農業機械設備的自動轉向裝置集成系統設計研究

鄭志良

（莆田市荔城區拱辰街道辦事處，福建 莆田 351100）

電控轉向一般在農機車輛方向盤或轉向柱安裝電機，該方法成本低，對車輛本身改動不大，控制扭矩小，但對安裝精度要求高，操作過程中可能常出現滑移現象[1]。輪式農業機械自動轉向系統控制是在農業機械自動化設備的基礎上進行改善的，可見自動轉向與自動化的關系密切，為進一步增強農業生產效益，滿足現代化農業發展需求，筆者設計了一款結構簡單、操作性強、精度高且便捷的自動轉向控制系統。

1 機械設計制造中自動化技術優勢

1.1 控制生產成本

傳統農機設計過程的設計粗放，主要依靠工作人員理念完成，一旦出現設計不合理、理念錯誤現象，就會導致機械成本提高，而自動化技術的應用可控制成本。通過虛擬化、智能技術、自動化、集成應用等多種方式減少對人力的依賴，可應用更為科學的理念優化設計過程，確定機械設計制造參數，在生產中自動監測與控制，使各項資源得到最大利用[2]。

1.2 提升生產效率與質量

農業發展離不開機械制造，引入智能、自動的機械是農業發展的保障，因此設計過程中應控制機械質量，在農業機械設計制造過程中，需要確定機械參數，減少工作人員失誤等問題。而自動化技術通過數控、自動化、虛擬等技術，會優化設計制造流程與工藝，提高農業機械設計質量，因而有助于我國農業現代化發展與生產力水平的提升。

1.3 優化機械設計制造

農機設計一旦出現問題，不僅影響農業生產發展，還存在安全隱患，自動化技術可促進機械優化，對設計制造過程展開檢測、搜集并掌握設計制造相關數據信息，通過分析發現問題并對缺陷及不足進行優化，使農機設備得到保障。

2 推進農業機械自動化意義

2.1 實施自動化選擇

推進農業機械自動化，要根據農業目前生產技術水平、條件、實際情況進行設計及生產，科學提升農業作業精準度及工作效率，在盡量節約成本的基礎上增強機械設備安全性，對不同類型自動化模式進行公平、公正評價，按照一定順序選擇自動化模式，使農業機械自動化呈現階梯式進程。

2.2 開發控制系統

農業機械自動化生產，需要以高效率、高精度為主要目標，在控制成本的前提下，盡量節約農業資料，實現安全生產，提升農產品的整體品質，以便滿足人們對農產品的消費需求。若在推進機械自動化過程中一味地追求高度自動化與頂端科學技術，則研制出的技術成果可能無法達到農業生產需要，不符合農業實際情況，而技術越高的自動化設備價格越昂貴，不符合農機生產控制成本的理念。

3 農業機械自動轉向控制系統的結構及性能特點

3.1 系統結構

輪式農業機械自動轉向控制系統是我國一直應用的系統，具有良好的工作效益，實現了農產品的增值與質量的提升。該系統包括方向盤、執行系統、主控設備等部分，雖然每個部位作用不同，但結合在一起具有系統作用，主要控制車輛轉向，保障車輛正常運作。自動轉向將轉向意圖轉化成數字貫穿于控制系統中，通過執行命令完成轉向，滿足駕駛員操作意圖，保障了農業機械自動轉向，如圖1所示。其中，主控制器需要對信號進行采集、分析，判斷設備運行情況，向方向盤、轉向電機等部位發出指令，控制電機在安全、理想的情況下進行轉向響應，減少駕駛員的機械轉向，為駕駛員助力，減輕其駕駛負擔。同時可對駕駛員操作指令進行識別，判斷轉向是否合理，一旦駕駛員有錯誤轉向意圖，系統可自動屏蔽，保證機械及駕駛員安全。

圖1 農業機械自動轉向控制系統結構

3.2 性能特點

自動轉向系統擁有自動防故障能力，包括監控及實施算法，可根據不同故障形式、等級進行處理，保證機械正常行駛[3]，其主要性能特點如下：1）自動防故障功能包括故障自動監測與自動處理，擁有自身的處理邏輯，提高了機械安全性。2）電源系統承擔著控制器、兩個執行馬達及其他車用電器任務，負擔較為繁重，若加入地動轉向控制系統，需增大電源。3）自動轉向控制系統由液壓部分及控制單元部分組成，液壓包括改裝油路、電控閥，控制單元部分由MCU及周圍電路、基于ARM9的嵌入式系統傳感器、上位機組成，輸入、輸出的控制量為上機作用，通過角度傳感反饋確定車輪位置。

