一種用于懸掛升降自動(dòng)平衡系統(tǒng)及其控制方法的開發(fā)與應(yīng)用

荊 毅，岑秋儀

（廣東皓行科技有限公司，廣東佛山 528300）

0 引言

隨著智慧農(nóng)業(yè)、無人駕駛農(nóng)機(jī)技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的使用和縱深發(fā)展，智能農(nóng)機(jī)已成為實(shí)現(xiàn)無人駕駛技術(shù)發(fā)展的必要條件，只有農(nóng)機(jī)實(shí)現(xiàn)了智能化控制，才能確保智慧農(nóng)業(yè)以及無人駕駛技術(shù)的推廣使用。農(nóng)業(yè)場(chǎng)景主要涉及耕、種、管和收四個(gè)環(huán)節(jié)，拖拉機(jī)作為農(nóng)業(yè)場(chǎng)景中應(yīng)用最為廣泛、用途最多的農(nóng)機(jī)動(dòng)力源，通過掛接不同的農(nóng)機(jī)具實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)場(chǎng)景中的耕整地、播種和運(yùn)輸環(huán)節(jié)。耕、種環(huán)節(jié)的作業(yè)質(zhì)量直接影響到農(nóng)作物后期的生長(zhǎng)、生產(chǎn)和產(chǎn)量，主要是利用拖拉機(jī)通過后三點(diǎn)懸掛升降系統(tǒng)完成牽引作業(yè)，其作業(yè)質(zhì)量與拖拉機(jī)懸掛升降平衡位置系統(tǒng)關(guān)系極為密切。

傳統(tǒng)拖拉機(jī)的三點(diǎn)懸掛升降是通過升降油缸、上拉桿總成、左右兩側(cè)提升桿總成、左右兩側(cè)下拉桿總成的左右限位桿，完成農(nóng)機(jī)具的掛接和升降作業(yè)。除懸掛升降由油缸實(shí)現(xiàn)外，其余都是依靠手工進(jìn)行反復(fù)多次調(diào)節(jié)來完成農(nóng)機(jī)具前后、左右的水平控制，調(diào)節(jié)后，在作業(yè)過程中由于地形和工況變化不能實(shí)時(shí)調(diào)整農(nóng)機(jī)具的左右、前后水平，農(nóng)機(jī)具無法實(shí)現(xiàn)仿形作業(yè)和平整作業(yè)的需求，因此不具備自動(dòng)駕駛控制技術(shù)。

1 主要內(nèi)容

針對(duì)傳統(tǒng)拖拉機(jī)三點(diǎn)懸掛在實(shí)際作業(yè)過程中無法實(shí)時(shí)進(jìn)行前后、左右自動(dòng)調(diào)整平衡所掛接農(nóng)機(jī)具的缺陷，根據(jù)拖拉機(jī)三點(diǎn)懸掛牽引掛接農(nóng)機(jī)具實(shí)際作業(yè)的質(zhì)量需求，通過改變?cè)袘覓旖Y(jié)構(gòu)設(shè)置，利用液壓油缸替代原有機(jī)械拉桿，配以雙軸角傾角傳感器實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，控制器融合算法解析，把控制信號(hào)輸入到電控液壓閥組，從而控制油缸的伸縮來完成農(nóng)機(jī)具的平衡和實(shí)際作業(yè)需求。

2 關(guān)鍵技術(shù)

1）懸掛升降依靠安裝在提升臂的角度傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)位置反饋到MCU，MCU根據(jù)監(jiān)測(cè)位置下發(fā)控制指令給電控閥，電控閥控制油缸準(zhǔn)確升降。

2）左右兩側(cè)機(jī)械式提升桿總成改用液壓油缸左右控制，在掛接的農(nóng)機(jī)具上安裝雙軸角傾角傳感器監(jiān)測(cè)農(nóng)機(jī)具左右水平位置。通過傳感器監(jiān)測(cè)的左右兩側(cè)傾角，實(shí)時(shí)控制農(nóng)機(jī)具既可以實(shí)現(xiàn)仿地形作業(yè)，又可以實(shí)現(xiàn)平地作業(yè)，實(shí)現(xiàn)整地平整，播種深度一致。

