丘陵山地農(nóng)機(jī)具的自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)設(shè)計(jì)

石兵 程登慧 康志亮

摘要：設(shè)計(jì)了一種基于PID速度調(diào)節(jié)的自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)，該系統(tǒng)以51單片機(jī)為主控制器，通過與傳感檢測模塊的串口通信來實(shí)時(shí)獲取車身姿態(tài)，以步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)構(gòu)成的四點(diǎn)式機(jī)電調(diào)平系統(tǒng)。通過步進(jìn)電機(jī)的位移進(jìn)行軸方向調(diào)平，以履帶式模型車具作為搭載底盤，并應(yīng)用于丘陵地區(qū)作業(yè)的農(nóng)機(jī)具上。

關(guān)鍵詞：機(jī)電調(diào)平系統(tǒng);軸方向調(diào)平;PID控制;山地農(nóng)機(jī)具

中圖分類號(hào)：S223.2+5 ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：0439-8114（2019）23-0207-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.23.051? ? ? ? ? ?開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Design of automatic leveling system for mountain farm implement

SHI Bing1，2，CHEN Deng-hui2，KANG Zhi-liang2

（1.Sichuan Deyang Huangxu Vocational Secondary School，Deyang 618000，Sichuan，China;

2.College of Mechanical and Electrical Engineering，Sichuan Agriculture University，Yaan 625014，Sichuan，China）

Abstract： An automatic leveling system based on PID speed regulation is designed. The system uses 51 MCU as the main controller. Through the serial communication with the sensing detection module， we can obtain the posture in real time. And the four point leveling system of the step motor is composed of the actuator. The platform is leveled by the displacement of the stepper motor， and the crawler-type model vehicle is used as a carrying chassis. The platform is intended to be applied to the farm machinery working in the hilly area.

Key words： electromechanical leveling system; axis leveling; PID control; mountain farm implement

山地多、平地少是中國土地構(gòu)成的顯著特點(diǎn)，但由于丘陵山地具有地表凹凸不平、田塊小、不規(guī)則、坡陡彎多等特點(diǎn)[1-4]，不利于田間作業(yè)的機(jī)械化，且農(nóng)業(yè)機(jī)械在丘陵山區(qū)的行走姿態(tài)調(diào)整（即穩(wěn)定性調(diào)整）仍然停留于操作人員手動(dòng)控制的階段，具有很大的隨意性，這樣便存在著安全隱患，使機(jī)器在丘陵山地田間工作缺乏安全性和穩(wěn)定性，阻礙了丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)的機(jī)械化發(fā)展。近年來，隨著中國機(jī)械化水平在各個(gè)領(lǐng)域的普及，農(nóng)業(yè)機(jī)具也在朝著機(jī)械化自動(dòng)化的方向發(fā)展，應(yīng)用于丘陵山地的拖拉機(jī)得到了快速發(fā)展，使農(nóng)機(jī)具適應(yīng)丘陵山地的工作環(huán)境，因此丘陵農(nóng)機(jī)具的調(diào)平成為了當(dāng)前農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展的必然要求[5-8]。

本研究設(shè)計(jì)一種自動(dòng)調(diào)平車，并擬應(yīng)用于中國廣闊的丘陵山地。當(dāng)調(diào)平車在不同角度的坡道上行走時(shí)，調(diào)平車車身始終保持水平，通過自動(dòng)控制系統(tǒng)來實(shí)時(shí)調(diào)控小車的行走姿態(tài)（即使車身始終保持水平），使得其穩(wěn)定性好，通過性強(qiáng);其在起伏路面工作時(shí)，質(zhì)心位置變動(dòng)?。纯梢欢ǚ秶{(diào)節(jié)質(zhì)心的位置），保持調(diào)平車的平穩(wěn)性，從而顯著提高調(diào)平車行走時(shí)的穩(wěn)定性能及坡地適應(yīng)性，使小車能在丘陵山地的不同坡道上安全穩(wěn)定的行走。

1? 調(diào)平系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

該設(shè)計(jì)為應(yīng)用于山地農(nóng)具調(diào)平的底盤模型設(shè)計(jì)，調(diào)平系統(tǒng)調(diào)平的過程即以原動(dòng)機(jī)為能量源，將各種形式的能量轉(zhuǎn)為機(jī)械能做功，達(dá)到調(diào)平目的。其中，由傳動(dòng)系統(tǒng)負(fù)責(zé)能量的轉(zhuǎn)化并加以控制，在現(xiàn)有的自動(dòng)調(diào)平控制系統(tǒng)中，傳動(dòng)系統(tǒng)主要有機(jī)電系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)兩種。機(jī)電式調(diào)平的方式最大優(yōu)點(diǎn)在于其抗干擾性強(qiáng)，與液壓式執(zhí)行機(jī)構(gòu)相比操作簡單，易于維護(hù)[9-12]。在該系統(tǒng)中設(shè)計(jì)的模型應(yīng)對(duì)的是復(fù)雜的工作環(huán)境，而液壓系統(tǒng)有著更嚴(yán)格的工作環(huán)境，且在設(shè)計(jì)模型時(shí)考慮到無其他載重，所以該系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)裝置選擇了機(jī)電式調(diào)平系統(tǒng)。

