拖拉機(jī)滑轉(zhuǎn)率無線測試系統(tǒng)的研制

李　導(dǎo)，張志剛，王在滿，李　慶

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，廣州　510642)

0　引言

我國南方水田稻區(qū)為重要的產(chǎn)糧地，水稻種植面積超過全國的40%[1]，小型田間拖拉機(jī)為其主要動力，在生產(chǎn)中發(fā)揮著重要作用。田間拖拉機(jī)往往要面對復(fù)雜多變的路面工況，有泥濘的水田、松軟的土路及較平坦的旱田，當(dāng)土壤濕度較大時往往導(dǎo)致滑轉(zhuǎn)率過大，甚至使拖拉機(jī)原地打滑而不能前進(jìn)[2]?；D(zhuǎn)影響著拖拉機(jī)各項性能的發(fā)揮[3]，研究表明：拖拉機(jī)的傳動效率(約為75%～81%)和發(fā)動機(jī)效率(約為30%～35%)在現(xiàn)有的條件下已經(jīng)難以提升，而一種有效的辦法是提高拖拉機(jī)的牽引效率[4]。牽引效率的變化主要取決于滑轉(zhuǎn)效率和滾動效率[5]，通過合理地控制拖拉機(jī)滑轉(zhuǎn)率可以改善牽引效率和優(yōu)化燃油效率，降低拖拉機(jī)燃油消耗率，從而顯著提高拖拉機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性[6-7]。我國南方土壤濕度較大，田間耕作效率很低[8]，而拖拉機(jī)只有工作在最佳滑轉(zhuǎn)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[9]，因此對拖拉機(jī)的滑轉(zhuǎn)率進(jìn)行實時無線測量監(jiān)控具有重要的意義。

滑轉(zhuǎn)率的測量主要是實際車速的測量和實際輪速的測量，通過對比實際車速及實際輪速的大小得到滑轉(zhuǎn)率。因此，車速和輪速的測量精度將直接決定滑轉(zhuǎn)率的測量精度。車速的測量方法有標(biāo)桿法、輪速傳感器測量法及多普勒雷達(dá)測速法等，由于農(nóng)田作物生長情況及其它種種原因，以上方法的測量誤差都較大。近年來，隨著GPS技術(shù)的發(fā)展，科研人員提出將GPS用于農(nóng)業(yè)機(jī)械的測速研究[10]。GPS測速大致有3種方法：一是基于GPS高精度定位結(jié)果，通過位置差分來獲取速度；二是利用GPS原始多普勒觀測值直接計算速度；三是利用載波相位中心差分所獲得的多普勒觀測值來計算速度[11-13]。在實時導(dǎo)航過程中，很難獲得連續(xù)、可靠、高精度的定位結(jié)果，因此第1種測速方法不可靠；而低成本GPS接收機(jī)又不能觀測得到多普勒頻移信息，第2種方法也不可用[14]。輪速主要通過在拖拉機(jī)上安裝五輪儀或輪速傳感器測量，如霍爾輪速傳感器、光電轉(zhuǎn)速傳感器、編碼器等。五輪儀進(jìn)行車速測量只適合于某一特定工況下的滑轉(zhuǎn)率測試，不適用于實時測量工作于各種工況下的拖拉機(jī)車身速度[15]。拖拉機(jī)的工作環(huán)境較為惡劣、自身振動大且安裝空間有限，光電轉(zhuǎn)速傳感器和編碼器會受到較大影響。綜上所述，本文分別采用GPS載波相位中心差分法和霍爾傳感器對車速及輪速進(jìn)行測量，對滑移率進(jìn)行分析，從而為后續(xù)不同工況下滑轉(zhuǎn)率門限、控制策略等研究提供一種無線檢測滑移率的方法。

