CN114158293A - 一种悬挂式宽幅平地机及其水平自保持控制装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种悬挂式宽幅平地机及其水平自保持控制装置和方法，该悬挂式宽幅平地机包括水平自保持控制装置并采用其方法控制平地铲，该水平自保持控制装置包括：水平控制箱，安装在悬挂式宽幅平地机的主机架上，该水平控制箱内设置有MCU控制单元，该MCU控制单元与该悬挂式宽幅平地机的车载电瓶连接，该水平控制箱上设置有与该MCU控制单元连接的手动操作键盘和显示屏；伺服集成箱，安装在该主机架上，该伺服集成箱内设置有升压模块和伺服驱动器，该伺服驱动器与该MCU控制单元连接，该升压模块与该车载电瓶连接；伺服电动缸，与该伺服驱动器连接；以及倾角传感器，安装在该悬挂式宽幅平地机的平地铲正上方，与该MCU控制单元连接并进行数据交换。

Description

一种悬挂式宽幅平地机及其水平自保持控制装置和方法

技术领域

本发明涉及农业智能装备技术，特别是一种基于电驱动的悬挂式宽幅平地机及其水平自保持控制装置及方法。

背景技术

平地是提高农田灌溉效率与灌水均匀度，节水、增产、省工的一项重要措施，采用平地技术对农田土地实施高精度的平整，不仅能有效改善田面微地形条件，改进地面灌溉系统的性能，使灌溉效率和灌水均匀度提高，作物增产，还可适度扩大格田面积，减少田埂占地面积。

目前存在的平地机水平调整驱动力多采用液压驱动，其液压驱动存在以下缺点：一是液压系统作为调节动力，水平调节过程中存在明显的延迟现象，不能快速精准的进行水平调节；二是水田平地机工作时消耗功率较大，长时间工作后液压系统会因油温过高出现动力不足，甚至失动现象，影响平地作业。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的上述缺陷，提供一种基于电驱动的悬挂式宽幅平地机及其水平自保持控制装置及方法。

为了实现上述目的，本发明提供了一种悬挂式宽幅平地机的水平自保持控制装置，其中，包括：

水平控制箱，安装在悬挂式宽幅平地机的主机架上，所述水平控制箱内设置有MCU控制单元，所述MCU控制单元与所述悬挂式宽幅平地机的车载电瓶连接，所述水平控制箱上设置有手动操作键盘和显示屏，所述手动操作键盘和显示屏与所述MCU控制单元连接；

伺服集成箱，安装在所述主机架上，所述伺服集成箱内设置有升压模块和伺服驱动器，所述伺服驱动器与所述MCU控制单元连接，所述升压模块与所述车载电瓶连接；

伺服电动缸，与所述伺服驱动器连接；以及

倾角传感器，安装在所述悬挂式宽幅平地机的平地铲正上方，与所述MCU控制单元连接并进行数据交换。

上述的悬挂式宽幅平地机的水平自保持控制装置，其中，所述伺服电动缸的基座安装在所述主机架上，所述伺服电动缸的推杆端与所述悬挂式宽幅平地机的副机架的一端连接，所述平地铲安装在所述副机架的后端。