模型采用如圖1所示的四腿支撐平臺(tái)的方式，平臺(tái)為剛性，4個(gè)支腿的安裝位置即F1、F2、F3、F4，如圖2所示安裝。同一軸的支腿F1、F2圍繞形心上下移動(dòng)，距離相同，方向相反，直至平臺(tái)達(dá)到水平狀態(tài)。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是控制方式簡單，只用對(duì)各個(gè)軸相對(duì)與水平軸的角度進(jìn)行控制，且速度較快;缺點(diǎn)是同時(shí)對(duì)兩個(gè)軸調(diào)整會(huì)使平臺(tái)產(chǎn)生形變。

自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)整體采用了負(fù)反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)，主要包括主控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、檢測變送裝置以及目標(biāo)平臺(tái)等部分組成，輸入信號(hào)為誤差，在該設(shè)計(jì)中表示平臺(tái)傾斜角度，通過在主控制器中與給定精度進(jìn)行比較，通過控制器中的算法程序輸出信號(hào)來控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，即電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到平臺(tái)的調(diào)平要求。采用閉環(huán)控制可以增加自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)的快速性、準(zhǔn)確性，也比開環(huán)控制更加穩(wěn)定[13-15]。如圖2所示為調(diào)平系統(tǒng)的控制框圖。

2? 調(diào)平裝置設(shè)計(jì)

2.1? 調(diào)平裝置硬件設(shè)計(jì)

該控制系統(tǒng)的硬件整體結(jié)構(gòu)主要包括主控模塊、紅外遙控模塊、傾角傳感模塊、LCD顯示模塊、執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊。各個(gè)模塊連接如圖3所示。

1）傾角信息處理模塊由雙軸式傾角傳感器、A/D轉(zhuǎn)化電路、LCD傾角顯示電路等組成，雙軸式傾角傳感器檢測行走底盤X、Y雙軸傾斜角度，將角度信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓模擬信號(hào)，模擬電壓信號(hào)再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)并同時(shí)在LCD顯示器上顯示當(dāng)前傾斜角度。

2）控制模塊是系統(tǒng)的核心部分，它負(fù)責(zé)了自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)和手動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)各自的輸出以及兩種調(diào)平方式的切換。在接收到紅外信號(hào)時(shí)進(jìn)行手動(dòng)調(diào)平，否則執(zhí)行自動(dòng)調(diào)平?？刂颇K最重要的功能是接收信息處理模塊的數(shù)據(jù)后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，通過設(shè)計(jì)調(diào)平算法給執(zhí)行機(jī)構(gòu)合適的輸出，從而使平臺(tái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)平。

3）執(zhí)行模塊，接收單片機(jī)的控制信號(hào)執(zhí)行控制命令，由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)組成。

4）紅外通訊模塊，通過紅外遙控的方式，使平臺(tái)可以由操作人員通過手動(dòng)方式調(diào)平，這樣的設(shè)計(jì)使調(diào)平系統(tǒng)達(dá)到手自一體的效果，也可以在自動(dòng)控制系統(tǒng)不運(yùn)行時(shí)作為備用的調(diào)平方案。

2.2? 調(diào)平裝置軟件設(shè)計(jì)

車身調(diào)平控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要是基于雙軸式傾角傳感器的車身自動(dòng)調(diào)平算法。手動(dòng)調(diào)平采用的紅外遙控算法作為輔助算法。整個(gè)系統(tǒng)以自動(dòng)調(diào)平算法為主程序，一般情況下調(diào)平方式為自動(dòng)調(diào)平，特殊情況下啟動(dòng)手動(dòng)調(diào)平方式。因此設(shè)計(jì)標(biāo)志變量Flag，用于判斷調(diào)平方式。

判斷的方式為外部中斷查詢方式，對(duì)51單片機(jī)的外部中斷口P3.2進(jìn)行中斷查詢操作，若P3.2電平被拉低，則表示有外部中斷信號(hào)，即程序定義中的Flag位被復(fù)位，由默認(rèn)的自動(dòng)調(diào)平切換為手動(dòng)調(diào)平。至此，可以看到整體的手動(dòng)系統(tǒng)與自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)由軟件結(jié)合并實(shí)現(xiàn)了切換。

