动力换挡拖拉机行驶速度自动控制系统设计及试验.pdf

动 力 换 挡 拖 拉 机 行 驶 速 度 自 动 控 制 系 统 设 计 及 试 验李国强1,武广伟2,祝清震1,张光强2,丛岳2,付卫强2(1.江苏大学 农业工程学院,江苏 镇江212013;2.北京市农林科学院 智能装备技术研究中心,北京100097)摘要:针对现有机械换挡拖拉机的行驶速度控制系统调节精度差、调节速度慢的问题,以动力换挡纽荷兰T1404 拖拉机为实验平台,研发了行驶速度自动控制系统,包括拖拉机工况信息采集、通讯、变速箱挡位控制、油门控制等模块。提出了拖拉机挡位计算和油门调节的控制方法,可对发动机和变速箱进行自动调节,实现了对动力换挡拖拉机作业速度的精准控制。为了检验控制系统的作业效果,在水泥地面和田间地面的空载工况下进行了试验验证,结果表明:两种工况下,控制系统的速度调控误差最大值为 0.15km/h,相对误差最大值为 3.0%,调节时间最大值为 4.4s,能够满足拖拉机的速度自动控制过程的生产需求。关键词:拖拉机;速度控制;动力换挡;控制系统中图分类号:S219.032.1 文献标识码:A 文章编号:1003-188X(2023)12-0248-050 引言无人驾驶拖拉机是精准农业实施的关键和动力来源基础1-3,且动力换挡技术是无人驾驶拖拉机关键技术之一。动力换挡技术通过电控液压系统控制多个离合器的结合分离,实现动力不中断换挡,且将复杂的换挡操作过程简化为按钮或自动操作4-5。目前,拥有动力换挡功能的拖拉机已经成为无人农机自动驾驶的应用对象。行驶速度自动控制是无人农机自动驾驶的关键技术条件之一,国内外科研工作者对于拖拉机等农业动力装备的行驶速度自动控制技术方法进行了大量研究6-9。赵春江等以约翰迪尔 4720 静液压传动拖拉机为平台设计了基于 CAN 的拖拉机定速巡航控制系统,使用电动油门调节器对油门踏板实现线控并获取油门开度大小信息反馈,定速巡航控制绝对误差最大为 0.012 m/s10。韩科立等以福田雷沃 TG1254 型拖拉机为平台,研制了一种电-液自动机械式变速装置,并开发了基于 ARM7 的单片机控制系统,速度控制精度在 0.2m/s 以内,能够满足定速巡航要求11。郭娜和胡静涛基于自适应模糊 PID 控制算法,对插秧收稿日期:2021-12-26基金项目:国家自然科学基金项目(31971800);河北省重点研发计划项目(21327203D);江苏省现代农机装备与技术示范推广项目(NJ2020-08)作者简介:李国强(1996-),男,山东临沂人,硕士研究生,(E-mail)1285309444 。通讯作者:付卫强(1978-),男,河北定州人,副研究员,(E-mail)fuwq 。机的行驶速度进行控制,相较于传统 PID 控制算法,插秧机在水泥道路上 的 行 驶 速 度 平 均 误 差 小 于0.02m/s12。张硕等分析了速度变化对拖拉机自动导航行驶稳定的影响,研发了基于速度自适应的拖拉机自动导航控制系统,能实现不同速度下的拖拉机的直线路径自动跟踪控制效果13。周岩和王雪瑞开发了基于 WSN 的智能农机自动导航控制系统,可实现拖拉机的精准定位和速度控制14。王卓等研发了拖拉机定速巡航系统,通过对拖拉机加速度进行精确控制,以实现定速巡航功能,试验结果表明系统对非线性特性及外界干扰的鲁棒性能较好15。已有拖拉机等动力装备的行驶速度控制方法及控制系统研究,提高了农机作业精度、减轻了驾驶员劳动强度,促进了无人驾驶拖拉机技术和精准农业的发展。目前,关于农机行驶速度控制方法的研究对象多为机械换挡拖拉机,且存在农机速度控制系统调节精度差、调节速度慢的问题。近年来,动力换挡拖拉机在我国得到了广泛关注和应用,但针对动力换挡拖拉机的行驶速度自动控制方法和研究还相对较少。为此,以纽荷兰 T1404 型动力换挡拖拉机作为实验平台,开展行驶速度自动控制方法研究,并开发一套行驶速度自动控制系统,以提高动力换挡拖拉机的智能化程度,为精准农业技术在我国的发展提供技术支撑。1 总体设计1.1 试验平台选择纽荷兰 T1404 型拖拉机作为行驶速度自动8422023 年 12 月 农 机 化 研 究第 12 期控制方法试验的平台,如图 1 所示。该拖拉机配备了动力换挡变速箱,设有 18 个前进挡和 6 个倒挡,前进挡又被分为 A、B、C 等 3 个区段。另外,该拖拉机拥有先进的电子控制技术,其换向、换挡方式均为 I/O 控制,油门为模拟量控制方式。1.换向手柄 2.换挡按钮 3.手油门推杆 4.悬挂按钮5.控制器 6.CAN 诊断接口图 1 纽荷兰 T1404 型拖拉机试验平台Fig.1 Test platform of New Holland T1404 tractor1.2 系统设计所提出的行驶速度自动控制系统整体架构如图 2所示。该系统分为手动控制单元和自动控制单元:手动控制单元主要包括换向手柄、挡位升降按钮、手油门推杆、悬挂按钮的输入电路及相应的输出电路;自动控制单元主要包括通讯模块、工况信息采集模块、油门控制模块及挡位控制模块等。