發(fā)布時(shí)間：2016-12-14 21:51

1 引言

1.1 課題的研究背景及意義
很長(zhǎng)一段時(shí)間，我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以勞動(dòng)強(qiáng)度大及勞動(dòng)條件差為特點(diǎn)，農(nóng)業(yè)機(jī)械化處于低水平狀態(tài)。隨著全民生活水平的提高，農(nóng)民對(duì)自己的勞動(dòng)條件有了更高的要求，機(jī)械自動(dòng)化生產(chǎn)取代手工勞動(dòng)已迫在眉睫。特別是進(jìn)入 21 世紀(jì)我國(guó)加入世貿(mào)組織(WTO)以來(lái)，為了參與國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)，只有提高農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平，才能將農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)代化與產(chǎn)業(yè)化，進(jìn)而在競(jìng)爭(zhēng)中求生存、謀發(fā)展。一方面，我國(guó)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)正逐步從傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)過(guò)渡，農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力不斷向其他產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移的同時(shí)，其結(jié)構(gòu)性短缺及日漸老齡化已漫延至全球。與此同時(shí)，設(shè)施農(nóng)業(yè)、精確農(nóng)業(yè)的不斷發(fā)展，加上高新技術(shù)的異軍突起，尤其是人工作業(yè)成本的不斷上漲，為農(nóng)業(yè)機(jī)械化的發(fā)展提供了各種可能及新的動(dòng)力。另一方面，我國(guó)農(nóng)機(jī)自動(dòng)化水平并不夠高，即使部分機(jī)械可減少人為作用，但是還不能夠擺脫人的近距離參與，如果勞動(dòng)者的生產(chǎn)環(huán)境比較惡劣，那么對(duì)身體健康的影響可想而知，因此遙控操作、無(wú)人駕駛將為農(nóng)機(jī)智能化帶來(lái)新的契機(jī)與挑戰(zhàn)。從上表可得出：變速技術(shù)從手動(dòng)換檔過(guò)渡到自動(dòng)換檔，其工作效率也在不斷的提升；但是諸如此類(lèi)的換檔模式多數(shù)基于變速箱內(nèi)部的液壓系統(tǒng)，而從其外部加以改造進(jìn)而控制，甚至是以遙控的方式來(lái)做到自動(dòng)換檔的機(jī)構(gòu)還不多。因此對(duì)農(nóng)機(jī)的自動(dòng)變速控制系統(tǒng)加以創(chuàng)新設(shè)計(jì)進(jìn)而遙控操作，必將大大提高其工作效率的同時(shí)節(jié)約人工操作成本。隨著遙控技術(shù)的不斷成長(zhǎng)及遙控資源價(jià)格的持續(xù)走低，使其在農(nóng)機(jī)上的普及和應(yīng)用愈加成熟，主要用來(lái)代替一些危險(xiǎn)行業(yè)的作業(yè)人員操作，既提高了操作效率又減少了人身?yè)p害。與此同時(shí)，計(jì)算機(jī)技術(shù)以及智能控制理論的進(jìn)一步深入，也為農(nóng)機(jī)的控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)控制策略的優(yōu)化和適應(yīng)性開(kāi)辟了新的途徑。近年來(lái)，我國(guó)東北和新疆區(qū)域的農(nóng)機(jī)大型化發(fā)展勁頭十足，勞動(dòng)者在其農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中依賴(lài)少數(shù)幾臺(tái)功率較大的農(nóng)機(jī)的概率越來(lái)越大，那么問(wèn)題是怎樣才能夠最大程度地提高這些大型農(nóng)機(jī)的工作效率成為當(dāng)下農(nóng)業(yè)工程熱門(mén)的研究課題，因此，，很有必要同時(shí)也有意義針對(duì)農(nóng)機(jī)自動(dòng)變速系統(tǒng)的換向機(jī)構(gòu)與遙控裝置進(jìn)行研究與設(shè)計(jì)。
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1.2 農(nóng)機(jī)相關(guān)技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究狀況
改革開(kāi)放以來(lái)，特別是進(jìn)入 21 世紀(jì)我國(guó)成功加入 WTO（世界貿(mào)易組織），對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械的自動(dòng)化的研究體現(xiàn)出了速度快、質(zhì)量高的發(fā)展姿態(tài)，在農(nóng)機(jī)的遙控以及無(wú)人駕駛方面也有顯著成績(jī)。2003 年新型遙控農(nóng)機(jī)具在湖南省常德市問(wèn)世，它重將近 200 kg，以柴油機(jī)（180 型）為動(dòng)力，平均每小時(shí)耕種多達(dá) 2000 m2 地的工作效率；在 50 m 有效的遙控距離內(nèi)可操作遙控器使農(nóng)機(jī)具的耕田啟動(dòng)、行走方向及速度得到控制[2]。2008 年，胡煉等人對(duì)久保田插秧機(jī)的轉(zhuǎn)向、變速機(jī)構(gòu)等進(jìn)行了相應(yīng)改造，通過(guò)搭建基于單片機(jī)的控制系統(tǒng)，采取 PD 電機(jī)位置控制算法來(lái)控制插秧機(jī)運(yùn)動(dòng)方向，在一定程度上實(shí)現(xiàn)插秧機(jī)的自動(dòng)控制[3]。2009 年，陜西省東明農(nóng)業(yè)科技公司的科研人員歷經(jīng) 9 年探索成功研制出一種新型可遙控、應(yīng)用在農(nóng)田上微型耕作機(jī)械。該機(jī)操作簡(jiǎn)單、應(yīng)用方便、轉(zhuǎn)向靈活，可搭配旋耕機(jī)、播種機(jī)、噴霧器等多種農(nóng)用機(jī)械設(shè)備，能夠完成在山區(qū)、農(nóng)田、川塬等不同地質(zhì)條件的耕整、管理等。設(shè)計(jì)隨機(jī)操作和遙控操作的 2 套系統(tǒng)，很大程度上減少了工作人員的操作強(qiáng)度和人身危險(xiǎn)[4]。同年，蔣蘋(píng)等人研制出以單片機(jī)為核心處理器的可遙控駕駛水田作業(yè)機(jī)械。在田野作業(yè)試驗(yàn)表明在 300m 之內(nèi)遙控控制有效且無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，可以完成在水田遙控作業(yè)時(shí)的控制要求[5]。紀(jì)朝鳳等人應(yīng)用 CAN 總線技術(shù)設(shè)計(jì)出車(chē)輛自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)，通過(guò)工控機(jī)采集掛接在 CAN總線上的角度傳感器、電子羅盤(pán)及 GPS 模塊等部件的數(shù)據(jù)來(lái)控制轉(zhuǎn)向控制單元實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)車(chē)輛的轉(zhuǎn)向控制，在算法上采用的是自適應(yīng) PID 控制算法[6]。2012 年謝昌盛等人在 2ZG630A 型插秧機(jī)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行成本低廉的創(chuàng)新改造，其開(kāi)發(fā)的無(wú)人駕駛插秧機(jī)是基于雙激光源定位，通過(guò)設(shè)計(jì)遙控駕駛系統(tǒng)，其有效距離在 100m范圍內(nèi)可達(dá)到對(duì)機(jī)器的速度、方向及發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火與熄火的控制，試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明該系統(tǒng)、定位準(zhǔn)確、應(yīng)用可靠[7]。同年，任文濤等人在久保田 NSD8 型插秧機(jī)已有轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)由單片機(jī)、角度傳感器及無(wú)線數(shù)傳模塊等組成的遙控系統(tǒng)以及帶有離合軸的轉(zhuǎn)向執(zhí)行器。經(jīng)在田間工作試驗(yàn)證實(shí)該系統(tǒng)在轉(zhuǎn)向過(guò)程中可遙控操作[8]。
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2 遙控變速系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

