四輪驅動四輪轉向自動駕駛底盤的電控系統設計

李玫瑾，魏新華

(江蘇大學 現代農業裝備與技術教育部重點實驗室，江蘇 鎮江　212013)

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四輪驅動四輪轉向自動駕駛底盤的電控系統設計

李玫瑾，魏新華

(江蘇大學 現代農業裝備與技術教育部重點實驗室，江蘇 鎮江212013)

摘要：為了提高植保機械作業精度、降低駕駛員操作難度，設計了一種高地隙全液壓四輪驅動四輪轉向自動駕駛底盤。本文介紹了底盤的整體結構，重點闡述了電控系統的結構與工作原理。該電控系統以EPCS-8980為上位機、DSP56F805信號控制器為核心、基于CAN總線進行通訊，行車狀態參數采集器接收各傳感器采集的行車參數信息，并通過CAN總線發送到車載電腦和行車控制器，行車控制器根據車載電腦指令和各傳感器參數，按照行車控制模型生成控制指令，并通過各電磁閥獨立控制4個液壓馬達和4個轉向油缸，實現底盤的行車控制。同時，對電控系統進行了測試，測試結果表明：該電控系統實現了對液壓元器件的控制，保證了其運行的可靠性，可滿足實際作業要求，同時該電控系統也可用于通用自主移動平臺上。

關鍵詞：自動駕駛底盤；四輪驅動；四輪轉向；液壓系統；CAN總線；拖拉機

0引言

目前，隨著農田經營規模逐漸擴大，地塊面積越來越大，對農機作業質量要求越來越高，駕駛員操作難度也越來越大，迫切需要一種高地隙自動駕駛底盤。自動駕駛技術的使用可保證植保機械的精確作業，降低人工技術要求，為精準農業的發展奠定基礎[1]。近年來，農機科技人員在自動駕駛技術開發方面做了一定的努力和探索。左志宇等(2010)設計了一種高地隙四輪液壓驅動底盤滑轉率控制系統，通過實時獲取的角位移和轉速信號，利用FUZZ-PID算法實現底盤的打滑判斷和調控[2]。吳鵬等(2009)以東方紅-X804型拖拉機為平臺，改造原拖拉機的油路，使用電控比例液壓閥，并設計電控單元，組成了自動轉向控制系統[3]。雷小龍等(2011)設計了一種植保機械底盤控制系統，硬件以AT89SC52單片機為核心，應用C語言編程將測速模塊、電源、鍵盤、顯示模塊和直流電機驅動模塊有機結合起來，控制植保機械的前進和轉向[4]。目前，國內現有研究雖然能夠實現底盤的驅動和轉向，但是沒有實現底盤的自動駕駛，自動駕駛技術水平仍然需要進一步提高[5-10]。因此，本文設計了一種基于CAN總線通訊的高地隙四輪驅動及四輪轉向自動駕駛底盤，可以實現底盤的四輪驅動及四輪轉向，從而實現底盤的自動駕駛。

1系統構成

高地隙全液壓四輪驅動四輪轉向自動駕駛底盤總體布置示意圖，如圖1所示。

圖1　底盤總體布置示意圖

其主要由行駛系統、轉向系統、液壓系統、電控系統和車架組成。行駛系統主要包括車輪、液壓馬達和減速機。每個車輪配置一個變量插入式液壓馬達，實現四輪驅動。轉向系統主要由4套轉向機構和轉向油缸組成。轉向油缸一端鉸接在車架上，另一端連接轉向搖臂，可推動車輪圍繞轉向節豎直軸線旋轉，從而實現四輪獨立偏轉。液壓系統主要由行走閉式回路和轉向開式回路組成。液壓泵選用串聯的通軸三聯泵，前兩泵對液壓馬達供油,定量齒輪泵通過控制電液比例換向閥驅動轉向油缸，實現車輪獨立轉向。電控系統主要包括車載電腦、行車控制器、液壓控制元件、數據采集器及傳感器等。通過電控系統控制各個液壓元件，實現底盤的前進、倒退及轉向等功能。車架系統主要包括車架、輪距調整機構和地隙調整機構。輪距調整機構通過伸縮軸架在伸縮殼體內的水平滑移，調整兩側輪胎的中心距。地隙調整機構通過伸縮軸架在轉向架上的豎直移動，調整兩側輪胎的中心距。

