動(dòng)力換擋拖拉機(jī)行駛速度自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)

李國(guó)強(qiáng),武廣偉,祝清震,張光強(qiáng),叢 岳,付衛(wèi)強(qiáng)

(1.江蘇大學(xué) 農(nóng)業(yè)工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212013;2.北京市農(nóng)林科學(xué)院 智能裝備技術(shù)研究中心,北京 100097)

0 引言

無(wú)人駕駛拖拉機(jī)是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)實(shí)施的關(guān)鍵和動(dòng)力來(lái)源基礎(chǔ)[1-3],且動(dòng)力換擋技術(shù)是無(wú)人駕駛拖拉機(jī)關(guān)鍵技術(shù)之一。動(dòng)力換擋技術(shù)通過電控液壓系統(tǒng)控制多個(gè)離合器的結(jié)合分離,實(shí)現(xiàn)動(dòng)力不中斷換擋,且將復(fù)雜的換擋操作過程簡(jiǎn)化為按鈕或自動(dòng)操作[4-5]。目前,擁有動(dòng)力換擋功能的拖拉機(jī)已經(jīng)成為無(wú)人農(nóng)機(jī)自動(dòng)駕駛的應(yīng)用對(duì)象。

行駛速度自動(dòng)控制是無(wú)人農(nóng)機(jī)自動(dòng)駕駛的關(guān)鍵技術(shù)條件之一,國(guó)內(nèi)外科研工作者對(duì)于拖拉機(jī)等農(nóng)業(yè)動(dòng)力裝備的行駛速度自動(dòng)控制技術(shù)方法進(jìn)行了大量研究[6-9]。趙春江等以約翰迪爾4720靜液壓傳動(dòng)拖拉機(jī)為平臺(tái)設(shè)計(jì)了基于CAN的拖拉機(jī)定速巡航控制系統(tǒng),使用電動(dòng)油門調(diào)節(jié)器對(duì)油門踏板實(shí)現(xiàn)線控并獲取油門開度大小信息反饋,定速巡航控制絕對(duì)誤差最大為0.012 m/s[10]。韓科立等以福田雷沃TG1254型拖拉機(jī)為平臺(tái),研制了一種電-液自動(dòng)機(jī)械式變速裝置,并開發(fā)了基于ARM7的單片機(jī)控制系統(tǒng),速度控制精度在0.2m/s以內(nèi),能夠滿足定速巡航要求[11]。郭娜和胡靜濤基于自適應(yīng)模糊PID控制算法,對(duì)插秧機(jī)的行駛速度進(jìn)行控制,相較于傳統(tǒng)PID 控制算法,插秧機(jī)在水泥道路上的行駛速度平均誤差小于0.02m/s[12]。張碩等分析了速度變化對(duì)拖拉機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航行駛穩(wěn)定的影響,研發(fā)了基于速度自適應(yīng)的拖拉機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航控制系統(tǒng),能實(shí)現(xiàn)不同速度下的拖拉機(jī)的直線路徑自動(dòng)跟蹤控制效果[13]。周巖和王雪瑞開發(fā)了基于WSN的智能農(nóng)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航控制系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)拖拉機(jī)的精準(zhǔn)定位和速度控制[14]。王卓等研發(fā)了拖拉機(jī)定速巡航系統(tǒng),通過對(duì)拖拉機(jī)加速度進(jìn)行精確控制,以實(shí)現(xiàn)定速巡航功能,試驗(yàn)結(jié)果表明系統(tǒng)對(duì)非線性特性及外界干擾的魯棒性能較好[15]。已有拖拉機(jī)等動(dòng)力裝備的行駛速度控制方法及控制系統(tǒng)研究,提高了農(nóng)機(jī)作業(yè)精度、減輕了駕駛員勞動(dòng)強(qiáng)度,促進(jìn)了無(wú)人駕駛拖拉機(jī)技術(shù)和精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展。

目前,關(guān)于農(nóng)機(jī)行駛速度控制方法的研究對(duì)象多為機(jī)械換擋拖拉機(jī),且存在農(nóng)機(jī)速度控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)精度差、調(diào)節(jié)速度慢的問題。近年來(lái),動(dòng)力換擋拖拉機(jī)在我國(guó)得到了廣泛關(guān)注和應(yīng)用,但針對(duì)動(dòng)力換擋拖拉機(jī)的行駛速度自動(dòng)控制方法和研究還相對(duì)較少。為此,以紐荷蘭T1404型動(dòng)力換擋拖拉機(jī)作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái),開展行駛速度自動(dòng)控制方法研究,并開發(fā)一套行駛速度自動(dòng)控制系統(tǒng),以提高動(dòng)力換擋拖拉機(jī)的智能化程度,為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)在我國(guó)的發(fā)展提供技術(shù)支撐。

