B - 农机hst中位自动回归智能控制方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种农机HST中位自动回归智能控制系统，包括双刀电子切换开关、控制装置、电磁阀、HST变量流量泵、流量分配器、液压装置，双刀电子切换开关包括用于输入车辆换挡指令，控制装置根据预设的农机HST中位自动回归智能控制方法对电磁阀的输出电流周期性分段调节，以分段完成车辆换挡指令。本发明能够通过分级调整电磁阀的输出电流，按照设定周期，分M段逐级调整HST变量流量泵的输出排量变化值，使农机在档位切换时能够保持车身平稳，提高农机驾驶的舒适性和安全性。

Description

农机HST中位自动回归智能控制方法和系统

技术领域

本发明涉及智能农机技术领域，具体而言涉及一种农机HST中位自动回归智能控制方法和系统。

背景技术

随着技术发展和时代进步，利用HST无级变速+有级机械变速箱组合的形式，逐步取代传统的机械传动方式，成为高端农业机械发展的方向。发明专利ZL201510432176.9“HST无级变速多档一杆操纵系统”公开了一种HST无级变速多档一杆操纵系统，为便于制造实施，将HST无级调速、机械变速箱档位切换、前进与倒退等所有行走功能控制于一体，使驾驶操作更加方便舒适，充分体现液压驱动的优势。

但是，HST回归中位时会产生过大的冲击力引起整机不平衡，容易造成农机车体失衡的状态，造成安全事故。由于农机辅助驾驶及无人技术是一个发展趋势，因此急需研发一种与HST操纵系统配套的智能控制装置，辅助HST操纵系统平稳操纵农机。

发明内容

本发明目的在于提供一种农机HST中位自动回归智能控制方法和系统，通过分级调整电磁阀的输出电流，按照设定周期，分M段逐级调整HST变量流量泵的输出排量变化值，使农机在档位切换时能够保持车身平稳，提高农机驾驶的舒适性和安全性。

为达成上述目的，本发明提出一种农机HST中位自动回归智能控制方法，所述控制方法根据预设的调整规则周期性分段调整与HST变量流量泵控制端相连的电磁阀的输出电流，以逐级降低HST变量流量泵的输出排量，包括以下步骤：

S1：接收外部发送的回归中位控制指令，探测电磁阀的初始输出电流I_t；

S2：设电磁阀的最低驱动值为I_min，根据下述公式计算电磁阀的控制分段数M：

其中，M为正整数，ΔI是预设的输出电流降幅，

S3：以ΔT为控制周期，根据计算得到的分段数M逐级降低电磁阀的输出电流，直至电磁阀的输出电流小于I_min，在下一个控制周期内将电磁阀的输出电流降为0，执行完成本次回归中位控制指令，其中，ΔT是预设的控制周期，ΔT大于电磁阀最大反应时间。

进一步的实施例中，所述控制方法还包括：

当车身颠簸幅度大于设定颠簸幅度阈值时，采用梯度下降算法以修正计算得到的电磁阀的输出电流，修正过程包括以下步骤：

实时探测第i时刻电磁阀的输出电流I_i，计算实时控制分段数m：

令

采用下述公式计算修正后的电流加权平均值θ_i：

θ_i＝βθ_i-1+(1-β)I_i。

基于前述控制方法，本发明还提及一种农机HST中位自动回归智能控制系统，所述智能控制系统包括双刀电子切换开关、控制装置、电磁阀、HST变量流量泵、流量分配器、液压装置；

所述双刀电子切换开关包括用于输入车辆前进指令的前进档、用于输入车辆后退指令的后退档，用于输入前进档和后退档置换指令的空档；

所述HST变量流量泵的输入端通过流量分配器与液压装置相连，流量分配器用于调整HST变量流量泵的输入流量；所述HST变量流量泵的控制端与电磁阀的输出端相连，所述HST变量流量泵根据电磁阀的输出值，调整变量盘倾斜角度，以调整输出端的输出排量和方向；