通讯模块主要负责车载计算机与控制器之间的指令、操作日志传输;信息采集模块主要用于获取拖拉机速度、发动机转速、变速箱挡位和悬挂位置等信息;控制模块为模拟物理按钮,通过发送高低电平信号给发动机控制单元ECU、变速箱控制单元 TCU,对拖拉机的发动机转速和变速箱动力传输比进行控制。图 2 系统整体结构Fig.2 Overall system structure该系统将拖拉机的自带换向手柄、扶手箱按钮/推杆与拖拉机控制单元的物理连接方式切断,通过控制器将这些模块串联在一起。当拖拉机处于手动模式时,控制器能够实时监测换向手柄的位置、加减挡按钮状态以及手油门推杆的位置,通过系统的挡位、油门控制模块输出高低电平信号给拖拉机 ECU 控制单元,以实现拖拉机原有的驾驶功能。当拖拉机处于自动模式时,控制器将通过 CAN 总线不断读取拖拉机的工况信息,换向手柄、扶手箱按钮/推杆将不再参与驾驶控制操作;控制器接收到来自车载计算机的目标行驶速度和发动机目标转速指令后,对拖拉机组进行换挡操作;换挡操作结束后,系统能够控制油门调节模块的 DAC 输出值,不断对油门大小进行调节,使拖拉机的实际行驶速度稳定在目标速度值附近,直到接收到新的目标速度。系统的控制器选用北京芯海融科科技有限公司的 MC1206 控制器,以 STM32F407 芯片为核心进行开发,集成了 5 路 CAN、4 路 RS232,能够满足控制器与车载计算机通讯及信息采集要求,同时具有 12 路开关量输入、8 路开关量输出、6 路模拟量输入、6 路模拟量输出、1 路 12V 电压输出和 6 路功率输出功能,能够满足控制需求。系统开发的编程环境为 CubeMX、Cu-beIDE,编程语言为 C 语言。该系统能够根据 ISO 11783 农机具 CAN 总线通讯协议标准及相关资料,从拖拉机 CAN 总线上获取驱动轮的车速、发动机转速、变速箱挡位及方向等相关工况信息。1.3 控制方法行驶速度自动控制系统的工作原理和控制方法,主要分为挡位计算和油门调节控制方法两个部分,详细控制方法如下。1)挡位计算方法。通过查阅纽荷兰 T1404 型拖拉机的操作手册,可以获得拖拉机发动机在 2200r/min 额定转速下的理论行驶速度,进而可以计算出不同挡位设置下的发动机转速与拖拉机速度的关系。在理想的挡位设置下,拖拉机的行驶速度与发动机的转速关系如图 3 中虚线 G所示。但是,由于变速箱结构及传动比限制,控制系统只能选择邻近挡位 G1或G2,发动机的转速只可以为 n1或 n2(优先选择与目标转速差距更小者),从而达到以目标行进速度行驶的控制目标。2)油门调节方法。当拖拉机挡位不变时,拖拉机驱动轮转速仅与发动机的转速有关,故在换挡操作结束后控制系统通过调节油门大小可以对发动机转速进行控制,从而达到控制拖拉机驱动轮转速的目的。为提高拖拉机行驶速度稳定性,采用 PID 控制算法对油门的大小进行调节。纽荷兰 T1404 型拖拉机的油9422023 年 12 月 农 机 化 研 究第 12 期门为模拟量控制方式,控制系统将 PID 算法的油门大小调节量转换为 DAC 输出电压,即可对油门的开度大小进行控制。经万用表测量可知,手油门推杆在最小油门时其信号线电压值为 0.5V,在最大油门时电压值为 4.5V,即 0.54.5V 电压范围对应拖拉机发动机怠速转速 900r/min 额定转速 2200r/min。因此,结合发动机转速与行驶速度的关系可以得出速度调节量与 DAC 输出电压值之间的关系。详细的油门开度PID 调节原理如图 4 所示。经过仿真与试验,最终确定油门调节频率为 2Hz,比例调节系数 Kp、积分调节系数 Ki、微分调节系数 Kd分别为 0.125、0.001562 和 0。图 3 挡位计算原理Fig.3 Gear calculation principle图 4 油门开度 PID 调节原理Fig.4 PID regulation principle of throttle opening2 软件设计行驶速度自动控制的软件程序主要分为 6 个主要部分,分别为初始化,定时器(控制各模块的执行频率),按键检测、I/O 操作,A/D 模数转换、D/A 数模转换,PID 算法和中位值平均滤波算法接入,串口通讯和CAN 总线通讯。软件程序的流程如图 5 所示。首先,控制器上电后,控制系统进行初始化配置,读取手/自动模式开关的状态,决定程序的执行模式。在自动模式下,控制器通过 CAN 总线获取拖拉机的工况信息;当接收到来自车载电脑的速度和发动机转速指令后,控制系统首先进行挡位与实际发动机转速计算,随后判定是应该做出加速还是减速的判断。若加速,则先调整 1 次油门,将发动机转速调整至目标转速附近,随后换挡至目标挡位;若减速,则直接切换挡位至目标。随后,采用 PID 控制算法计算单次速度调节量,然后根据当前挡位下转速与速度的关系计算转速调节量,发动机转速范围为 9002200r/min,对应油门输出电压范围 0.54.5V,从而获得输出电压调节值,最后通过 DAC 输出控制油门调节车速,使其稳定在目标值。在手动模式下,则依次执行换向手柄的按键检测与控制,换挡按钮的按键检测与控制,手油门推杆的 ADC 读取与DAC 输出控制。