1 引言

1.1 課題的研究背景及意義
很長一段時間，我國農業(yè)生產以勞動強度大及勞動條件差為特點，農業(yè)機械化處于低水平狀態(tài)。隨著全民生活水平的提高，農民對自己的勞動條件有了更高的要求，機械自動化生產取代手工勞動已迫在眉睫。特別是進入 21 世紀我國加入世貿組織(WTO)以來，為了參與國際競爭，只有提高農業(yè)機械化水平，才能將農業(yè)生產現(xiàn)代化與產業(yè)化，進而在競爭中求生存、謀發(fā)展。一方面，我國的農業(yè)生產正逐步從傳統(tǒng)農業(yè)向現(xiàn)代化農業(yè)過渡，農業(yè)勞動力不斷向其他產業(yè)轉移的同時，其結構性短缺及日漸老齡化已漫延至全球。與此同時，設施農業(yè)、精確農業(yè)的不斷發(fā)展，加上高新技術的異軍突起，尤其是人工作業(yè)成本的不斷上漲，為農業(yè)機械化的發(fā)展提供了各種可能及新的動力。另一方面，我國農機自動化水平并不夠高，即使部分機械可減少人為作用，但是還不能夠擺脫人的近距離參與，如果勞動者的生產環(huán)境比較惡劣，那么對身體健康的影響可想而知，因此遙控操作、無人駕駛將為農機智能化帶來新的契機與挑戰(zhàn)。從上表可得出：變速技術從手動換檔過渡到自動換檔，其工作效率也在不斷的提升；但是諸如此類的換檔模式多數(shù)基于變速箱內部的液壓系統(tǒng)，而從其外部加以改造進而控制，甚至是以遙控的方式來做到自動換檔的機構還不多。因此對農機的自動變速控制系統(tǒng)加以創(chuàng)新設計進而遙控操作，必將大大提高其工作效率的同時節(jié)約人工操作成本。隨著遙控技術的不斷成長及遙控資源價格的持續(xù)走低，使其在農機上的普及和應用愈加成熟，主要用來代替一些危險行業(yè)的作業(yè)人員操作，既提高了操作效率又減少了人身損害。與此同時，計算機技術以及智能控制理論的進一步深入，也為農機的控制系統(tǒng)實現(xiàn)控制策略的優(yōu)化和適應性開辟了新的途徑。近年來，我國東北和新疆區(qū)域的農機大型化發(fā)展勁頭十足，勞動者在其農業(yè)生產中依賴少數(shù)幾臺功率較大的農機的概率越來越大，那么問題是怎樣才能夠最大程度地提高這些大型農機的工作效率成為當下農業(yè)工程熱門的研究課題，因此，，很有必要同時也有意義針對農機自動變速系統(tǒng)的換向機構與遙控裝置進行研究與設計。
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1.2 農機相關技術的國內外研究狀況
改革開放以來，特別是進入 21 世紀我國成功加入 WTO（世界貿易組織），對農業(yè)機械的自動化的研究體現(xiàn)出了速度快、質量高的發(fā)展姿態(tài)，在農機的遙控以及無人駕駛方面也有顯著成績。2003 年新型遙控農機具在湖南省常德市問世，它重將近 200 kg，以柴油機（180 型）為動力，平均每小時耕種多達 2000 m2 地的工作效率；在 50 m 有效的遙控距離內可操作遙控器使農機具的耕田啟動、行走方向及速度得到控制[2]。2008 年，胡煉等人對久保田插秧機的轉向、變速機構等進行了相應改造，通過搭建基于單片機的控制系統(tǒng)，采取 PD 電機位置控制算法來控制插秧機運動方向，在一定程度上實現(xiàn)插秧機的自動控制[3]。2009 年，陜西省東明農業(yè)科技公司的科研人員歷經 9 年探索成功研制出一種新型可遙控、應用在農田上微型耕作機械。該機操作簡單、應用方便、轉向靈活，可搭配旋耕機、播種機、噴霧器等多種農用機械設備，能夠完成在山區(qū)、農田、川塬等不同地質條件的耕整、管理等。設計隨機操作和遙控操作的 2 套系統(tǒng)，很大程度上減少了工作人員的操作強度和人身危險[4]。同年，蔣蘋等人研制出以單片機為核心處理器的可遙控駕駛水田作業(yè)機械。在田野作業(yè)試驗表明在 300m 之內遙控控制有效且無線數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，可以完成在水田遙控作業(yè)時的控制要求[5]。紀朝鳳等人應用 CAN 總線技術設計出車輛自動導航系統(tǒng)，通過工控機采集掛接在 CAN總線上的角度傳感器、電子羅盤及 GPS 模塊等部件的數(shù)據(jù)來控制轉向控制單元實現(xiàn)對農業(yè)車輛的轉向控制，在算法上采用的是自適應 PID 控制算法[6]。2012 年謝昌盛等人在 2ZG630A 型插秧機控制系統(tǒng)的基礎上進行成本低廉的創(chuàng)新改造，其開發(fā)的無人駕駛插秧機是基于雙激光源定位，通過設計遙控駕駛系統(tǒng)，其有效距離在 100m范圍內可達到對機器的速度、方向及發(fā)動機的點火與熄火的控制，試驗數(shù)據(jù)表明該系統(tǒng)、定位準確、應用可靠[7]。同年，任文濤等人在久保田 NSD8 型插秧機已有轉向機構的基礎上，設計由單片機、角度傳感器及無線數(shù)傳模塊等組成的遙控系統(tǒng)以及帶有離合軸的轉向執(zhí)行器。經在田間工作試驗證實該系統(tǒng)在轉向過程中可遙控操作[8]。
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2 遙控變速系統(tǒng)的總體設計