所述控制装置的输入端与双刀电子切换开关的输出端相连，输出端与电磁阀的输入端相连，控制装置被设置成响应于双刀电子切换开关由前进档/后退档切换成空档，结合如前所述的控制方法，按照设定周期分段控制电磁阀的电流输出值，使电磁阀的电流输出值逐级降至0，完成档位切换。

进一步的实施例中，所述前进档包括若干个前进子档位，前进子档位与车辆制动力一一对应。

进一步的实施例中，所述控制装置包括依次连接的微控制器和输出接口电路，所述微控制器的输入端与双刀电子切换开关相连，输出端通过输出接口电路与电磁阀连接；

所述微控制器接收双刀电子切换开关发送的档位切换指令，结合生成M+1个输出电流调节指令，将生成的M+1个输出电流调节指令按照设定周期ΔT通过输出接口电路依次发送至电磁阀，以分M+1段调节电磁阀的输出电流，直至输出电流为0。

进一步的实施例中，所述输出接口电路包括电磁阀电阻阻抗匹配电路，所述电磁阀电阻阻抗匹配电路与电磁阀相连，以调整电磁阀端的阻抗。

进一步的实施例中，所述电磁阀电阻阻抗匹配电路包括电压跟随器。

进一步的实施例中，所述智能控制系统包括安装在车辆上用以探测车辆倾斜度的陀螺仪，所述陀螺仪与控制装置相连，将探测结果实时传输至控制装置；

所述控制装置响应于陀螺仪探测到的车辆倾斜度大于设定倾斜度阈值，生成第一警报信号，根据预设的降幅调整规则以调整输出电流降幅ΔI。

进一步的实施例中，所述预设的降幅调整规则包括：

设置多个等级的输出电流降幅ΔI₁、ΔI₂、…、ΔI_n，其中，ΔI₁<ΔI₂<…<ΔI_n；

所述控制装置响应于陀螺仪探测到的车辆倾斜度大于设定倾斜度阈值，获取当前输出电流降幅ΔI_i，i＝1,2,…,n，在下一个控制周期按照ΔI_(i-k)的输出电流降幅以调整降速，并再次探测车辆倾斜度：

如果车辆倾斜度依然大于设定倾斜度阈值，在下一个控制周期按照ΔI_(i-2k)的输出电流降幅以调整降速，以此类推，直至车辆倾斜度小于等于设定倾斜度阈值，所述k大于等于1。

进一步的实施例中，所述智能控制系统包括安装在车辆前端用于探测前端障碍物距离的激光传感器，所述激光传感器与控制装置相连，将探测结果实时传输至控制装置；

所述控制装置响应于激光传感器探测到的车辆前端障碍物距离小于设定距离阈值，生成第二警报信号。

进一步的实施例中，所述控制装置响应于激光传感器探测到的车辆前端障碍物距离小于设定距离阈值，结合车辆前端障碍物距离计算最小输出电流降幅ΔI_min，按照计算得到的最小输出电流降幅ΔI_min和预设的输出电流降幅ΔI两者之中的最大值以调整电磁阀的输出电流降速。

以上本发明的技术方案，与现有相比，其显著的有益效果在于：

(1)通过分级调整电磁阀的输出电流，按照设定周期，分M段逐级调整HST变量流量泵的输出排量变化值，使农机在档位切换时能够保持车身平稳，提高农机驾驶的舒适性和安全性；另外，由于考虑到了电磁阀的最低驱动值，能够确保电磁阀始终保持着正常工作状态，使车辆可以更加平稳换挡。

(2)采用输出接口电路确保控制信号的无损传输。

(3)实时探测车身倾斜度，及时调整输出电流降幅，确保车辆安全行驶。

(4)在降速初始探测车辆前端障碍物距离，当车辆前端障碍物距离较近时，结合车辆前端障碍物距离计算最小输出电流降幅ΔI_min，选择计算得到的最小输出电流降幅ΔI_min和预设的输出电流降幅ΔI两者之中的最大值作为最终的调整降幅，确保车辆不会碰触到障碍物，导致损伤和安全事故。

