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摘 要：通过对早期拖拉机进行油路的改造，增加使用电控的比例液压阀，并且合理的增设电控单元，从而实现了自动化的转向控制系统。通过分析油路改变以及安装电控比例液压阀、设计电控单元等，自动转向经过试验结果的证明具备良好的响应性能，实现对于转向系统基本要求和需要。
关键词：拖拉机 自动转向控制系统 设计
中图分类号：S219 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）010-121-02
本文通过对自动转向控制系统的结构重点分析，应用PD算法，经过实验室实验和田间实验的手段，获得试验的结果。自动转向控制系统的结构包括：电控液压下的比例换向阀、改装油路、实现电控单元、安装和使用无触式的磁阻角度传感器、SD卡存储系统的应用、搭建CAN总线的通信网络设备。
1 拖拉机自动转向控制技术的发展现状
自动转向控制系统是现阶段实现农业机械化、自动化导航的核心技术之一。国内、国外对于自动转向技术的革新及发展进行诸多技术理论等方面的研究。目前，最常用的方法是电动机和电液的控制两种方式。
在国外，自动转向经过不断的钻研以及实践的积累，自动转向技术已经日趋成熟，如QiuH、ZhangQ提出了拖拉机的电液操控系统的设计，有液压泵、转向控制器（EUD）、比例转向阀等零件构成。
在国内的发展，电动机的控制方式最为常见，应用存在弹力的张紧带和同步进行的齿轮带，通过两种传送带将电动机的转矩传向方向盘转换轴上，帮助插秧机最终实现了自动化、机械化的转向控制；另一种模式为，采用直流的小功率电动机，通过对摩擦轮的驱动作用，最终实现插秧机的机械化、自动化转向控制；还可以通过对全液压的转向器、驱动器、步进电动机、电磁的换向阀以及液压的其它连接零件进行加装，最终实现拖拉机的自动转向技术的应用。
电液的控制转向系统方法的优势在于，具备对设备拥有较大的功率、响应速度较快的有效控制等特点，应用在大中型的农田作业的机械导航中最佳。
2 自动转向控制系统的结构
拖拉机的自动转向的控制系统有两个部分组成，第一部分：液压部分，包括比例电控阀、改装油路组成；第二部分，控制单元部分，由MCU以及周围的电路、具备ARM9嵌入式系统的上位机、角度传感器组成。输入输出的控制量是帮助上机起决策作用，车轮目前位于的位置作为角度传感器的测量的反馈量。
3 硬件系统部分
3.1 建立电控液压的转向结构
结合拖拉机具备的具体的转向系统，构建一种可以直接实行电液控制的转向系统结构，在未改装之前的油路并联安装一个转向的控制系统结构，即并联的转向器在电路控制下发挥作用，也成为一个电路控制下的液压阀门，即在初期的手动控制转向的方向盘和液压控制下的转向器，通过改造组成一个电路控制下的液压电磁阀结构。通过并联安装比例电控阀、O型三位四通液压电磁阀。同时安装安全溢流阀门保证油路面油压的正常。
油路面上，添加了油管以及油路转换切换的阀门进行安装。并联电流控制下的液压阀单元以后，在自动系统控制系统实施操作时，换向阀从初期的通过对方向盘进行手动转向到自动化控制油路。电流控制液压阀门的部分实现有效的控制流量，最终的目的是实现对转向速度的控制；换向的电磁阀门最终的目的是，对油路的方向实现自由的切换和控制，从而控制对前轮子左、右方向的切换和控制，溢流阀门的设置是为了更好地保护整个油路的路面。
3.2 自动转向控制单元的硬件电路
自动转向控制单元的硬件电路设备主要是采用单片机的型号为C8051F040作为整个电动机自动化转向系统的控制器，联系单片机的周围的电路，更好的发挥对电流控制下液压阀门的驱动功能、对转向角度进行有效的测量以及上位机器的通信等功能。
