輪式拖拉機實時滑移率監(jiān)測系統(tǒng)研究

田勇鵬，陳 軍，王 璐，劉美辰，趙 翔

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 機械與電子工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

0 引言

拖拉機按照行駛方式分為輪式拖拉機和履帶式拖拉機：履帶式拖拉機通過性能好，特別是惡劣路況的機動速度和能力較輪式拖拉機的優(yōu)勢特別大；輪式拖拉機在潮濕泥濘或松軟土壤上易打滑，牽引附著性能差。輪式拖拉機行進過程中，當車輪滾動速度大于實際前進速度時，車輪處于滑移狀態(tài)；當車輪滾動速度等于實際前進速度時，車輪屬于純滾動狀態(tài)[1-2]。非正常行駛現(xiàn)象的監(jiān)測對于輪式拖拉機的行進性能和工作性能有著重要參考價值。輪式車輛路面行駛工況有較大的不確定性，就拖拉機行駛路面而言，有平坦的水泥路和瀝青路，而更多則是復(fù)雜多變的石子路面或軟土路面。合理控制拖拉機滑移率則可改善拖拉機牽引效率和優(yōu)化燃油效率，能降低油耗20%～30%，可顯著提高拖拉機燃油經(jīng)濟性[3-4]。拖拉機在不同作業(yè)類型、不同作業(yè)地塊下滑移率是不同的[5]，只有工作在最佳滑移率下才能充分發(fā)揮驅(qū)動能力，保證較高的牽引效率和工作效率。為了使駕駛?cè)藛T能夠及時獲得滑移率信息，以保證拖拉機工作在最佳滑移率附件，必須對滑移率進行實時測量，而滑移率實時監(jiān)測的關(guān)鍵在于車身速度和驅(qū)動輪輪速的實時與準確測量[6]。車身行駛速度的測量方法有多種，標桿法測量拖拉機的平均速度，只能測量平均滑移率；低速雷達法利用多普勒原理來測速，精度較高；GPS法除了可以高精度定位測量外也可以用來測量運動車輛的車身速度[7-10]；輪式車輛驅(qū)動輪速度測量主要選用光電式、霍爾式傳感器或是編碼器[11-13]?；坡蕼y量的精度高低取決于車身速度和驅(qū)動輪輪速的測量精度。目前，相比于平均滑移率，實時滑移率監(jiān)測研究較少，實現(xiàn)滑移率的實時監(jiān)測需要完整的上位機和下位機系統(tǒng)。

為此，設(shè)計了基于LabVIEW和單片機的輪式拖拉機實時滑移率監(jiān)測系統(tǒng)，配套基于硬件電路、單片機和霍爾傳感器的下位機系統(tǒng)，以及基于LabVIEW和通訊模塊的上位機系統(tǒng)實現(xiàn)對于輪式拖拉機驅(qū)動輪、車身速度實時采集和滑移率的實時監(jiān)測，可以由此判斷出輪式拖拉機實時行駛的滑移及陷車狀態(tài)，同時基于滑移率實時監(jiān)測數(shù)據(jù)對輪式拖拉機有效安全行駛做出警示。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

為最大限度滿足在各類工作情況下實時滑移率的監(jiān)測，采用由霍爾傳感器模塊、單片機測速模塊、LCD1602A液晶顯示模塊、下位機和上位機通信模塊，以及LabVIEW上位機處理數(shù)據(jù)顯示實時滑移率模塊組成的成套系統(tǒng)。通過霍爾傳感器實時檢測拖拉機驅(qū)動輪和從動輪轉(zhuǎn)速，單片機LCD1602A顯示實時輪速和車速，單片機端通過CH340集成USB轉(zhuǎn)串口芯片實現(xiàn)與PC機串行異步通信，上位機界面采用LabVIEW圖形化編輯語言G編寫程序，實現(xiàn)通信數(shù)據(jù)在上位機界面實時顯示，包括車輪實時速度與滑移率實時監(jiān)測值。監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

2.1 霍爾傳感器模塊

所選霍爾傳感器為邁得豪實業(yè)有限公司生產(chǎn)的CHE 12·10NA·H710型號霍爾傳感器，標準檢測距離為10mm，產(chǎn)品外形為金屬圓柱形，總長37mm,外形直徑12mm，螺紋長度32mm,頻率320kHz,輸出為NPN常開型，輸入電壓為DC5-30V,輸出最大電流為150mA?；魻杺鞲衅魇且环N磁傳感器，用它可以檢測磁場及其變化，可在各種與磁場有關(guān)的場合中使用。其具有電流上升率大、響應(yīng)速度快、過載能力強、體積小、質(zhì)量輕及安裝簡單方便的優(yōu)點。設(shè)計的霍爾傳感器安裝結(jié)構(gòu)如圖2所示。該安裝機構(gòu)設(shè)計結(jié)構(gòu)巧妙，可適用于不同型號車輪的輪速采集。

