CN111605609A - 一种基于电机与转向器的农机用转向系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明的一种基于电机与转向器的农机用转向系统及其控制方法，属于农机转向技术领域，包括车机系统、车体、人工转向控制系统和自动转向控制系统，通过转向柱扭矩值变化判断是否有人工干预转向，实现人工转向控制和自动转向控制的自动切换，具有响应速度快、精度高，控制力矩大，自动转向系统集成度高，农机装备加装的精度要求小的优点。

Description

一种基于电机与转向器的农机用转向系统及其控制方法

技术领域

本发明属于农机转向技术领域，更具体来说，涉及一种基于电机与转向器的农机用转向系统及其控制方法。

背景技术

农业导航技术在农业智能化发展中占有重要地位，自主转向驱动系统是导航系统中的关键执行环节，研发转向控制精度高、适用性广和价格低廉的自动转向系统是农机导航装备推广应用的关键。

常见的自动转向驱动系统主要有电控电磁比例液压阀、电控全液压阀和电控方向盘，通过电控电磁比例阀的流量控制来控制车轮转向角度及转向速度，该系统响应迅速，执行精度较高，但是成本昂贵，加装结构复杂，容易影响原底盘液压系统的工作性能。

通过上述分析，研发一款适用性强、控制精度高、集成度高且安装简便、并具有驾驶模式自动切换功能的自动转向系统是亟需开展的研究工作，基于此，本设计基于直流有刷电机与全液压转向器直联的电-液混合自动转向系统，通过直流有刷电机控制全液压转向器工作，既满足自动转向控制性能指标也降低生产制造成本。

发明内容

1.发明要解决的技术问题

本发明的目的在于解决上述缺陷。

2.技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

本发明的一种基于电机与转向器的农机用转向系统，包括车机系统、车体、人工转向控制系统和自动转向控制系统，人工转向控制系统由方向盘、转向柱、扭矩传感器和全液压转向器组成，转向柱的上端与方向盘通过花键固定连接，下端和全液压转向器通过联轴器连接，自动转向控制系统包括转向电机、电磁离合器和蜗轮蜗杆减速器，蜗轮蜗杆减速器的涡轮齿轮与转向柱中部转动连接，转向电机经过电磁离合器与蜗轮蜗杆减速器的蜗杆连接，车体上设有角度传感器，角度传感器的输出轴通过柔性联轴器与车轮转轴固定连接，车体上设有定位支架，角度传感器安装在定位支架上，车机系统控制自动转向控制系统，扭矩传感器安装在转向柱上。

优选的，转向电机为直流有刷电机，角度传感器为非接触式霍尔角度传感器。

一种基于电机与转向器的农机用转向系统的控制方法，包括如下步骤：

S100、非接触式霍尔角度传感器检测当前方向盘的转动扭矩信号值，并传给车机系统；

S200、车机系统判断转动扭矩信号值是否大于设定的阈值，若是，则进入步骤S300，若否则进入步骤S400；

S300、车机系统控制转向电机失能，电磁离合器断开，自动转向控制系统不工作，人工转向系统工作；

S400、车机系统控制转向电机使能，电磁离合器闭合，转向电机带动转向柱驱动全液压转向器，车轮自动转向，自动转向系统工作。

优选的，车机系统通过控制定时器输出占空比可变的脉冲来控制转向电机转速。

优选的，车机系统内包括高级定时器TIM1、基本I/O口和中断模块，车机系统通过配置TIM1的2通道PWM占空比驱动MOS管来电机转动。

优选的，配置过程如下：

步骤一：配置I/O口；

步骤二：高级定时器TIM1时基配置；

步骤三：定时器中断配置；

步骤四：PWM波输出配置；

步骤五：失能定时器和离合；

步骤六：检测配置是否完成，若是则结束配置，若否则重新配置。

优选的，高级定时器TIM1的2通道PWM调控具有死区保护，死区保护的脉宽值在设定阈值的5％～95％之间。

优选的，车机系统控制车轮转角采用位置式PID控制算法，算法方程为：

O_PID＝K_P ^*e(k)+K_i ^*∑e(k)+K_d ^*[e(k)-e(k-1)]

式中，OPID为输出值，K_p、K_i、K_d分比为位置控制算法比例、积分和微分系数；e(k)为本次角度偏差；e(k-1)为上一次的角度偏差；∑e(k)表示e(k)以及之前的偏差累积和，其中k为1,2...k。