采用ARM9嵌入式系统的上位机通过对外界RTK-DGPS信号的接受，进行合理的线路规划以及算法，作出决策，实施转向控制的指令。主控型号为C8051F040单片机，进过CAN总线同上位机进行通信联络，从而找到上位机的整个转向的控制信。型号为KMA199的角度传感器实际测量得到目前车轮的转向角，进过ADC死亡接口传输给单片机器。再经过单片机的分析、运算以及决策，将外围的电路进行输出给单片机，通过周围的电路连接比例的换向阀线圈实现对前轮动作的有效控制。前轮动作以后，经过KMA199型号的角度传感器再次进行实际测量和进一步的反馈给单片机，单片机进过CAN的总线再次反馈给上位机，反复循环成为一个密闭式的闭环控制系统。
3.3 磁敏电阻式的角度传感器
一般常采用传感器的测量转向角度的模式为连杆装置，常用的OMRON的日本公司研发的一种光学编码器就是以后总连杆结构的传感器。现阶段，在测量农机的转向角时仍然使用电位器，如在插秧机的电流控制操作结构下，应用高精度带的连杆结构的电位器。连杆结构的传感器较容易受到外界因素的干扰，如机械的转动以及车辆发出的振动声均对传感器造成影响或者是损坏，而且在振动的过程中产生测量噪音。KMA199是一种磁敏电阻式角度传感器，测量形式为非接触式的测量，受振动的干扰能力强，若是拖拉机处在恶劣且污染严重的环境下，同时受到机械的损伤，磁敏电阻式的角度传感器仍然可以继续进行工作，可以预防连杆结构的传感器由于发生撞击等原因对角度测量造成误差，甚至是对角度传感器造成破坏。
3.4 SD卡存储电路
智能导航系统技术在农业机械试验中，需要保存大量的实时数据。在采用室内和田间试验两种试验方法中，数据在进行采集以及存储的过程中，经过串口连接计算机进一步采集数据。在长期通过串口线对数据进行采集的试验中，由于存在诸多不稳定因素导致数据发生丢失，如电磁对串口线采集数据的干扰、串口线发生断裂现象等因素。串口线对数据采集的方式无法满足监控方面的需求。自动转向控制系统中的SD卡存储系统可以实现对量数据的存储功能且避免数据发生丢失的现象。 将SD存储卡同单片机的SPI总线连接在一起，实现了最终的通信功能。单片机的时钟设置在11.0592MHz，运用Fat32格式，系统单纯的设置成为存储数据的功能，系统经过测验结果显示系统最快的存储速度是128Kb/s。试验过程中，对次序的不同试验数据独立的进行文件的有效存储。
3.5 CAN的总线网络结构
CAN总线的功能优势在于，具备启动的成本较低、较高的通讯速率最高可以达到1Mb/s、较稳定的可靠性等特点，能够在农业的机械控制中发挥巨大的作用。设计中，将CAN总线的整体通讯信息网络合理的应用在拖拉机的自动导航控制系统中。将全部的导航系统建立在CAN总线的网络结构上。CAN的总线进行挂接或者是卸载其它的节点，对于导航的网络结构没有任何影响。在转向控制节点实现以后，试验又再次对应的挂接了整个档位、刹车的控制单元等其它相关的可以进行控制的有效节点。
4 自动转向控制的PD算法
为了确保自动转向控制系统的稳定性、准确性，在系统设计的时设计了带死区域的PD算法实现控制。在死区域的范围内，盲目的认定车轮的转向已经实现了预期的目标。多设立死区域的范围可以提升系统的整体对抗外界干扰的能力。虽然有些时候无法实现对于目标自身精确度的控制，但是帮助系统提升整体的稳定性能。在车辆向控制转向时，出现角度较小的死区域。将死区域的相对的目标数值区间设置在[D1，D2]，绝对值的区间控制在[D1- 1，D2+ 1]， 1是设定的目标值。若是车轮发生转向的角度区间范围是[D1- 1，D2+ 2]以内，认定自动转向控制系统设计已经符合目标；如果在该区间之外，则对当前的角度数值 2同目标数值 1进行计算算出相差数值，从而获得转向控制的指令、比例阀门的开度值。在PD算法下决定了最终DA的输出数值OPD和差值，PD算法中各个参数之间的关系如下：
OPD= Kpe+kD（e-eb）
式中，OPD表示为DA的输出数值，Kp表示为比例的系数，kD表示为微分系数，e，eb表示为当前的误差数值同上一次的误差数值，通过试验，结果显示，死区域D1-D2中数值为1·，KP数值为22.1，kD数值为0.7。
5 分析试验结果
为了实现自动转向控制系统的测定的响应特性，用拖拉机的前轮作为地面的支点，支起地面，将方波以及正弦波作为输入控制信号的两种标准的信号，信号发出的频率控制在0.1Hz，角度幅的数值为10度。
