一種拖拉機自動轉向系統的裝配方案

褚爽,郭廣偉,楊振濤,王偉,張金梅

(中國一拖集團有限公司大拖裝配廠,河南洛陽 471004)

0 引言

我國是農業大國，農業在國民經濟中占有重要的地位。現代農業是繼傳統農業之后又一新的發展階段，是以現代工業和科學技術為基礎，重視加強農業基礎設施建設。隨著精準農業推廣實施， 拖拉機自動控制項目已作為重點項目研發。國內外都對自動轉向技術、自動駕駛進行了大量的研究。20世紀90年代，精準農業在美國、加拿大等國實現產業化，發展到現在自動轉向技術已應用到施肥、播種、耕作、噴灑農藥以及水分管理等農業耕作的全部領域，自動駕駛技術也已經實現，能夠應用于農業生產中。我國于1998年在北京順義建立了北方精準農業示范區，在2000年精準農業被列入國家863高技術計劃。

自動轉向(又可稱自動駕駛)技術作為無人駕駛技術的一部分(包含關系)已廣泛應用于耙地、播種、施肥、噴藥和起壟等農藝作業中，且已得到了用戶的普遍認可，自動轉向系統總裝機量在逐年增加。現主要分布在黑龍江和新疆地區，江蘇以及內蒙古等地區的農場和農機合作社也開始進行自動轉向系統的安裝。國家已將自動轉向前裝農機購置補貼提上議程。

前期進入中國的拖拉機自動轉向系統均為國外品牌，國內并沒有自主研發、自主知識產權的自動轉向產品，國內廠商均采用代理的方式進行銷售。通過多年的發展和農業部前裝補貼方案的實施，國內更多的企業已開始進行自動轉向技術研究。與普通拖拉機整機比較，自動轉向系統需要裝配設備太多，整機所余空間狹小，安裝難，管線布局難，系統要求安裝精度高，科技含量與技術含量較高。實現自動轉向功能，整機電氣系統、轉向系統均需改動，設計準確標準高，產品質量要求高，裝配難度系數高，裝配可能性、裝配質量不易保證。

1 自動轉向系統介紹

拖拉機自動轉向技術，是通過接收機接收衛星定位和基準站位置信號，利用RTK(Real-time Kinematic)差分信號原理通過主控制器控制液壓轉向比例閥，進而實現對拖拉機轉向自動控制的技術，利用顯示屏進行人機交互和路徑規劃，并通過轉向角度傳感器反饋信號實現拖拉機轉向的閉環控制。自動駕駛系統組件包含：

便攜式基準站。實時計算拖拉機的位置；

智能駕駛控制器。計算北斗接收機和角度傳感器信號，并向電液比例閥實時發送指令；

電液比例閥。實時控制液壓油流量和流向，保證拖拉機始終按設定路線行駛；

角度傳感器。感應車輛實時的轉向角度;

智能顯控終端。人機交互界面，設定作業模式、參數以及進行路徑規劃。

2 自動駕駛的組成部分及裝配方案

2.1 便攜式基準站

在拖拉機自動駕駛系統中，基準站的主要作用是放置在一個相對固定的位置作為流動站精準定位的參考點，需要通過GPS(Global Positioning System)、GLONASS(Global Navigation Satellite System)、BD(Bei Dou)系統定位并將差分數據通過電臺傳輸給流動站電臺，流動站電臺將收到的差分數據輸出給流動站，這樣流動站才能實現高精度定位。高精度定位是拖拉機實現高精度自動駕駛的前提，所以基準站和流動站電臺的穩定工作是拖拉機自動駕駛的重要保障。

在中國，嚴復最早在《天演論》中“譯例言”講到了譯事三難：信、達、雅。雖然簡短三字，但卻道出了翻譯的要求與原則。之后各種翻譯思想，如信、達、切，形似，神似等均是對其延伸與發展。

2.2 智能駕駛控制器ECU(Electronic Control Unit)

