輪式拖拉機實時滑移率監測系統研究

田勇鵬，陳 軍，王 璐，劉美辰，趙 翔

(西北農林科技大學 機械與電子工程學院，陜西 楊凌 712100)

0 引言

拖拉機按照行駛方式分為輪式拖拉機和履帶式拖拉機：履帶式拖拉機通過性能好，特別是惡劣路況的機動速度和能力較輪式拖拉機的優勢特別大；輪式拖拉機在潮濕泥濘或松軟土壤上易打滑，牽引附著性能差。輪式拖拉機行進過程中，當車輪滾動速度大于實際前進速度時，車輪處于滑移狀態；當車輪滾動速度等于實際前進速度時，車輪屬于純滾動狀態[1-2]。非正常行駛現象的監測對于輪式拖拉機的行進性能和工作性能有著重要參考價值。輪式車輛路面行駛工況有較大的不確定性，就拖拉機行駛路面而言，有平坦的水泥路和瀝青路，而更多則是復雜多變的石子路面或軟土路面。合理控制拖拉機滑移率則可改善拖拉機牽引效率和優化燃油效率，能降低油耗20%～30%，可顯著提高拖拉機燃油經濟性[3-4]。拖拉機在不同作業類型、不同作業地塊下滑移率是不同的[5]，只有工作在最佳滑移率下才能充分發揮驅動能力，保證較高的牽引效率和工作效率。為了使駕駛人員能夠及時獲得滑移率信息，以保證拖拉機工作在最佳滑移率附件，必須對滑移率進行實時測量，而滑移率實時監測的關鍵在于車身速度和驅動輪輪速的實時與準確測量[6]。車身行駛速度的測量方法有多種，標桿法測量拖拉機的平均速度，只能測量平均滑移率；低速雷達法利用多普勒原理來測速，精度較高；GPS法除了可以高精度定位測量外也可以用來測量運動車輛的車身速度[7-10]；輪式車輛驅動輪速度測量主要選用光電式、霍爾式傳感器或是編碼器[11-13]。滑移率測量的精度高低取決于車身速度和驅動輪輪速的測量精度。目前，相比于平均滑移率，實時滑移率監測研究較少，實現滑移率的實時監測需要完整的上位機和下位機系統。

為此，設計了基于LabVIEW和單片機的輪式拖拉機實時滑移率監測系統，配套基于硬件電路、單片機和霍爾傳感器的下位機系統，以及基于LabVIEW和通訊模塊的上位機系統實現對于輪式拖拉機驅動輪、車身速度實時采集和滑移率的實時監測，可以由此判斷出輪式拖拉機實時行駛的滑移及陷車狀態，同時基于滑移率實時監測數據對輪式拖拉機有效安全行駛做出警示。

1 系統總體設計

為最大限度滿足在各類工作情況下實時滑移率的監測，采用由霍爾傳感器模塊、單片機測速模塊、LCD1602A液晶顯示模塊、下位機和上位機通信模塊，以及LabVIEW上位機處理數據顯示實時滑移率模塊組成的成套系統。通過霍爾傳感器實時檢測拖拉機驅動輪和從動輪轉速，單片機LCD1602A顯示實時輪速和車速，單片機端通過CH340集成USB轉串口芯片實現與PC機串行異步通信，上位機界面采用LabVIEW圖形化編輯語言G編寫程序，實現通信數據在上位機界面實時顯示，包括車輪實時速度與滑移率實時監測值。監測系統結構設計如圖1所示。

圖1 監測系統結構圖

2 系統功能實現

2.1 霍爾傳感器模塊

所選霍爾傳感器為邁得豪實業有限公司生產的CHE 12·10NA·H710型號霍爾傳感器，標準檢測距離為10mm，產品外形為金屬圓柱形，總長37mm,外形直徑12mm，螺紋長度32mm,頻率320kHz,輸出為NPN常開型，輸入電壓為DC5-30V,輸出最大電流為150mA。霍爾傳感器是一種磁傳感器，用它可以檢測磁場及其變化，可在各種與磁場有關的場合中使用。其具有電流上升率大、響應速度快、過載能力強、體積小、質量輕及安裝簡單方便的優點。設計的霍爾傳感器安裝結構如圖2所示。該安裝機構設計結構巧妙，可適用于不同型號車輪的輪速采集。