1　測量方法

1.1　輪速的測量法

輪速傳感器采用的是ES3144型霍爾傳感器。該傳感器有3個引腳，分別為正極、信號極、負(fù)極，具有無觸點、無火花、體積小、結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、無自激震蕩、溫度性能好及抗污染能力強(qiáng)等特點[16-17]。其接電后用磁鐵靠近就能檢測到信號變化，通過在車軸安裝磁盤，測量在特定時間間隔內(nèi)脈沖信號個數(shù)即可測得輪速。測頻率法雖然受傳感器輸出脈沖的間隔影響較大，但只要提高磁盤磁極數(shù)或者加大測量的單位時間，使一次采集的脈沖個數(shù)盡可能多，就能得到較高的精度[18]，本文采用24磁極磁盤。

將磁盤和拖拉機(jī)4個車輪進(jìn)行剛性連接，保證輪轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)?；魻杺鞲衅魍ㄟ^支架引至磁盤處檢測信號，通過STC89C52RC采集單位時間內(nèi)的脈沖信號個數(shù)，利用無線串口發(fā)送至接受終端，計算得出轉(zhuǎn)速為

其中，Nl為轉(zhuǎn)速；n為脈沖信號個數(shù)；p為磁盤磁極數(shù)；t為脈沖頻率寬度。

輪速計算公式為

Vl=Nl·π·d

其中，Vl為輪速；d為車輪直徑。

1.2　車速的測量方法

車速測量采用GPS載波相位中心差分法，選用美國生產(chǎn)的Trimble 5700 L1接收機(jī)，定位精度為厘米級。通過GPS的定位數(shù)據(jù)和已知坐標(biāo)點的數(shù)據(jù)解算出差分?jǐn)?shù)據(jù)(RTCM)，再通過數(shù)據(jù)鏈將誤差修正參數(shù)實時播發(fā)出去，用戶端通過數(shù)據(jù)鏈接收修正參數(shù)并傳給GPS，GPS接收修正參數(shù)進(jìn)行修正解算。將5700接收機(jī)輸出格式設(shè)置為NAME1083標(biāo)準(zhǔn)中的VTG格式，VTG語句中包含運動角度、水平運動速度等，通過RS232串口以字符串的形式輸入電腦，將其中代表拖拉機(jī)水平運動速度的字符串用MatLab提取出來轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)值，記為VG，則拖拉機(jī)的滑轉(zhuǎn)率為

其中，Vl為拖拉機(jī)輪速；VG為GPS測得的車速。

霍爾傳感器將檢測到的信號直接送往單片機(jī)，由單片機(jī)4個I/O口負(fù)責(zé)脈沖信號的采集，并每隔1.5 s由無線發(fā)送模塊發(fā)送數(shù)據(jù)；在接收端，單片機(jī)通過無線接收模塊接收數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后用液晶顯示模塊進(jìn)行顯示。

2　試驗設(shè)計與測試

2.1　測試條件

本試驗選用井關(guān)PG-6乘坐式水稻插秧機(jī)，是南方水稻主產(chǎn)區(qū)大面積作業(yè)機(jī)械，四輪驅(qū)動，選用插秧擋位分別對拖拉機(jī)低中高速時滑轉(zhuǎn)率進(jìn)行測量。試驗田選擇華南農(nóng)業(yè)大學(xué)教學(xué)科研基地試驗田，路面情況選擇拖拉機(jī)常走的松軟旱田。

2.2　傳感器及GPS的安裝

試驗中需要分別對拖拉機(jī)的四輪進(jìn)行轉(zhuǎn)速測量，因此需要安裝4個霍爾傳感器及磁盤。需要注意的是：磁盤和車輪要中心對齊，傳感器支架采取3點固定，以減少拖拉機(jī)行走時產(chǎn)生的振動。

GPS系統(tǒng)的搭建要將1臺Trimble 5700接收機(jī)用三角支架水平固定在田邊充當(dāng)基站，另將一臺Trimble 5700接收機(jī)和天線固定在拖拉機(jī)上充當(dāng)差分移動站。

2.3　測試系統(tǒng)的組成

STC89C52RC芯片通過霍爾傳感器采集4個輪子的轉(zhuǎn)速，將輪速信息通過無線串口傳輸給LCD進(jìn)行動態(tài)顯示并保存數(shù)據(jù)。