上述的悬挂式宽幅平地机的水平自保持控制装置，其中，所述副机架的另一端通过限位杆与所述主机架连接，所述限位杆的两端分别通过第一球头轴承与所述主机架和副机架连接。

上述的悬挂式宽幅平地机的水平自保持控制装置，其中，所述副机架的前端通过第二球头轴承与所述主机架连接。

上述的悬挂式宽幅平地机的水平自保持控制装置，其中，所述显示屏为LCD显示屏，所述LCD显示屏用于实时显示所述水平自保持控制装置的运行参数和状态。

上述的悬挂式宽幅平地机的水平自保持控制装置，其中，所述倾角传感器的精度为0.1°，安装在所述平地铲正上方的所述副机架的横梁中心。

上述的悬挂式宽幅平地机的水平自保持控制装置，其中，所述倾角传感器安装时需要连接到电脑端，并通过电脑显示数据固定以确保安装精度。

上述的悬挂式宽幅平地机的水平自保持控制装置，其中，所述倾角传感器通过TTL、RS232或RS485协议与所述MCU控制单元进行数据交换。

为了更好地实现上述目的，本发明还提供了一种悬挂式宽幅平地机的水平自保持控制方法，其中，采用上述的水平自保持控制装置进行平地铲的水平控制，包括如下步骤：

S100、根据田块的需要设置系统的倾角调节阈值θ；

S200、倾角传感器不断向MCU控制单元传输倾角传感器与水平面之间的角度信号Φ，所述MCU控制单元判断所述角度信号Φ是否在预设的倾角调节阈值θ范围内；

S300、当|Φ|>|θ|时，所述MCU控制单元通过模糊控制算法控制伺服电动缸的推杆进行收回动作，收回行程S₁采用如下公式计算：

以及

S400、当|Φ|>|θ|时，MCU控制单元通过模糊控制算法控制伺服电动缸的推杆进行伸出动作，伸出行程S₂采用如下公式计算：

为了更好地实现上述目的，本发明还提供了一种悬挂式宽幅平地机，其中，包括上述的水平自保持控制装置，并采用上述的水平自保持控制方法进行平地铲的水平控制。

本发明的技术效果在于：

本发明以电动伺服缸驱动为基础，可以实现宽幅平地机的水平控制，水平自保持装置可与各种类型的悬挂式平地机配套，实现水田平地机更加精准、高效的平地作业，确保播种或插秧前土地平整度，同时简化了机械结构，有效提升了平地机械的自动化，对精准农业的实施发展具有重要推动意义。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1为本发明一实施例的宽幅平地机结构示意图；

图2为图1的主视图；

图3为图1的侧视图；

图4为图1的俯视图；

图5为本发明一实施例的水平自保持装置结构框图；

图6为本发明一实施例的第一球头轴承结构示意图。

其中，附图标记

1 主机架

2 副机架

3 水平自保持控制装置

31 水平控制箱

311 MCU控制单元

312 显示屏

313 手动操作键盘

314 总开关

32 伺服集成箱

321 伺服驱动器

322 升压模块

33 伺服电动缸

34 倾角传感器

4 三点悬挂架

5 车载电瓶

6 第一球头轴承

7 第二球头轴承

8 限位杆

9 平地铲

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作具体的描述：

参见图1-图4，图1为本发明一实施例的宽幅平地机结构示意图，图2为图1的主视图，图3为图1的侧视图，图4为图1的俯视图。本发明的悬挂式宽幅平地机，可通过三点悬挂架4连接于拖拉机，该悬挂式宽幅平地机包括水平自保持控制装置3，并采用水平自保持控制方法进行平地铲9的水平控制。该水平自保持装置可与各种类型的悬挂式平地机配套，实现水田平地机更加精准、高效的平地作业，故该悬挂式宽幅平地机其他部分的组成、结构、相互位置关系、连接关系等均为较成熟的现有技术，在此不再赘述，下面仅对本发明的水平自保持装置及其水平自保持控制方法予以详细说明。

参见图5，图5为本发明一实施例的水平自保持装置结构框图。本发明的悬挂式宽幅平地机的水平自保持控制装置3，包括：水平控制箱31，安装在悬挂式宽幅平地机的主机架1上，可位于主机架1的左侧横梁上，所述水平控制箱31内设置有MCU控制单元311，所述MCU控制单元311与所述悬挂式宽幅平地机的车载电瓶5连接，所述水平控制箱31上设置有手动操作键盘313和显示屏312，所述手动操作键盘313和显示屏312与所述MCU控制单元311连接，本实施例的所述显示屏312优选为LCD显示屏312，作为人机交互界面，所述LCD显示屏312用于实时显示所述水平自保持控制装置3的运行参数和状态；伺服集成箱32，安装在所述主机架1上，优选位于主机架1上方，所述伺服集成箱32内设置有升压模块322和伺服驱动器321，所述伺服驱动器321可通过屏蔽信号线与所述MCU控制单元311连接通信，所述升压模块322与所述车载电瓶5连接；伺服电动缸33，可通过屏蔽线缆和电缆与所述伺服驱动器321连接，以分别实现通讯和供电，优选安装于副机架2和主机架1之间；以及倾角传感器34，安装在所述悬挂式宽幅平地机的平地铲9正上方，与所述MCU控制单元311连接并进行数据交换，倾角传感器34通过屏蔽信号线与MCU控制单元311进行通讯，优选通过TTL、RS232或RS485协议与所述MCU控制单元311进行数据交换。