(5)本发明所提出的控制方法还可以用于刹车过程，通过分级调整驱动HST的电磁阀的输出电流，按照设定周期，分M段逐级调整HST变量流量泵的输出排量变化值，使农机在停机时能够保持车身平稳防止前倾翻车，改善刹车距离，提高农机驾驶的舒适性、稳定性和安全性。

应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。

结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。

附图说明

附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：

图1是本发明的农机HST中位自动回归智能控制方法的流程图。

图2是本发明的农机HST中位自动回归智能控制装置的结构示意图。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

结合图1，本发明提及一种农机HST中位自动回归智能控制方法，所述控制方法根据预设的调整规则周期性分段调整与HST变量流量泵控制端相连的电磁阀的输出电流，以逐级降低HST变量流量泵的输出排量，包括以下步骤：

S1：接收外部发送的回归中位控制指令，探测电磁阀的初始输出电流I_t。

S2：设电磁阀的最低驱动值为I_min，根据下述公式计算电磁阀的控制分段数M：

其中，M为正整数，ΔI是预设的输出电流降幅，

S3：以ΔT为控制周期，根据计算得到的分段数M逐级降低电磁阀的输出电流，直至电磁阀的输出电流小于I_min，在下一个控制周期内将电磁阀的输出电流降为0，执行完成本次回归中位控制指令，其中，ΔT是预设的控制周期，ΔT大于电磁阀最大反应时间，以确保每次控制指令能够被电磁阀正确识别。

假设初始输出电流I_t为500mA，电磁阀的最低驱动值为100mA，预设的输出电流降幅ΔI是50mA，计算得到M＝8，分9次将电磁阀的输出电流从500mA依次降为450mA，400mA......100mA，进而逐级降低HST变量流量泵的输出排量，使车辆保持车身平稳、缓慢降速，提高农机驾驶的舒适性和安全性；另外，由于考虑到了电磁阀的最低驱动值，能够确保电磁阀始终保持着正常工作状态，使车辆可以更加平稳换挡。

在一些例子中，还可以根据初始输出电流I_t的数值选择多个输出电流降幅按周期降低电流，例如，当I_t大于第一设定电流阈值时，采用第一输出电流降幅、周期性降低电磁阀的输出电流，直至电流小于等于第一设定电流阈值时，采用第二输出电流降幅降低电磁阀的输出电流，以此类推，结合输出电流的实时数值对降幅进行调控，甚至在某些情况下，可以采用积分电路的形式实现更为复杂的调控方法。

在另一些例子中，当农田坑洼不平时，输出电流会产生波动干扰，针对此种情形，本发明提出一种采用梯度下降算法以修正输出电流的方法，使得输出电流降幅能够按照农田实际情况做动态变化。具体的：

当车身颠簸幅度大于设定颠簸幅度阈值时，采用梯度下降算法以修正计算得到的电磁阀的输出电流，修正过程包括以下步骤：

实时探测第i时刻电磁阀的输出电流I_i，计算实时控制分段数m：

令

采用下述公式计算修正后的电流加权平均值θ_i：

θ_i＝βθ_i-1+(1-β)I_i

通过前述方法去除输出电流中多余的波动干扰，减小各段恒流值下降梯度(分段数增加)，使实际下降电流曲线更接近HST可接受电流曲线。以前述例子为例，假设设定了分8次将电磁阀的输出电流从500mA依次降为450mA，400mA......100mA。而此时，如果农田坑洼不平，在如此快速的降速频率之下，车身很难维持稳定，车内驾驶人员舒适度极低，甚至在某些情况下造成翻车事故。