GPS系統(tǒng)通過載波相位中心差分法測量車速，基站上的接收機(jī)為參考站，對衛(wèi)星進(jìn)行連續(xù)觀測，并將其觀測數(shù)據(jù)和測站信息通過無線電傳輸設(shè)備，實時地發(fā)送給流動站，流動站GPS接收機(jī)在接收GPS衛(wèi)星信號的同時，通過無線接收設(shè)備，接收基準(zhǔn)站傳輸?shù)臄?shù)據(jù)；然后，根據(jù)相對定位的原理，實時算出RTCM數(shù)據(jù)格式，通過RS232串口將數(shù)據(jù)實時輸入PC端并保存數(shù)據(jù)，如圖1所示。

利用MatLab對輪速及車速數(shù)據(jù)進(jìn)行同步計算、顯示及保存。

1.GPS天線　2.衛(wèi)星　3.PC　4.LCD顯示端5.磁盤　6.傳感器　7.GPS接收機(jī)

3　結(jié)果與分析

在工作擋位不同速度下測量的滑轉(zhuǎn)率結(jié)果如圖2所示。拖拉機(jī)在軟泥土路面分別以低速(約3.7km/h)、中速(約5km/h)、高速(約6.5km/h)行走時，其左前、右前、左后、右后輪的滑轉(zhuǎn)率如表1所示。

由圖2、表1可知：拖拉機(jī)在松軟旱田行走時，特定條件下速度越快滑轉(zhuǎn)率越低。在低速擋時，拖拉機(jī)前后輪滑轉(zhuǎn)率分別在13.68%～19.15%和8.05%～16.58%之間變化，平均滑轉(zhuǎn)率分別為15.99%和13.28%；但在高速擋時，拖拉機(jī)前后輪滑轉(zhuǎn)率分別在7.08%～12.68%和4.48%～10.23%之間變化，平均滑轉(zhuǎn)率分別為9.39%和7.96%。原因是：拖拉機(jī)在低速擋時速度慢、轉(zhuǎn)矩大容易發(fā)生空轉(zhuǎn)現(xiàn)象，驅(qū)動力過剩，此時應(yīng)該加快速度或者增大負(fù)載。由表1可知：在特定條件下，拖拉機(jī)后輪的滑轉(zhuǎn)率總是低于前輪的滑轉(zhuǎn)率。原因是：在松軟泥土路面下，后輪的負(fù)重大于前輪，后輪跟地面接觸地更緊實，導(dǎo)致后輪的摩擦力更大，因此較不易發(fā)生打滑現(xiàn)象。

圖2　不同檔位下拖拉機(jī)的滑轉(zhuǎn)率

速度檔位置滑轉(zhuǎn)率12345678910平均滑轉(zhuǎn)率低速前輪左18.7216.3717.8414.3618.7615.7414.3913.6815.1713.7315.88右17.8616.4116.8716.7719.1514.0713.8115.6716.0215.3216.20后輪左15.4612.7314.9213.8816.1414.4312.5612.3211.2810.6413.44右16.5811.4316.3413.4915.4113.2713.4410.4212.638.0513.11中速前輪左11.4710.3715.4013.0412.529.3814.0212.3310.4914.7012.37右9.8011.3614.5416.7511.3911.7216.3411.479.7912.4312.56后輪左8.348.879.7412.719.668.7012.209.2510.1711.1610.10右7.699.488.3611.4910.828.1310.4110.579.1911.919.81高速前輪左9.828.419.868.4911.278.337.549.1212.688.559.41右8.619.788.1210.3012.417.7010.488.0711.147.069.37后輪左6.158.538.144.489.798.437.418.4210.238.768.03右5.469.348.456.468.319.676.487.138.449.237.90

4　結(jié)論

結(jié)合GPS測速技術(shù)，研制了一種拖拉機(jī)四輪滑轉(zhuǎn)率無線實時監(jiān)測系統(tǒng)。初步試驗表明：本文研制的系統(tǒng)測試精度較高，能夠為后續(xù)研究打下基礎(chǔ)，具有一定的應(yīng)用價值。