履带式拖拉机底盘控制系统的设计及优化.pdf

履 带 式 拖 拉 机 底 盘 控 制 系 统 的 设 计 及 优 化熊左桥(鹤壁汽车工程职业学院,河南 鹤壁458030)摘 要:拖拉机是农业生产中应用最为广泛的农业机械之一,随着我国农业机械化的高速发展,其自动化及智能化程度逐渐成为衡量农业机械发展水平的重要标准。拖拉机底盘系统是支撑拖拉机发动机的重要部分,主要为车辆提供动力。为了提升拖拉机自动化水平,以履带式拖拉机为研究对象,对拖拉机底盘控制系统进行设计,重点对其关键部件转向控制系统的参数进行了计算,即针对自动转向系统,制定了转向油缸活塞杆位移和行驶速度的复合控制策略。基于优化后的参数和所开发的控制策略,在 AMESim 中建立了仿真模型。仿真结果表明:所提出的控制策略能够在不同车速和载荷下实现活塞杆位移和速度的同步控制。研究结果为拖拉机底盘控制系统的研究与优化提供了新思路。关键词:拖拉机底盘;控制系统;履带式;自动转向;仿真分析中图分类号:S219.032 文献标识码:A 文章编号:1003-188X(2023)12-0259-060 引言拖拉机是我国农业机械装备的重要组成部分之一1-3,自动化及智能化是评价农业机械化水平的重要标准,加快我国农业机械化整体水平的提升是促进我国农业现代化进程的重要保证条件之一4。随着自动控制技术和导航技术的快速发展,农业装备的自动化和智能化水平也在不断提高。自动转向技术是实现农业机械 自 动 导 航 所 需 的 关 键 技术5-6。20 世纪末期,国内外就开始对拖拉机底盘控制系统开展相关研究与试验。日本最早开始研究底盘集成控制技术并在日产车上开始应用,优化了车辆驾驶性能7-9。后期,美国及德国也开始相关汽车底盘控制系统的研究与应用。研究结果均表明,车辆地盘控制系统可以显著提高车辆的操作稳定性10-11。21 世纪以来,我国也开始逐步开展车辆底盘控制系统的研究。刘显贵等设计了一种基于 CAN 总线的汽车底盘集成控制系统,实现了车辆底盘的分层控制,并针对车辆底盘的制动控制及转向控制系统进行理论分析,结果表明:该系统可以显著提高车辆的制动稳定性及车辆转向的轻便性12-13。卢少波、余卓平等相关学者也相继对车辆底盘控制系统进行了试验研究14。收稿日期:2022-05-20基金项目:河南省大中专院校就业创业研究项目(教学【2021】445 号)作者简介:熊左桥(1975-),男,湖北潜江人,讲师,硕士研究生,(E-mail)Xiongzuoqiao 。随着相关技术在农业机械中的应用与发展,有关人员开始了对拖拉机底盘控制系统的相关研究。罗绍新等研制了一种拖拉机底盘液压转向系统,可以实现拖拉机在不同工况下的动力控制。赵建东等对东方红 SG-250 拖拉机的油路控制系统进行设计与分析,实现了对拖拉机转向角的精准控制15。黎永键等采用双闭环控制方法对东方红 X804 型拖拉机地盘液压转向系统进行控制,用于提高拖拉机电控转向系统的控制精度16。王涛、樊桂菊、李艳等对拖拉机车身姿态调平控制系统进行研究,利用神经网络控制方法及 PID 控制算法实现对拖拉机调平系统的控制,保证了拖拉机底盘的稳定性与调节精度17-19。通过国内外相关研究可知,目前车辆底盘控制集成技术在车辆中应用较为成熟,在拖拉机底盘控制中应用较少,还处于初步研究阶段;另一方面,拖拉机工作和环境较为复杂,相关系统较多且互相独立控制。在此,针对拖拉机实际应用情况设计了一种适合拖拉机底盘控制系统的方案。1 履带式拖拉机底盘控制系统整体设计1.1 系统研究目标以履带式拖拉机为研究对象,根据履带式拖拉机的工作环境、结构特点及性能要求,明确拖拉机地盘控制系统的整体方案;然后,完成拖拉机底盘控制系统硬件的选型及软件控制系统的设计;最后,进行履带式拖拉机地盘控制系统的性能测试。系统开发及设计的具体目标如下:9522023 年 12 月 农 机 化 研 究第 12 期1)拖拉机底盘自动转向系统满足拖拉机在田间作业的稳定性要求;2)整个系统采用电控液压转动方式,操作简单,可以实现拖拉机底盘控制系统的智能控制与调节,且各个系统响应迅速,能够及时执行相关命令;3)驱动系统采用液压驱动装置,以实现无级变速与自动控制。1.2 整体设计方案本研究采用 CAN 总线控制系统,具有结构简单、性能可靠及通信实时性强等特点,满足拖拉机结构复杂且需要独立控制的需求,可以保证拖拉机在复杂的农业生产环境中数据传输的稳定性,实现不同子系统之间的通信。控制流程分为上下两层,具体控制流程图如图 1 所示。图 1 履带式拖拉机地盘控制系统示意图Fig.1 Crawler tractor ground control system diagram2 履带式拖拉机底盘控制系统的设计2.1 系统硬件系统的设计依据履带式拖拉机底盘控制系统的硬件设计方案(见图 2),实现对拖拉机底盘转向系统、制动系统、调平装置及速度控制的设计与选型。