丘陵山地智能混動割草機控制系統設計

摘要：

針對我國高原和丘陵山地果園、茶園等農業生產活動中，生草制管理所面臨的割草機械作業效率低、時間短及自動化程度低的問題，結合自主設計的丘陵山地智能混動割草機，設計一種可實時識別工況并自動完成能量管理的割草機控制系統。該系統以割草機實時接收的行駛工況識別信號為切入點，采用實時工況識別算法程序，依據不同類別工況的特點采取相應的能量管理控制策略。通過搭建控制系統并結合作業工況，進行該控制系統的性能試驗。試驗結果表明：該控制系統能夠快速、準確的響應割草機動力性與割草性能要求，且相比于同耗油量下無能量管理的油電混合割草機，其單次作業時間約增加18%。同時驗證該工況識別系統的合理性，工況正確識別時長精度達到90%以上。

關鍵詞：智能混動割草機；控制系統；實時工況識別；能量管理

中圖分類號：S817.11+1

文獻標識碼：A

文章編號：2095-5553 （2024） 04-0123-09

收稿日期：2022年7月3日" 修回日期：2022年10月20日

基金項目：工業和信息化部2021年產業基礎再造和制造業高質量發展重點項目（TC210H02V）

第一作者：趙鵬飛，男，1994年生，陜西渭南人，碩士研究生；研究方向為智能農機裝備控制系統設計。E-mail： 472437686@qq.com

通訊作者：高巧明，男，1975年生，廣西柳州人，博士，教授級高級工程師；研究方向為農業機械化關鍵技術與裝備。E-mail： walkergao@163.com

Design of control system for intelligent hybrid lawn mower in hills and mountains

Zhao Pengfei1， Gao Qiaoming1， 2， Zeng Junhao1， Xiang Hao1， Xu Peng1， Wei Zengjian1

（1. School of Mechanical and Automotive Engineering， Guangxi University of Science and Technology， Liuzhou，

545006， China； 2. Huilaibao Machinery Manufacturing Co.， Ltd.， Hepu County， Beihai， 536100， China）

Abstract：

In view of the problems of low operation efficiency， short time and low degree of automation of mowing machinery faced by grass control management in agricultural production activities such as orchards and tea gardens in plateaus and hills in China， based on the self-designed intelligent hybrid lawn mower for hills and mountains， a lawn mower control system that can identify working conditions in real time and automatically complete energy management is designed. The system takes the driving condition identification signal received by the lawn mower in real time as the breakthrough point， adopts the real-time working condition identification algorithm program， and adopts the corresponding energy management control strategy according to the characteristics of different types of working conditions. The performance test of the control system is carried out by building the control system and combining with the working conditions. The test results show that the control system can quickly and accurately respond to the power and mowing performance requirements of the lawn mower， and its single operating time is approximately increased by 18%， compared with the hybrid lawn mower without energy management under the same fuel consumption. At the same time， the rationality of the working condition identification system is verified， and the accuracy of the correct identification duration of working conditions has reached more than 90%.

Keywords：

smart hybrid lawn mower； control system； working condition identification； energy management

0 引言

我國高原和丘陵山地面積廣袤，丘陵山地農業資源豐富，但農業機械化率卻遠低于平原地區。且隨著丘陵山地農業經濟的快速發展，人們對果園、茶園等生草制管理要求的不斷提高，割草已成為其中的重要環節。目前，國內外學者對割草機及其應用已進行了一定的研究，如方策［1］針對河岸坡面草皮修剪工作的難題，研發出一款適用于河岸坡面的履帶式割草機，解決了河岸斜坡、陡坡上割草作業的難題。荊龍龍［2］設計了一款電動割草機，并創新性的在割草機機身上安裝了一款小型發動機，為其提供電能，提高了該割草機的續航時間。王軍洋［3］針對太陽能類型的割草機進行了研究，并設計了太陽能割草機的機械結構及光伏發電系統的控制策略。美國俄亥俄大學運用陀螺儀和導航技術研發出了一款智能割草機，該割草機可以很好地實現定位導航和路徑規劃功能［4］。但目前針對智能混動式割草機的研究還較少。