1 總體設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)平臺(tái)

選擇紐荷蘭T1404型拖拉機(jī)作為行駛速度自動(dòng)控制方法試驗(yàn)的平臺(tái),如圖1所示。該拖拉機(jī)配備了動(dòng)力換擋變速箱,設(shè)有18個(gè)前進(jìn)擋和6個(gè)倒擋,前進(jìn)擋又被分為A、B、C等3個(gè)區(qū)段。另外,該拖拉機(jī)擁有先進(jìn)的電子控制技術(shù),其換向、換擋方式均為I/O控制,油門為模擬量控制方式。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

所提出的行駛速度自動(dòng)控制系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖2所示。該系統(tǒng)分為手動(dòng)控制單元和自動(dòng)控制單元:手動(dòng)控制單元主要包括換向手柄、擋位升降按鈕、手油門推桿、懸掛按鈕的輸入電路及相應(yīng)的輸出電路;自動(dòng)控制單元主要包括通訊模塊、工況信息采集模塊、油門控制模塊及擋位控制模塊等。通訊模塊主要負(fù)責(zé)車載計(jì)算機(jī)與控制器之間的指令、操作日志傳輸;信息采集模塊主要用于獲取拖拉機(jī)速度、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、變速箱擋位和懸掛位置等信息;控制模塊為模擬物理按鈕,通過發(fā)送高低電平信號(hào)給發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元ECU、變速箱控制單元TCU,對(duì)拖拉機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和變速箱動(dòng)力傳輸比進(jìn)行控制。

圖2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)Fig.2 Overall system structure

該系統(tǒng)將拖拉機(jī)的自帶換向手柄、扶手箱按鈕/推桿與拖拉機(jī)控制單元的物理連接方式切斷,通過控制器將這些模塊串聯(lián)在一起。當(dāng)拖拉機(jī)處于手動(dòng)模式時(shí),控制器能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)換向手柄的位置、加減擋按鈕狀態(tài)以及手油門推桿的位置,通過系統(tǒng)的擋位、油門控制模塊輸出高低電平信號(hào)給拖拉機(jī)ECU控制單元,以實(shí)現(xiàn)拖拉機(jī)原有的駕駛功能。當(dāng)拖拉機(jī)處于自動(dòng)模式時(shí),控制器將通過CAN總線不斷讀取拖拉機(jī)的工況信息,換向手柄、扶手箱按鈕/推桿將不再參與駕駛控制操作;控制器接收到來(lái)自車載計(jì)算機(jī)的目標(biāo)行駛速度和發(fā)動(dòng)機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速指令后,對(duì)拖拉機(jī)組進(jìn)行換擋操作;換擋操作結(jié)束后,系統(tǒng)能夠控制油門調(diào)節(jié)模塊的DAC輸出值,不斷對(duì)油門大小進(jìn)行調(diào)節(jié),使拖拉機(jī)的實(shí)際行駛速度穩(wěn)定在目標(biāo)速度值附近,直到接收到新的目標(biāo)速度。

系統(tǒng)的控制器選用北京芯海融科科技有限公司的MC1206控制器,以STM32F407芯片為核心進(jìn)行開發(fā),集成了5路CAN、4路RS232,能夠滿足控制器與車載計(jì)算機(jī)通訊及信息采集要求,同時(shí)具有12路開關(guān)量輸入、8路開關(guān)量輸出、6路模擬量輸入、6路模擬量輸出、1路12V電壓輸出和6路功率輸出功能,能夠滿足控制需求。系統(tǒng)開發(fā)的編程環(huán)境為CubeMX、CubeIDE,編程語(yǔ)言為C語(yǔ)言。該系統(tǒng)能夠根據(jù)ISO 11783農(nóng)機(jī)具CAN總線通訊協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)資料,從拖拉機(jī)CAN總線上獲取驅(qū)動(dòng)輪的車速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、變速箱擋位及方向等相關(guān)工況信息。

1.3 控制方法

行駛速度自動(dòng)控制系統(tǒng)的工作原理和控制方法,主要分為擋位計(jì)算和油門調(diào)節(jié)控制方法兩個(gè)部分,詳細(xì)控制方法如下。

1)擋位計(jì)算方法。通過查閱紐荷蘭T1404型拖拉機(jī)的操作手冊(cè),可以獲得拖拉機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)在2200r/min額定轉(zhuǎn)速下的理論行駛速度,進(jìn)而可以計(jì)算出不同擋位設(shè)置下的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與拖拉機(jī)速度的關(guān)系。在理想的擋位設(shè)置下,拖拉機(jī)的行駛速度與發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速關(guān)系如圖3中虛線G′所示。但是,由于變速箱結(jié)構(gòu)及傳動(dòng)比限制,控制系統(tǒng)只能選擇鄰近擋位G1或G2,發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速只可以為n1或n2(優(yōu)先選擇與目標(biāo)轉(zhuǎn)速差距更小者),從而達(dá)到以目標(biāo)行進(jìn)速度行駛的控制目標(biāo)。