为此，本发明提出采用前述方法实现输出电流降幅的动态变化，例如，当输出电流为500mA，m＝8时，下一级目标电流为450mA，

修正后的电流加权平均值

第一次的降幅约为44mA，而不是原来的50mA，降幅占据原输出电流的比例为8.8％，之后再以幅度逐渐减少的方式使整个下降曲线更为平缓，从而保持车身稳定。另外，当输出电流为300mA，m＝4时，θ_i≈262mA，单位时间内的降幅约为38mA，降幅占据原输出电流的比例为12.67％，当输出电流为200mA时，m＝1，θ_i≈150mA，单位时间内的降幅约为50mA，降幅接近未修正前的设定降幅。即随着车速越来越快，每次的降幅比例也越来越少，但并不是一味的减少数值，而是结合实际输出电流做动态调整，在维持车身稳定的前提下，尽可能快的使输出电流降为0。

基于前述控制方法，结合图2，本发明还提及一种农机HST中位自动回归智能控制系统，所述智能控制系统包括双刀电子切换开关、控制装置、电磁阀、HST变量流量泵、流量分配器、液压装置。

所述双刀电子切换开关包括用于输入车辆前进指令的前进档、用于输入车辆后退指令的后退档，用于输入前进档和后退档置换指令的空档，例如，只有经过空档才能将前进档切换至后退档，以确保农机驱动设备的使用安全。优选的，所述前进档包括若干个前进子档位，前进子档位与车辆制动力一一对应，以实现不同的车速调节。

所述HST变量流量泵的输入端通过流量分配器与液压装置相连，流量分配器用于调整HST变量流量泵的输入流量。液压装置用以提供HST变量流量泵正常工作所需液压，并通过流量分配器对提供的最大液压值进行调控。

所述HST变量流量泵的控制端与电磁阀的输出端相连，所述HST变量流量泵根据电磁阀的输出值，调整变量盘倾斜角度，以调整输出端的输出排量和方向。例如，当电磁阀的输出值越大时，变量盘倾斜角度越大，柱塞的行程越长，生成的用来转换成机械能的液压能就越大。

所述控制装置的输入端与双刀电子切换开关的输出端相连，输出端与电磁阀的输入端相连，控制装置被设置成响应于双刀电子切换开关由前进档/后退档切换成空档，结合如前所述的控制方法，按照设定周期分段控制电磁阀的电流输出值，使电磁阀的电流输出值逐级降至0，完成档位切换。

优选的，所述控制装置包括依次连接的微控制器和输出接口电路，所述微控制器的输入端与双刀电子切换开关相连，输出端通过输出接口电路与电磁阀连接。

所述微控制器接收双刀电子切换开关发送的档位切换指令，结合如前所述的控制方法，生成M+1个输出电流调节指令，将生成的M+1个输出电流调节指令按照设定周期ΔT通过输出接口电路依次发送至电磁阀，以分M+1段调节电磁阀的输出电流，直至输出电流为0。

更加优选的，所述输出接口电路包括电磁阀电阻阻抗匹配电路，所述电磁阀电阻阻抗匹配电路与电磁阀相连，以调整电磁阀端的阻抗，降低信号传输过程中的损耗，确保控制信号无损传输至电磁阀。例如，所述电磁阀电阻阻抗匹配电路包括电压跟随器，使得系统可以匹配不同型号的电磁阀。

在一些例子中，所述智能控制系统包括安装在车辆上用以探测车辆倾斜度的陀螺仪，所述陀螺仪与控制装置相连，将探测结果实时传输至控制装置。

所述控制装置响应于陀螺仪探测到的车辆倾斜度大于设定倾斜度阈值，生成第一警报信号，根据预设的降幅调整规则以调整输出电流降幅ΔI。

优选的，所述预设的降幅调整规则包括：

设置多个等级的输出电流降幅ΔI₁、ΔI₂、…、ΔI_n，其中，ΔI₁<ΔI₂<…<ΔI_n。

所述控制装置响应于陀螺仪探测到的车辆倾斜度大于设定倾斜度阈值，获取当前输出电流降幅ΔI_i，i＝1,2,…,n，在下一个控制周期按照ΔI_(i-k)的输出电流降幅以调整降速，并再次探测车辆倾斜度：