國外特殊的城市規劃環境及農業地形，大多數主要以平原為主，割草機的動力性能夠得到保證，故主要針對割草機的智能化進行了廣泛的研究及應用［5， 6］。而我國由于丘陵地區農業生產中作業環境復雜，傳統的燃油手推式割草機作業不僅勞動強度大，且有著不確定的危險性，一般只適用于地面比較平坦和坡度較小的工況。電動割草機受制于動力電池技術，其續航時間短、作業效率低，且在丘陵山地雜草密度大及小型灌木等作業條件下動力性欠缺。太陽能割草機通過太陽能發電并結合動力電池來作為能源驅動割草機工作，其功率較小，對于坡地和一些復雜的作業環境動力性較差。因此，需開發適用于丘陵山地作業的割草機，本文基于課題組自主研發的丘陵山地智能混動割草機工作特點，主要針對該割草機的動力匹配及控制系統進行設計與試驗，實現對割草機作業的有效控制。

1 系統結構與工作原理

1.1 系統結構組成

丘陵山地智能混動割草機的動力系統與傳統類型的電動系統不同，它是在割草機機身上布置多個動力源，可在割草作業過程中提供電能補給的混合動力割草機［7， 8］。該機由履帶機構、驅動電機、動力電池、割刀、發動機及發電機等組成，如圖1所示。

割草機割刀與發動機機械連接，由動力電池與增程裝置為驅動電機供電，整車控制器與發動機控制器、發電機控制器及動力電池管理系統信號連接，實現數據信息的讀寫和控制指令的發送，來控制增程裝置各部件的執行，并實現驅動電機、動力電池、割刀與增程裝置之間的能量分配。

1.2 工作原理

丘陵山地智能混動割草機根據作業對象及工況的不同，通過設計的控制系統進行實時識別工況，依據不同類別工況的特點采取相應的能量管理控制策略。工作原理主要分為4種工作模式，如圖2所示。純電動模式下僅由動力電池為驅動電機提供能量，發動機僅為割刀提供所需的切割功率。電量保持模式下，發動機在為割刀提供所需切割功率的同時，還帶動發電機為動力電池充能及為驅動電機提供所需能量。增程補償模式下由動力電池和增程裝置共同為驅動電機提供所需的功率。再生制動模式下部分機械能會經驅動電機轉為電能儲存在動力電池中。

2 動力系統參數匹配

動力系統參數的合理匹配直接關系到整機的動力性及控制性能，匹配出合理的整機動力系統參數是整機工況識別系統設計及控制策略設計的前提。丘陵山地智能混動割草機動力系統配置包括：驅動電機的選擇、動力電池組的選擇、增程裝置的選擇與匹配［9］。

2.1 驅動電機配置

驅動電機的選擇需要考慮驅動電機的額定功率和峰值功率，驅動電機峰值功率需滿足行駛工況下最大需求功率。丘陵山地智能混動割草機的極限工況為爬坡和原地轉彎，本文綜合兩種極限工況并結合實際將極限工況確定為草地作業時的原地轉彎工況，按式（1）～式（5）采取直接相加的方法確定最大牽引力。

3 工況識別系統設計

丘陵山地果園、茶園等作業條件較為復雜，為提高割草機作業時間及降低油耗，需要割草機能夠依據不同作業對象及工況的特點，在作業過程中實現驅動電機、動力電池、割刀與增程裝置之間的能量合理分配。因此工況識別系統是丘陵山地智能混動割草機控制系統研發的基礎［11］。