2液壓系統

底盤的液壓系統主要由行走閉式回路和轉向開式回路組成。

2.1行走驅動回路

行走驅動包括雙聯軸向柱塞變量泵、液壓馬達及比例電磁閥等。雙聯軸向柱塞變量泵直接對4個液壓馬達供油，通過一個比例電磁閥調節變量泵出油量的大小和方向，可以控制各液壓馬達的正反轉，并對馬達的轉速大小進行粗調。每個液壓馬達單獨和一個比例電磁閥相連，通過各比例電磁閥控制各液壓馬達的進油量，對各液壓馬達的轉速進行微調。液壓馬達轉速方向和大小的變化，可以實現車輪的前進、后退和轉速變化的功能，從而實現底盤的四輪驅動，并進行差速轉向或防打滑控制。

2.2轉向控制回路

轉向控制回路由定量齒輪泵、電液比例換向閥和4個轉向油缸組成，由定量齒輪泵直接對4個轉向油缸供油。當行車控制器發送電流信號給每路電液比例換向閥時，電液比例換向閥進行換向，進而每個車輪的轉向油缸伸縮變化，由轉向油缸推動轉向搖臂，從而推動車輪圍繞轉向節豎直軸旋轉，實現每個車輪的獨立轉向角控制。

3電控系統的結構和工作原理

3.1電控系統的工作原理

電控系統的工作原理如圖2所示。電控系統由編碼器采集各個車輪的轉速，由轉向角傳感器采集各個車輪的偏轉角，水平傾角傳感器采集底盤的縱橫向傾角，橫擺角速度采集底盤的橫擺角速度。行車狀態參數采集器接收各個傳感器信號，并通過CAN總線發送到車載電腦和行車控制器。行車控制器根據車載電腦指令和各個傳感器參數，按照行車控制模型生成控制指令，發送到各個液壓控制閥來控制各個液壓控制元件，實現底盤的前進、倒退及轉向等功能。

圖2　電控系統結構圖

3.2電控系統的主要硬件選型

3.2.1車載電腦

車載電腦是整個電控系統的信息處理中心和人機對話中心，需要和行車控制器、行車狀態參數采集器等進行信息傳輸和數據交互，必須具有CAN 接口等豐富的通訊接口。為此，選用EPCS-8980型ARM工控機(廣州致遠電子有限公司)，具有5路USB接口、2路CAN接口和3個 RS-232接口，即具有較強的數據處理能力，又具有豐富的外圍擴展接口。

3.2.2行車控制器

行車控制器作為整個電控系統的測控中心，需有較高的運算速度和較強的計算能力并具備CAN總線接口，以實現與車載電腦和行車狀態參數采集器之間的通訊。為此，行車控制器的主芯片采用DSP56F805。該芯片結合數字信號處理器(DSP)的處理能力與MCU功能，它還集成了8路12位精度的A/D轉換模塊，支持CAN2.0B協議的控制器模塊[11]。

3.2.3行車狀態參數采集器

行車狀態參數采集器采用廣州致遠電子有限公司的iCAN-4017模塊、iCAN-7202模塊和iCAN-4400模塊。

iCAN-4017模塊用于采集模擬量輸入信號，具有8 路模擬量輸入通道，模擬量信號的分辨率為16 位[12]，可采集轉向角傳感器、水平傾角傳感器及橫擺角速度傳感器的信息。

iCAN-7202模塊用于對工業現場的脈沖信號計數或測頻，具有2路32位可級聯正脈沖加/減計數器、可編程數字濾波器，能夠有效濾出高頻脈沖干擾，可采集角速度傳感器的信息。

iCAN-4400模塊用于提供電流或者電壓輸出信號，具有4路模擬量輸出通道，可輸出1～5V電壓或者4～20mA電流信號，可對各比例電磁閥進行控制。

3.2.4傳感器

底盤最高行駛速度為7.5km/h，輪胎行駛半徑為650mm ，最大角速度為3.2rad/s。因此，角速度傳感器選用TRD-J1000-RZ速度編碼器(北塘區神港機電商行)，工作電壓4.75～30VDC，可實現每轉1 000個脈沖。

底盤最大轉向角不超過45°。因此，轉向角傳感器選用TMCW6V-90角度傳感器(青島泰潤電子科技有限公司)，工作電壓10～30VDC，輸出信號1～5V，量程0°～90°，精度±0.04°。

底盤最大爬坡度為15°。因此，水平傾角傳感器選用YC-T350D-H傾角傳感器(上海鈺誠電子有限公司)，工作電壓為9～15VDC，量程為±5°～±30°，輸出信號為0.5～4.5V，精度為0.01°。