2.2 單片機測速模塊

STC89C52芯片作為測速的核心模塊，外部中斷用來檢測霍爾傳感器的脈沖，定時/計數(shù)器T0用來定時。測速原理是在單位時間內(nèi)累計脈沖個數(shù)或在相鄰脈沖間累計時間，然后換算轉(zhuǎn)速。當需要實時檢測外部IO口的信號時，需要用到外部中斷，普通IO口狀態(tài)檢測是通過程序循環(huán)掃描完成的，但不能保證實時性(如測量外部脈沖的觸發(fā)時間和寬度)，就必須用到外部中斷，STC89C52的外部中斷在P3^2和P3^3，中斷可以通過程序配置優(yōu)先級，默認P3^2最高優(yōu)先級。定時/計數(shù)器的實質(zhì)是加1計數(shù)器(16位)，由高8位和低8位兩個寄存器組成。

1.軸承套 2.軸承 3.底座 4.強力磁鋼 5.板件 6.鎖緊裝置 7.傳感器模塊 8.霍爾傳感器探頭 9.傳感器安裝支架

2.3 LCD1602A液晶顯示模塊

為了便于在系統(tǒng)上、下位機通信過程中及時發(fā)現(xiàn)問題，保證通信正常，在下位機中添加可視化的數(shù)據(jù)顯示模塊，本系統(tǒng)選用的是液晶顯示器。該SMC1602A LCM型 LCD1602A液晶顯示器由長沙太陽人電子有限公司生產(chǎn)，顯示容量16×2個字符，芯片工作電壓4.5～5.5V，工作電流2.0mA，模塊最佳工作電壓5.0V，字符尺寸2.95×4.35(WXH)mm?，F(xiàn)將字符串定義為字符數(shù)組，利用循環(huán)程序重復(fù)調(diào)用字符顯示程序。LCD 1602A可以采用兩種方式與單片機連接，一種是采用8位數(shù)據(jù)總線D0～D7和RS、R/W、EN3個控制端口；另一種是只用D4～D7作為4位數(shù)據(jù)分兩次傳送。

2.4 下位機和上位機通信模塊

下位機與上位機之間通過CH340集成USB轉(zhuǎn)串口芯片實現(xiàn)串口串行通信，單片機端與PC機用USB電纜連接，PC機需要安裝驅(qū)動程序。在數(shù)據(jù)通信中，按每次傳送的數(shù)據(jù)位數(shù)，通信方式可分為并行通信和串行通信。如果一組數(shù)據(jù)的各數(shù)據(jù)位在多條線上同時被傳輸，這種傳輸方式稱為并行通信。串行通信是使用一條數(shù)據(jù)線，將數(shù)據(jù)一位一位地依次傳輸，每一位數(shù)據(jù)占據(jù)一個固定的時間長度。在串行通訊中，根據(jù)時鐘控制數(shù)據(jù)發(fā)送和接收的方式，串行通訊又分為同步串行通信和異步串行通信。異步串行通信在發(fā)送端和接收端不需要保持嚴格的頻率一致，允許有時間的延遲，即收、發(fā)兩端的頻率差在10%以內(nèi)，都是可以保證正常通信的。因此，本系統(tǒng)使用串行異步通信，可滿足下位機與上位機的較長距離數(shù)據(jù)傳輸。為了保證能夠成功地進行數(shù)據(jù)傳輸，在使用異步串行通信實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸時必須指定4個參數(shù)，即傳輸?shù)牟ㄌ芈省ψ址幋a的數(shù)據(jù)位數(shù)、奇偶校驗位和停止位數(shù)。

2.5 LabVIEW上位機處理數(shù)據(jù)模塊

上位機界面采用LabVIEW圖形化編輯語言G編寫程序，實現(xiàn)通信數(shù)據(jù)在上位機界面實時顯示，同時計算并顯示實時滑移率。該系統(tǒng)LabVIEW串行通信中用到的函數(shù)節(jié)點為VISA配置串口、VISA寫入、VISA讀取、VISA關(guān)閉和VISA串口字節(jié)數(shù)。上位機界面顯示如圖3所示。前面板是圖形化的用戶界面，用于設(shè)置輸入數(shù)值和觀察輸出量，是人機交互的窗口，實現(xiàn)該功能使用到的LabVIEW函數(shù)庫包括數(shù)據(jù)采集、串口控制及數(shù)據(jù)顯示等。用戶界面包括顯示區(qū)域、讀取狀態(tài)和操作控制等。

圖3 上位機界面

3 實時滑移率計算及系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 實時滑移率計算

該系統(tǒng)對車身速度和驅(qū)動輪輪速的采集數(shù)據(jù)進行處理，結(jié)合現(xiàn)有對于滑移率的計算公式，編寫適用于滑移率計算的算法程序。式(1)是基于速度計算，所得結(jié)果是瞬時滑移率；式(2)是基于位移計算，所得結(jié)果是平均滑移率，即

(1)

(2)

式中μ—滑移率；

VW—驅(qū)動輪輪速(km/h)；

V—車身實際速度(km/h)；

S1—驅(qū)動輪實際行駛位移(m)；

S2—車身實際行駛位移(m)。

本監(jiān)測系統(tǒng)采用式(1)計算實時滑移率。由于車輛行駛過程中從動輪為純滾動，因此式(1)中車身實際速度V由從動輪輪速近似代替。根據(jù)計算原理的不同，輪速測定方法分為T法測速和M法測速，分別如式(3)和式(4)所示。