其中，MCU控制单元311内置预设程序，该预设程序被执行时能够实现以下步骤：若倾角传感器34与水平面之间的角度超过预设阈值，MCU控制单元311则通过模糊控制算法进行数据处理和指令下发，通过伺服驱动器321控制伺服电动缸33的推杆伸长或收缩调整平地铲9姿态，直到倾角传感器34与水平面之间的角度调整到处于预设阈值以内范围的水平姿态；当平地铲9位于预设阈值以内姿态时，伺服电动缸33不进行调整动作。

本实施例中，所述倾角传感器34的精度优选为0.1°，可安装在所述平地铲9正上方的副机架2的横梁中心。因为安装过程中存在一定的误差，所以倾角传感器34不能处于绝对的水平状态，而是处于一个相对水平状态；为减小误差，所述倾角传感器34安装时可连接到电脑端，并通过电脑显示数据结合外观观察两个标准来固定，以确保安装精度，达到最小误差、最佳安装位置。

参见图1，本实施例中，所述伺服电动缸33的基座可固定安装在所述主机架1的横梁上，所述伺服电动缸33的推杆端通过固定件与所述悬挂式宽幅平地机的副机架2的一端连接，所述平地铲9安装在所述副机架2的后端，可通过推杆伸缩调整副机架2水平状态，即调节平地铲9的水平姿态，平地铲9是进行平地的主要机械结构。所述副机架2的另一端通过限位杆8与所述主机架1连接，副机架2位于主机架1的下方，所述限位杆8的两端分别通过第一球头轴承6与所述主机架1和副机架2固定连接。所述副机架2的前端通过第二球头轴承7与所述主机架1连接，球头轴承具有一定的自由度，既可吊装平地铲9，又能在伺服电动缸33推杆调节平地铲9时提供一定的自由度。图6为本发明一实施例的第一球头轴承6结构示意图，该第二球头轴承7与第一球头轴承6结构可相同。

本发明的悬挂式宽幅平地机的水平自保持控制方法，采用上述的水平自保持控制装置3进行平地铲9的水平控制，包括如下步骤：

步骤S100、根据田块的需要设置系统的倾角调节阈值θ，θ越大，则水平调节的灵敏度越低，伺服电动缸33的动作越少，消耗功率越少；θ越小，则水平调节灵敏度越高，伺服电动缸33的动作越多，消耗功率越多；

步骤S200、随着拖拉机带动悬挂式宽幅平地机向前运动，倾角传感器34不断向MCU控制单元311传输倾角传感器34与水平面之间的角度信号Φ，所述MCU控制单元311判断所述角度信号Φ是否在预设的倾角调节阈值θ范围内，其中Φ分正负信号；

步骤S300、Φ为负信号时，铲板左端低于水平面Φ角度，当|Φ|>|θ|时，所述MCU控制单元311通过模糊控制算法控制伺服电动缸33的推杆进行收回动作，从而调整平地铲9处于倾角调节阈值θ范围内的相对水平状态，收回行程S₁采用如下公式计算：

以及

步骤S400、Φ为正信号时，铲板左端高于水平面Φ角度，当|Φ|>|θ|时，MCU控制单元311通过模糊控制算法控制伺服电动缸33的推杆进行伸出动作，从而调整铲板处于倾角调节阈值θ范围内的相对水平状态，伸出行程S₂采用如下公式计算：

工作前，通电打开水平控制箱31的总开关314，按下手动操作键盘313上的复位键M，使MCU控制单元311、伺服电动缸33推杆处于初始复位状态，即若平地铲9处于超过默认初始阈值范围内的倾斜状态是，设备调节平地铲9到阈值范围内的相对水平姿态，作为平地工作初始状态，此时LCD显示屏312上显示的实时角度处于阈值角度以内；按动左右按键测试MCU控制单元311和伺服电动缸33运行是否正常。然后根据田块的需要重新设置系统的倾角调节阈值θ，θ越大，则水平调节的精度越高，需要调节的量越小，伺服电动缸33的动作越少，消耗功率越少；θ越小，则水平调节的精度越低，需要调节的量越大，伺服电动缸33的动作越多，消耗功率越多。

工作时，若平地铲9，即副机架2出现左边高右边低，且倾斜角度大于预设阈值角度，倾角传感器34则通过信号线将信息传递给MCU控制单元311，MCU控制单元311则通过以模糊控制算法为基础的预设程序提供伺服驱动器321对伺服电动缸33进行控制，使伺服电动缸33的推杆快速、稳定、精准的进行伸长动作；若平地铲9，即副机架2出现左边低右边高，且倾斜角度大于程序预设阈值角度，则伺服电动缸33进行快速、稳定、精准的收缩动作。在整个平地过程中，伺服电动缸33通过不断进行伸长和收缩的动作来保证平地铲9时刻属于阈值范围内的相对水平状态；预设的阈值角度，即为宽幅平地机水平方向的平地精度。工作完成后，抬升主机架1和副机架2，关闭水平控制箱31总开关314，保证伺服电动缸33不再进行任何动作。

