遥控变速系统中电动推杆式换向与遥控装置的研究

发布时间：2016-12-14 21:51

1 引言

1.1 课题的研究背景及意义
很长一段时间，我国农业生产以劳动强度大及劳动条件差为特点，农业机械化处于低水平状态。随着全民生活水平的提高，农民对自己的劳动条件有了更高的要求，机械自动化生产取代手工劳动已迫在眉睫。特别是进入 21 世纪我国加入世贸组织(WTO)以来，为了参与国际竞争，只有提高农业机械化水平，才能将农业生产现代化与产业化，进而在竞争中求生存、谋发展。一方面，我国的农业生产正逐步从传统农业向现代化农业过渡，农业劳动力不断向其他产业转移的同时，其结构性短缺及日渐老龄化已漫延至全球。与此同时，设施农业、精确农业的不断发展，加上高新技术的异军突起，尤其是人工作业成本的不断上涨，为农业机械化的发展提供了各种可能及新的动力。另一方面，我国农机自动化水平并不够高，即使部分机械可减少人为作用，但是还不能够摆脱人的近距离参与，如果劳动者的生产环境比较恶劣，那么对身体健康的影响可想而知，因此遥控操作、无人驾驶将为农机智能化带来新的契机与挑战。从上表可得出：变速技术从手动换档过渡到自动换档，其工作效率也在不断的提升；但是诸如此类的换档模式多数基于变速箱内部的液压系统，而从其外部加以改造进而控制，甚至是以遥控的方式来做到自动换档的机构还不多。因此对农机的自动变速控制系统加以创新设计进而遥控操作，必将大大提高其工作效率的同时节约人工操作成本。随着遥控技术的不断成长及遥控资源价格的持续走低，使其在农机上的普及和应用愈加成熟，主要用来代替一些危险行业的作业人员操作，既提高了操作效率又减少了人身损害。与此同时，计算机技术以及智能控制理论的进一步深入，也为农机的控制系统实现控制策略的优化和适应性开辟了新的途径。近年来，我国东北和新疆区域的农机大型化发展劲头十足，劳动者在其农业生产中依赖少数几台功率较大的农机的概率越来越大，那么问题是怎样才能够最大程度地提高这些大型农机的工作效率成为当下农业工程热门的研究课题，因此，，很有必要同时也有意义针对农机自动变速系统的换向机构与遥控装置进行研究与设计。
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1.2 农机相关技术的国内外研究状况
改革开放以来，特别是进入 21 世纪我国成功加入 WTO（世界贸易组织），对农业机械的自动化的研究体现出了速度快、质量高的发展姿态，在农机的遥控以及无人驾驶方面也有显著成绩。2003 年新型遥控农机具在湖南省常德市问世，它重将近 200 kg，以柴油机（180 型）为动力，平均每小时耕种多达 2000 m2 地的工作效率；在 50 m 有效的遥控距离内可操作遥控器使农机具的耕田启动、行走方向及速度得到控制[2]。2008 年，胡炼等人对久保田插秧机的转向、变速机构等进行了相应改造，通过搭建基于单片机的控制系统，采取 PD 电机位置控制算法来控制插秧机运动方向，在一定程度上实现插秧机的自动控制[3]。2009 年，陕西省东明农业科技公司的科研人员历经 9 年探索成功研制出一种新型可遥控、应用在农田上微型耕作机械。该机操作简单、应用方便、转向灵活，可搭配旋耕机、播种机、喷雾器等多种农用机械设备，能够完成在山区、农田、川塬等不同地质条件的耕整、管理等。设计随机操作和遥控操作的 2 套系统，很大程度上减少了工作人员的操作强度和人身危险[4]。同年，蒋蘋等人研制出以单片机为核心处理器的可遥控驾驶水田作业机械。在田野作业试验表明在 300m 之内遥控控制有效且无线数据传输稳定，可以完成在水田遥控作业时的控制要求[5]。纪朝凤等人应用 CAN 总线技术设计出车辆自动导航系统，通过工控机采集挂接在 CAN总线上的角度传感器、电子罗盘及 GPS 模块等部件的数据来控制转向控制单元实现对农业车辆的转向控制，在算法上采用的是自适应 PID 控制算法[6]。2012 年谢昌盛等人在 2ZG630A 型插秧机控制系统的基础上进行成本低廉的创新改造，其开发的无人驾驶插秧机是基于双激光源定位，通过设计遥控驾驶系统，其有效距离在 100m范围内可达到对机器的速度、方向及发动机的点火与熄火的控制，试验数据表明该系统、定位准确、应用可靠[7]。同年，任文涛等人在久保田 NSD8 型插秧机已有转向机构的基础上，设计由单片机、角度传感器及无线数传模块等组成的遥控系统以及带有离合轴的转向执行器。经在田间工作试验证实该系统在转向过程中可遥控操作[8]。
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2 遥控变速系统的总体设计