优选的，车机系统控制车轮转动包括转向角度算法，转向角度算法包括右转算法和左转算法，右转算法为：

左转算法为：

式中：α为左轮转向角；θ为实际转向角；β为右轮转向角；L1为车轴距； L2为车轮距。

优选的，车机系统选用CAN线传输信号值，Data|7|取值与车轮转速的映射关系，如下：

f(n)＝λn

式中，n为CAN通信中数据位Data|7|取值，在1～255范围内取整数，λ为映射系数。

3.有益效果

采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：

(1)本发明的一种基于电机与转向器的农机用转向系统，相对于传统自动转向系统，具有响应速度快、精度高，控制力矩大的优点，自动转向系统集成度高，农机装备加装的精度要求小，成本低廉，适用于一系列方向盘控制转向的轮式农机上。

(2)本发明的一种基于电机与转向器的农机用转向系统，设计的自动转向电机驱动模块采用两相全桥驱动电路，设计考虑阿克曼角的转向角度控制算法，并基于PID位置式闭环算法控制车轮转角，±20°车轮转角实验表明，转向最大稳态误差0.158°，平均稳态误差小于0.1°，超调量小于1％，±20°最快响应时间为1.2s，且阶跃响应无震荡现象，较传统的转向控制系统更迅速、精准与稳定。

(3)本发明的一种基于电机与转向器的农机用转向系统，设计的自动驾驶转换为人工驾驶模块，提出采用方向盘扭矩传感器检测当前转向模式，并设计驾驶模式控制逻辑此系统在20ms内能迅速从自动驾驶模式转换为人工驾驶模式，相对于传统的自动驾驶模式更加的安全与便捷。

附图说明

图1为本发明的一种基于电机与转向器的农机用转向系统及其控制方法的结构示意图；

图2为本发明的一种基于电机与转向器的农机用转向系统及其控制方法的流程图；

图3为本发明的一种基于电机与转向器的农机用转向系统及其控制方法的人工转向控制系统的电压信号变化图；

图4为本发明的一种基于电机与转向器的农机用转向系统及其控制方法的自动转向控制系统的电压信号变化图；

图5为本发明的一种基于电机与转向器的农机用转向系统及其控制方法的转向电机控制流程图；

图6为本发明的一种基于电机与转向器的农机用转向系统及其控制方法的车轮转向阿克曼角示意图；

图7为本发明的一种基于电机与转向器的农机用转向系统及其控制方法的角度控制算法整定响应图；

图8为本发明的一种基于电机与转向器的农机用转向系统及其控制方法的角速度5.5°/s时车轮跟踪结果图；

图9为本发明的一种基于电机与转向器的农机用转向系统及其控制方法的角速度11°/s时车轮跟踪结果图；

图10为本发明的一种基于电机与转向器的农机用转向系统及其控制方法的角速度33°/s时车轮跟踪结果图；

图11为本发明的一种基于电机与转向器的农机用转向系统及其控制方法的角速度5.5°/s下的角度响应跟踪误差图；

图12为本发明的一种基于电机与转向器的农机用转向系统及其控制方法的角速度11°/s下的角度响应跟踪误差图；

图13为本发明的一种基于电机与转向器的农机用转向系统及其控制方法的角速度33°/s下的角度响应跟踪误差图；

图14为本发明的一种基于电机与转向器的农机用转向系统及其控制方法的自动驾驶模式下扭矩值变化图；

图15为本发明的一种基于电机与转向器的农机用转向系统及其控制方法的人工干预下扭矩变化及车轮转角变化图；

图16为本发明的一种基于电机与转向器的农机用转向系统及其控制方法的车轮转角测量装置结构图。

示意图中的标号说明：

100、车机系统；

200、车体；210、非接触式霍尔角度传感器；220、柔性联轴器；230、车轮转轴；240、定位支架；

300、人工转向控制系统；310、方向盘；320、转向柱；340、全液压转向器；

400、自动转向控制系统；410、转向电机；420、电磁离合器；430、蜗轮蜗杆减速器，440、扭矩传感器。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述，附图中给出了本发明的若干实施例，但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例，相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件；当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件；本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同；本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明；本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