3.1 作業對象及工況分析

割草機在丘陵山地果園、茶園等實際作業中，作業對象主要分為兩類，其中一類是稀疏或局部密集型草本植物，另一類是以小型灌木為主。草本植物根莖細小，只需保證割刀具有足夠的切割速度即可；與草本植物相比，小型灌木植物根莖粗、韌性低，這就要求在保證割刀具有足夠切割速度的同時，割草機本身能夠提供一定的切割力度。同時丘陵山地果園、茶園等主要是平地與斜坡相結合的復合作業地形，其坡度主要為25°以下的緩坡和小于40°的陡坡。故本文將主要研究稀疏草地和密集草地/小型灌木下的平地和小于40°的坡地，兩種作業環境下的平地作業、縱坡作業、橫坡作業三類典型工況如圖3所示。同時選取割草機辨識度最高的最高速度vmax、最低速度vmin、俯仰角γ、偏航角ψ、橫滾角θ工況特征參數，結合設計及作業要求得出本機各工況類別的特征參數范圍如表2所示。

3.2 工況特征參數的提取與識別

本設計基于以上工況分類，搭建實時工況數據采集及工況識別系統如圖4所示，該系統由整車控制器、無線遙控器及九軸高精度陀螺儀HWT901B-TTL模塊組成。為實現實時工況識別，需實時采集無線遙控器及九軸高精度陀螺儀HWT901B-TTL模塊數據，并按一定的時間周期反饋至整車控制器，解算實時工況特征參數并判別工況。特征參數的提取周期應主要考慮兩方面，一方面是提取周期不應過短，以消除割草機跨越臺階、壕溝等少數階躍變化時對工況識別的影響；另一方面提取周期過長將滯后割草機的工況識別。

vmax、vmin的特征參數可由無線遙控器端提取。本文以某款遙控器按鍵值（圖5）與割草機運動狀態預先在程序中一一對應的設定好，按鍵值64511、61439、63487、57343、65527、65533、65534、65531分別對應前進、后退、差速左轉、差速右轉、最高速度vmax、最低速度vmin、原地左轉、原地右轉的運動狀態。整車控制器接收到遙控端發來的信號后，按預先寫入的程序處理讀取到的數據，由按鍵值65527、65533即可對應出最高速度vmax、最低速度vmin的特征參數。

圖5 遙控器按鍵值圖

Fig. 5 Remote control key value map

γ、ψ、θ三個特征參數（圖6）計算的快速性和精確性，對于制定本機的工況識別系統控制策略非常重要［12， 13］。整車控制器通過九軸高精度陀螺儀HWT901B-TTL模塊采集到加速度計的X軸分量ACC_X，Y軸分量ACC_Y，Z軸分量ACC_Z，以及分別繞X，Y，Z軸旋轉的角速度GYR_X，GYR_Y，GYR_Z的6個原始數據后通過模塊四元數算法解算后可得到四元數q0，q1，q2，q3。取計算姿態矩陣的旋轉順序為Z-Y-X，則姿態角的求解可按式（15）～式（17）確定。

γ=-sin-12（q1q3-q0q2）

（15）

θ=tan-12（q2q3+q0q1）q02-q12-q22+q32

（16）

ψ=tan-12（q1q2+q0q3）q02+q12-q22-q32

（17）

將提取到的工況特征參數與表2的特征區間匹配，判斷丘陵山地智能混動割草機行駛的工況類別并輸出其代號。整車控制器基于表2特征參數區間值，每隔2s與提取的5個特征參數相匹配，判斷割草機所處的工況類別：當特征參數處于平地作業的特征參數區間，則輸出平地作業的工況類別代號1；當特征參數處于縱坡作業的特征參數區間，則輸出縱坡作業的工況類別代號2，當特征參數處于橫坡作業的特征參數區間，則輸出橫坡作業的工況類別代號3，否則將保持輸出上一個工況類別代號。

3.3 工況識別系統控制策略設計

工況識別系統控制策略是整機控制系統設計的中心環節，具體控制策略是：由工況識別系統進行工況特征參數的提取與識別后，根據作業工況類別代號，執行相應工況的控制策略，將整車動力電池和增程裝置提供的功率合理分配給驅動電機和割刀。通常情況下，割草機作業開始前動力電池組已充滿電，其SOC值較高，故設定割草機運行初始狀態為低速平地作業工況。丘陵山地智能混動割草機的工況識別系統控制策略如圖7所示。