2.1 控制技术基础简介

如图 2-1 所示，从 1940 年开始到现在，控制理论大致经历了三个典型阶段。其中“智能控制”有别于其它两种控制的处理方式，控制器是数学解析模型与知识系统相结合的广义模型，现已进入“大系统理论”阶段[42]。在电驱动技术的基础上发展成的一门综合性、多学科的交叉技术称之为运动控制(MotionControl)；它是按运动要求及传感器反馈的信号进行数学或逻辑运算，提供实时准确的控制信号给电机、执行机构或动力装置[43]。1）点位控制，只对终点位置有要求，与运动轨迹无关；2）直线控制也称平行控制，对运动速度进行控制外，其运动轨迹也要求为直线；3）轮廓控制，因可对多个运动坐标的位移、速度进行连续控制，故可进行曲线或曲面运动，在数控系统、切割系统等中应用的较多；4）同步运动控制，为多轴间的运动协调控制，在造纸等工业上应用较多。按实现运动控制系统的方法从结构上分有三大类，如图 2-4 所示。

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2.2 遥控变速系统的总体设计遥控变速系统的总体设计
如图 2-5 所示，其中系统供电由蓄电池供给 12V 的直流电源来实现。要求控制器能实现变速系统的点火启动、换向、加减油门、紧急停车、报警等的自动控制功能，为使农机的智能化程度更高、同时也更方便、快捷，系统还设计了遥控装置来对上述功能进行视距操作控制。系统控制芯片的供电电源为车载 LED 显示屏专用电源（超薄）提供，即 12V/24 转 5V直流降压器，它是由进口集成式开关稳压模块制造，可使不稳定的 9-33V 直流电源转化为稳定的 5V 直流电源。开关电源选用广州金升阳科技生产的 75W 直流-直流转换模块。采用开关方式，其中得到的 12V 供给油门/档位电动推杆及自动控制板，24V 供给离合器电动推杆。点火启动控制系统设计如图 2-7 所示。在系统检查档位处于空档位置时，控制器控制油门给油，进而利用马达完成启动，依据柴油机声音来进行系统自诊断。“马达”（motor）也叫电动机。依赖外力带动曲柄连杆机构进行运动即可将发动机的状态从停止调入工作，曲柄连杆的运动去压缩可燃混合气体后开始点火燃烧或者自燃。这个外力构成的装置或者系统就是马达的启动系统。发动机有多种启动方式，一般情况下采用的是人力、电力、辅助汽油机等。本文是利用电力启动方式，其方便、迅速，结构相对简单。人力启动可根据柴油机的声音来控制点火，而电力启动则不会通过声音来判断点火是否正常，再加上机器正常运行与否也需自诊断，故需要有柴油机的声音检测单元。
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3 遥控变速系统的硬件设计..... 16
3.1 系统功能要求..........16
3.2 系统硬件设计..........16
3.2.1 变速机构换向原理............ 17
3.2.2 硬件选型介绍............18
3.2.3 单元电路设计............23
3.3 本章小结..........27
4 遥控变速系统的软件设计..... 28
4.1 档位推杆控制..........28
4.2 串口通信..........29
4.3 遥控控制..........30
4.4 人机界面显示..........31
4.5 本章小结..........31
5 遥控变速系统的试验与分析.......... 32
5.1 试验平台..........32
5.2 换向控制系统仿真试验........... 34
5.3 遥控装置性能试验...........38
5.4 本章小结..........42