4 農業機械設備的自動轉向控制方法

4.1 PID校正環節選擇

PID是一種線性控制，操作簡單，廣泛應用于自動轉向中，該控制器由比例、積分、微分三個環節組成。其中比例環節反映系統信號可能出現的偏差，一旦出現偏差比例環節可對控制器進行控制，降低偏差[4]；積分環節控制系統的強弱，對自控系統穩定性低、震蕩等現象進行改善，加快系統循行速度，減少調節時間；微分環節控制系統運行，消除系統運行過程中的誤差，增加系統穩定性，提高安全性。

4.2 PD控制原理

以插秧機為例，插秧機在工作中需要不斷變化速度，同時速度應在規定范圍內，如：轉彎時需降低速度、曲線行駛時需隨路徑變化不斷變化速度、直線行駛時保證勻速，且插秧過程中，工作速度需要通過轉向能力決定。因此在插秧機工作中，需要適當的控制器根據速度變化趨勢進行控制，計算工作與實際的目標偏差，以此作為自適應PD控制器輸入，通過對速度進行在線整合，實現對系統參數的獲取，輸出轉向輪數據偏角。因實際偏角與期望偏角有一定差距，可作為操縱控制器輸入，通過操作控制器控制轉向，使其執行一定動作，實現轉角，進而達到控制效果[5]。

5 自動轉向集成裝置控制器設計

5.1 電控系統整體設計

自動轉向集成電控系統由核心處理器、電路模塊等部分組成，核心處理器為飛思卡爾MC9S12系列單片機，外部電路根據農機自動轉向功能分為最小系統電力、電源電路、數字量傳感器采集電路等模塊。其中MC9S12對主要數據進行運算，對相應內置外設進行通信及電機控制，為單片機提供正常工作基本條件，電源電路為整個系統提供不同的電壓，保證系統正常工作[6]。采集車輪轉向傳感器的電壓信號應用模擬量傳感器；車輪轉速傳感器應用數字量傳感器；電機控制電路根據單片機發出的PWM控制電機轉向，CAN對上下位機數據進行交換；在保護系統中，應用保護電路預防電路板過熱、過流，提升控制系統可靠度。整體設計如圖2所示。

圖2 自動轉向集成裝置電控系統整體設計架構

5.2 電源設計

傳統農機發動機不發動，液壓系統不工作，自動轉向系統若在此時提供電源，會損壞電機與控制器[7]。為預防發動機未啟動狀況下自動轉向系統操作失誤，可通過設計點火開關信號觸發控制器電源開啟電路，設備熄火時點火開關無信號[8]；點火開關輸入時電壓輸入后端傳給單片機，轉向電機開始工作，提高了系統可靠性。

5.3 電機控制系統設計

通過單片機輸出PWM和高低電平對控制端進行控制，完成對電機位置及速度的控制[9]。為防止電機低速工作時因堵轉造成電流過大而燒壞電機，可通過電流檢測電路進行實時監測。在下橋臂串聯一個0.05 R的采樣電阻，反饋到單片機進行分析檢測，當檢測值超出電流閾值，自動退出駕駛模式，避免因電流過大而燒壞電路與電機。

6 實驗驗證

對自動轉向集成裝置進行驗證，將其裝在一臺高地隙噴霧機上，安裝過程中，因該裝置體積較小，具有一定便捷性，分析在不同的目標、車輪角度、速度時該設備的應用效果[10]。首先發動噴藥機，保證轉向液壓系統正常工作，為自動轉向裝置供電，啟動系統，通過電腦下發指令，令控制器測試角度及目標，初始角度為-20°，轉向20°，觀察效果。結果顯示當上位機發送一個目標角度時，轉向裝置可控制車輪進行平穩、可靠轉向，有較好的執行效果。其次測試速度，在角度一致情況下，測試低、中、高三種轉向角速度方式下控制系統的控制效果，結果顯示噴霧機可達到平穩、可靠的效果，且速度合理科學，具有一定準確性。

7 結語

綜上所述，在自動轉向控制系統的設計過程中，需要自動化、集成、智能等多種技術進行結合，提高設計效率，優化設計與制造工藝流程。在控制成本、保證安全的基礎上提升農業機械工作效率，有助于農業發展，提升自動化技術水平。