發(fā)布時間：2016-12-14 21:51

1 引言

1.1 課題的研究背景及意義
很長一段時間，我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以勞動強(qiáng)度大及勞動條件差為特點(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)民對自己的勞動條件有了更高的要求，機(jī)械自動化生產(chǎn)取代手工勞動已迫在眉睫。特別是進(jìn)入 21 世紀(jì)我國加入世貿(mào)組織(WTO)以來，為了參與國際競爭，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)而在競爭中求生存、謀發(fā)展。一方面，我國的農(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)過渡，農(nóng)業(yè)勞動力不斷向其他產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移的同時，其結(jié)構(gòu)性短缺及日漸老齡化已漫延至全球。與此同時，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力。另一方面，我國農(nóng)機(jī)自動化水平并不夠高，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，如果勞動者的生產(chǎn)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(nóng)機(jī)智能化帶來新的契機(jī)與挑戰(zhàn)。從上表可得出：變速技術(shù)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(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做到自動換檔的機(jī)構(gòu)還不多。因此對農(nóng)機(jī)的自動變速控制系統(tǒng)加以創(chuàng)新設(shè)計進(jìn)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(shù)的不斷成長及遙控資源價格的持續(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(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)性開辟了新的途徑。近年來，我國東北和新疆區(qū)域的農(nóng)機(jī)大型化發(fā)展勁頭十足，勞動者在其農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中依賴少數(shù)幾臺功率較大的農(nóng)機(jī)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(nóng)機(jī)的工作效率成為當(dāng)下農(nóng)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(nóng)機(jī)自動變速系統(tǒng)的換向機(jī)構(gòu)與遙控裝置進(jìn)行研究與設(shè)計。
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1.2 農(nóng)機(jī)相關(guān)技術(shù)的國內(nèi)外研究狀況
改革開放以來，特別是進(jìn)入 21 世紀(jì)我國成功加入 WTO（世界貿(mào)易組織），對農(nóng)業(yè)機(jī)械的自動化的研究體現(xiàn)出了速度快、質(zhì)量高的發(fā)展姿態(tài)，在農(nóng)機(jī)的遙控以及無人駕駛方面也有顯著成績。2003 年新型遙控農(nóng)機(jī)具在湖南省常德市問世，它重將近 200 kg，以柴油機(jī)（180 型）為動力，平均每小時耕種多達(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、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(jī)的轉(zhuǎn)向、變速機(jī)構(gòu)等進(jìn)行了相應(yīng)改造，通過搭建基于單片機(jī)的控制系統(tǒng)，采取 PD 電機(jī)位置控制算法來控制插秧機(jī)運(yùn)動方向，在一定程度上實(shí)現(xiàn)插秧機(jī)的自動控制[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[4]。同年，蔣蘋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)試驗表明在 300m 之內(nèi)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(jì)朝鳳等人應(yīng)用 CAN 總線技術(shù)設(shè)計出車輛自動導(dǎo)航系統(tǒng)，通過工控機(jī)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(zhuǎn)向控制單元實(shí)現(xiàn)對農(nóng)業(yè)車輛的轉(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，其開發(fā)的無人駕駛插秧機(jī)是基于雙激光源定位，通過設(shè)計遙控駕駛系統(tǒng)，其有效距離在 100m范圍內(nèi)可達(dá)到對機(jī)器的速度、方向及發(fā)動機(jī)的點(diǎn)火與熄火的控制，試驗數(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)計由單片機(jī)、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(zhuǎn)向執(zhí)行器。經(jīng)在田間工作試驗證實(shí)該系統(tǒng)在轉(zhuǎn)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(shè)計