(3)

(4)

式中D—車輪直徑；

m—車輪一圈磁性材料個數(shù)；

T1—霍爾傳感器檢測到相鄰脈沖所間隔的時間(s)；

T2—單片機內(nèi)部定時/計時器設(shè)定固定時間間隔(s)；

n—霍爾傳感器檢測在單位時間內(nèi)檢測到的脈沖個數(shù)。

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)上電后霍爾傳感器開始工作，在車輪輻板處均布n塊直徑12mm的磁性材料，霍爾傳感器在檢測到磁性材料時TTL電平為0V等價于邏輯“0”；否則，霍爾傳感器TTL電平為+5V等價于邏輯“1”。該信號經(jīng)過P3^2口輸入到單片機中，下位機和上位機之間通過CH340集成USB轉(zhuǎn)串口芯片實現(xiàn)串口并行通信，上位機計算并顯示實時滑移率。監(jiān)測系統(tǒng)程序流程如圖4所示。

圖4 監(jiān)測系統(tǒng)程序流程圖

4 系統(tǒng)功能測試

為了檢驗系統(tǒng)的性能，選用某型號后驅(qū)拖拉機作為試驗平臺。經(jīng)試驗得知：該車正常行駛最大速度48km/h，選取試驗路面長100m。

4.1 驅(qū)動輪空轉(zhuǎn)時的測速精度試驗

圖5為初次測速上位機記錄實時輪速圖。本次試驗采用的測速方法為T法測速，上位機記錄的實時輪速有幾次較大波動。經(jīng)檢測發(fā)現(xiàn)：由霍爾傳感器信號輸出線隨車身抖動引起霍爾傳感器抖動，后續(xù)試驗加固了傳感器信號輸出線，防止其帶動霍爾傳感器抖動影響磁性脈沖檢測。圖6為調(diào)整后上位機記錄實時輪速圖。這次試驗采用的測速方法為M法測速，試驗結(jié)果驗證了監(jiān)測系統(tǒng)的測速穩(wěn)定性。

圖5 初次測速上位機記錄實時輪速

圖6 調(diào)整后上位機記錄實時輪速

4.2 水平路面行駛時的測速精度試驗

這次試驗過程中，拖拉機采用電子擋位控制車速，分別選取從1.3到max的9個擋位。拖拉機在進入試驗路面之前開始一段穩(wěn)定調(diào)速過程，到達100m試驗路面后可近似視作勻速行駛，且在這段距離行車中車輛輪胎與地面摩擦力足夠大，采集的從動輪速度即為車身速度。測速精度試驗數(shù)據(jù)如表1所示。由表1可知：該系統(tǒng)測速誤差率最大為8.7%，最小值為0.09%，平均值為1.61%，可以滿足監(jiān)測系統(tǒng)對高精度數(shù)據(jù)獲取的要求。

4.3 模擬完全陷車狀態(tài)下實時滑移率監(jiān)測試驗

為了初步檢驗輪式拖拉機滑移率實時監(jiān)測系統(tǒng)的穩(wěn)定性，進行了模擬完全陷車狀態(tài)下的試驗。完全陷車狀態(tài)時，拖拉機驅(qū)動輪轉(zhuǎn)動，從動輪不轉(zhuǎn)動。由于在實際行車過程中輪式拖拉機的從動輪運動近似為純滾動，因此可將從動輪前進速度視作車身速度。試驗中，分別采集從動輪速度和驅(qū)動輪速度作為滑移率計算的數(shù)據(jù)來源。試驗時，霍爾傳感器安裝在驅(qū)動輪和從動輪輪軸上，拖拉機后橋用1對千斤頂支起，數(shù)顯可調(diào)開關(guān)電源調(diào)至不同檔位，驅(qū)動輪空轉(zhuǎn)。上位機顯示界面如圖7所示。由圖7可知：驅(qū)動輪速度為12.71km/h、車身速度為0km/h時，讀取數(shù)據(jù)狀態(tài)欄顯示正常，系統(tǒng)運行穩(wěn)定正常。

表1 測速精度試驗數(shù)據(jù)

圖7 上位機界面顯示

5 結(jié)論

1)監(jiān)測系統(tǒng)基于LabVIEW和單片機的上位機配套基于霍爾傳感器的下位機設(shè)計，實現(xiàn)了拖拉機在行進過程中瞬時滑移率的監(jiān)測，可為無人駕駛的拖拉機行車控制系統(tǒng)提供可靠的輪速、車速和滑移率信息，為無人駕駛農(nóng)用車輛在復(fù)雜工作環(huán)境中實現(xiàn)可靠反饋調(diào)整提供數(shù)據(jù)來源。

2)試驗表明：輪式拖拉機行進速度在48km/h以內(nèi)時，監(jiān)測系統(tǒng)的測速誤差率最大為8.7%，最小值為0.09%，平均值為1.61%，可以滿足監(jiān)測系統(tǒng)對高精度數(shù)據(jù)獲取的要求。