2.2 转向系统的设计转向传动系统主要由一个转向液压缸、两个连杆、两个转向臂和 1 个前桥组成。转向液压缸的油缸固定在前桥上,液压缸活塞杆头的一端通过销轴与连杆铰接,连杆的另一端与转向臂铰接。拖拉机直线行驶时,液压缸活塞杆静止,转向传动机构对称;转向时,液压缸接收来自转向液压系统的液压油,并推动活塞杆线性移动,连杆推动转向臂方向盘以部分圆周移动。在理想状态下,拖拉机转弯时应满足阿克曼转向原则。在此,以车轮右转为例(见图 3),根据阿克曼转向原理,可知外轮和内轮之间存在理想的角度关系,即coto-cot=WL(1)o=arccot(cot+WL)(2)式中O外侧车轮的理想转向角();L 轴距(mm);W 左右垂直轴的中心线与地面交点之间的距离(mm);、分别为内侧车轮和外侧车轮的转向角()。在本研究中,L=2000 mm,W=1000 mm,内侧车轮的最大转向角 max=30。图 2 履带式拖拉机底盘硬件设计系统Fig.2 Crawler tractor chassis hardware design system图 3 阿克曼转向原理示意图Fig.3 Schematic diagram of Ackermann steering principle车辆转弯时转向传动机构的变化,如图 4 所示。图 4 阿克曼转向原理示意图Fig.4 Schematic diagram of Ackermann steering principle以车轮右转为例,实线表示车辆未转弯时的状态,0622023 年 12 月 农 机 化 研 究第 12 期虚线表示转弯后的状态。根据图4 所示的几何关系,方程(3)(5)可推导为m=a2+bcos(-180)-l22+bsin(-180)()-h2(3)s=bcos(-180-180)+a-l2-m2-bsin(-180-180)-h()2(4)=180arccosb2+a-l2()+s2+h2-m22ba-l2()+s2+h2-180arctanha-l2()+s(5)式中a 前轴左右转向轴之间的距离(mm);b 转向轴到转向臂孔中心的距离(mm);h 转向液压缸中心轴与前轴两个转向心轴之间的垂直距离(mm);l 转向油缸活塞杆左右孔之间的距离(mm);m 连杆两侧孔中心之间的距离(mm);s 转向油缸活塞杆的移动距离(mm);不转向时转向臂和前轴之间的角度()。本研究中,a=1000mm,b=220mm,h=140mm,=120。为外侧车轮的转向角误差,计算公式为=o-(6)上述分析表明:当内轮 的转向角已知时,转向传动机构中只有 1 个未知量 l,通过对转向机构参数的优化,找到了最优 l,使转向过程中内外轮转向角的变化更符合阿克曼转向原理。本文采用的优化方法是最小二乘法,通过求解 10 个内轮转向角 的最小二乘和来寻求 l 的最佳值。目标函数和约束条件为min10i=12i (i=1,2,.,10)s.t.i=oi-ii=3i(i=1,2,.,10)500 l 1000,1 N(7)将该目标函数和约束条件输入到式(6)中,表明最优 l=925mm,如表 1 所示。履带式拖拉机转向系统主要由液压泵、ECU、三位四通比例方向阀、双活塞杆双作用液压缸等组成。液压泵是该系统的动力元件(见图 5),为液压转向系统提供液压油;ECU 是该系统的控制元件,可根据特定的控制算法计算指令信号和反馈信号,并输出电子控制信号;三位四通比例方向阀是该系统的液压放大元件,将 ECU 发送的电信号转换为滑阀的机械位移信号,并将机械位移信号放大为大功率液压信号;双活塞杆双作用液压缸是该系统的执行元件,驱动活塞杆移动以完成转向动作。表 1 内侧和外侧车轮的转向角Table 1 Steering angle of inner and outer wheels()o32.9242.9160.00865.7025.6770.02598.3498.2990.0201210.87610.8010.0751513.29513.2020.0931815.61615.5170.0992117.85717.7650.0862420.01019.9620.1482722.10122.125-0.0243024.13324.373-0.140图 5 拖拉机底盘转向系统控制原理图Fig.5 Tractor chassis steering system control schematic3 活塞杆位移/速度控制系统的设计当车辆以低速转动时,车轮应快速转动,即转向油缸的活塞杆应快速移动,以尽快完成转向过程。在高速行驶时,车轮应缓慢转动,即转向油缸活塞杆的移动速度应缓慢,以防发生事故。因此,设计的控制系统考虑了两个方面:转向过程完成后对车轮转向角的控制,即转向油缸活塞杆位移的控制;在转向过程中控制车轮转向角速度,即控制转向油缸活塞杆的移动速度。