橫擺角速度傳感器選用微型陀螺測量系統MIN-900-2(陜西航天長城測控有限公司)，工作電壓為9VDC，方向量程為0°～360°，角速度量程為-300 ～300°/s，精度為±5°。

3.3電控系統的工作流程

測控系統工作流程和車載電腦工作流程如圖3所示，中斷流程如圖4所示。

圖3　測控系統及車載電腦工作流程圖

圖4　中斷程序流程圖

測控系統上電復位后，首先進行系統初始化，然后檢查系統各環節是否正常；進入測控循環內后，完成讀入設定機組前進速度和轉向角、檢測到當前各馬達轉速和各車輪偏轉角、按照車輛動力學模型計算出各馬達轉速和各轉向油缸工作行程及發送指令到各個電磁閥等功能。車載電腦啟動后首先對處方圖進行解譯、規劃好行駛路徑，進入循環后完成讀取導航定位信息、按照車輛動力學模型計算出各輪轉速和轉向角、發送指令到行車控制器、接收行車控制器信息和更新界面顯示等功能。通過CAN通訊中斷接收新的工作參數或指令，上報系統狀態，通過鍵盤中斷結束作業或暫停作業并人工輸入新的工作參數。

4控制試驗

試驗選在江蘇大學工程訓練中心(工業中心)液壓傳動實驗室進行。電控系統實物連接，如圖5所示；軟件測試如圖6所示。預先設定好每個車輪馬達的轉速，經過電控系統調控后，用轉速表測量每個車輪馬達的實際轉速，將實際值和設定值作對比，試驗結果對比，如表1所示。各馬達轉速誤差在-2.58%～2.67%范圍之間。預先設定好每個車輪的轉向油缸行程，經過電控系統調控后，用尺子測量每個車輪的轉向油缸的實際行程，將實際值和設定值作對比，試驗結果對比，如表2所示。各轉向油缸行程誤差在-2.72%～2.41%之間。

圖5　測控系統實物圖

圖6　測控系統軟件測試圖

r/min

表2　各車輪轉向油缸長度設置值與實測值對比　mm

5結論

本文中的電控系統實現了對液壓元器件的控制，在一定誤差范圍 (馬達誤差：-2.58%～2.67%，轉向油缸誤差：-2.72%～2.41%)內，保證了該電控系統運行可靠性，可滿足實際作業要求，該電控系統也可用于通用自主移動平臺上。

參考文獻：

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Abstract ID:1003-188X(2016)03-0115-EA

Design of the Automatic Four-wheel Driving and Four-wheel Steering Chassis’s Electric Control System

Li Meijin, Wei Xinhua

(Key Laboratory of Modern Agricultural Equipment and Technology, Ministry of Education, Jiangsu University, Zhenjiang 212013，China)

Abstract：In order to improve the accuracy of plant protection machinery operations, and reduce the difficulty of driver’s operations, this paper presents a high clearance full hydraulic and automatic four-wheel driving and four-wheel steering chassis.The overall structure of the chassis was produced, and also the electric control system was mainly presented.The electric control system was designed with its vehicular computer EPCS-8980,core part DSP56F805, communication via CAN-bus.The driving parameters were collected by each sensor, and each sensor signals collected by the driving data collector transmitted to the vehicular computer and the driving controller via CAN-bus.According to instructions of the vehicular computer and the parameters of the sensors, the driving controller generated the controlling instruction under the traffic controlling model, the four hydraulic motors and the four steering cylinders were controlled by each electromagnetic valve, and thus the chassis could be controlled to drive and steer.The tests of the electric control system were carried out,and tests showed that the electric control system achieved to control the hydraulic components,ensured its operational reliability,met the practical operational requirements,and the electric control system also could be used for general-purpose autonomous mobile platform.

Key words：automatic driving chassis； four-wheel driving； four-wheel steering； hydraulic system； CAN-bus； tractor

文章編號：1003-188X(2016)03-0115-04

中圖分類號：S219.032

文獻標識碼：A

作者簡介：李玫瑾(1988-)，女，安徽宿州人，碩士研究生，(E-mail)1773431128@qq.com。通訊作者：魏新華(1972-)，男，山東濱州人，研究員，博士，博士生導師，(E-mail)18361810295@163.com。

基金項目：國家“863計劃” 項目(2013AA102307)；江蘇省農業科技支撐計劃重點項目(BE2013401 )；江蘇高校優勢學科建設工程資助項目(蘇政辦[2014]37號)

收稿日期：2015-03-05