輪式拖拉機轉向角測量裝置的研制與試驗

王艷鑫 李加琪 王 顯 金誠謙,2 印 祥*

(1.山東理工大學 農業工程與食品科學學院，山東 淄博 255000；2.農業農村部南京農業機械化研究所，南京 210014)

隨著傳感器技術的發展，農業機械自主導航技術在降低人工成本、減少污染、提高作業效率等方面發揮著重要作用。對于農用車輛的自主導航，在工作時除了要考慮直線跟蹤方法與控制算法外，還需要綜合考慮自動轉向系統的穩定性和準確性。自動轉向系統是農機自動導航系統輸出指令的執行部分，其中轉向角測量的準確度是影響導航精度的重要因素之一，轉向控制器對實際轉向角與期望轉向角進行對比分析后控制電動方向盤或電控液壓閥的實時動作，實現農機轉向角度的自動控制，以保證拖拉機沿預設路徑的精準行駛。目前，針對輪式拖拉機的前輪轉向角測量，國內外主要采用接觸式、非接觸式以及MEMS陀螺儀等傳感器實現對前輪轉向角的測量。接觸式傳感器例如電阻式角度傳感器測量前輪轉向角，或位移式傳感器測量轉向油缸行程，標定計算建立數學模型進而推算轉向角，結構簡單，測量準確度較高，但傳感器重裝或松動后需重新標定，標定次數多，費時費力；非接觸傳感器如絕對式編碼器，齒輪與方向盤轉向軸連接測量出轉向角，安裝簡單，但編碼器分辨率較低，測量精度較差；近年使用較多的是MEMS陀螺儀實現對前輪轉向角的測量，為了提高測量的精確度，可用卡爾曼濾波器對陀螺儀計算的角度進行實時校正、建立車輪—主銷轉角關系模型或使用雙加速計與陀螺儀融合計算出滾轉角等方式修正轉向角，陀螺儀的動態響應輸出時間較長，測量的時效性降低。

本研究旨在設計一種具有結構穩定、標定次數少、測量精度較高等優點的輪式拖拉機轉向角測量裝置，該裝置能夠采集拖拉機前輪轉向角度信號并對信號進行分析處理，最終得到穩定準確的輪式拖拉機轉向角度，實現拖拉機轉向角的實時顯示和記錄，滿足農機自動導航中轉向角測量及控制需求。

1 系統結構與工作原理

以市場上現有的輪式拖拉機東風井關T954為研究平臺，所設計的輪式拖拉機轉向角測量裝置見圖1，該裝置安裝在前輪轉向機構上。轉向角測量裝置由轉向角檢測機構、數據采集模塊及顯示終端組成(圖2)。拖拉機轉向時，由轉向油缸帶動轉向拉桿，進而由轉向節臂帶動轉向輪的轉向立柱轉動，從而實現車輪偏轉。考慮到轉向機構處空間有限，設計的轉向角測量裝置應結構緊湊，同時傳感器選用非接觸式角度傳感器，滿足測量的精準度。拖拉機轉向過程中，拖拉機前輪轉向機構將轉向角相對位置變化傳遞給轉向角檢測機構，角度傳感器與磁塊產生角位移，傳感器輸出模擬電壓信號。數據采集模塊，經AD轉換在PIC單片機內部完成模擬電壓信號的角度變換計算，將結果保存在電腦中并在串口屏上顯示轉向角度的大小。

1.前橋；2.轉向立柱；3.轉向油缸；4.轉向拉桿；5.轉向角檢測機構；6.轉向節臂；7.輪轂

圖2 轉向角測量裝置組成

2 關鍵部件設計與分析

2.1 轉向角檢測機構搭建

轉向角檢測機構是農業機械自主導航系統中重要的組成部分，用以測量并反饋轉向輪的轉向角度，其傳感器的選型及轉向機構的結構直接影響檢測結果的準確性與可靠性，因此，應避免出現轉向角檢測機構因長時間使用出現擺動抖動或材料變形等現象，此外，農機的工作環境惡劣，該機構必須防水防塵耐高溫，以保證其結構穩定并具有較長的使用壽命。

2

.

1

.

