嵌入式模塊拖拉機自動滑行系統(tǒng)淺議
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摘要:在拖拉機動力學理論的基礎上，設計了自動滑行傳感、牽引力傳感、犁耕深度測量、滑行和牽引力控制等單元，實現(xiàn)了自動滑行系統(tǒng)嵌入式模塊設計。試驗結果表明:自動滑行系統(tǒng)系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠，能夠自動調節(jié)滑行距離保持在設定的安全范圍內，對改善農業(yè)生產具有重要的意義。
關鍵詞:拖拉機;自動滑行系統(tǒng);嵌入式模塊;犁耕深度
0引言
在農業(yè)生產的運輸、旋耕和犁耕等作業(yè)過程中，農用拖拉機會存在較大的滑行和運動阻力，導致農用拖拉機出現(xiàn)較大的能量損耗，不利于農業(yè)生產種植。為了獲得高效的農用拖拉機性能，必須改善和優(yōu)化牽引性能和滑行距離。為此，筆者設計了一套基于嵌入式的農用拖拉機自動滑行系統(tǒng)，可以自動控制滑行距離在安全距離以內。
1農用拖拉機動力學分析
1．1農用拖拉機結構簡化農用拖拉機是一個龐大復雜的機器，其款式和大小差別很大，但是核心組件均包括發(fā)動機、底盤、提升懸掛機構和電動設備。其中，提升懸掛機構是個多自由度結構，可以掛載農具進行旋耕、除草、起壟、埋溝、犁耕、播種等作業(yè)。考慮到懸掛農具的提升過程是一個縱面回轉運動，需要對提升過程進行運動學分析。農用拖拉機結構簡化后如圖1所示。
1．2農用拖拉機動力學分析
四驅農用拖拉機在前行過程中，前后兩個軸心的前進速度是一致的，但由于前輪相對后輪半徑小很多，所以前后輪胎和地面接觸點的線速度相差較大，進而會導致變速箱輸出到車輪的動力存在差異，而前后輪收到地面的阻力也存在很大的差別。四驅農用拖拉機作業(yè)如圖2所示。輪式農用拖拉機的行駛阻力包括車輪壓在農田土壤造成的行駛阻力Fn、車輪推土阻力Fb、路面的拖滯阻力Fv及農具受到的阻力Fm。農田作業(yè)過程中，由于地面比較松軟，農用拖拉機會出現(xiàn)下陷的情況，在受力分析時將其近似認為是均勻受力的。按照貝克理論，農用拖拉機輪胎接地比壓為其中，b為后輪輪胎寬度;n為輪胎沉陷指數;kc和kφ分別為農田土壤的粘附系數和摩擦因數;Z和P分別為輪胎沉陷量和接地比壓。在壓－陷理論中，農用拖拉機犁耕作業(yè)和空載過程可以近似看作線性函數，即P=Pn－knzn(－z)(2)其中，P和Pn分別為犁耕作業(yè)和空載時的壓力;z和zn分別為犁耕作業(yè)和空載時的沉陷量;kn為犁耕作業(yè)時的平均斜度。農用拖拉機壓實土壤的行駛阻力為Fn=2b∫z00Pdz(3)農用拖拉機總的行駛阻力表達式為Ff=Fn+Fm+Fb+Fv(4)農用拖拉機耕犁阻力與犁具結構、土壤松軟條件、耕作速度等有關，本文采用郭略契金表達式，即FL=F1+F2+F3(5)其中，F(xiàn)L為平均牽引阻力;F1、F2和F3分別為犁具摩擦阻力、土垡變形阻力和翻垡阻力。農用拖拉機耕犁時牽引阻力PX的表達方程式為PX=ZXbnh0k0(6)其中，ZX、bn、h0和k0分別為犁具刀組數、單刀厚度、耕深和土壤比阻。農用拖拉機的動力學方程為Ft=Teizη0r－∑F(7)其中，F(xiàn)t為農用拖拉機總的牽引力;Te為農用拖拉機發(fā)動機輸出扭矩;iz為農用拖拉機傳動系統(tǒng)總的傳動比;η0為傳動系效率;r為農用拖拉機后輪半徑;∑F為農用拖拉機的總阻力，包括空氣、摩擦、坡度和犁具等所有阻力。農用拖拉機的牽引效率ηT表達式為ηT=PTPe(8)其中，PT和Pe分別為牽引功率和發(fā)送機輸出功率。
2農用拖拉機自動滑行系統(tǒng)
2．1自動滑行傳感單元設計
滑行距離是系統(tǒng)根據農用拖拉機前后輪的速度差計算出來的。農用拖拉機前進的實際速度是由前輪轉速獲得的，而理論計算的是農用拖拉機后輪速度。農用拖拉機前后輪的速度采用霍爾傳感器ES3144進行量測，磁鐵金屬盤被安裝在農用拖拉機的前輪和后輪上，當ES3144靠近磁體的位置時磁場會發(fā)生變化，從而ES3144輸出管導通，輸出低電平，形成輪胎轉速的脈沖信號。ES3144的轉速信號脈沖會被嵌入式芯片采集到，并根據轉速信號量計算出農用拖拉機實際和理論速度。農用拖拉機自動滑行系統(tǒng)傳感器安裝如圖3所示。農用拖拉機實際速度(前輪速度)計算公式為Va=2π×rf(×H)f×1000t(9)農用拖拉機理論速度(后輪速度)的計算公式為Vtr=2π×rrr(×H)rr×1000t(10)Vtl=2π×rrl(×H)rl×1000t(11)Vt=Vtr(+V)tlt(12)農用拖拉機車輪打滑的計算公式為S=1－VaV()t(13)其中，Hf為前輪的脈沖數(t/ms);Hrr和Hrl分別為右后輪和左后輪的脈沖數(t/ms);rf為前輪滾動半徑(m);rrr和rrl分別為右后輪和左后輪的滾動半徑(m);t為刷新時間(ms);Va和Vt分別為實際速度和平均理論速度(ms);S為車輪打滑值。