圖3 擋位計(jì)算原理Fig.3 Gear calculation principle

2)油門調(diào)節(jié)方法。當(dāng)拖拉機(jī)擋位不變時(shí),拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速僅與發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速有關(guān),故在換擋操作結(jié)束后控制系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)油門大小可以對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制,從而達(dá)到控制拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速的目的。為提高拖拉機(jī)行駛速度穩(wěn)定性,采用PID控制算法對(duì)油門的大小進(jìn)行調(diào)節(jié)。紐荷蘭T1404型拖拉機(jī)的油門為模擬量控制方式,控制系統(tǒng)將PID算法的油門大小調(diào)節(jié)量轉(zhuǎn)換為DAC輸出電壓,即可對(duì)油門的開度大小進(jìn)行控制。經(jīng)萬(wàn)用表測(cè)量可知,手油門推桿在最小油門時(shí)其信號(hào)線電壓值為0.5V,在最大油門時(shí)電壓值為4.5V,即0.5～4.5V電壓范圍對(duì)應(yīng)拖拉機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)怠速轉(zhuǎn)速900r/min～額定轉(zhuǎn)速2200r/min。因此,結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與行駛速度的關(guān)系可以得出速度調(diào)節(jié)量與DAC輸出電壓值之間的關(guān)系。詳細(xì)的油門開度PID調(diào)節(jié)原理如圖4所示。經(jīng)過仿真與試驗(yàn),最終確定油門調(diào)節(jié)頻率為2Hz,比例調(diào)節(jié)系數(shù)Kp、積分調(diào)節(jié)系數(shù)Ki、微分調(diào)節(jié)系數(shù)Kd分別為0.125、0.001562和0。

圖4 油門開度PID調(diào)節(jié)原理Fig.4 PID regulation principle of throttle opening

2 軟件設(shè)計(jì)

行駛速度自動(dòng)控制的軟件程序主要分為6個(gè)主要部分,分別為初始化,定時(shí)器(控制各模塊的執(zhí)行頻率),按鍵檢測(cè)、I/O操作,A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換、D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換,PID算法和中位值平均濾波算法接入,串口通訊和CAN總線通訊。

軟件程序的流程如圖5所示。首先,控制器上電后,控制系統(tǒng)進(jìn)行初始化配置,讀取手/自動(dòng)模式開關(guān)的狀態(tài),決定程序的執(zhí)行模式。在自動(dòng)模式下,控制器通過CAN總線獲取拖拉機(jī)的工況信息;當(dāng)接收到來(lái)自車載電腦的速度和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速指令后,控制系統(tǒng)首先進(jìn)行擋位與實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算,隨后判定是應(yīng)該做出加速還是減速的判斷。若加速,則先調(diào)整1次油門,將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整至目標(biāo)轉(zhuǎn)速附近,隨后換擋至目標(biāo)擋位;若減速,則直接切換擋位至目標(biāo)。隨后,采用PID控制算法計(jì)算單次速度調(diào)節(jié)量,然后根據(jù)當(dāng)前擋位下轉(zhuǎn)速與速度的關(guān)系計(jì)算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)量,發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍為900～2200r/min,對(duì)應(yīng)油門輸出電壓范圍0.5～4.5V,從而獲得輸出電壓調(diào)節(jié)值,最后通過DAC輸出控制油門調(diào)節(jié)車速,使其穩(wěn)定在目標(biāo)值。在手動(dòng)模式下,則依次執(zhí)行換向手柄的按鍵檢測(cè)與控制,換擋按鈕的按鍵檢測(cè)與控制,手油門推桿的ADC讀取與DAC輸出控制。當(dāng)手動(dòng)模式切換為自動(dòng)模式時(shí),控制系統(tǒng)需要進(jìn)行相關(guān)引腳的初始化操作。

圖5 速度自動(dòng)控制系統(tǒng)程序流程圖Fig.5 Program flow chart of speed control system

3 試驗(yàn)及結(jié)果分析

為驗(yàn)證所開發(fā)的動(dòng)力換擋拖拉機(jī)的行駛速度自動(dòng)控制系統(tǒng)效果,于2021年9月在北京小湯山國(guó)家精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)研究示范基地的6m×480m水泥路面和110m×320m田間平地進(jìn)行空載工況下的拖拉機(jī)行駛速度自動(dòng)控制試驗(yàn)。通過查閱紐荷蘭T1404型拖拉機(jī)操作手冊(cè),將發(fā)動(dòng)機(jī)的目標(biāo)轉(zhuǎn)速設(shè)置為經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速1400r/min。試驗(yàn)分為兩部分,分別為拖拉機(jī)由靜止?fàn)顟B(tài)至目標(biāo)行駛速度的零速起動(dòng)試驗(yàn)和目標(biāo)行駛速度過程中的速度切換效果試驗(yàn)。