當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)平時(shí)，控制器通過并行通信接收雙軸式傾角傳感器經(jīng)過濾波處理的傾角信號(hào)，控制器過當(dāng)前接受數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)平算法處理，做出對(duì)應(yīng)調(diào)平措施，最后通過對(duì)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的使能信號(hào)，方向信號(hào)，脈沖信號(hào)進(jìn)行控制，繼而控制相應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)作，使車身進(jìn)行調(diào)平。如圖4所示。

選擇增量式的PID控制算法，在圖4中已經(jīng)確定了調(diào)平方案為支腿繞對(duì)應(yīng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的調(diào)平方式，將PID控制與自動(dòng)調(diào)平方案相結(jié)合實(shí)現(xiàn)基于PID速度調(diào)節(jié)的自動(dòng)調(diào)平方案[16]。根據(jù)PID控制原理，系統(tǒng)需采樣輸入被控量及實(shí)際的y（k）和給定值r（k），計(jì)算偏差。編程步驟如圖5所示。

3? 系統(tǒng)測試

如圖6、圖7，丘陵坡地自動(dòng)調(diào)平車的特征是設(shè)置車身箱體（12）與調(diào)平板（2）固接，調(diào)平板（2）分別與4個(gè)三頭十字軸（6）的兩個(gè)對(duì)稱頭相連接，三頭十字軸（6）可相對(duì)于調(diào)平板（2）旋轉(zhuǎn)，并可在調(diào)平板（2）上的圓頭鍵槽內(nèi)滑動(dòng)。設(shè)置4個(gè)三頭十字軸（6）的單頭分別與4個(gè)步進(jìn)電機(jī)絲桿滑臺(tái)的滑臺(tái)（10）相連，三頭十字軸（6）可相對(duì)于滑臺(tái)（10）旋轉(zhuǎn)。設(shè)置縱向步進(jìn)電機(jī)絲桿滑臺(tái)（5）與橫向步進(jìn)電機(jī)絲桿滑臺(tái)（1）分別與底盤（4）固接。底盤（4）上安裝有測量傳感器（9）以檢測底盤的傾斜度。設(shè)置單片機(jī)控制板（7）與底盤（4）固接并通過電路導(dǎo)線（3）與步進(jìn)電機(jī)及測量傳感器相連通。設(shè)置底盤（4）與履帶輪支撐板固接。

農(nóng)機(jī)具的機(jī)械化種植應(yīng)在山區(qū)坡度為15°以下的平耕地（<2°，2°～6°）和緩坡耕地（6°～15°）。因此，分別設(shè)置了-15°、-8°、2°、8°、15° 5個(gè)傾斜度。在理論上該系統(tǒng)可以檢測并實(shí)現(xiàn)0°±90°范圍內(nèi)的調(diào)平，實(shí)際上由于機(jī)械結(jié)構(gòu)的限制，平臺(tái)面與電機(jī)的絲桿連接處不可能垂直或平行，且電機(jī)的絲桿不可能無限延長，因此應(yīng)用此調(diào)平系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的模型最多可以實(shí)現(xiàn)X軸與Y軸兩個(gè)方向±30°范圍內(nèi)的調(diào)平。

通過多次測量，對(duì)采樣率以及精度等各個(gè)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整設(shè)置。精度的設(shè)置是為了避免不必要的頻繁調(diào)平操作，調(diào)平精度設(shè)置為2°。

模型車只在橫坡上行走時(shí)，橫坡測試結(jié)果如表1所示。

模型車只在縱坡上行走時(shí)，橫坡測試結(jié)果如表2所示。

模型車在縱坡上行走時(shí)轉(zhuǎn)向橫坡，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

當(dāng)精度設(shè)置為2°，既可以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，又可以滿足實(shí)際的傾斜度要求，一定的誤差范圍保證了調(diào)平系統(tǒng)在實(shí)際場合的運(yùn)用。

該系統(tǒng)可較好地應(yīng)用于模型車上，包括電氣控制與機(jī)械設(shè)計(jì)，調(diào)平精度為-2°<α<2°;調(diào)平誤差范圍為<1.5%;調(diào)平時(shí)間為<2 s;凈承重<2.6 kg。

4? 結(jié)論

從中國農(nóng)業(yè)實(shí)際狀況出發(fā)，設(shè)計(jì)了一種丘陵山地農(nóng)機(jī)具的調(diào)平系統(tǒng)，并從機(jī)械結(jié)構(gòu)上對(duì)調(diào)平裝置進(jìn)行了設(shè)計(jì)。對(duì)搭建好的模型設(shè)置了不同的坡度，測試模型在行駛中的調(diào)平效果，包括手動(dòng)調(diào)平和自動(dòng)調(diào)平兩個(gè)部分，得到了一套適用于調(diào)平系統(tǒng)的試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜋C(jī)具。該模型機(jī)具對(duì)山地農(nóng)機(jī)具調(diào)平裝置的設(shè)計(jì)具有重要的參考價(jià)值。

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