自动转向控制系统可以有效的显示信号的完整程度以及信号跟踪任务。正弦信号的跟踪存在延时较小，在极限的区域€？0度处存在振荡。通过对数据进行有效的统计，可以显示正弦的信号跟踪可以允许的最大误差为1.1·，存在的平均误差是0.5·，可以允许的平均延时的时间为0.2s。
方波的信号在追踪过程中存在不稳定状态，在0度上下发生振荡表示处在稳定的状态，方波信号跟踪的过程中，追踪一个20度的阶跃跟踪需要用时为1.2-2.0s，处在稳定的状态下也会发生振荡。通过对数据的计算以及统计显示，方波的整体信号追踪的最大跨度的上升、下降的时间是2s，而允许的最小上升、下降的时间为1.2s，其中平均的上升、下降的时间控制在1.3s。达到稳态状态下的最大允许误差为0.7·，允许的最小误差仅为0.2·。
综上所述，通过改造电控液压转向系统，更好的弥补电动机手动转向控制系统对大型机器实现有效控制的不足之处，从根本上帮助机器设备解决动力转向的问题；减低了信号跟踪系统的误差，使得自动转向系统具备更强的响应能力；KMA199角度传感器同CAN总线遭受较为恶劣的环境，工作仍然具备稳定的性能，SD卡发挥存储功能，防止在应用传统PC机和串口线的数据采集时，由于操作的频繁次数及繁杂程度，速度较为缓慢等问题，试验中得到的数据在采集数据时则更为快速且便捷，可以实现数据量较大的存储，避免数据发生中途丢失的现象。因此，在拖拉机的使用中应该全面推广自动转向控制系统的设计，发挥更大的优势。
参考文献：
[1] 吴晓鹏，赵祚喜，黄健，等.CRS10陀螺仪及其在角速率与转角测量中的应用[J].电子设计工程，2010，10（08）：12-16.
[2] 刘金波，迟德霞，金宏亮.国内的农用车辆自动转向系统研究进展[J].农业科技与装备，2011，02（04）：36-38.
[3] 颜华，伟利国，刘阳春，等.插秧机转向自动控制的研究与试验[J].农机化研究，2011，03（05）：123-126.
[4] 周建军，郑文刚，李素，等.基于ISO 11783的拖拉机导航控制系统设计与试验[J].农业机械学报，2010，10（04）：96-102.
[5] 李洪文，李娇，苏艳波，等.玉米茬地免耕播种机具导向系统设计与试验[J].农业机械学报，2010，03（04）：15-19.
关键词：拖拉机 自动转向控制系统 设计
中图分类号：S219 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）010-121-02
本文通过对自动转向控制系统的结构重点分析，应用PD算法，经过实验室实验和田间实验的手段，获得试验的结果。自动转向控制系统的结构包括：电控液压下的比例换向阀、改装油路、实现电控单元、安装和使用无触式的磁阻角度传感器、SD卡存储系统的应用、搭建CAN总线的通信网络设备。
1 拖拉机自动转向控制技术的发展现状
自动转向控制系统是现阶段实现农业机械化、自动化导航的核心技术之一。国内、国外对于自动转向技术的革新及发展进行诸多技术理论等方面的研究。目前，最常用的方法是电动机和电液的控制两种方式。
在国外，自动转向经过不断的钻研以及实践的积累，自动转向技术已经日趋成熟，如QiuH、ZhangQ提出了拖拉机的电液操控系统的设计，有液压泵、转向控制器（EUD）、比例转向阀等零件构成。
在国内的发展，电动机的控制方式最为常见，应用存在弹力的张紧带和同步进行的齿轮带，通过两种传送带将电动机的转矩传向方向盘转换轴上，帮助插秧机最终实现了自动化、机械化的转向控制；另一种模式为，采用直流的小功率电动机，通过对摩擦轮的驱动作用，最终实现插秧机的机械化、自动化转向控制；还可以通过对全液压的转向器、驱动器、步进电动机、电磁的换向阀以及液压的其它连接零件进行加装，最终实现拖拉机的自动转向技术的应用。
电液的控制转向系统方法的优势在于，具备对设备拥有较大的功率、响应速度较快的有效控制等特点，应用在大中型的农田作业的机械导航中最佳。
2 自动转向控制系统的结构