实施例1

参照附图1和图16所示，本实施例的一种基于电机与转向器的农机用转向系统，包括车机系统、车体、人工转向控制系统和自动转向控制系统，人工转向控制系统由方向盘、转向柱、扭矩传感器和全液压转向器组成，转向柱的上端与方向盘通过花键固定连接，下端和全液压转向器通过联轴器连接，自动转向控制系统包括转向电机、电磁离合器和蜗轮蜗杆减速器，蜗轮蜗杆减速器的涡轮齿轮与转向柱中部转动连接，转向电机经过电磁离合器与蜗轮蜗杆减速器的蜗杆连接，车体上设有角度传感器，角度传感器的输出轴通过柔性联轴器与车轮转轴固定连接，车体上设有定位支架，角度传感器安装在定位支架上，车机系统控制自动转向控制系统，扭矩传感器安装在转向柱上，此设计的结构，电磁离合器安装在转向电机的输出轴和蜗杆之间，用于通断转向电机与蜗杆连接，电磁离合器吸合状态转向电机经过涡轮蜗杆减速驱动转向柱，电磁离合器断开状态转向电机与蜗杆断开，此时驾驶员控制方向盘驱动转向。通过安装在转向柱上的扭矩传感器判断驾驶员操纵状态，设计逻辑控制算法实现电磁离合器通断控制，当转向处于自动驾驶状态，电机驱动转向柱旋转，此时方向盘控制转向柱的扭矩值在很小的范围内变化，当人工干预转向时，该扭矩值激增，通过转向柱扭矩值变化判断是否有人工干预转向，实现人工转向控制和自动转向控制的自动切换。

上述的角度传感器通过定位支架安装在农业机械装备车桥机体上，角度传感器定位孔与支架通过螺栓固结，相对于车体静止，传感器的输出轴通过柔性联轴器与车轮转轴固结，柔性联轴器静态扭转刚度20N.m/rad，额定扭矩1.0N.m，而传感器启动扭矩小于0.1N.cm，因此选用的柔性传感器能够满足车轮转角信号的准确测量，不会产生转角误差，此外，柔性联轴器在铅垂方向弹性较小，可有效避免工作环境和机械振动等对传感器的影响，有效保护传感器和避免测量振动噪声干扰。

本实施例的转向电机为直流有刷电机，角度传感器为非接触式霍尔角度传感器。

如图2-图4所示，电磁离合器的通断实现自动驾驶与人工驾驶的自动切换，扭矩传感器检测当前方向盘转动扭矩电信号值，在自动驾驶模式下，驾驶员没有操纵方向盘，方向盘扭矩电信号值在极小范围内波动，没有超过设置的阈值，此时转向电机使能，电磁离合器闭合，转向电机作用于转向柱驱动全液压转向器，车轮自动转向；当在自动驾驶过程中遇到突发情况时驾驶员转动方向盘，方向盘扭矩电信号值超过设定阈值，转向电机失能，电磁离合器断开，电机驱动力不作用转向柱，退出自动驾驶模式，切换到人工驾驶模式，此时通过人工转动方向盘驱动全液压转向器。

一种基于电机与转向器的农机用转向系统的控制方法，包括如下步骤：

S100、非接触式霍尔角度传感器检测当前方向盘的转动扭矩信号值，并传给车机系统；

S200、车机系统判断转动扭矩信号值是否大于设定的阈值，若是，则进入步骤S300，若否则进入步骤S400；

S300、车机系统控制转向电机失能，电磁离合器断开，自动转向控制系统不工作，人工转向系统工作；

S400、车机系统控制转向电机使能，电磁离合器闭合，转向电机带动转向柱驱动全液压转向器，车轮自动转向，自动转向系统工作。

本实施例的车机系统通过控制定时器输出占空比可变的脉冲来控制转向电机转速。

如图5所示，本实施例的车机系统内包括高级定时器TIM1、基本I/O口和中断模块，车机系统通过配置TIM1的2通道PWM占空比驱动MOS管来电机转动。

本实施例的配置过程如下：

步骤一：配置I/O口；

步骤二：高级定时器TIM1时基配置；

步骤三：定时器中断配置；

步骤四：PWM波输出配置；

步骤五：失能定时器和离合；

步骤六：检测配置是否完成，若是则结束配置，若否则重新配置。

本实施例的高级定时器TIM1的2通道PWM调控具有死区保护，死区保护的脉宽值在设定阈值的5％～95％之间。

如图6所示，本实施例的车机系统控制车轮转角采用位置式PID控制算法，算法方程为：

O_PID＝K_P ^*e(k)+K_i ^*∑e(k)+K_d ^*[e(k)-e(k-1)]