此控制器需要與GNSS測量天線、轉向控制單元(液壓或者方向盤)、拖拉機前輪轉向測量單元及智能顯控終端等配合連接使用，方能實現自動轉向或者自動駕駛。控制器安裝要求嚴苛，必須是水平或者垂直放置，否則會影響正常使用，所以需要設計控制器專用支架。

裝配方案一：垂直放置，將控制器裝配在整機座椅后面的后壁板上，如圖1(a)所示。

裝配方案二：水平放置，將控制器裝配在整機右操縱臺上，如圖1(b)所示。

一般會優選裝配方案一,節省駕駛室內部空間。

2.3 電液比例閥

應用集成液壓閥模塊將自動轉向的液壓轉向系統并聯到原有拖拉機液壓系統的轉向系統中。在原有的轉向油路中安裝自動轉向的集成液壓閥，實現拖拉機的自動轉向。開啟自動駕駛時，控制器發出命令，電磁換向閥實現油路方向切換控制，達到控制轉向的效果，比例閥實現油路流量控制，達到控制轉向速度的效果。液壓油經過比例閥和電磁閥，進入轉向油缸，油缸活塞在油壓的作用下移動實現拖拉機目標角度的轉向。

裝配方案一：利用支架將閥塊固定在油箱上方，消聲器和發動機之間。

裝配方案二：將閥塊直接安裝在駕駛室下圍板上。

裝配方案三: 利用支架將閥塊裝配在前機罩內部。

3種裝配方案均可, 閥體本身具備一定的防水防泥功能，一般比較常用的方案為裝配方案一(見圖2)。

圖2 電液比例閥裝配方案一

2.4 智能顯控終端(顯示屏)

智能顯控終端是主要針對精準農業和工程機械智能化開發的一款智能顯控終端，具備工業應用的基本特性：堅固，防摔、防塵、防雨水設計。智能顯控終端基于Windows 10操作系統，能搭載目前市場上存在的主流工程控制及農業控制軟件，20.32 cm(8英寸)電容式高亮觸摸顯示屏的采用以及IP67標準的設計，滿足了用戶在強光照射、多灰塵、需戴手套操作等環境下的操控和顯示需求。產品支持CAN總線、串口、USB、網絡接口、CVBS(Composite Video Broadcast Signal)等多種接口，支持WiFi、3G/4G及以太網等多種通信，以最大限度地滿足各種傳感器和數據的接入和傳輸要求。顯示器安裝在駕駛室內部。

裝配方案一：用專用的固定支架安裝在駕駛室門扶手上。

裝配方案二：安裝在駕駛室內右側立柱上。

顯示屏的安裝需要根據駕駛室內部的實際情況，以方便觀看與操作為主。

2.5 角度傳感器

角度傳感器是將實際中角度的變化信號轉換成電信號的一種傳感器，自動轉向控制的工作精度直接由它決定。不同廠家的角度傳感器有不同的安裝方式，目前的裝配方案是把角度傳感器裝配在前橋上，后續會研發將角度傳感器裝在前橋內部形成合件。工作時，安裝在傳感器支座上的角度傳感器同轉向節立軸一起轉動，從而使轉軸和傳感器之間產生相對轉動。

3 實施效果

提出的自動轉向控制系統是一種拖拉機的輔助作業系統，有效提高農業生產的效益和質量，降低了駕駛員長期疲勞作業的勞動強度，提升農機產業的質量和效益。文中所述的所有裝配方案都在實際生產中試制過，經過多次的實際驗證后，推出上述比較常見的裝配方案。裝配后的樣機，已經通過相應的實驗，能夠實現自動轉向的功能，并且能夠批量生產，推向市場。也能夠在自動轉向系統的基礎上，通過再增加其他組件的方式，實現拖拉機無人駕駛。

4 結束語

《中國制造2025》將農機裝備產業列入10大重點發展領域，為我國農機裝備業發展帶來了新的契機。未來，我國農機企業要繼續提高戰略性大型農機具等高端裝備的自主創新能力。隨著中國城鎮化和土地流轉的進行，土地耕作規模化、機械化、自動化作業成為可能，為農機自動駕駛推廣提供了更大的市場空間。

參考文獻:

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