2．2牽引力傳感單元設計
牽引力傳感單元采用三點聯(lián)動測力計，主要用于測量不同耕犁深度時農用拖拉機對耕具的牽引力。三點聯(lián)動測力計是一種通用的測力計，其采用可拆卸的框架，被安裝在農用拖拉機和耕犁之間，安裝方式是前端安裝在農用拖拉機上、后端安裝在耕犁上。三點聯(lián)動測力計采用3個拉伸－壓縮型稱重傳感器來感測和測量耕犁的耕地深度。牽引力計算公式為Fdraft=LLLF+RLLF－TLF(14)其中，LLLF為左下部連桿的拉力(kg);RLLF為右下連桿的拉力(kg);TLF為上連桿的拉力(kg)。2．3耕犁深度測量單元設計為了計算犁耕的工作深度，在農業(yè)拖拉機液壓系統(tǒng)的搖臂上安裝了1個旋轉傳感器。犁耕深度與搖臂旋轉角度有關，搖臂旋轉運動信號被旋轉傳感器采集到，輸出的電壓與搖臂旋轉位置相關。通過計算和校準，通過搖臂的旋轉信號便可以計算出犁耕的工作深度。為了獲得精準的耕犁深度值，采用5次重復測量進行校準，并將獲得的電位計讀數與手動測量值進行比較。驗證校準結果表明:線性犁耕深度與搖臂旋轉角度相關(R2=0．99)。犁耕深度校準曲線如圖4所示。2．4滑行和牽引力控制系統(tǒng)滑行和牽引力控制系統(tǒng)起反饋作用，主要是采集三點聯(lián)動測力計的犁耕深度和霍爾傳感器的車速，對滑行值和犁耕深度進行計算，并根據牽伸和滑移最佳值進行控制。滑行和牽引力控制系統(tǒng)流程如圖5所示。圖5中，微處理器將測得的滑行值與設定滑移范圍的上限(UL)和下限(LL)進行比較。若獲得的滑行值超過上限(UL)，則驅動步進電機沿順時針方向調節(jié)深度控制桿(加大犁耕深度);反之，若在下限(LL)內，則驅動步進電機沿逆時針方向調節(jié)深度控制桿(減小耕犁深度);若滑行值在LL和UL范圍內，則步進電機保持靜止。
3自動滑行系統(tǒng)嵌入式模塊設計
自動滑行系統(tǒng)嵌入式硬件主要包括AT91SAM9261嵌入式芯片、深度測力計、霍爾傳感、ADC模數轉換模塊、人機交互界面、電壓檢測、電機驅動和報警電路等，如圖6所示。嵌入式控制模塊的核心任務是完成數據采集和控制驅動電機的指令。嵌入式控制模塊獲取三點聯(lián)動測力計、犁耕深度和霍爾傳感器信號，AT91SAM9261通過內置比例控制算法進行分析，驅動相應的電機，控制耕具的深度和農用拖拉機的滑行距離。嵌入式控制模塊原理示意如圖7所示。
4試驗測試與結果分析
為了驗證基于嵌入式的農用拖拉機自動滑行系統(tǒng)的實際性能，進行了實際的犁地作業(yè)。試驗中，農用拖拉機操作人員只控制車輛前進方向，車輛行駛速度和犁具深度均由自動滑行系統(tǒng)根據實際滑行距離進行自動調節(jié)。試驗結果如圖8所示。由圖8可以看出:在犁地前5s，滑行距離為7．5～12m，大于最大滑行距離10m;此時，由于土壤硬度較大，耕具牽引力為7．84～10．78kN，操作速度由1．05降低到0．89m/s。在5－10s內，自動滑行系統(tǒng)將犁耕深度由172．5mm降低到165．8mm，使得滑行距離調整為10m安全距離內。在14－19s、34－39s和46－50s期間，當滑行距離超過設定安全距離的上限(10m)時，自動滑行系統(tǒng)也達到了操作要求，使得滑行距離保持在設定的安全范圍內。
5結論
針對農用拖拉機滑行距離不穩(wěn)定的特點，以農用拖拉機為研究對象，設計了一種基于嵌入式的農用拖拉機自動滑行系統(tǒng)，可以根據農用拖拉機滑行距離和牽引力大小自動調節(jié)耕犁深度，將滑行距離控制在安全范圍內，減少了操作人員的干預。試驗結果表明:自動滑行系統(tǒng)表現(xiàn)優(yōu)越，使得滑行距離保持在設定的安全范圍內，可保證操作人員人身安全。
作者:梁碩 魏純 單位:河南工業(yè)職業(yè)技術學院 武漢東湖學院電子信息工程學院
