自走式噴藥機(jī)四輪轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)研究

童 欽，孟廣耀，黃居鑫，劉 鵬

TONG Qin, MENG Guang-yao, HUANG Ju-xin, LIU Peng

(青島理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，青島 266033)

0 引言

植保機(jī)械的普及是一個(gè)國(guó)家實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的標(biāo)志之一。在發(fā)達(dá)國(guó)家，農(nóng)作物病蟲防治已基本實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)代化。我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，糧食作物種植面積廣，植保機(jī)械的廣泛使用，對(duì)于降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高勞動(dòng)效率提供了有利的條件[1]。我國(guó)植保機(jī)械的主要機(jī)型是手動(dòng)式噴藥機(jī)和背負(fù)式噴藥機(jī)，這些噴藥機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作效率低，不適用于大面積農(nóng)作物的藥物噴灑。因此，大型自走式噴藥機(jī)的引進(jìn)與開發(fā)顯得尤為重要。本論文為了滿足大型噴藥機(jī)的實(shí)際使用性能，對(duì)自走式噴藥機(jī)四輪轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)進(jìn)行研究，研究設(shè)計(jì)了一種電控液壓式的四輪轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)。

1 四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)概述

目前，植保機(jī)械的轉(zhuǎn)向分為兩輪轉(zhuǎn)向（2WS）和四輪轉(zhuǎn)向（4WS）兩種[2]。四輪轉(zhuǎn)向(4WS,4 Wheel Steering)除了傳統(tǒng)的以前輪為轉(zhuǎn)向輪，后兩輪也是轉(zhuǎn)向輪，即四輪轉(zhuǎn)向。根據(jù)本論文研究的大型自走式噴藥機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)向要求，選擇四輪轉(zhuǎn)向進(jìn)行研究。由于該噴藥機(jī)要求四輪驅(qū)動(dòng)并且輪距可以調(diào)節(jié)，所以其四輪直接使用四個(gè)液壓缸進(jìn)行控制轉(zhuǎn)向。因此，對(duì)噴藥機(jī)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制就歸結(jié)于對(duì)四個(gè)液壓缸的伸縮進(jìn)行控制。

2 噴藥機(jī)4WS控制研究

2.1 轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)整體研究

文中的大型自走式噴藥機(jī)由純液壓驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向，因此對(duì)其轉(zhuǎn)向控制的核心主要在于對(duì)其四輪轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)液壓缸的控制上。通過(guò)中央控制器來(lái)控制液壓缸的伸縮，從而保證噴藥機(jī)轉(zhuǎn)向的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性。

根據(jù)不同的行駛條件，四輪轉(zhuǎn)向分為兩種：逆相位轉(zhuǎn)向和同向位轉(zhuǎn)向。在低速行駛或方向盤轉(zhuǎn)角較大時(shí)，前、后輪實(shí)現(xiàn)逆向位轉(zhuǎn)向，即后輪的偏轉(zhuǎn)方向與前輪的偏轉(zhuǎn)方向相反。在中、高速行駛或方向盤轉(zhuǎn)角較小時(shí)，前、后輪實(shí)現(xiàn)同相位轉(zhuǎn)向，即后輪的偏轉(zhuǎn)方向與前輪的偏轉(zhuǎn)方向相同[3]。本論文中的噴藥機(jī)屬于低速車輛（最高設(shè)計(jì)車速小于或等于70km/h），所以對(duì)其只需要采用逆向位轉(zhuǎn)向即可。

噴藥機(jī)的四輪轉(zhuǎn)向可實(shí)現(xiàn)如圖1所示的三種行車方式：前輪轉(zhuǎn)向、四輪轉(zhuǎn)向和原地繞車。四輪轉(zhuǎn)向整體控制系統(tǒng)框圖如圖2所示，中央控制器接收來(lái)自四個(gè)按鈕、轉(zhuǎn)角傳感器、位置傳感器和方向盤的輸入信號(hào)，通過(guò)事先編輯好的程序按邏輯進(jìn)行相應(yīng)的輸出。轉(zhuǎn)角、位置傳感器實(shí)時(shí)的采集四個(gè)車輪的轉(zhuǎn)角以及左右車輪的輪距。

圖1 三種行車方式

圖2 轉(zhuǎn)向整體控制系統(tǒng)框圖

2.2 前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

2.2.1 前輪阿克曼轉(zhuǎn)向原理

輪式車輛前輪轉(zhuǎn)向時(shí)，為了防止側(cè)滑，兩前輪轉(zhuǎn)角必須滿足阿克曼轉(zhuǎn)向原理。理論上要使各車輪都只滾動(dòng)不滑動(dòng)，各車輪必須圍繞同一個(gè)中心點(diǎn)O轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖3所示。顯然，這個(gè)中心點(diǎn)要落在非轉(zhuǎn)向輪中心軸線的延長(zhǎng)線上，并且兩輪轉(zhuǎn)向也必須以這個(gè)中心點(diǎn)為圓心而轉(zhuǎn)動(dòng)。兩轉(zhuǎn)向輪的偏轉(zhuǎn)角滿足如下關(guān)系[4]：