2.1 控制技術(shù)基礎(chǔ)簡(jiǎn)介

如圖 2-1 所示，從 1940 年開(kāi)始到現(xiàn)在，控制理論大致經(jīng)歷了三個(gè)典型階段。其中“智能控制”有別于其它兩種控制的處理方式，控制器是數(shù)學(xué)解析模型與知識(shí)系統(tǒng)相結(jié)合的廣義模型，現(xiàn)已進(jìn)入“大系統(tǒng)理論”階段[42]。在電驅(qū)動(dòng)技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展成的一門(mén)綜合性、多學(xué)科的交叉技術(shù)稱(chēng)之為運(yùn)動(dòng)控制(MotionControl)；它是按運(yùn)動(dòng)要求及傳感器反饋的信號(hào)進(jìn)行數(shù)學(xué)或邏輯運(yùn)算，提供實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的控制信號(hào)給電機(jī)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)或動(dòng)力裝置[43]。1）點(diǎn)位控制，只對(duì)終點(diǎn)位置有要求，與運(yùn)動(dòng)軌跡無(wú)關(guān)；2）直線控制也稱(chēng)平行控制，對(duì)運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行控制外，其運(yùn)動(dòng)軌跡也要求為直線；3）輪廓控制，因可對(duì)多個(gè)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)的位移、速度進(jìn)行連續(xù)控制，故可進(jìn)行曲線或曲面運(yùn)動(dòng)，在數(shù)控系統(tǒng)、切割系統(tǒng)等中應(yīng)用的較多；4）同步運(yùn)動(dòng)控制，為多軸間的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)控制，在造紙等工業(yè)上應(yīng)用較多。按實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的方法從結(jié)構(gòu)上分有三大類(lèi)，如圖 2-4 所示。