拖拉机的自动转向的控制系统有两个部分组成，第一部分：液压部分，包括比例电控阀、改装油路组成；第二部分，控制单元部分，由MCU以及周围的电路、具备ARM9嵌入式系统的上位机、角度传感器组成。输入输出的控制量是帮助上机起决策作用，车轮目前位于的位置作为角度传感器的测量的反馈量。
3 硬件系统部分
3.1 建立电控液压的转向结构
结合拖拉机具备的具体的转向系统，构建一种可以直接实行电液控制的转向系统结构，在未改装之前的油路并联安装一个转向的控制系统结构，即并联的转向器在电路控制下发挥作用，也成为一个电路控制下的液压阀门，即在初期的手动控制转向的方向盘和液压控制下的转向器，通过改造组成一个电路控制下的液压电磁阀结构。通过并联安装比例电控阀、O型三位四通液压电磁阀。同时安装安全溢流阀门保证油路面油压的正常。
油路面上，添加了油管以及油路转换切换的阀门进行安装。并联电流控制下的液压阀单元以后，在自动系统控制系统实施操作时，换向阀从初期的通过对方向盘进行手动转向到自动化控制油路。电流控制液压阀门的部分实现有效的控制流量，最终的目的是实现对转向速度的控制；换向的电磁阀门最终的目的是，对油路的方向实现自由的切换和控制，从而控制对前轮子左、右方向的切换和控制，溢流阀门的设置是为了更好地保护整个油路的路面。
3.2 自动转向控制单元的硬件电路
自动转向控制单元的硬件电路设备主要是采用单片机的型号为C8051F040作为整个电动机自动化转向系统的控制器，联系单片机的周围的电路，更好的发挥对电流控制下液压阀门的驱动功能、对转向角度进行有效的测量以及上位机器的通信等功能。
采用ARM9嵌入式系统的上位机通过对外界RTK-DGPS信号的接受，进行合理的线路规划以及算法，作出决策，实施转向控制的指令。主控型号为C8051F040单片机，进过CAN总线同上位机进行通信联络，从而找到上位机的整个转向的控制信。型号为KMA199的角度传感器实际测量得到目前车轮的转向角，进过ADC死亡接口传输给单片机器。再经过单片机的分析、运算以及决策，将外围的电路进行输出给单片机，通过周围的电路连接比例的换向阀线圈实现对前轮动作的有效控制。前轮动作以后，经过KMA199型号的角度传感器再次进行实际测量和进一步的反馈给单片机，单片机进过CAN的总线再次反馈给上位机，反复循环成为一个密闭式的闭环控制系统。
3.3 磁敏电阻式的角度传感器
一般常采用传感器的测量转向角度的模式为连杆装置，常用的OMRON的日本公司研发的一种光学编码器就是以后总连杆结构的传感器。现阶段，在测量农机的转向角时仍然使用电位器，如在插秧机的电流控制操作结构下，应用高精度带的连杆结构的电位器。连杆结构的传感器较容易受到外界因素的干扰，如机械的转动以及车辆发出的振动声均对传感器造成影响或者是损坏，而且在振动的过程中产生测量噪音。KMA199是一种磁敏电阻式角度传感器，测量形式为非接触式的测量，受振动的干扰能力强，若是拖拉机处在恶劣且污染严重的环境下，同时受到机械的损伤，磁敏电阻式的角度传感器仍然可以继续进行工作，可以预防连杆结构的传感器由于发生撞击等原因对角度测量造成误差，甚至是对角度传感器造成破坏。
3.4 SD卡存储电路
智能导航系统技术在农业机械试验中，需要保存大量的实时数据。在采用室内和田间试验两种试验方法中，数据在进行采集以及存储的过程中，经过串口连接计算机进一步采集数据。在长期通过串口线对数据进行采集的试验中，由于存在诸多不稳定因素导致数据发生丢失，如电磁对串口线采集数据的干扰、串口线发生断裂现象等因素。串口线对数据采集的方式无法满足监控方面的需求。自动转向控制系统中的SD卡存储系统可以实现对量数据的存储功能且避免数据发生丢失的现象。 将SD存储卡同单片机的SPI总线连接在一起，实现了最终的通信功能。单片机的时钟设置在11.0592MHz，运用Fat32格式，系统单纯的设置成为存储数据的功能，系统经过测验结果显示系统最快的存储速度是128Kb/s。试验过程中，对次序的不同试验数据独立的进行文件的有效存储。
3.5 CAN的总线网络结构