式中：α、β分別為左、右前輪偏轉(zhuǎn)角；

B為左右車輪輪距；

L為前后車輪軸距。

圖3 前輪轉(zhuǎn)向時(shí)各車輪運(yùn)動(dòng)關(guān)系簡(jiǎn)圖

2.2.2 轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)

前輪轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)框圖如圖4所示，當(dāng)操作人員按下前輪轉(zhuǎn)向按鈕，操作臺(tái)上前輪轉(zhuǎn)向提示燈亮，同時(shí)在液壓缸的作用下兩后輪轉(zhuǎn)角歸零，并且始終保持這種狀態(tài)。若噴藥機(jī)左轉(zhuǎn)，左前輪為基準(zhǔn)輪，基準(zhǔn)輪轉(zhuǎn)角由方向盤控制，中央控制器通過(guò)角度傳感器和位置傳感器實(shí)時(shí)的采集基準(zhǔn)輪轉(zhuǎn)角α和左右輪距B（L為固定已知量），并根據(jù)阿克曼原理計(jì)算出右前輪轉(zhuǎn)角β，最后將β值輸出，經(jīng)過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器和放大器后，利用電液比例方向閥控制液壓缸伸縮，達(dá)到實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)右前輪轉(zhuǎn)角的目的。

2.3 四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

2.3.1 四輪阿克曼轉(zhuǎn)向原理

圖4 前輪轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)框圖

四輪轉(zhuǎn)向時(shí)，為了防止側(cè)滑，減少行駛阻力和輪胎磨損，要求四個(gè)輪子最好能做純滾動(dòng)，即要滿足四輪阿克曼原理[5]，如圖5所示。圖中左側(cè)前后輪偏轉(zhuǎn)角相等為β，右側(cè)前后輪偏轉(zhuǎn)角相等為α，所以只標(biāo)注出了左右前輪的偏轉(zhuǎn)角。兩偏轉(zhuǎn)角滿足如下關(guān)系式：

式中：α、β分別為左、右前輪偏轉(zhuǎn)角；

B為左右車輪輪距；

L為前后車輪軸距。

圖5 四輪轉(zhuǎn)向時(shí)各車輪運(yùn)動(dòng)關(guān)系簡(jiǎn)圖

2.3.2 轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)

四輪轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)框圖如圖6所示。若噴藥機(jī)左轉(zhuǎn)，左前輪和左后輪為基準(zhǔn)角，方向盤控制兩個(gè)基準(zhǔn)輪的轉(zhuǎn)角，傳感器分別實(shí)時(shí)的采集基準(zhǔn)輪轉(zhuǎn)角以及左右輪距B，中央控制器通過(guò)依據(jù)四輪轉(zhuǎn)向阿克曼原理所編寫的控制程序?qū)崟r(shí)的調(diào)節(jié)右側(cè)前、后輪的轉(zhuǎn)角，已達(dá)到四輪轉(zhuǎn)向的目的。

2.4 原地繞車

2.4.1 數(shù)學(xué)模型

原地繞車時(shí)，各輪的位置關(guān)系如圖7所示，四個(gè)車輪應(yīng)該轉(zhuǎn)動(dòng)到一個(gè)圓的切線位置上，此時(shí)啟動(dòng)行走液壓缸，噴藥機(jī)才會(huì)圍繞圓心原地繞車[6]。因?yàn)椤夕?∠θ=π/2，∠δ+∠θ=π/2，所以∠η=∠δ。由圖可知，tanη=L/B，所以tanδ=L/B，即δ=arctan（L/B）。

圖6 四輪轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)框圖

圖7 原地繞車時(shí)各車輪運(yùn)動(dòng)關(guān)系簡(jiǎn)圖

2.4.2 控制系統(tǒng)

原地繞車控制系統(tǒng)框圖如圖8所示，在操作人員選擇原地繞車按鈕時(shí)，位置傳感器實(shí)時(shí)的采集左右輪距B，中央控制器通過(guò)上述數(shù)學(xué)模型計(jì)算出相應(yīng)的偏轉(zhuǎn)角δ值，再通過(guò)電液比例方向閥控制液壓缸的伸縮，從而控制四個(gè)車輪的偏轉(zhuǎn)角，保證各輪的旋轉(zhuǎn)中心為噴藥機(jī)的幾何中心。

圖8 原地繞車控制系統(tǒng)框圖

3 結(jié)論

依據(jù)上述四輪轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)的研究，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)輪距可調(diào)的四輪驅(qū)動(dòng)的自走式噴藥機(jī)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制。若是在轉(zhuǎn)向時(shí)進(jìn)行輪距調(diào)節(jié)，根據(jù)本論文所研究的控制系統(tǒng)也可以實(shí)時(shí)的根據(jù)輪距調(diào)整車輪的偏轉(zhuǎn)角，保證轉(zhuǎn)向與輪距調(diào)節(jié)可以同時(shí)進(jìn)行。因此，本論文所研究的大型自走式噴藥機(jī)的四輪轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)是比較合理可靠的。

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