本发明的主机架1和副机架2，通过一定自由度的限位球轴承相互连接；采用电动伺服缸驱动代替液压缸驱动，根据倾角传感器34采集的平地铲9水平姿态数据，通过MCU控制单元311解算水平角度偏差，采用模糊控制算法来调节平地铲9的水平姿态，从根本上解决了现有技术中液压油缸作为水平调节动力的延迟动作，以及液压油缸作为水平调节动力，工作过程中因液压油温升高出现失去动力等问题，提高了平地效率，达到了精准平地的作业要求。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种悬挂式宽幅平地机的水平自保持控制装置，其特征在于，包括：

水平控制箱，安装在悬挂式宽幅平地机的主机架上，所述水平控制箱内设置有MCU控制单元，所述MCU控制单元与所述悬挂式宽幅平地机的车载电瓶连接，所述水平控制箱上设置有手动操作键盘和显示屏，所述手动操作键盘和显示屏与所述MCU控制单元连接；

伺服集成箱，安装在所述主机架上，所述伺服集成箱内设置有升压模块和伺服驱动器，所述伺服驱动器与所述MCU控制单元连接，所述升压模块与所述车载电瓶连接；

伺服电动缸，与所述伺服驱动器连接；以及

倾角传感器，安装在所述悬挂式宽幅平地机的平地铲正上方，与所述MCU控制单元连接并进行数据交换。

2.如权利要求1所述的悬挂式宽幅平地机的水平自保持控制装置，其特征在于，所述伺服电动缸的基座安装在所述主机架上，所述伺服电动缸的推杆端与所述悬挂式宽幅平地机的副机架的一端连接，所述平地铲安装在所述副机架的后端。

3.如权利要求2所述的悬挂式宽幅平地机的水平自保持控制装置，其特征在于，所述副机架的另一端通过限位杆与所述主机架连接，所述限位杆的两端分别通过第一球头轴承与所述主机架和副机架连接。

4.如权利要求2或3所述的悬挂式宽幅平地机的水平自保持控制装置，其特征在于，所述副机架的前端通过第二球头轴承与所述主机架连接。

5.如权利要求1、2或3所述的悬挂式宽幅平地机的水平自保持控制装置，其特征在于，所述显示屏为LCD显示屏，所述LCD显示屏用于实时显示所述水平自保持控制装置的运行参数和状态。

6.如权利要求1、2或3所述的悬挂式宽幅平地机的水平自保持控制装置，其特征在于，所述倾角传感器的精度为0.1°，安装在所述平地铲正上方的所述副机架的横梁中心。

7.如权利要求6所述的悬挂式宽幅平地机的水平自保持控制装置，其特征在于，所述倾角传感器安装时需要连接到电脑端，并通过电脑显示数据固定以确保安装精度。

8.如权利要求5所述的悬挂式宽幅平地机的水平自保持控制装置，其特征在于，所述倾角传感器通过TTL、RS232或RS485协议与所述MCU控制单元进行数据交换。

9.一种悬挂式宽幅平地机的水平自保持控制方法，其特征在于，采用上述权利要求1-8中任意一项所述的水平自保持控制装置进行平地铲的水平控制，包括如下步骤：

S100、根据田块的需要设置系统的倾角调节阈值θ；

S200、倾角传感器不断向MCU控制单元传输倾角传感器与水平面之间的角度信号Φ，所述MCU控制单元判断所述角度信号Φ是否在预设的倾角调节阈值θ范围内；

S300、当|Φ|>|θ|时，所述MCU控制单元通过模糊控制算法控制伺服电动缸的推杆进行收回动作，收回行程S₁采用如下公式计算：

以及

S400、当|Φ|>|θ|时，MCU控制单元通过模糊控制算法控制伺服电动缸的推杆进行伸出动作，伸出行程S₂采用如下公式计算：

10.一种悬挂式宽幅平地机，其特征在于，包括上述权利要求1-8中任意一项所述的水平自保持控制装置，并采用上述权利要求9所述的水平自保持控制方法进行平地铲的水平控制。

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