2.2 單片機測速模塊

STC89C52芯片作為測速的核心模塊，外部中斷用來檢測霍爾傳感器的脈沖，定時/計數器T0用來定時。測速原理是在單位時間內累計脈沖個數或在相鄰脈沖間累計時間，然后換算轉速。當需要實時檢測外部IO口的信號時，需要用到外部中斷，普通IO口狀態檢測是通過程序循環掃描完成的，但不能保證實時性(如測量外部脈沖的觸發時間和寬度)，就必須用到外部中斷，STC89C52的外部中斷在P3^2和P3^3，中斷可以通過程序配置優先級，默認P3^2最高優先級。定時/計數器的實質是加1計數器(16位)，由高8位和低8位兩個寄存器組成。

1.軸承套 2.軸承 3.底座 4.強力磁鋼 5.板件 6.鎖緊裝置 7.傳感器模塊 8.霍爾傳感器探頭 9.傳感器安裝支架

2.3 LCD1602A液晶顯示模塊

為了便于在系統上、下位機通信過程中及時發現問題，保證通信正常，在下位機中添加可視化的數據顯示模塊，本系統選用的是液晶顯示器。該SMC1602A LCM型 LCD1602A液晶顯示器由長沙太陽人電子有限公司生產，顯示容量16×2個字符，芯片工作電壓4.5～5.5V，工作電流2.0mA，模塊最佳工作電壓5.0V，字符尺寸2.95×4.35(WXH)mm。現將字符串定義為字符數組，利用循環程序重復調用字符顯示程序。LCD 1602A可以采用兩種方式與單片機連接，一種是采用8位數據總線D0～D7和RS、R/W、EN3個控制端口；另一種是只用D4～D7作為4位數據分兩次傳送。

2.4 下位機和上位機通信模塊

下位機與上位機之間通過CH340集成USB轉串口芯片實現串口串行通信，單片機端與PC機用USB電纜連接，PC機需要安裝驅動程序。在數據通信中，按每次傳送的數據位數，通信方式可分為并行通信和串行通信。如果一組數據的各數據位在多條線上同時被傳輸，這種傳輸方式稱為并行通信。串行通信是使用一條數據線，將數據一位一位地依次傳輸，每一位數據占據一個固定的時間長度。在串行通訊中，根據時鐘控制數據發送和接收的方式，串行通訊又分為同步串行通信和異步串行通信。異步串行通信在發送端和接收端不需要保持嚴格的頻率一致，允許有時間的延遲，即收、發兩端的頻率差在10%以內，都是可以保證正常通信的。因此，本系統使用串行異步通信，可滿足下位機與上位機的較長距離數據傳輸。為了保證能夠成功地進行數據傳輸，在使用異步串行通信實現數據傳輸時必須指定4個參數，即傳輸的波特率、對字符編碼的數據位數、奇偶校驗位和停止位數。

2.5 LabVIEW上位機處理數據模塊

上位機界面采用LabVIEW圖形化編輯語言G編寫程序，實現通信數據在上位機界面實時顯示，同時計算并顯示實時滑移率。該系統LabVIEW串行通信中用到的函數節點為VISA配置串口、VISA寫入、VISA讀取、VISA關閉和VISA串口字節數。上位機界面顯示如圖3所示。前面板是圖形化的用戶界面，用于設置輸入數值和觀察輸出量，是人機交互的窗口，實現該功能使用到的LabVIEW函數庫包括數據采集、串口控制及數據顯示等。用戶界面包括顯示區域、讀取狀態和操作控制等。

圖3 上位機界面

3 實時滑移率計算及系統軟件設計

3.1 實時滑移率計算

該系統對車身速度和驅動輪輪速的采集數據進行處理，結合現有對于滑移率的計算公式，編寫適用于滑移率計算的算法程序。式(1)是基于速度計算，所得結果是瞬時滑移率；式(2)是基于位移計算，所得結果是平均滑移率，即

(1)

(2)