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2.2 遙控變速系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)遙控變速系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)
如圖 2-5 所示，其中系統(tǒng)供電由蓄電池供給 12V 的直流電源來(lái)實(shí)現(xiàn)。要求控制器能實(shí)現(xiàn)變速系統(tǒng)的點(diǎn)火啟動(dòng)、換向、加減油門(mén)、緊急停車(chē)、報(bào)警等的自動(dòng)控制功能，為使農(nóng)機(jī)的智能化程度更高、同時(shí)也更方便、快捷，系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了遙控裝置來(lái)對(duì)上述功能進(jìn)行視距操作控制。系統(tǒng)控制芯片的供電電源為車(chē)載 LED 顯示屏專(zhuān)用電源（超�。┨峁�，即 12V/24 轉(zhuǎn) 5V直流降壓器，它是由進(jìn)口集成式開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓模塊制造，可使不穩(wěn)定的 9-33V 直流電源轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的 5V 直流電源。開(kāi)關(guān)電源選用廣州金升陽(yáng)科技生產(chǎn)的 75W 直流-直流轉(zhuǎn)換模塊。采用開(kāi)關(guān)方式，其中得到的 12V 供給油門(mén)/檔位電動(dòng)推桿及自動(dòng)控制板，24V 供給離合器電動(dòng)推桿。點(diǎn)火啟動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖 2-7 所示。在系統(tǒng)檢查檔位處于空檔位置時(shí)，控制器控制油門(mén)給油，進(jìn)而利用馬達(dá)完成啟動(dòng)，依據(jù)柴油機(jī)聲音來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)自診斷�！榜R達(dá)”（motor）也叫電動(dòng)機(jī)。依賴(lài)外力帶動(dòng)曲柄連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)即可將發(fā)動(dòng)機(jī)的狀態(tài)從停止調(diào)入工作，曲柄連桿的運(yùn)動(dòng)去壓縮可燃混合氣體后開(kāi)始點(diǎn)火燃燒或者自燃。這個(gè)外力構(gòu)成的裝置或者系統(tǒng)就是馬達(dá)的啟動(dòng)系統(tǒng)。發(fā)動(dòng)機(jī)有多種啟動(dòng)方式，一般情況下采用的是人力、電力、輔助汽油機(jī)等。本文是利用電力啟動(dòng)方式，其方便、迅速，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單。人力啟動(dòng)可根據(jù)柴油機(jī)的聲音來(lái)控制點(diǎn)火，而電力啟動(dòng)則不會(huì)通過(guò)聲音來(lái)判斷點(diǎn)火是否正常，再加上機(jī)器正常運(yùn)行與否也需自診斷，故需要有柴油機(jī)的聲音檢測(cè)單元。
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3 遙控變速系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)..... 16
3.1 系統(tǒng)功能要求..........16
3.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)..........16
3.2.1 變速機(jī)構(gòu)換向原理............ 17
3.2.2 硬件選型介紹............18
3.2.3 單元電路設(shè)計(jì)............23
3.3 本章小結(jié)..........27
4 遙控變速系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)..... 28
4.1 檔位推桿控制..........28
4.2 串口通信..........29
4.3 遙控控制..........30
4.4 人機(jī)界面顯示..........31
4.5 本章小結(jié)..........31
5 遙控變速系統(tǒng)的試驗(yàn)與分析.......... 32
5.1 試驗(yàn)平臺(tái)..........32
5.2 換向控制系統(tǒng)仿真試驗(yàn)........... 34
5.3 遙控裝置性能試驗(yàn)...........38
5.4 本章小結(jié)..........42