本文提出的活塞杆位移和速度联合控制策略如1622023 年 12 月 农 机 化 研 究第 12 期图 6 所示。转向时,将指令活塞杆位移信号与实际反馈位移信号进行比较。在转向过程的前期和中期,预期的活塞杆速度来自与车速相关的初始活塞杆速度计算模型;当实际反馈位移信号到达指令活塞杆位移信号附近时(即在整个转向过程的后半部分),原始速度信号被输入速度衰减模型,系统将根据特定规则继续衰减,直到反馈位移信号等于指令活塞信号,活塞杆停止移动,转向过程完成。图 6 活塞杆位移/速度的复合控制系统原理图Fig.6 Schematic diagram of the composite control system of piston rod displacement/velocity4 控制系统仿真分析4.1 仿真模型的构建根据转向传动机构的优化结果和制定的活塞杆位移/速度联合控制策略,在 AMESim 软件中建立了仿真模型,如图 7、表 2 所示。4.2 原地转向时活塞杆位移/速度的分析图 8 为空载车辆原位转向时转向液压缸活塞杆从最左侧位置移动到最右侧位置的位移和速度时变曲线。由图 8 可以看出:当转向液压缸活塞杆从最左侧位置移动到最右侧位置时,实际活塞杆位移和速度变化曲线与理想变化曲线相似。根据控制策略,当车辆在原地转向时,转向过程中前后活塞杆的理想移动速度为 50 mm/s。仿真结果表明:实际移动速度为50.29mm/s,活塞杆移动的实时速度为 75.03mm,比理想时间长 0.36s;最大位移误差为 0.630mm,最大速度误差为-3.146 mm/s。因此,所开发的控制策略可以完成液压缸活塞杆位移和速度的联合控制。图 7 AMESim 仿真模型Fig.7 AMESim simulation model表 2 仿真中关键部件的参数Table 2 Parameters of key components in the simulation液压部件参数单位指数液压缸活塞直径mm40杆径mm20行程长度mm150.06三位四通比例换向阀油口 P 到 A 最大开度时的特征流量L/min8油口 P 至 A 对应的压降Pa1.4安全阀安全阀开启压力Pa2.0图 8 原地转向时活塞杆位移和速度的时变曲线Fig.8 Time-varying curves of piston rod displacement and velocity during in-situl2622023 年 12 月 农 机 化 研 究第 12 期4.3 不同载荷下转向时活塞杆位移/速度的分析不同载荷下转向时活塞杆位移和速度的时变曲线如图 9 所示。由图 9 可知:当车速为 15km/h 时,在空载和满载条件下,转向阻力为 873 N;在空载时,转向阻力为 1122 N;转向液压缸活塞的位移和速度的时间变化曲线为 转向液压缸活塞杆的位移和速度的时间变化曲线从中性位置移动到最右边的位置。当车辆速度相同时,车辆负载的差异对活塞杆的影响很小,车辆负载的差异只会对活塞杆的位移和速度变化产生很小的影响。例如,当车辆转向速度为 15km/h时,活塞杆在转向过程中的理想移动速度为 30mm/s。仿真结果显示,实际移动速度为 29.9mm/s,空载时为29.3mm/s,满载时的转向过程比空载转向过程长 0.1s。因此,转向负荷的变化对所设计转向系统几乎没有影响。图 9 不同载荷下转向时活塞杆位移和速度的时变曲线Fig.9 Time-varying curves of piston rod displacement and velocity during steering under different loads4.4 不同车速下转向时活塞杆位移/速度的分析当拖拉机行驶速度为 0、6、12、18、24、30km/h 时,转向液压缸活塞杆从空挡位置到最右侧位置的位移和速度的时变曲线如图 10 所示。由图 10 可知:在不同车速下转向时,转向过程前部和中部的活塞杆速度遵循预期的活塞杆速度。根据控制策略,当车辆以 0、6、12、18、24、30km/h 的速度转弯时,转向过程中前部和中部活塞杆的理想移动速度分别为 50、42、34、26、18、10mm/s。仿真结果表明,实际移动速度为 50.3、42.1、34.0、25.9、17.8、10.1mm/s。因此,设计的拖拉机底盘控制系统可以满足拖拉机低速快速转向和高速慢速转向的设计要求。图 10 不同车速下转向时活塞杆位移和速度的时变曲线Fig.10 Time-varying curves of piston rod displacement and velocity during steering at different vehicle speeds5 结论1)根据山地履带拖拉机底盘控制系统的设计要求,通过分析现有底盘控制系统结构的优缺点,结合拖拉机底盘系统需求,确定了山地履带拖拉机的底盘控制系统结构。