式中μ—滑移率；

VW—驅動輪輪速(km/h)；

V—車身實際速度(km/h)；

S1—驅動輪實際行駛位移(m)；

S2—車身實際行駛位移(m)。

本監測系統采用式(1)計算實時滑移率。由于車輛行駛過程中從動輪為純滾動，因此式(1)中車身實際速度V由從動輪輪速近似代替。根據計算原理的不同，輪速測定方法分為T法測速和M法測速，分別如式(3)和式(4)所示。

(3)

(4)

式中D—車輪直徑；

m—車輪一圈磁性材料個數；

T1—霍爾傳感器檢測到相鄰脈沖所間隔的時間(s)；

T2—單片機內部定時/計時器設定固定時間間隔(s)；

n—霍爾傳感器檢測在單位時間內檢測到的脈沖個數。

3.2 系統軟件設計

系統上電后霍爾傳感器開始工作，在車輪輻板處均布n塊直徑12mm的磁性材料，霍爾傳感器在檢測到磁性材料時TTL電平為0V等價于邏輯“0”；否則，霍爾傳感器TTL電平為+5V等價于邏輯“1”。該信號經過P3^2口輸入到單片機中，下位機和上位機之間通過CH340集成USB轉串口芯片實現串口并行通信，上位機計算并顯示實時滑移率。監測系統程序流程如圖4所示。

圖4 監測系統程序流程圖

4 系統功能測試

為了檢驗系統的性能，選用某型號后驅拖拉機作為試驗平臺。經試驗得知：該車正常行駛最大速度48km/h，選取試驗路面長100m。

4.1 驅動輪空轉時的測速精度試驗

圖5為初次測速上位機記錄實時輪速圖。本次試驗采用的測速方法為T法測速，上位機記錄的實時輪速有幾次較大波動。經檢測發現：由霍爾傳感器信號輸出線隨車身抖動引起霍爾傳感器抖動，后續試驗加固了傳感器信號輸出線，防止其帶動霍爾傳感器抖動影響磁性脈沖檢測。圖6為調整后上位機記錄實時輪速圖。這次試驗采用的測速方法為M法測速，試驗結果驗證了監測系統的測速穩定性。

圖5 初次測速上位機記錄實時輪速

圖6 調整后上位機記錄實時輪速

4.2 水平路面行駛時的測速精度試驗

這次試驗過程中，拖拉機采用電子擋位控制車速，分別選取從1.3到max的9個擋位。拖拉機在進入試驗路面之前開始一段穩定調速過程，到達100m試驗路面后可近似視作勻速行駛，且在這段距離行車中車輛輪胎與地面摩擦力足夠大，采集的從動輪速度即為車身速度。測速精度試驗數據如表1所示。由表1可知：該系統測速誤差率最大為8.7%，最小值為0.09%，平均值為1.61%，可以滿足監測系統對高精度數據獲取的要求。

4.3 模擬完全陷車狀態下實時滑移率監測試驗

為了初步檢驗輪式拖拉機滑移率實時監測系統的穩定性，進行了模擬完全陷車狀態下的試驗。完全陷車狀態時，拖拉機驅動輪轉動，從動輪不轉動。由于在實際行車過程中輪式拖拉機的從動輪運動近似為純滾動，因此可將從動輪前進速度視作車身速度。試驗中，分別采集從動輪速度和驅動輪速度作為滑移率計算的數據來源。試驗時，霍爾傳感器安裝在驅動輪和從動輪輪軸上，拖拉機后橋用1對千斤頂支起，數顯可調開關電源調至不同檔位，驅動輪空轉。上位機顯示界面如圖7所示。由圖7可知：驅動輪速度為12.71km/h、車身速度為0km/h時，讀取數據狀態欄顯示正常，系統運行穩定正常。

表1 測速精度試驗數據

圖7 上位機界面顯示

5 結論

1)監測系統基于LabVIEW和單片機的上位機配套基于霍爾傳感器的下位機設計，實現了拖拉機在行進過程中瞬時滑移率的監測，可為無人駕駛的拖拉機行車控制系統提供可靠的輪速、車速和滑移率信息，為無人駕駛農用車輛在復雜工作環境中實現可靠反饋調整提供數據來源。

2)試驗表明：輪式拖拉機行進速度在48km/h以內時，監測系統的測速誤差率最大為8.7%，最小值為0.09%，平均值為1.61%，可以滿足監測系統對高精度數據獲取的要求。