2.1 控制技術基礎簡介

如圖 2-1 所示，從 1940 年開始到現(xiàn)在，控制理論大致經歷了三個典型階段。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)學解析模型與知識系統(tǒng)相結合的廣義模型，現(xiàn)已進入“大系統(tǒng)理論”階段[42]。在電驅動技術的基礎上發(fā)展成的一門綜合性、多學科的交叉技術稱之為運動控制(MotionControl)；它是按運動要求及傳感器反饋的信號進行數(shù)學或邏輯運算，提供實時準確的控制信號給電機、執(zhí)行機構或動力裝置[43]。1）點位控制，只對終點位置有要求，與運動軌跡無關；2）直線控制也稱平行控制，對運動速度進行控制外，其運動軌跡也要求為直線；3）輪廓控制，因可對多個運動坐標的位移、速度進行連續(xù)控制，故可進行曲線或曲面運動，在數(shù)控系統(tǒng)、切割系統(tǒng)等中應用的較多；4）同步運動控制，為多軸間的運動協(xié)調控制，在造紙等工業(yè)上應用較多。按實現(xiàn)運動控制系統(tǒng)的方法從結構上分有三大類，如圖 2-4 所示。

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2.2 遙控變速系統(tǒng)的總體設計遙控變速系統(tǒng)的總體設計
如圖 2-5 所示，其中系統(tǒng)供電由蓄電池供給 12V 的直流電源來實現(xiàn)。要求控制器能實現(xiàn)變速系統(tǒng)的點火啟動、換向、加減油門、緊急停車、報警等的自動控制功能，為使農機的智能化程度更高、同時也更方便、快捷，系統(tǒng)還設計了遙控裝置來對上述功能進行視距操作控制。系統(tǒng)控制芯片的供電電源為車載 LED 顯示屏專用電源（超薄）提供，即 12V/24 轉 5V直流降壓器，它是由進口集成式開關穩(wěn)壓模塊制造，可使不穩(wěn)定的 9-33V 直流電源轉化為穩(wěn)定的 5V 直流電源。開關電源選用廣州金升陽科技生產的 75W 直流-直流轉換模塊。采用開關方式，其中得到的 12V 供給油門/檔位電動推桿及自動控制板，24V 供給離合器電動推桿。點火啟動控制系統(tǒng)設計如圖 2-7 所示。在系統(tǒng)檢查檔位處于空檔位置時，控制器控制油門給油，進而利用馬達完成啟動，依據(jù)柴油機聲音來進行系統(tǒng)自診斷。“馬達”（motor）也叫電動機。依賴外力帶動曲柄連桿機構進行運動即可將發(fā)動機的狀態(tài)從停止調入工作，曲柄連桿的運動去壓縮可燃混合氣體后開始點火燃燒或者自燃。這個外力構成的裝置或者系統(tǒng)就是馬達的啟動系統(tǒng)。發(fā)動機有多種啟動方式，一般情況下采用的是人力、電力、輔助汽油機等。本文是利用電力啟動方式，其方便、迅速，結構相對簡單。人力啟動可根據(jù)柴油機的聲音來控制點火，而電力啟動則不會通過聲音來判斷點火是否正常，再加上機器正常運行與否也需自診斷，故需要有柴油機的聲音檢測單元。
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3 遙控變速系統(tǒng)的硬件設計..... 16
3.1 系統(tǒng)功能要求..........16
3.2 系統(tǒng)硬件設計..........16
3.2.1 變速機構換向原理............ 17
3.2.2 硬件選型介紹............18
3.2.3 單元電路設計............23
3.3 本章小結..........27
4 遙控變速系統(tǒng)的軟件設計..... 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 人機界面顯示..........31
4.5 本章小結..........31
5 遙控變速系統(tǒng)的試驗與分析.......... 32
5.1 試驗平臺..........32
5.2 換向控制系統(tǒng)仿真試驗........... 34
5.3 遙控裝置性能試驗...........38
5.4 本章小結..........42