3.1 零速起動(dòng)試驗(yàn)

在行駛速度自動(dòng)控制系統(tǒng)中,將拖拉機(jī)的目標(biāo)行駛速度分別設(shè)定為3、5、7km/h,然后控制拖拉機(jī)從靜止?fàn)顟B(tài)向目標(biāo)行駛速度調(diào)節(jié),最后使拖拉機(jī)的速度穩(wěn)定在設(shè)置的目標(biāo)速度5%誤差范圍內(nèi)。兩種路面條件下的零速啟動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果如圖6和表1所示。其中,表1中行駛速度的調(diào)節(jié)時(shí)間是指離合器接合時(shí)間和油門調(diào)節(jié)時(shí)間之和。

表1 零速起動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 1 Test data of zero speed starting

圖6 兩種工況下零速起動(dòng)試驗(yàn)Fig.6 Parking start test under two working conditions

由圖6可知:在水泥路面上和田間平地上,3種目標(biāo)行駛速度下的離合器接合階段,拖拉機(jī)實(shí)際行駛速度快速增加;當(dāng)離合器完全接合后,控制系統(tǒng)能夠快速調(diào)節(jié)油門,使拖拉機(jī)的行駛速度逐漸接近目標(biāo)速度并穩(wěn)定在目標(biāo)值。由表1可知,在兩種工況路面條件下,行駛速度的絕對(duì)誤差最大值為0.15km/h,相對(duì)誤差最大值為3.0%,調(diào)節(jié)時(shí)間的最大為4.3s。雖然換擋時(shí)間在表1中沒有標(biāo)注,但是通過已有數(shù)據(jù)分析可知,單次換擋平均時(shí)間為1.5s。

3.2 目標(biāo)速度切換試驗(yàn)

首先,通過控制系統(tǒng)使拖拉機(jī)穩(wěn)定在行駛速度3、6、7km/h狀態(tài),然后由車載電腦經(jīng)CAN總線發(fā)送新的目標(biāo)行駛速度5km/h至控制器,由控制器將穩(wěn)定直線行駛的拖拉機(jī)調(diào)整為新的目標(biāo)速度值。拖拉機(jī)的目標(biāo)速度切換試驗(yàn)結(jié)果如圖7和表2所示。

表2 速度切換試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 2 Test data of speed switching

圖7 兩種工況下速度切換試驗(yàn)Fig.7 Speed switching experiment under two working conditions

由圖7可知:拖拉機(jī)的行駛速度從第4.5s開始調(diào)節(jié),3種速度切換過程在10s左右均已穩(wěn)定在新目標(biāo)速度值,兩種工況下3、6、7、5km/h的速度調(diào)節(jié)曲線大致相同。其中,在田間平地上,相對(duì)于水泥地面拖拉機(jī)由7km/h調(diào)節(jié)至5km/h的過程中,拖拉機(jī)沒有直接調(diào)整到小于5km/h的狀態(tài)。由表2可知:在兩種工況下,拖拉機(jī)切換到新目標(biāo)速度的過程中,拖拉機(jī)的行駛速度穩(wěn)定后的絕對(duì)誤差最大值為0.09km/h,相對(duì)誤差最大值為3.0%,調(diào)節(jié)時(shí)間最大值為4.4s。

通過對(duì)控制系統(tǒng)的零速起動(dòng)試驗(yàn)和速度切換試驗(yàn)的結(jié)果分析,結(jié)果表明:控制系統(tǒng)的速度調(diào)控誤差最大值為0.15km/h,相對(duì)誤差最大值為3.0%,調(diào)節(jié)時(shí)間最大值為4.4s,能夠滿足農(nóng)機(jī)動(dòng)力作業(yè)需求,且在水泥地面和田間地面工況下表現(xiàn)出較高的穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一套針對(duì)動(dòng)力換擋拖拉機(jī)的速度自動(dòng)控制系統(tǒng),控制器通過CAN總線/串口接收到來(lái)自車載電腦的目標(biāo)速度、目標(biāo)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速指令后,能自動(dòng)調(diào)節(jié)變速箱與發(fā)動(dòng)機(jī),將拖拉機(jī)速度精準(zhǔn)控制在目標(biāo)值。在水泥地空載、田間空載兩種工況下進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證,結(jié)果表明:控制系統(tǒng)的速度調(diào)控誤差最大值為0.15km/h,相對(duì)誤差最大值為3.0%,調(diào)節(jié)時(shí)間最大值為4.4s,能夠滿足拖拉機(jī)的速度自動(dòng)控制過程的生產(chǎn)需求。