如果车辆倾斜度依然大于设定倾斜度阈值，在下一个控制周期按照ΔI_(i-2k)的输出电流降幅以调整降速，以此类推，直至车辆倾斜度小于等于设定倾斜度阈值，所述k大于等于1。

例如，每间隔100mA设置一个等级的输出降幅，从100mA到600mA共设置5个等级的输出降幅，假设初始输出降幅为100mA，对于某些特殊地形或者当有其他环境因素影响时，行驶到某一区域时，在此输出降幅下车身开始倾斜，当倾斜度大于设定倾斜度阈值时，我们可以将输出降幅调低一个或者多个等级，例如直接降为300mA，再次监测车身倾斜度，并根据倾斜度继续调整降幅，如继续降至1A，依次类推直至车身恢复平稳。

优选的，当车身恢复平稳后，可尝试逐级增加降幅，直至增加的降幅能够在维持车身倾斜度小于设定倾斜度阈值的情况下达到最大，以缩短整体降速时间。

在另一些例子中，所述智能控制系统包括安装在车辆前端用于探测前端障碍物距离的激光传感器，所述激光传感器与控制装置相连，将探测结果实时传输至控制装置。

所述控制装置响应于激光传感器探测到的车辆前端障碍物距离小于设定距离阈值，生成第二警报信号。

优选的，所述控制装置响应于激光传感器探测到的车辆前端障碍物距离小于设定距离阈值，结合车辆前端障碍物距离计算最小输出电流降幅ΔI_min，按照计算得到的最小输出电流降幅ΔI_min和预设的输出电流降幅ΔI两者之中的最大值以调整电磁阀的输出电流降速，确保车辆不会碰触到障碍物，导致损伤和安全事故。

更加优选的，设车辆前端障碍物距离为L，控制周期ΔT为固定值，结合车辆前端障碍物距离L、当前车速、当前制动力，计算得到最大分段数M，进而根据公式

计算得到ΔI_min。

作为其中的一个优选例，本发明所提出的控制方法还可以用于刹车过程，农机的自重越大，刹车系统所要消耗的动能就越多。如果农机的刹车不足以完全应付动能的话，那最明显的问题就算刹车距离会很长，严重影响行车安全，本发明能够通过分级调整驱动HST的电磁阀的输出电流，按照设定周期，分M段逐级调整HST变量流量泵的输出排量变化值，使农机在停机时能够保持车身平稳防止前倾翻车，改善刹车距离，提高农机驾驶的舒适性、稳定性和安全性。

在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定义在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (9)

1.一种农机HST中位自动回归智能控制方法，其特征在于，所述控制方法根据预设的调整规则周期性分段调整与HST变量流量泵控制端相连的电磁阀的输出电流，以逐级降低HST变量流量泵的输出排量，包括以下步骤：

S1：接收外部发送的回归中位控制指令，探测电磁阀的初始输出电流I_t；

S2：设电磁阀的最低驱动值为I_min，根据下述公式计算电磁阀的控制分段数M：

其中，M为正整数，ΔI是预设的输出电流降幅；

S3：以ΔT为控制周期，根据计算得到的分段数M逐级降低电磁阀的输出电流，直至电磁阀的输出电流小于I_min，在下一个控制周期内将电磁阀的输出电流降为0，执行完成本次回归中位控制指令，其中，ΔT是预设的控制周期，ΔT大于电磁阀最大反应时间；

所述控制方法还包括：

当车身颠簸幅度大于设定颠簸幅度阈值时，采用梯度下降算法以修正计算得到的电磁阀的输出电流，修正过程包括以下步骤：

实时探测第i时刻电磁阀的输出电流I_i，计算实时控制分段数m：

令

采用下述公式计算修正后的电流加权平均值θ_i：

θ_i＝βθ_i-1+(1-β)I_i。

2.一种农机HST中位自动回归智能控制系统，其特征在于，所述智能控制系统包括双刀电子切换开关、控制装置、电磁阀、HST变量流量泵、流量分配器、液压装置；

所述双刀电子切换开关包括用于输入车辆前进指令的前进档、用于输入车辆后退指令的后退档，用于输入前进档和后退档置换指令的空档；

所述HST变量流量泵的输入端通过流量分配器与液压装置相连，流量分配器用于调整HST变量流量泵的输入流量；所述HST变量流量泵的控制端与电磁阀的输出端相连，所述HST变量流量泵根据电磁阀的输出值，调整变量盘倾斜角度，以调整输出端的输出排量和方向；