当手动模式切换为自动模式时,控制系统需要进行相关引脚的初始化操作。图 5 速度自动控制系统程序流程图Fig.5 Program flow chart of speed control system3 试验及结果分析为验证所开发的动力换挡拖拉机的行驶速度自动控制系统效果,于 2021 年 9 月在北京小汤山国家精准农业研究示范基地的 6m 480m 水泥路面和110m320m 田间平地进行空载工况下的拖拉机行驶速度自动控制试验。通过查阅纽荷兰 T1404 型拖拉0522023 年 12 月 农 机 化 研 究第 12 期机操作手册,将发动机的目标转速设置为经济转速1400r/min。试验分为两部分,分别为拖拉机由静止状态至目标行驶速度的零速起动试验和目标行驶速度过程中的速度切换效果试验。3.1 零速起动试验在行驶速度自动控制系统中,将拖拉机的目标行驶速度分别设定为 3、5、7km/h,然后控制拖拉机从静止状态向目标行驶速度调节,最后使拖拉机的速度稳定在设置的目标速度 5%误差范围内。两种路面条件下的零速启动试验数据结果如图 6 和表 1 所示。其中,表 1 中行驶速度的调节时间是指离合器接合时间和油门调节时间之和。图 6 两种工况下零速起动试验Fig.6 Parking start test under two working conditions表 1 零速起动试验数据Table 1 Test data of zero speed starting行驶速度/kmh-1工况绝对误差/kmh-1相对误差/%调节时间/s3水泥地面0.062.03.7田间平地0.062.02.75水泥地面0.040.84.3田间平地0.153.01.27水泥地面0.071.01.7田间平地0.131.94.2 由图 6 可知:在水泥路面上和田间平地上,3 种目标行驶速度下的离合器接合阶段,拖拉机实际行驶速度快速增加;当离合器完全接合后,控制系统能够快速调节油门,使拖拉机的行驶速度逐渐接近目标速度并稳定在目标值。由表 1 可知,在两种工况路面条件下,行驶速度的绝对误差最大值为 0.15km/h,相对误差最大值为 3.0%,调节时间的最大为 4.3s。虽然换挡时间在表 1 中没有标注,但是通过已有数据分析可知,单次换挡平均时间为 1.5s。3.2 目标速度切换试验首先,通过控制系统使拖拉机稳定在行驶速度 3、6、7km/h 状态,然后由车载电脑经 CAN 总线发送新的目标行驶速度 5km/h 至控制器,由控制器将稳定直线行驶的拖拉机调整为新的目标速度值。拖拉机的目标速度切换试验结果如图 7 和表 2 所示。图 7 两种工况下速度切换试验Fig.7 Speed switching experiment under two working conditions1522023 年 12 月 农 机 化 研 究第 12 期表 2 速度切换试验数据Table 2 Test data of speed switching行驶速度/kmh-1工况绝对误差/kmh-1相对误差/%调节时间/s3水泥地面0.093.02.0田间平地0.041.32.06水泥地面0.040.82.6田间平地0.091.83.47水泥地面0.040.64.4田间平地0.060.94.0 由图 7 可知:拖拉机的行驶速度从第 4.5s 开始调节,3 种速度切换过程在 10s 左右均已稳定在新目标速度值,两种工况下 3、6、7、5km/h 的速度调节曲线大致相同。其中,在田间平地上,相对于水泥地面拖拉机由 7km/h 调节至 5km/h 的过程中,拖拉机没有直接调整到小于 5km/h 的状态。由表 2 可知:在两种工况下,拖拉机切换到新目标速度的过程中,拖拉机的行驶速度稳定后的绝对误差最大值为 0.09km/h,相对误差最大值为 3.0%,调节时间最大值为 4.4s。通过对控制系统的零速起动试验和速度切换试验的结果分析,结果表明:控制系统的速度调控误差最大值为 0.15km/h,相对误差最大值为 3.0%,调节时间最大值为 4.4s,能够满足农机动力作业需求,且在水泥地面和田间地面工况下表现出较高的稳定性。4 结论设计了一套针对动力换挡拖拉机的速度自动控制系统,控制器通过 CAN 总线/串口接收到来自车载电脑的目标速度、目标发动机转速指令后,能自动调节变速箱与发动机,将拖拉机速度精准控制在目标值。在水泥地空载、田间空载两种工况下进行了试验验证,结果表明:控制系统的速度调控误差最大值为0.15km/h,相对误差最大值为 3.0%,调节时间最大值为 4.4s,能够满足拖拉机的速度自动控制过程的生产需求。参考文献:1 欧阳劲志,杨辉,罗小全.人车分离无人驾驶拖拉机关键技术研究J.决策探索(下),2019,616(5):62-63.2 刘小伟,吴才聪,车宇.无人化农机技术与装备发展趋势J.农机科技推广,2019,204(10):26-27,30.3 郝帅红,武志明,郭韦韬,等.无人驾驶拖拉机底层控制系统设计J.农业工程,2021,11(3):62-66.4 潘为华.浅论大马力拖拉机动力换挡和 CAN 总线技术J.南方农机,2020,51(3):52.5 杜威,赵升吨,高景洲,等.