式中，OPID为输出值，K_p、K_i、K_d分比为位置控制算法比例、积分和微分系数；e(k)为本次角度偏差；e(k-1)为上一次的角度偏差；∑e(k)表示e(k)以及之前的偏差累积和，其中k为1,2...k。

如图7所示，本实施例的车机系统控制车轮转动包括转向角度算法，转向角度算法包括右转算法和左转算法，右转算法为：

左转算法为：

式中：α为左轮转向角；θ为实际转向角；β为右轮转向角；L1为车轴距； L2为车轮距。

本实施例的车机系统选用CAN线传输信号值，Data|7|取值与车轮转速的映射关系，如下：

f(n)＝λn

式中，n为CAN通信中数据位Data|7|取值，在1～255范围内取整数，λ为映射系数。

选用CAN总线通讯方式作为自动转向系统的控制网络，数据传输使用CAN 标准帧，并对其八位数据字节进行了重新定义：Data|0|～Data|7|，具体定义解释如表1和表2所示：

表1物理层通讯协议

Tab.1 Physical layer communication protocol

表2应用层通讯协议

Tab.2 Application layer communication protocol

车机系统接收上位机发出CAN信息，并根据表2的定义进行解析，如果第1 位字节不是自动驾驶模式(Data|0|≠0X02)，则电磁离合器断开，转向电机失能，退出自动驾驶模式；如果第1位字节是自动驾驶模式(Data|0|＝0X02)，则解析第5位字节和第6位字节的目标角度数据，将目标角度输入，转向电机使能，电磁离合器吸合，最后解析第8位字节目标车轮转向角速度，车轮目标转向角速度的范围为0.009°/ms～0.033°/ms(对应Data|7|＝1～255)，可以通过控制转向角速度值实现车轮转向速度，为了提高自动驾驶的实时性，设定CAN报文的收/发速率为50Hz每秒，为了避免在自动驾驶时与上位机通讯出现故障而产生危险问题，设定了超过200ms没有接收到CAN报文，则退出自动驾驶模式，转换为人工驾驶模式，并发出警报。

在车辆转向控制时，容易存在左右极限角度死区。本文在软件设计中加入了死区控制，更安全地控制转向电机转向，防止电机转向角度大于全液压转向器工作旋转角度而损坏电机和全液压转向器。根据实车试验测试设置车轮转角阈值的范围区间为[A1,A2]，如果车轮目标转向角度大于A2，那么目标角度就等于A2；同理如果车轮目标转向角小于A1，那么目标角度就等于A1；如果目标角度在此区域内，则目标角度即为当前值。

实施例2

参照附图8-图10所示，为了验证本文设计的转向控制算法及电控转向执行机构能否有效的执行上位机下达的转角指令，并且精准的达到目标转向角，设计了车轮转向角度信号跟踪试验，以高地隙底盘为试验平台，通过上位机以50Hz 频率发出方波指令控制信号，该信号为在低、中、高三种角速度情况下的±20°阶跃信号，通过CAN通讯网络下发到下位机转向执行机构，下位机采集CAN 报文同样也是50Hz。

不同转向角速度工况车轮转角跟踪试验表明：车轮转向角迅速且平滑稳定的转到目标转向角，转向响应时间如表3所示，符合角速度控制算法设计。

表3角速度不同时转向时间测量

Tab.3 Measurement of steering time with different angular velocity

车轮转向角实时信号响应误差值如图11-图13所示，车轮目标转角从-20°到+20°变化过程中，图11、12与13分别为转向角速度在低、中、高的三种工况下的角度响应跟踪误差值最大稳态误差为0.15°，超调量全部小于1％，平均响应稳态误差值小于0.1°。角度跟踪未达到稳态时，未出现明显震荡波形，说明此系统具有良好的动态响应和控制稳定性。

实施例3

参照附图14和图15所示，为了测试在自动驾驶的过程中遭遇突发情况需要人工驾驶的情况，开展了在人工干预的情况下自动驾驶模式与人工驾驶模式智能切换试验。如图14和15是设定扭矩传感器电压信号阈值[-800,800]状态开展的自动驾驶模式自动切换到人工驾驶模式的试验测试结果。其中图14为在自动驾驶模式下车轮当前角度、目标角度及当前扭矩电压信号值的变化情况，可看出在自动驾驶模式下，方向盘扭矩电压信号值在[-150,150]范围内变化，没有超过程序设定的阈值，此时车轮在自动驾驶模式下平滑稳定的到达目标角度。图15为自动驾驶模式下受到了人工干预的工况，可看出当人为干预方向盘的时候，扭矩传感器接收到扭矩电压信号值超过设定阈值，此时自动驾驶模式自动快速切换到人工驾驶模式。切换时间小于20ms，可以有效预防农机在田间作业时遇到的紧急情况。