所述控制装置的输入端与双刀电子切换开关的输出端相连，输出端与电磁阀的输入端相连，控制装置被设置成响应于双刀电子切换开关由前进档/后退档切换成空档，结合如权利要求1所述的控制方法，按照设定周期分段控制电磁阀的电流输出值，使电磁阀的电流输出值逐级降至0，完成档位切换。

3.根据权利要求2所述的农机HST中位自动回归智能控制系统，其特征在于，所述控制装置包括依次连接的微控制器和输出接口电路，所述微控制器的输入端与双刀电子切换开关相连，输出端通过输出接口电路与电磁阀连接；

所述微控制器接收双刀电子切换开关发送的档位切换指令，生成M+1个输出电流调节指令，将生成的M+1个输出电流调节指令按照预设的控制周期ΔT通过输出接口电路依次发送至电磁阀，以分M+1段调节电磁阀的输出电流，直至输出电流为0。

4.根据权利要求3所述的农机HST中位自动回归智能控制系统，其特征在于，所述输出接口电路包括电磁阀电阻阻抗匹配电路，所述电磁阀电阻阻抗匹配电路与电磁阀相连，以调整电磁阀端的阻抗。

5.根据权利要求4所述的农机HST中位自动回归智能控制系统，其特征在于，所述电磁阀电阻阻抗匹配电路包括电压跟随器。

6.根据权利要求2所述的农机HST中位自动回归智能控制系统，其特征在于，所述智能控制系统包括安装在车辆上用以探测车辆倾斜度的陀螺仪，所述陀螺仪与控制装置相连，将探测结果实时传输至控制装置；

所述控制装置响应于陀螺仪探测到的车辆倾斜度大于设定倾斜度阈值，生成第一警报信号，根据预设的降幅调整规则以调整输出电流降幅ΔI。

7.根据权利要求6所述的农机HST中位自动回归智能控制系统，其特征在于，所述预设的降幅调整规则包括：

设置多个等级的输出电流降幅ΔI₁、ΔI₂、…、ΔI_n，其中，ΔI₁<ΔI₂<…<ΔI_n；

所述控制装置响应于陀螺仪探测到的车辆倾斜度大于设定倾斜度阈值，获取当前输出电流降幅ΔI_i，i＝1,2,…,n，在下一个控制周期按照ΔI_(i-k)的输出电流降幅以调整降速，并再次探测车辆倾斜度：

如果车辆倾斜度依然大于设定倾斜度阈值，在下一个控制周期按照ΔI_(i-2k)的输出电流降幅以调整降速，以此类推，直至车辆倾斜度小于等于设定倾斜度阈值，所述k大于等于1。

8.根据权利要求2所述的农机HST中位自动回归智能控制系统，其特征在于，所述智能控制系统包括安装在车辆前端用于探测前端障碍物距离的激光传感器，所述激光传感器与控制装置相连，将探测结果实时传输至控制装置；

所述控制装置响应于激光传感器探测到的车辆前端障碍物距离小于设定距离阈值，生成第二警报信号。

9.根据权利要求2所述的农机HST中位自动回归智能控制系统，其特征在于，所述控制装置响应于激光传感器探测到的车辆前端障碍物距离小于设定距离阈值，结合车辆前端障碍物距离计算最小输出电流降幅ΔI_min，按照计算得到的最小输出电流降幅ΔI_min和预设的输出电流降幅ΔI两者之中的最大值以调整电磁阀的输出电流降速。

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