圖7中，SOCmin_P，SOCmin_H，SOCmin_Z分別為平地作業工況、橫坡作業工況與縱坡作業工況下設定的動力電池組SOC下限值；Pbat_lim為電池的最大持續放電功率；Pgen為選取的發電機定點工作功率；Preq為割草機的需求功率，計算如式（18）所示。

Preq=TMotωMot

（18）

式中：

TMot——驅動電機的轉矩；

ωMot——驅動電機轉速。

4 整機控制系統設計

4.1 控制系統硬件設計

丘陵山地智能混動割草機控制系統結構如圖8所示?？刂葡到y主要包括24V、48V高電壓總線、5V低電壓總線、輸入信號線、控制信號線以及主控制處理器、驅動電機、電機驅動器、直線推桿電機、直線推桿電機驅動板、DC-DC升壓模塊、8路繼電器模塊、九軸高精度陀螺儀模塊、無線接收模塊、BMS模塊、多路電源模塊、動力電池組、其他輔助件等部分。24V、48V高電壓總線通過配電盒將增程裝置和動力電池組能量進行分配，保證整機運動控制部件的能量供應，驅動整機工作。5V低電壓總線保證各控制器、檢測模塊及收發模塊的正常運轉。輸入信號線和控制信號線主要完成對割草機數據信息的讀寫和控制指令的發送，實現割草機各部分功能正常運轉。

控制系統硬件［14］組成如圖9所示。整機控制系統以STM32F407ZGT6主控制器為處理核心，進行HW901B-TTL陀螺儀傳感器、HC-12 SI4463無線接收模塊等輸入信號的實時檢測、處理，完成割草機的工況識別與運動控制［15-17］。由STM32F103C8T6控制板K1控制發電機的工作狀態、STM32F103C8T6控制板K2控制發動機油門大小、BMS集成模塊實時監測動力電池組的狀態，三者與主控制器實時進行信號反饋與處理，采用實時工況識別算法程序共同完成整機的能量管理。

此外，主控制器還輸出控制信號完成驅動電機、刀盤升降及其他輔件的控制。

4.2 控制系統軟件設計

4.2.1 控制系統主程序設計

割草機正常工作時運行的主程序流程如圖10所示。當處于開始位置時，整機控制系統5V上電，各控制器進行初始化操作，包括I/O端口、系統時鐘、定時器、系統中斷等，之后系統執行自檢程序進行整機狀態的檢測，若系統異常，則表示啟動失敗并報警提示［18］。若系統正常，則給整機24V、48V部件上電，上電完成后程序進入循環體，開始不斷進行數據采集、數據處理，同時如果檢測到有故障信號，則運行故障處理子程序，若無故障則輸出控制信息，以驅動割草機執行相應動作。

4.2.2 控制系統關鍵子程序設計

割草機的子程序工況識別控制流程如圖11所示，其主要完成割草機的運動控制和工況識別判斷并按對應的控制策略輸出相應的控制信息。

各子程序在被主程序調用運行完后，返回主程序。

在設定的定時計算周期滿足后，通過提取控制信息，將控制信息中的運動指令解析出來，判斷運動模式并輸出運動控制信號。同時從控制信息中提取5個工況特征參數，進行特征參數區間匹配及判別工況，并根據工況類別執行相應的控制策略，輸出工況控制信號。圖12為割草機的故障處理子程序控制流程圖，其主要是在割草機發生相應的故障時，能夠根據不同的故障代碼完成相應的故障處理，以保證割草機作業時的有效性和安全性?？刂破髟诮邮盏焦收闲畔⒑螅M行故障代碼的解析，若為信號接收故障，則進行緊急制動。若為電機控制器故障和BMS故障則進行相應的故障處理。