2.1 控制技術(shù)基礎(chǔ)簡介

如圖 2-1 所示，從 1940 年開始到現(xiàn)在，控制理論大致經(jīng)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(xué)解析模型與知識系統(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)動技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展成的一門綜合性、多學(xué)科的交叉技術(shù)稱之為運(yùn)動控制(MotionControl)；它是按運(yùn)動要求及傳感器反饋的信號進(jìn)行數(shù)學(xué)或邏輯運(yùn)算，提供實(shí)時準(zhǔn)確的控制信號給電機(jī)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)或動力裝置[43]。1）點(diǎn)位控制，只對終點(diǎn)位置有要求，與運(yùn)動軌跡無關(guān)；2）直線控制也稱平行控制，對運(yùn)動速度進(jìn)行控制外，其運(yùn)動軌跡也要求為直線；3）輪廓控制，因可對多個運(yùn)動坐標(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，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)動控制，為多軸間的運(yùn)動協(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)動控制系統(tǒng)的方法從結(jié)構(gòu)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(shè)計遙控變速系統(tǒng)的總體設(shè)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(shí)現(xiàn)。要求控制器能實(shí)現(xiàn)變速系統(tǒng)的點(diǎn)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(nóng)機(jī)的智能化程度更高、同時也更方便、快捷，系統(tǒng)還設(shè)計了遙控裝置來對上述功能進(jìn)行視距操作控制。系統(tǒng)控制芯片的供電電源為車載 LED 顯示屏專用電源（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。開關(guān)電源選用廣州金升陽科技生產(chǎn)的 75W 直流-直流轉(zhuǎn)換模塊。采用開關(guān)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(diǎn)火啟動控制系統(tǒng)設(shè)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(jìn)而利用馬達(dá)完成啟動，依據(jù)柴油機(jī)聲音來進(jìn)行系統(tǒng)自診斷。“馬達(dá)”（motor）也叫電動機(jī)。依賴外力帶動曲柄連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動即可將發(fā)動機(jī)的狀態(tài)從停止調(diào)入工作，曲柄連桿的運(yùn)動去壓縮可燃混合氣體后開始點(diǎn)火燃燒或者自燃。這個外力構(gòu)成的裝置或者系統(tǒng)就是馬達(dá)的啟動系統(tǒng)。發(fā)動機(jī)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(jī)等。本文是利用電力啟動方式，其方便、迅速，結(jié)構(gòu)相對簡單。人力啟動可根據(jù)柴油機(jī)的聲音來控制點(diǎn)火，而電力啟動則不會通過聲音來判斷點(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)的聲音檢測單元。
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3 遙控變速系統(tǒng)的硬件設(shè)計..... 16
3.1 系統(tǒng)功能要求..........16
3.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計..........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............23
3.3 本章小結(jié)..........27
4 遙控變速系統(tǒng)的軟件設(shè)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(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(jié)..........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(jī)的油門、變速箱的檔位、離合處做適當(dāng)?shù)臋C(jī)械處理后裝配對應(yīng)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(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)的油門進(jìn)而達(dá)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(jī)與變速箱連接或斷開，可傳遞和切斷發(fā)動機(jī)傳給傳動系統(tǒng)的動力，來保證農(nóng)機(jī)的平穩(wěn)起步、停車以及變速箱的順利換檔。只有當(dāng)離合器合時，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 的離合器電動推桿來替代手動操作離合桿，以達(dá)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(guān)，再將 2 個限位開關(guān)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(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，又避免人的近距離的參與，促進(jìn)了機(jī)械的自動化發(fā)展；而自動變速技術(shù)則是農(nóng)機(jī)實(shí)現(xiàn)自動控制的基礎(chǔ)，也是其傳動系中的核心部件，因此，本文針對上述問題設(shè)計了以柴油機(jī)為動力的遙控變速系統(tǒng)。通過對國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)的了解與認(rèn)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(shè)計，包括各硬件的選取與各單元電路的設(shè)計，根據(jù)系統(tǒng)硬件設(shè)計，運(yùn)用模塊化思想設(shè)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(jìn)行遙控裝置的性能試驗，分析上述試驗數(shù)據(jù)得出結(jié)論，到此，最終完成了遙控變速系統(tǒng)中電動推桿換向與遙控裝置的設(shè)計與研究。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)識農(nóng)機(jī)變速系統(tǒng)的分類及應(yīng)用，在此基礎(chǔ)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(shè)計思路；（2）完成了遙控變速系統(tǒng)的整體電路設(shè)計，結(jié)合經(jīng)典控制理論與自動換向系統(tǒng)的特點(diǎn)設(shè)計了基于檔位位置的 PID 換向控制器；（3）重點(diǎn)設(shè)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(yùn)用 MATLAB 軟件對系統(tǒng)進(jìn)行了仿真試驗，，分析試驗結(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)計出了遙控裝置自控端與遙控端的樣機(jī)，并在開闊地?zé)o干擾的地面上進(jìn)行實(shí)際遙控裝置的性能試驗，其有效距離可達(dá) 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(shè)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(diǎn)針對換向系統(tǒng)進(jìn)行了仿真試驗并得出在仿真條件下能實(shí)現(xiàn)自動換向；同時設(shè)計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提供了基礎(chǔ)與條件。
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參考文獻(xiàn)(略)

本文編號：212911