拖拉机动力换挡技术研究现状及发展趋势J.汽车实用技术,2020,306(3):216-219.6 WANG L,WANG Y,DAI D,et al.Review of electro-hy-draulic hitch system control method of automated tractorsJ.International Journal of Agricultural and Biological Engineering,2021,14(3):1-11.7 吴才聪,王东旭,陈智博,等.SF2104 拖拉机自主行驶与作业控制方法J.农业工程学报,2020,36(18):42-48.8 王粉粉.拖拉机电控机械式自动变速系统设计研究D.洛阳:河南科技大学,2014:25-38.9 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28%.The research results are of great significance for im-proving the performance,design and manufacturing of tractors.Key words:tractor;speed management;production management system;gearbox(上接第 252 页)Abstract ID:1003-188X(2023)12-0248-EA Design and Test of Automatic Control System for Driving Speed of Power Shift Tractor Li Guoqiang1,Wu Guangwei2,Zhu Qingzhen1,Zhang Guangqiang2,Cong Yue2,Fu Weiqiang2(1.College of Agricultural Engineering,Jiangsu University,Zhenjiang 212013,China;2.Research Center of Intelligent Equipment,Beijing Academy of Agriculture and Forestry Sciences,Beijing 100097,China)Abstract:Aiming at the problems of poor adjustment accuracy and slow adjustment speed of the existing driving speed control system of mechanical shift tractor,an automatic driving speed control system is developed based on the power shift tractor New Holland T1404.The control system includes tractor working condition information acquisition,communica-tion,transmission gear control,throttle control and other modules.The control methods of tractor gear calculation and throttle adjustment are proposed to automatically adjust the engine and gearbox,so as to realize the accurate control of the working speed of power shift tractor.In order to test the operation effect of the control system,experiments were carried out under no-load conditions on cement ground and field ground.The test results show that under the two working condi-tions,the maximum speed regulation error of the control system is 0.15km/h,the maximum relative error is 3.0%,and the maximum regulation time is 4.4s,which can meet the production requirements of the automatic speed control process of the tractor.Key words:tractor;speed control;power shift;control system8522023 年 12 月 农 机 化 研 究第 12 期