5 遥控变速系统的试验与分析

5.1 试验平台
试验平台如图 5-1 所示，分别在柴油机的油门、变速箱的档位、离合处做适当的机械处理后装配对应的电动推杆来替代人为来动作。其中离合器装置是变速系统不可或缺的环节，而变速箱则是在离合器的配合下进行前进档、空档、后退档的变换，在档位设置好的前提下就可操作柴油机的油门进而达到对速度的控制。离合器的位置如图 5-2 所示，它是自动换向控制系统的重要组成，其功能是将发动机与变速箱连接或断开，可传递和切断发动机传给传动系统的动力，来保证农机的平稳起步、停车以及变速箱的顺利换档。只有当离合器合时，变速箱才可进行换档操作。在本文的遥控变速系统中，用推拉力为 3000 N 的离合器电动推杆来替代手动操作离合杆，以达到配合档位电动推杆完成换向的目的。换向控制系统中档位所选用的电动推杆的行程为 250mm，在距离推杆两端各 110mm 处分别装置 2 个限位开关，再将 2 个限位开关之间的 30mm 行程均分为 3 段，以 0mm 处代表变速箱空档时变速杆所在位置，以 10mm 处代表前进档所在位置，以-10mm 处代表后退档所在位置。利用上述建立的系统数学模型在 Simulink 环境下建立了如下图 5-6 所示为 PID 参数调整仿真框图，图 5-7 在不同 P、I、D 参数下的阶跃响应曲线。
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总结

遥控式农机在提高作业效率的同时，又避免人的近距离的参与，促进了机械的自动化发展；而自动变速技术则是农机实现自动控制的基础，也是其传动系中的核心部件，因此，本文针对上述问题设计了以柴油机为动力的遥控变速系统。通过对国内外相关技术的了解与认知，提出整个系统的研究方案，在确定系统功能要求的前提下完成系统的硬件设计，包括各硬件的选取与各单元电路的设计，根据系统硬件设计，运用模块化思想设计与其相匹配的软件流程，在软硬件都完整的情况下搭建电动推杆式换向系统的仿真试验平台，并在开阔的地面上进行遥控装置的性能试验，分析上述试验数据得出结论，到此，最终完成了遥控变速系统中电动推杆换向与遥控装置的设计与研究。本文主要完成了以下工作：（1）查阅相关技术的国内外文献资料，了解遥控式农机的应用系统，认识农机变速系统的分类及应用，在此基础上提出了遥控变速系统中电动推杆式换向与遥控装置的设计思路；（2）完成了遥控变速系统的整体电路设计，结合经典控制理论与自动换向系统的特点设计了基于档位位置的 PID 换向控制器；（3）重点设计了自动换向控制系统，采用 PID 算法与位置状态检测的方法来确定档位，并运用 MATLAB 软件对系统进行了仿真试验，分析试验结果可得出档位推杆能快速响应且准确到达预定位置，能满足系统换向需求；（4）设计出了遥控装置自控端与遥控端的样机，并在开阔地无干扰的地面上进行实际遥控装置的性能试验，其有效距离可达 300m 左右。通过对遥控变速系统中电动推杆式换向与遥控装置的研究，完成了遥控变速系统的整体电路与控制算法的设计，其中自动换向控制系统采用 PID 算法与位置状态检测的方法来确定档位，重点针对换向系统进行了仿真试验并得出在仿真条件下能实现自动换向；同时设计出了遥控装置自控端与远端的样机；为下一步具体的遥控控制试验提供了基础与条件。
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参考文献(略)

本文编号：212910