5 遙控變速系統(tǒng)的試驗(yàn)與分析

5.1 試驗(yàn)平臺(tái)
試驗(yàn)平臺(tái)如圖 5-1 所示，分別在柴油機(jī)的油門(mén)、變速箱的檔位、離合處做適當(dāng)?shù)臋C(jī)械處理后裝配對(duì)應(yīng)的電動(dòng)推桿來(lái)替代人為來(lái)動(dòng)作。其中離合器裝置是變速系統(tǒng)不可或缺的環(huán)節(jié)，而變速箱則是在離合器的配合下進(jìn)行前進(jìn)檔、空檔、后退檔的變換，在檔位設(shè)置好的前提下就可操作柴油機(jī)的油門(mén)進(jìn)而達(dá)到對(duì)速度的控制。離合器的位置如圖 5-2 所示，它是自動(dòng)換向控制系統(tǒng)的重要組成，其功能是將發(fā)動(dòng)機(jī)與變速箱連接或斷開(kāi)，可傳遞和切斷發(fā)動(dòng)機(jī)傳給傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力，來(lái)保證農(nóng)機(jī)的平穩(wěn)起步、停車(chē)以及變速箱的順利換檔。只有當(dāng)離合器合時(shí)，變速箱才可進(jìn)行換檔操作。在本文的遙控變速系統(tǒng)中，用推拉力為 3000 N 的離合器電動(dòng)推桿來(lái)替代手動(dòng)操作離合桿，以達(dá)到配合檔位電動(dòng)推桿完成換向的目的。換向控制系統(tǒng)中檔位所選用的電動(dòng)推桿的行程為 250mm，在距離推桿兩端各 110mm 處分別裝置 2 個(gè)限位開(kāi)關(guān)，再將 2 個(gè)限位開(kāi)關(guān)之間的 30mm 行程均分為 3 段，以 0mm 處代表變速箱空檔時(shí)變速桿所在位置，以 10mm 處代表前進(jìn)檔所在位置，以-10mm 處代表后退檔所在位置。利用上述建立的系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型在 Simulink 環(huán)境下建立了如下圖 5-6 所示為 PID 參數(shù)調(diào)整仿真框圖，圖 5-7 在不同 P、I、D 參數(shù)下的階躍響應(yīng)曲線。
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總結(jié)

遙控式農(nóng)機(jī)在提高作業(yè)效率的同時(shí)，又避免人的近距離的參與，促進(jìn)了機(jī)械的自動(dòng)化發(fā)展；而自動(dòng)變速技術(shù)則是農(nóng)機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的基礎(chǔ)，也是其傳動(dòng)系中的核心部件，因此，本文針對(duì)上述問(wèn)題設(shè)計(jì)了以柴油機(jī)為動(dòng)力的遙控變速系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外相關(guān)技術(shù)的了解與認(rèn)知，提出整個(gè)系統(tǒng)的研究方案，在確定系統(tǒng)功能要求的前提下完成系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，包括各硬件的選取與各單元電路的設(shè)計(jì)，根據(jù)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，運(yùn)用模塊化思想設(shè)計(jì)與其相匹配的軟件流程，在軟硬件都完整的情況下搭建電動(dòng)推桿式換向系統(tǒng)的仿真試驗(yàn)平臺(tái)，并在開(kāi)闊的地面上進(jìn)行遙控裝置的性能試驗(yàn)，分析上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出結(jié)論，到此，最終完成了遙控變速系統(tǒng)中電動(dòng)推桿換向與遙控裝置的設(shè)計(jì)與研究。本文主要完成了以下工作：（1）查閱相關(guān)技術(shù)的國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)資料，了解遙控式農(nóng)機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng)，認(rèn)識(shí)農(nóng)機(jī)變速系統(tǒng)的分類(lèi)及應(yīng)用，在此基礎(chǔ)上提出了遙控變速系統(tǒng)中電動(dòng)推桿式換向與遙控裝置的設(shè)計(jì)思路；（2）完成了遙控變速系統(tǒng)的整體電路設(shè)計(jì)，結(jié)合經(jīng)典控制理論與自動(dòng)換向系統(tǒng)的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了基于檔位位置的 PID 換向控制器；（3）重點(diǎn)設(shè)計(jì)了自動(dòng)換向控制系統(tǒng)，采用 PID 算法與位置狀態(tài)檢測(cè)的方法來(lái)確定檔位，并運(yùn)用 MATLAB 軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真試驗(yàn)，分析試驗(yàn)結(jié)果可得出檔位推桿能快速響應(yīng)且準(zhǔn)確到達(dá)預(yù)定位置，能滿足系統(tǒng)換向需求；（4）設(shè)計(jì)出了遙控裝置自控端與遙控端的樣機(jī)，并在開(kāi)闊地?zé)o干擾的地面上進(jìn)行實(shí)際遙控裝置的性能試驗(yàn)，其有效距離可達(dá) 300m 左右。通過(guò)對(duì)遙控變速系統(tǒng)中電動(dòng)推桿式換向與遙控裝置的研究，完成了遙控變速系統(tǒng)的整體電路與控制算法的設(shè)計(jì)，其中自動(dòng)換向控制系統(tǒng)采用 PID 算法與位置狀態(tài)檢測(cè)的方法來(lái)確定檔位，重點(diǎn)針對(duì)換向系統(tǒng)進(jìn)行了仿真試驗(yàn)并得出在仿真條件下能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換向；同時(shí)設(shè)計(jì)出了遙控裝置自控端與遠(yuǎn)端的樣機(jī)；為下一步具體的遙控控制試驗(yàn)提供了基礎(chǔ)與條件。
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參考文獻(xiàn)(略)

本文編號(hào)：212910