1

角度傳感器選型

非接觸式角度傳感器選用Novotechnik-RFD4000系列，分為磁塊和角度傳感器部分，角度信號輸出值由內置集成電路計算得到。角度傳感器特性曲線見圖3，工作量程180°，工作電壓5 V，順時針上升斜率輸出，輸出電壓范圍0.25～4.75 V，單路輸出信號，角度傳感器感知磁場方向的變化反應出角度變化，主要技術指標見表1。

表1 角度傳感器主要技術指標

Table 1 Main technical indexes of angle sensor

項目Item參數Parameter外形尺寸/mm×mm×mmAnglesensordimensions400×241×70磁塊尺寸/mm×mm×mmMagneticblocksize222×222×56工作電壓/VWorkingvoltage5工作量程/(°)Workingrange180輸出信號/VOutputsignal0.25～4.75工作溫度范圍/℃Operatingtemperaturerange-40～125防護等級LevelofprotectionIP67

圖3 角度傳感器特性曲線

角度傳感器使用時，磁塊與角度傳感器產生角位移，磁場強度發生改變，該變化由傳感器內部集成電路檢測放大，輸出電壓隨之改變，即輸出反映旋轉角度的模擬信號。該角度傳感器外形小巧，可以應用于非常狹小的空間，其外殼由耐高溫塑料制成，密封性強，防水耐高溫，可以有效的避免因灰塵、污垢或潮濕等因素導致的接觸不良情況，使用壽命長，測量精度高，適用于農機的工作環境。

2

.

1

.

2

轉向角檢測機構設計

轉向角檢測機構由蓋板、角度傳感器、磁塊、殼體、半月板、搖臂、旋轉塊和底板組成(圖4)。考慮拖拉機實際工作環境，設計的轉向角檢測機構將角度傳感器和磁塊密封，以實現防塵防水。機構安裝在拖拉機前輪的轉向立柱上，選用雙側夾板將搖臂末端與前橋固定(圖5)，保證搖臂旋轉方向與轉向立柱同步。考慮轉向機構處空間有限，設計蓋板和殼體尺寸為120 mm×120 mm×63 mm，底板尺寸根據轉向立柱尺寸設計，搖臂長度依據前橋位置調整。

1.蓋板；2.角度傳感器；3.磁塊；4.蓋板殼體；5.半月板；6.搖臂；7.旋轉塊；8.底板

1.雙側夾板；2.轉向角檢測機構；3.前橋

拖拉機轉向過程中，轉向油缸帶動轉向拉桿，進而由轉向節臂帶動轉向輪的轉向立柱轉動，轉向角檢測機構的搖臂帶動磁塊旋轉，與角度傳感器產生角位移差，得到模擬量的角度輸出信號。該機構穩

定性強，既可感知到由前輪轉向油缸傳來的轉向角度，又保護了角度傳感器，保證工作的穩定性。

2.2 數據采集模塊及顯示界面設計

選用PIC18F258單片機作為信號采集主芯片，此芯片包含8位CMOS數據采集裝置，擁有22個通用I/O引腳和10位數模轉換器。設計時鐘電路、復位電路組成單片機最小系統電路，利用ch340轉接芯片的USB轉TTL下載器程序下載和上位機數據記錄，組成設計如圖6所示。

圖6 數據采集模塊組成設計

數據采集模塊工作時，角度傳感器輸出的模擬信號傳入PIC單片機的模擬輸入口，角度傳感器采集的轉角信號經過單片機內部A/D轉換裝置將輸入電壓信號轉換為0～255的編碼范圍，此電壓信號與傳感器測量量程

θ

(

θ

范圍為0°～180°)呈線性關系，計算得到測量角度與A/D采樣電壓的關系函數，在單片機內部設置此函數，以計算出該車在前橋中心的轉向角度。

在串口屏上顯示角度信息，選用深圳市陶晶馳公司生產的HMI觸摸屏幕，所設計的角度顯示界面見圖7，指針擺動至測量角度并在下方窗口中顯示數值，選擇歷史記錄可查看過往數據。

圖7 串口屏顯示界面

拖拉機工作前，開啟電源，拖拉機轉向角測量裝置開始工作，裝置初始化，進入測量狀態。開始作業后，數據采集模塊讀入轉向角數據，計算得到角度測量值實時顯示在串口屏上，同時完成上位機的數據記錄。

3 試驗測試與結果分析

試驗于2020年12月在山東省淄博市臨淄區進行。以井關T954拖拉機為試驗平臺，該拖拉機軸距230 cm，輪距160 cm，將輪式拖拉機轉向角測量裝置集成安裝到該拖拉機上，RTK-GNSS天線安裝在拖拉機頂部兩側以采集GNSS位置信息，天線相距130 cm。

拖拉機在行駛時，是前輪轉向后輪驅動作業，為保證順利完成轉向，要求車輪做純滾動運動。當拖拉機開始轉彎時，前輪內側轉向角大于外側，且全部車輪必然繞瞬心O點做圓周滾動，且轉彎半徑