3）機(jī)械式上拉桿總成改用液壓油缸左右控制，兩個(gè)油缸的進(jìn)油方式為：左側(cè)油缸有桿腔和右側(cè)油缸無桿腔為同一路；左側(cè)油缸無桿腔和右側(cè)油缸有桿腔為同一路。左側(cè)油缸提升時(shí)，右側(cè)油缸下降，該過程可實(shí)現(xiàn)左右平衡，也可實(shí)現(xiàn)左側(cè)比右側(cè)高或右側(cè)比左側(cè)高，實(shí)現(xiàn)仿形作業(yè)。

4）在農(nóng)機(jī)上安裝雙軸角傾角傳感器，監(jiān)測(cè)農(nóng)機(jī)具左右、前后位置，使農(nóng)機(jī)具在作業(yè)過程中具備地形仿形和平整度作業(yè)需求。

3 控制邏輯及實(shí)施方案

3.1 控制邏輯

農(nóng)機(jī)具前后、左右控制系統(tǒng)邏輯架構(gòu)流程（圖1、圖2）。

圖1 農(nóng)機(jī)具前后控制系統(tǒng)邏輯架構(gòu)流程

圖2 農(nóng)機(jī)具左右兩側(cè)控制系統(tǒng)邏輯架構(gòu)流程

3.2 實(shí)施方案

左側(cè)升降油缸7、右側(cè)升降油缸8，左側(cè)平衡油缸5、右側(cè)平衡油缸6一端通過銷軸連接到提升擺臂50，左側(cè)升降油缸7、右側(cè)升降油缸8的另一端連接到拖拉機(jī)本體支座上。左側(cè)平衡油缸5的另一端連接到左側(cè)下拉桿總成2、右側(cè)平衡油缸6的另一端連接到右側(cè)下拉桿總成3；前后平衡油缸4的一端連接到拖拉機(jī)本體，另一端連接到農(nóng)機(jī)具300的上懸掛200上。雙軸角傾角傳感器1安裝到農(nóng)機(jī)具變速箱上表面平整的位置，電控閥組10和MCU11安裝到拖拉機(jī)本體上。農(nóng)機(jī)具300上的左支座201通過銷軸100與左側(cè)下拉桿總成2連接，右支座202通過銷軸100與右側(cè)下拉桿總成3連接，上懸掛200通過銷軸40與前后平衡油缸4連接（圖3、圖4、圖5、圖6）。

圖3 拖拉機(jī)懸掛升降自動(dòng)平衡系統(tǒng)主視圖

圖4 拖拉機(jī)懸掛升降自動(dòng)平衡系統(tǒng)剖視圖

圖5 拖拉機(jī)懸掛升降自動(dòng)平衡系統(tǒng)剖視圖

圖6 拖拉機(jī)懸掛升降自動(dòng)平衡系統(tǒng)等軸測(cè)圖

拖拉機(jī)牽引農(nóng)機(jī)具300工作時(shí)，農(nóng)機(jī)具300作業(yè)的高低位置通過安裝在懸掛升降提升擺臂50支承軸400上的角度傳感器60實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。當(dāng)角度傳感器60監(jiān)測(cè)到農(nóng)機(jī)具300位置偏低時(shí)，角度傳感器60把監(jiān)測(cè)的角度值通過連接在其上的信號(hào)線61輸入到MCU11，MCU11通過融合算法解析，把信號(hào)指令發(fā)給電控閥組10，閥組10通過連接在其上的油管25和油管28把液壓油從左側(cè)升降油缸7的B3，右側(cè)升降油缸8的B4進(jìn)入，有桿腔中的液壓油通過左側(cè)升降油缸7的A3、右側(cè)升降油缸8的A4回油流進(jìn)油管27和油管26進(jìn)入電控閥組，左側(cè)升降油缸7和右側(cè)升降油缸8活塞桿同時(shí)同步收回，從而使農(nóng)機(jī)具300提升。角度傳感器60監(jiān)測(cè)到農(nóng)機(jī)具達(dá)到需求后，MCU11停止給電控閥組10下發(fā)指令。反之，當(dāng)角度傳感器60監(jiān)測(cè)到農(nóng)機(jī)具300位置偏高時(shí)，角度傳感器60把監(jiān)測(cè)的角度值通過連接在其上的信號(hào)線61輸入到MCU11，MCU11通過融合算法解析，把信號(hào)指令發(fā)給電控閥組10，電控閥組10通過連接在其上的油管26和油管27把液壓油從左側(cè)升降油缸7的A3、右側(cè)升降油缸8的A4進(jìn)入，無桿腔中的液壓油通過左側(cè)升降油缸7的B3，右側(cè)升降油缸8的B4回油流進(jìn)油管28和油管25進(jìn)入電控閥組，左側(cè)升降油缸7和右側(cè)升降油缸8活塞桿同時(shí)同步伸出，從而使農(nóng)機(jī)具300降低。角度傳感器60監(jiān)測(cè)到農(nóng)機(jī)具達(dá)到需求后，MCU11停止給電控閥組10下發(fā)指令。