CAN总线的功能优势在于，具备启动的成本较低、较高的通讯速率最高可以达到1Mb/s、较稳定的可靠性等特点，能够在农业的机械控制中发挥巨大的作用。设计中，将CAN总线的整体通讯信息网络合理的应用在拖拉机的自动导航控制系统中。将全部的导航系统建立在CAN总线的网络结构上。CAN的总线进行挂接或者是卸载其它的节点，对于导航的网络结构没有任何影响。在转向控制节点实现以后，试验又再次对应的挂接了整个档位、刹车的控制单元等其它相关的可以进行控制的有效节点。
4 自动转向控制的PD算法
为了确保自动转向控制系统的稳定性、准确性，在系统设计的时设计了带死区域的PD算法实现控制。在死区域的范围内，盲目的认定车轮的转向已经实现了预期的目标。多设立死区域的范围可以提升系统的整体对抗外界干扰的能力。虽然有些时候无法实现对于目标自身精确度的控制，但是帮助系统提升整体的稳定性能。在车辆向控制转向时，出现角度较小的死区域。将死区域的相对的目标数值区间设置在[D1，D2]，绝对值的区间控制在[D1- 1，D2+ 1]， 1是设定的目标值。若是车轮发生转向的角度区间范围是[D1- 1，D2+ 2]以内，认定自动转向控制系统设计已经符合目标；如果在该区间之外，则对当前的角度数值 2同目标数值 1进行计算算出相差数值，从而获得转向控制的指令、比例阀门的开度值。在PD算法下决定了最终DA的输出数值OPD和差值，PD算法中各个参数之间的关系如下：
OPD= Kpe+kD（e-eb）
式中，OPD表示为DA的输出数值，Kp表示为比例的系数，kD表示为微分系数，e，eb表示为当前的误差数值同上一次的误差数值，通过试验，结果显示，死区域D1-D2中数值为1·，KP数值为22.1，kD数值为0.7。
5 分析试验结果
为了实现自动转向控制系统的测定的响应特性，用拖拉机的前轮作为地面的支点，支起地面，将方波以及正弦波作为输入控制信号的两种标准的信号，信号发出的频率控制在0.1Hz，角度幅的数值为10度。
自动转向控制系统可以有效的显示信号的完整程度以及信号跟踪任务。正弦信号的跟踪存在延时较小，在极限的区域€？0度处存在振荡。通过对数据进行有效的统计，可以显示正弦的信号跟踪可以允许的最大误差为1.1·，存在的平均误差是0.5·，可以允许的平均延时的时间为0.2s。
方波的信号在追踪过程中存在不稳定状态，在0度上下发生振荡表示处在稳定的状态，方波信号跟踪的过程中，追踪一个20度的阶跃跟踪需要用时为1.2-2.0s，处在稳定的状态下也会发生振荡。通过对数据的计算以及统计显示，方波的整体信号追踪的最大跨度的上升、下降的时间是2s，而允许的最小上升、下降的时间为1.2s，其中平均的上升、下降的时间控制在1.3s。达到稳态状态下的最大允许误差为0.7·，允许的最小误差仅为0.2·。
综上所述，通过改造电控液压转向系统，更好的弥补电动机手动转向控制系统对大型机器实现有效控制的不足之处，从根本上帮助机器设备解决动力转向的问题；减低了信号跟踪系统的误差，使得自动转向系统具备更强的响应能力；KMA199角度传感器同CAN总线遭受较为恶劣的环境，工作仍然具备稳定的性能，SD卡发挥存储功能，防止在应用传统PC机和串口线的数据采集时，由于操作的频繁次数及繁杂程度，速度较为缓慢等问题，试验中得到的数据在采集数据时则更为快速且便捷，可以实现数据量较大的存储，避免数据发生中途丢失的现象。因此，在拖拉机的使用中应该全面推广自动转向控制系统的设计，发挥更大的优势。
参考文献：
[1] 吴晓鹏，赵祚喜，黄健，等.CRS10陀螺仪及其在角速率与转角测量中的应用[J].电子设计工程，2010，10（08）：12-16.
[2] 刘金波，迟德霞，金宏亮.国内的农用车辆自动转向系统研究进展[J].农业科技与装备，2011，02（04）：36-38.
[3] 颜华，伟利国，刘阳春，等.插秧机转向自动控制的研究与试验[J].农机化研究，2011，03（05）：123-126.
[4] 周建军，郑文刚，李素，等.基于ISO 11783的拖拉机导航控制系统设计与试验[J].农业机械学报，2010，10（04）：96-102.
[5] 李洪文，李娇，苏艳波，等.玉米茬地免耕播种机具导向系统设计与试验[J].农业机械学报，2010，03（04）：15-19.