R

會隨著前輪轉角變化(圖8)。

UTM-E表示距離經度區的中心子午線的投影距離，UTM-N表示距離赤道的投影距離。

前橋中心轉向角度

α

和后輪轉向半徑

R

的計算公式為：

(1)

(2)

式中：

l

為前后輪軸距，m。

β

為前輪的轉向角度，(°)，拖拉機前輪左轉

β

取負，右轉

β

取正；若

β

為負值式(1)取正號，

β

為正值式(1)取負號。

s

為后輪輪距，m，

α

為前橋中心的轉向角度，(°)。根據GNSS采集的位置信息計算RTK-GNSS接收機處的實際轉向半徑

R

。首先計算最小二乘法參數

a

、

b

、

c

：

(3)

式中：

x

，

y

為UTM坐標系下RTK-GNSS采集的位置信息，m。然后計算擬合軌跡圓心坐標[

u

,

u

]：

(4)

最后計算RTK-GNSS接收機處的實際轉向半徑

R

：

(5)

式中：

m

為RTK-GNSS采集數據量，個。為了與轉向角測量裝置測量結果比對，需計算后輪的實際轉向半徑

R

’，計算公式為：

(6)

式中：

u

為相對車后輪距離，m；

d

為P點相對中軸線距離，m。

為檢測輪式拖拉機轉向角測量裝置的測量效果，進行轉向角測量試驗。試驗時將方向盤打至固定角度，低檔行駛約10 m，從左至右改變方向盤角度，記錄GNSS位置信息和該轉向角測量裝置測量值。圖9為在不同轉向角下的拖拉機轉彎實際路徑和轉向角測量裝置所測轉角信息的擬合路徑。可見，該擬合路徑與實際行駛路徑較吻合，擬合度較高。

RTK-GNSS信息得到的拖拉機實際路徑

試驗時規定拖拉機前輪左轉轉向角為負值、右轉轉向角為正值，圖10為轉向角度分別為+10°、+33° 和-7°時的實際轉彎與裝置測量轉彎角度對比圖。

RTK-GNSS信息計算得到的拖拉機實際轉彎角度

表2為試驗過程中所記錄的測量數據及方差分析，GNSS采集的位置信息計算得實際轉彎角度平均值。轉向角在[-5°，+5°]范圍內，由于拖拉機轉彎半徑較大，只記錄測量角度。由表2可知，在[-5°，+5°]范圍內，實際轉彎角度與裝置測量的轉彎角度最大誤差為1.31°，RMS為1.08°；在[-45°，-5°)和(+5°，+45°]范圍內時，最大誤差≤2°，RMS≤1.4°，根據JJF 1196—2008《機動車方向盤轉向力-轉向角檢測儀校準規范》要求轉向角測量最大誤差為±3%。該轉向角測量裝置測到的轉向角度與實際拖拉機行駛時的轉彎角度較吻合，誤差滿足《規范》要求，試驗結果表明該裝置能夠滿足拖拉機自動導航時轉向角測量的準確度。

表2 轉向測量試驗方差分析

Table 2 Analysis of variance in steering measurement test (°)

裝置測量轉向角度Thedevicemeasuresthesteeringangle實際轉向角度平均值Averageofactualturningangles測量與實際轉角最大誤差Maximumerrorbetweenmeasuredandactualturningangle測量與實際轉角均方根誤差RMSerrorbetweenmeasuredandactualturningangle-36-37.061.781.22-34-34.101.730.73-28-26.811.931.39-15-14.661.220.32-7-6.141.231.02-5- 1.301.085- 1.231.001010.861.220.572020.581.220.183332.731.220.46

4 結 論

本研究針對農業自動導航中拖拉機轉向角測量及自動控制的需求，研制了一種由非接觸式測量元件為角度傳感器的輪式拖拉機轉向角測量裝置。主要研究結果如下：

1)所設計的轉向角測量裝置由轉向角檢測機構、數據采集模塊及顯示終端組成。利用裝有非接觸式角度傳感器的轉向角檢測機構完成轉向角度的精確測量，數據采集模塊分析計算在顯示終端上實時顯示并記錄。

2)設計轉向測量試驗，將拖拉機實際轉彎角度與轉向角測量系統測量的轉彎角度進行比對分析，結果表明：在[-5°，+5°]范圍內，實際轉彎角度與裝置測量的轉彎角度最大誤差為1.31°，RMS為1.08°；在[-45°，-5°)和(+5°，+45°]范圍內，最大誤差≤2°，RMS≤1.4°，本研究所設計的輪式拖拉機轉向角測量裝置測量結果準確可靠，可滿足農機自動導航中的轉向角測量及控制需求。