为了更好地让各子系统进行信息互通并减少线束,采用 CAN 总线技术作为通信方式,确定了山地履带拖拉机底盘控制系统的总体方案。2)对所设计的农用底盘转向传动机构进行了参数优化,并导出了内侧车轮转向角 和外侧车轮转向3622023 年 12 月 农 机 化 研 究第 12 期角 之间的关系。转向油缸 l 的活塞杆孔之间的最佳间距值被确定为 925mm。3)为了控制车轮的转向角和转向角速度,制定了转向系统中转向液压缸活塞杆位移和速度的复合控制策略。通过建立了 AMESim 仿真模型,分析了不同载荷和不同车速下的转向特性。结果表明:所研制的线控转向系统满足低速快速转向和高速慢速转向的要求。参考文献:1 赵崇付,司金冬,龚立娇.电动拖拉机驱动控制系统建模与仿真分析J.新疆农机化,2022(1):15-17,37.2 张帆.人工智能小车底盘控制系统设计J.电子世界,2021(20):119-122.3 王毅,鲁力群,孙萌,等.CAN 智能节点下拖拉机动力换挡变速器控制系统研究J.重庆理工大学学报(自然科学),2022,36(2):245-250.4 沈海青.“云班课+KTS”双平台教学模式在汽车底盘控制系统课程中的应用J.农机使用与维修,2021(8):110-111.5 胡满红,李虹飞.基于单片机和模糊 PID 的拖拉机空调电机控制系统J.农机化研究,2022,44(4):256-260.6 毛智琳,蒋建东,章沈强,等.履带拖拉机液压控制差速转向系统设计与试验J.农机化研究,2022,44(2):253-258,263.7 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machinery in agricultural production,with the rapid de-velopment of Chinas agricultural mechanization,its automation and intelligence degree gradually become an important measure of the level of development of agricultural machinery.Tractor chassis system is an important part to support the tractor engine,to provide power for the vehicle.In order to improve the level of tractor automation,this study takes the crawler tractor as the research object,and designs the tractor chassis control system,focusing on the parameters of its key component steering control system,and develops a composite control strategy of steering cylinder piston rod displacement and driving speed for this automatic steering system.Based on the optimized parameters and the developed control strate-gy,a simulation model is established in AMESim,and the simulation results show that the proposed control strategy can realize the synchronous control of piston rod displacement and speed under different vehicle speeds and loads.The results of the study provide new ideas for the research and optimization of tractor control systems.Key words:tractor chassis;control system;crawler;automatic steering;simulation analysis4622023 年 12 月 农 机 化 研 究第 12 期