通過安裝在農(nóng)機(jī)具300上的雙軸角傾角傳感器1在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)農(nóng)機(jī)具300前后、左右的傾角。如果監(jiān)測(cè)到農(nóng)機(jī)具300前面低于后面，雙軸角傾角傳感器1把監(jiān)測(cè)的角度值通過連接在其上的信號(hào)線30輸入到MCU11，MCU11通過融合算法解析，把信號(hào)指令發(fā)給電控閥組10，電控閥組10通過連接在其上的油管21把液壓油從前后平衡油缸4上的B5口進(jìn)入，有桿腔中的液壓油通過前后平衡油缸4上的A5口回油流進(jìn)油管22進(jìn)入電控閥組，前后平衡油缸4的活塞桿伸出，從而使農(nóng)機(jī)具前面升高到與農(nóng)機(jī)具后面水平一致。這時(shí)，雙軸角傾角傳感器1可監(jiān)測(cè)到農(nóng)機(jī)具前后水平，MCU11停止給電控閥組10下發(fā)指令。反之，如果監(jiān)測(cè)到農(nóng)機(jī)具300后面低于前面，雙軸角傾角傳感器1把監(jiān)測(cè)的角度值通過連接在其上的信號(hào)線30輸入到MCU11，控制器通過融合算法解析，把信號(hào)指令發(fā)給電控閥組10，電控閥組10通過連接在其上的油管22把液壓油從前后平衡油缸4上的A5口進(jìn)入，無桿腔中的液壓油通過前后平衡油缸4上的B5口回油流進(jìn)油管21進(jìn)入電控閥組，前后平衡油缸4的活塞桿收回，從而使農(nóng)機(jī)具后面升高到與農(nóng)機(jī)具前面水平一致。這時(shí)，雙軸角傾角傳感器1可監(jiān)測(cè)到農(nóng)機(jī)具前后水平，MCU11停止給電控閥組10下發(fā)指令。

如果雙軸角傾角傳感器1監(jiān)測(cè)到農(nóng)機(jī)具300左側(cè)低于右側(cè)，雙軸角傾角傳感器1通過連接在其上的信號(hào)線30把監(jiān)測(cè)角度值輸入到MCU11，控制器通過融合算法解析，把信號(hào)指令發(fā)給電控閥組10，電控閥組10通過連接在其上的油管23把液壓油從右側(cè)平衡油缸6上的A2口進(jìn)入，無桿腔中的液壓油通過右側(cè)平衡油缸6上的B2口流進(jìn)油管24進(jìn)入電控閥組，右側(cè)平衡油缸6的活塞桿收回，同時(shí)油管23把液壓油通過油管30從左側(cè)平衡油缸5上的B1口進(jìn)入，有桿腔中的液壓油通過左側(cè)平衡油缸5上的A1口通過油管29和油管24進(jìn)入電控閥組，左側(cè)平衡油缸6的活塞桿伸出，從而使農(nóng)機(jī)具左側(cè)升高直到與農(nóng)機(jī)具右側(cè)水平。這時(shí)，雙軸角傾角傳感器1可監(jiān)測(cè)到農(nóng)機(jī)具左右水平，MCU11停止給電控閥組10下發(fā)指令。反之，如果雙軸角傾角傳感器1監(jiān)測(cè)到農(nóng)機(jī)具300右側(cè)低于左側(cè)，雙軸角傾角傳感器1通過連接在其上的信號(hào)線30把監(jiān)測(cè)角度值輸入到MCU11，控制器通過融合算法解析，把信號(hào)指令發(fā)給電控閥組10，電控閥組10通過連接在其上的油管24把液壓油從右側(cè)平衡油缸6上的B2口進(jìn)入，有桿腔中的液壓油通過右側(cè)平衡油缸6上的A2口流進(jìn)油管23進(jìn)入電控閥組，右側(cè)平衡油缸6的活塞桿伸出，同時(shí)油管24把液壓油通過油管29從左側(cè)平衡油缸5上的A1口進(jìn)入，無桿腔中的液壓油通過左側(cè)平衡油缸5上的B1口流進(jìn)油管30和油管23進(jìn)入電控閥組，左側(cè)平衡油缸6的活塞桿收回，從而使農(nóng)機(jī)具右側(cè)升高直到與農(nóng)機(jī)具左側(cè)水平。這時(shí)，雙軸角傾角傳感器1可監(jiān)測(cè)到農(nóng)機(jī)具左右水平，MCU11停止給電控閥組10下發(fā)指令。