以上所述实施例仅表达了本发明的某种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制；应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围；因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种基于电机与转向器的农机用转向系统，其特征在于：包括车机系统、车体、人工转向控制系统和自动转向控制系统，所述人工转向控制系统由方向盘、转向柱、扭矩传感器和全液压转向器组成，所述转向柱的上端与方向盘通过花键固定连接，下端和全液压转向器通过联轴器连接，所述自动转向控制系统包括转向电机、电磁离合器和蜗轮蜗杆减速器，所述蜗轮蜗杆减速器的涡轮齿轮与转向柱中部转动连接，所述转向电机经过电磁离合器与蜗轮蜗杆减速器的蜗杆连接，所述车体上设有角度传感器，所述角度传感器的输出轴通过柔性联轴器与车轮转轴固定连接，所述车体上设有定位支架，所述角度传感器安装在定位支架上，所述车机系统控制自动转向控制系统，所述扭矩传感器安装在转向柱上。

2.根据权利要求1所述的一种基于电机与转向器的农机用转向系统，其特征在于：所述转向电机为直流有刷电机，所述角度传感器为非接触式霍尔角度传感器。

3.一种基于电机与转向器的农机用转向系统的控制方法，其特征在于：包括如下步骤：

S100、非接触式霍尔角度传感器检测当前方向盘的转动扭矩信号值，并传给车机系统；

S200、车机系统判断转动扭矩信号值是否大于设定的阈值，若是，则进入步骤S300，若否则进入步骤S400；

S300、车机系统控制转向电机失能，电磁离合器断开，自动转向控制系统不工作，人工转向系统工作；

S400、车机系统控制转向电机使能，电磁离合器闭合，转向电机带动转向柱驱动全液压转向器，车轮自动转向，自动转向系统工作。

4.根据权利要求3所述的一种基于电机与转向器的农机用转向系统的控制方法，其特征在于：所述车机系统通过控制定时器输出占空比可变的脉冲来控制转向电机转速。

5.根据权利要求4所述的一种基于电机与转向器的农机用转向系统的控制方法，其特征在于：所述车机系统内包括高级定时器TIM1、基本I/O口和中断模块，所述车机系统通过配置TIM1的2通道PWM占空比驱动MOS管来电机转动。

6.根据权利要求5所述的一种基于电机与转向器的农机用转向系统的控制方法，其特征在于：所述配置过程如下：

步骤一：配置I/O口；

步骤二：高级定时器TIM1时基配置；

步骤三：定时器中断配置；

步骤四：PWM波输出配置；

步骤五：失能定时器和离合；

步骤六：检测配置是否完成，若是则结束配置，若否则重新配置。

7.根据权利要求5所述的一种基于电机与转向器的农机用转向系统的控制方法，其特征在于：所述高级定时器TIM1的2通道PWM调控具有死区保护，所述死区保护的脉宽值在设定阈值的5％～95％之间。

8.根据权利要求3所述的一种基于电机与转向器的农机用转向系统的控制方法，其特征在于：所述车机系统控制车轮转角采用位置式PID控制算法，算法方程为：

O_PID＝K_P*e(k)+K_i*∑e(k)+K_d*[e(k)-e(k-1)]

式中，OPID为输出值，K_p、K_i、K_d分比为位置控制算法比例、积分和微分系数；e(k)为本次角度偏差；e(k-1)为上一次的角度偏差；∑e(k)表示e(k)以及之前的偏差累积和，其中k为1,2...k。

9.根据权利要求3所述的一种基于电机与转向器的农机用转向系统的控制方法，其特征在于：所述车机系统控制车轮转动包括转向角度算法，所述转向角度算法包括右转算法和左转算法，所述右转算法为：

所述左转算法为：

式中：α为左轮转向角；θ为实际转向角；β为右轮转向角；L1为车轴距；L2为车轮距。

10.根据权利要求3所述的一种基于电机与转向器的农机用转向系统的控制方法，其特征在于：所述车机系统选用CAN线传输信号值，所述Data|7|取值与车轮转速的映射关系，如下：

f(n)＝λn

式中，n为CAN通信中数据位Data|7|取值，在1～255范围内取整数，λ为映射系数。

Images