5 樣機與試驗

為驗證該控制系統的實際效果，本文以課題組自主研發的丘陵山地智能混動割草機（圖13）為試驗平臺，在廣西柳州市廣西科技大學內經考查與實測，選取了一塊與丘陵山地果樹園、茶園等地形環境較相仿的復合作業試驗環境，經評估其可以作為試驗場所進行該割草機控制系統部分的驗證。并于2022年6月9—10日完成了典型工況的試驗測試，主要進行了該割草機控制系統的動力性、作業時間及工況識別測試。

動力性是實現該割草機良好控制的一項重要指標。根據整機總體試驗要求，通過在40°坡地上、作業速度為3～5km/h情況下進行最極限的縱向坡面原地轉向測試來反映整機動力性。該試驗重復5次，平均每次原地轉30s，記錄每次30s內驅動電機的最大輸出功率結果如表3所示。

由表3可知，驅動電機極限需求功率小于動力系統配置的發電機最大輸出功率與動力電池組最大持續放電功率之和，說明該割草機動力性能滿足實際需求。

由于該割草機是在丘陵山地復雜環境下作業，因此作業時間是非常重要的指標。試驗時，在40°坡地和平地復合作業環境下、動力電池滿電、發動機滿油、作業速度為3～5km/h情況下，重復5次試驗，記錄該割草機常規油電控制方式和智能混動控制方式下的作業時間數據，如表4所示。

通過表4可以看出，同耗油量下該割草機智能混動控制方式相比于常規無能量管理的油電控制方式，其單次作業時間約增加了18%，即智能混動控制方式下的割草機油耗低于常規油電控制方式下的割草機。

丘陵山地智能混動割草機在果園、茶園等行間作業時，工況識別的正確性與直線偏移率是反映整機控制系統性能的關鍵指標。工況識別試驗時，在40°坡地和平地復合作業環境、作業速度為3～5km/h下讓該割草機在94s內連續通過平地、縱坡、橫坡三類典型作業工況并記錄了俯仰角γ和橫滾角θ，如圖14所示。

直線偏移率試驗時，讓割草機分別在平地、縱坡、橫坡三類典型作業工況預定的路線上，以3km/h低速行駛作業50m，進行3次試驗，并記錄偏航角ψ如圖15所示。

由圖15可知，該割草機在三類作業工況下，經驅動電機閉環程序調節后的最大航向偏駛角度小于3°，平均偏角小于2°，但該偏差不會對行間作業產生重要影響。分析該割草機直線跑偏的主要原因是兩側履帶機構因生產加工和裝配導致其內部運行工況有差異以及特征參數ψ提取計算具有周期性。

控制器以圖14的數據輸出了工況類別代號，并結合實際作業工況得到該割草機的工況識別測試結果如圖16所示。

由圖16可以看出，工況識別系統可實現作業工況的實時識別，當割草機平地行駛作業時，控制器輸出平地工況狀態；當割草機橫坡行駛作業時，控制器輸出橫坡工況狀態，當割草機縱坡行駛作業時，控制器輸出縱坡工況狀態，但由于行駛作業工況的特征參數提取計算的周期性，工況識別有一定的延遲，導致部分識別結果與實際不符，但總體滿足設計要求。其工況正確識別時長精度達到了90%以上。

6 結論

1） 設計丘陵山地智能混動割草機的整機控制系統，實現該割草機的整機控制。該控制系統能夠滿足該割草機的各項動力性要求。且智能混動控制方式下的作業時間相比于常規無能量管理的油電控制方式，單次作業時間約增加18%，減小使用周期內的燃油消耗量。

2） 設計一種可實時周期性工況識別并自動完成能量管理的工況識別系統，通過制定的能量管理策略實現該割草機在不同工況下的能量差異化管理，試驗表明該工況識別系統能夠準確識別該割草機的不同作業工況，其工況正確識別時長精度達到90%以上。該系統也為多動力源系統在割草機上的智能化應用提供一種新的思路和手段。

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