5 遙控變速系統(tǒng)的試驗與分析

5.1 試驗平臺
試驗平臺如圖 5-1 所示，分別在柴油機的油門、變速箱的檔位、離合處做適當?shù)臋C械處理后裝配對應的電動推桿來替代人為來動作。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行前進檔、空檔、后退檔的變換，在檔位設置好的前提下就可操作柴油機的油門進而達到對速度的控制。離合器的位置如圖 5-2 所示，它是自動換向控制系統(tǒng)的重要組成，其功能是將發(fā)動機與變速箱連接或斷開，可傳遞和切斷發(fā)動機傳給傳動系統(tǒng)的動力，來保證農機的平穩(wěn)起步、停車以及變速箱的順利換檔。只有當離合器合時，變速箱才可進行換檔操作。在本文的遙控變速系統(tǒng)中，用推拉力為 3000 N 的離合器電動推桿來替代手動操作離合桿，以達到配合檔位電動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推桿的行程為 250mm，在距離推桿兩端各 110mm 處分別裝置 2 個限位開關，再將 2 個限位開關之間的 30mm 行程均分為 3 段，以 0mm 處代表變速箱空檔時變速桿所在位置，以 10mm 處代表前進檔所在位置，以-10mm 處代表后退檔所在位置。利用上述建立的系統(tǒng)數(shù)學模型在 Simulink 環(huán)境下建立了如下圖 5-6 所示為 PID 參數(shù)調整仿真框圖，圖 5-7 在不同 P、I、D 參數(shù)下的階躍響應曲線。
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總結

遙控式農機在提高作業(yè)效率的同時，又避免人的近距離的參與，促進了機械的自動化發(fā)展；而自動變速技術則是農機實現(xiàn)自動控制的基礎，也是其傳動系中的核心部件，因此，本文針對上述問題設計了以柴油機為動力的遙控變速系統(tǒng)。通過對國內外相關技術的了解與認知，提出整個系統(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)的硬件設計，包括各硬件的選取與各單元電路的設計，根據(jù)系統(tǒng)硬件設計，運用模塊化思想設計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推桿式換向系統(tǒng)的仿真試驗平臺，并在開闊的地面上進行遙控裝置的性能試驗，分析上述試驗數(shù)據(jù)得出結論，到此，最終完成了遙控變速系統(tǒng)中電動推桿換向與遙控裝置的設計與研究。本文主要完成了以下工作：（1）查閱相關技術的國內外文獻資料，了解遙控式農機的應用系統(tǒng)，認識農機變速系統(tǒng)的分類及應用，在此基礎上提出了遙控變速系統(tǒng)中電動推桿式換向與遙控裝置的設計思路；（2）完成了遙控變速系統(tǒng)的整體電路設計，結合經典控制理論與自動換向系統(tǒng)的特點設計了基于檔位位置的 PID 換向控制器；（3）重點設計了自動換向控制系統(tǒng)，采用 PID 算法與位置狀態(tài)檢測的方法來確定檔位，并運用 MATLAB 軟件對系統(tǒng)進行了仿真試驗，分析試驗結果可得出檔位推桿能快速響應且準確到達預定位置，能滿足系統(tǒng)換向需求；（4）設計出了遙控裝置自控端與遙控端的樣機，并在開闊地無干擾的地面上進行實際遙控裝置的性能試驗，其有效距離可達 300m 左右。通過對遙控變速系統(tǒng)中電動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計，其中自動換向控制系統(tǒng)采用 PID 算法與位置狀態(tài)檢測的方法來確定檔位，重點針對換向系統(tǒng)進行了仿真試驗并得出在仿真條件下能實現(xiàn)自動換向；同時設計出了遙控裝置自控端與遠端的樣機；為下一步具體的遙控控制試驗提供了基礎與條件。
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參考文獻(略)

本文編號：212910