如果需要農(nóng)機(jī)具300左側(cè)低于右側(cè)，雙軸角傾角傳感器1通過連接在其上的信號(hào)線30把監(jiān)測(cè)角度值輸入到MCU11，根據(jù)左側(cè)與右側(cè)形成的角度需要，MCU11通過融合算法解析，把信號(hào)指令發(fā)給電控閥組10，電控閥組10通過連接在其上的油管23把液壓油從右側(cè)平衡油缸6上的B2口進(jìn)入，無桿腔中的液壓油通過右側(cè)平衡油缸6上的A2口流進(jìn)油管24進(jìn)入電控閥組，右側(cè)平衡油缸6的活塞桿伸出，同時(shí)油管23把液壓油通過油管30從左側(cè)平衡油缸5上的A1口進(jìn)入，有桿腔中的液壓油通過左側(cè)平衡油缸5上的B1口通過油管29和油管24進(jìn)入電控閥組，左側(cè)平衡油缸6的活塞桿收回，從而使農(nóng)機(jī)具左側(cè)降低，右側(cè)升高，直到農(nóng)機(jī)具左側(cè)與右側(cè)形成的傾角滿足需求。這時(shí)，雙軸角傾角傳感器1可監(jiān)測(cè)到農(nóng)機(jī)具左右傾角，MCU11停止給電控閥組10下發(fā)指令。反之，如果需要農(nóng)機(jī)具300左側(cè)高于右側(cè)，雙軸角傾角傳感器1通過連接在其上的信號(hào)線30把監(jiān)測(cè)角度值輸入到MCU11，根據(jù)左側(cè)與右側(cè)形成的角度需要，MCU11通過融合算法解析，把信號(hào)指令發(fā)給電控閥組10，電控閥組10通過連接在其上的油管23把液壓油從右側(cè)平衡油缸6上的A2口進(jìn)入，無桿腔中的液壓油通過右側(cè)平衡油缸6上的B2口流進(jìn)油管24進(jìn)入電控閥組，右側(cè)平衡油缸6的活塞桿收回，同時(shí)油管23把液壓油通過油管30從左側(cè)平衡油缸5上的B1口進(jìn)入，有桿腔中的液壓油通過左側(cè)平衡油缸5上的A1口通過油管29和油管24進(jìn)入電控閥組，左側(cè)平衡油缸6的活塞桿伸出，從而使農(nóng)機(jī)具左側(cè)升高，右側(cè)降低，直到農(nóng)機(jī)具左側(cè)與右側(cè)形成的傾角滿足需求。這時(shí)，雙軸角傾角傳感器1可監(jiān)測(cè)到農(nóng)機(jī)具左右傾角，MCU11停止給電控閥組10下發(fā)指令。

4 結(jié)語

通過懸掛升降自動(dòng)平衡系統(tǒng)及其控制方法的開發(fā)與應(yīng)用，不僅實(shí)現(xiàn)了拖拉機(jī)在牽引農(nóng)機(jī)具作業(yè)過程中的仿形功能，還可以實(shí)現(xiàn)平整作業(yè)的功能需求。在耕整地環(huán)節(jié)，能夠?qū)崿F(xiàn)土地表面平整度一致、耕深一致、開溝一致，特別是需要進(jìn)行起壟種植模式的玉米，通過該套系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)壟面的平整度。在播種環(huán)節(jié)，既可實(shí)現(xiàn)地形仿形播種，還可實(shí)現(xiàn)播深一致的功能。農(nóng)業(yè)環(huán)節(jié)中耕整地的質(zhì)量直接影響著種子的出苗率、后期的生長(zhǎng)率和產(chǎn)量。該平衡系統(tǒng)及控制方法的開發(fā)和實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用，極大地提高了農(nóng)機(jī)的作業(yè)效率，促進(jìn)了農(nóng)機(jī)作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化、智能化以及智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展。