插秧机电控操作机构和控制算法设计

第２５卷第４期１１８２００９年４月农业工程学报ＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅＣＳＡＥ、，０１．２５ＮＯ．４

Ａｐｒ．２００９

插秧机电控操作机构和控制算法设计胡炼１，一，罗锡文１，２※，赵祚喜１，一，张智刚１，２胡均万１２，陈斌１，２（１．华南农业大学南方农业机械与装备关键技术省部共建教育部重点实验室，广州５１０６４２；２．华南农业大学工程学院，广州５１０６４２）

摘要：为了进行农业机械导航和变量作业试验研究，以久保田ＳＰＵ．６８型插秧机为试验平台，对插秧机转向机构、变速机构和插秧机具升降机构进行了改造，实现自动控制。采用小功率直流电机为动力，设计了带双阈值死区的ＰＤ电机位置控制算法。转向操纵机构导向信号跟踪试验及与驾驶员操作的对比试验结果表明，转向系统具有良好的响应特性，电控操作装置控制作业效果与驾驶员操作作业效果相当。关键词：插秧机，自动导航，电机位置控制，双闽值死区中图分类号：￥２２３．１９＋２文献标识码：Ａ文章编号：１００２—６８１９（２００９）－４－０１１８—０５

胡炼，罗锡文，赵祚喜，等．插秧机电控操作机构和控制算法设计［Ｊ】．农业工程学报，２００９，２５（４）：１１８—１２２．ＨｕＬｉａｎ，ＬｕｏＸｉｗｅｎ，ＺｈａｏＺｕｏｘｉ，ｅｔａ１．Ｄｅｓｉｇｎｏｆｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｃｏｎｔｒｏｌｄｅｖｉｃｅａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｆｌｇｏｆｉｔｈｍｆｏｒｒｉｃｅｔｒａｎｓｐｌａｎｔｅｒ［Ｊ］．

ＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅＣＳＡＥ，２００９，２５（４）：１１８—１２２．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅｗｉｔｈＥｎｇｌｉｓｈ

ａｂｓｔｒａｃＯ

０引言目前商品化的农田作业机械一般都是采用人工驾驶和手工操作机构，将农田作业机械的人工驾驶和手工操作机构改造为电控机构是实现农田作业机械自动导航控制和变量作业的关键之一。国外对转向控制系统进行了较多研究，常用方法可分为电液控制方法和电机控制方法。电液控制转向系统具有控制功率大和响应速度快等特点，因而广泛应用于农田作业机械导航中。美国伊利诺斯州立大学设计了由转向油压缸，液压泵、比例换向阀和转向控制器（ＥＣＵ）组成的拖拉机电液操控系统【ｌＪ：中国农业大学工学院在不改变原有转向系统机械结构的情况下，通过加装全液压转向器、步进电机及其驱动器、电磁换向阀和液压连接部件，实现了拖拉机的自动转向【２】：文献［３～５］中也介绍了有关的电液转向系统。电机控制转向系统主要用于不易实现电液控制改进的农田作业机械上。张智刚等１６，７］和ＹｏｓｈｉｓａｄａＮａｇａｓａｋａ等【８】分别采用张紧带和同步齿形带将电机转矩传递至方向盘转轴上，实现了插秧机的自动转向控制。为提高自动导航农业车辆的智能性能，文献［８】的作者对插秧机的油门踏板、刹车踏板、离合器和插秧手柄等采用电机或电动缸进行了自动控制改造；谭或等【９】利用模糊控制方法对拖拉机的电液悬挂系统进行了研究。本文以久保田ＳＰＵ．６８型插秧机为平台，采用小功率直流电机和简单的机械结构，将人工驾驶和手工操作机收稿日期：２００８．１０－２３修订日期：２００９－０３．１５基金项目：国家“８６３”计划项目（２００６ＡＡｌ０Ａ３０４）：国家‘＇８６３”计划专题佗００６ＡＡＩＯＺ２５５）作者简介：胡炼（１９蚪一），男，湖南长沙人，研究方向智能化检测与控制．广州华南农业大学工程学院，５１０６４２。Ｅｍａｉｌ：ｈｕｌｉａｎ＿２１＠ｙａｈｏｏ．ｃｏｌｔｎｇｎ※通讯作者：罗锡文（１９４５一），男．湖南株洲人，教授，博士生导师。主要从事农业机械化工程、精细农业方面研究．广州华南农业大学工程学院，５１０６４２．Ｅｍａｉｌ：ｘｗｌｕｏ＠㈣．ｅｄｕ．ｇｎ构改造为电控机构，并设计了插秧机自动导航电控接口，实现了转向机构、变速机构和插秧机具升降机构的自动控制。１插秧机操作机构改造驾驶员在田间作业时，通过操纵插秧机的方向盘、主变速手柄和插秧离合手柄实现转向、速度变换和插秧机具升降功能。为了实现插秧机无人驾驶自动导航作业，必须将它们改造为电控装置，图１是插秧机操作机构改造示意图。

图ｌ插秧机操作机构改造示意图Ｆｉｇ．１Ｄｉａｇｒａｍｏｆｆｉｃｅｔｒａｎｓｐｌａｎｔｅｒｏｐｅｒａｔｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍｔｒａｍｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ

块

１．１转向操纵机构久保田ＳＰＵ－６８型插秧机的转弯或变更路线行驶操作由液压方向盘完成。转向操作机构的改造采用在直流电机输出轴上安装摩擦轮，通过拉簧使其紧靠方向盘外沿，利用摩擦轮与插秧机方向盘的摩擦力带动方向盘转动，见图１中①。由于摩擦轮与方向盘没有打滑现象，可将其看作一个齿轮系，如图２所示，有（１）、（２）式成立【１０】。

万方数据一第４期胡炼等：插秧机电控操作机构和控制算法设计１１９

膨ｌ＝旦材２（１）＾

式中ｎ、玢一分别为摩擦轮半径和方向盘半径：她、蝎～分别为摩擦轮转矩和方向盘转矩。．，訾＋ｆｏｏｔ＋彬。＝Ｍ。（２）式中＾工Ｍ名及弛广～分别是折合到摩擦轮的等效转动惯量、等效黏性摩擦系数、等效负载转矩及摩擦轮的原动转矩；０８——摩擦轮转速；扣一时间。扣…嘉卷撬ｒ，，Ｍ：Ｕ。““”图２齿轮系Ｆｉｇ．２Ｇｅａｒｔｒａｉｎ根据测定，水田插秧机正常作业时方向盘转动所需矩为２．６Ｎ·ｍ。在本设计中，摩擦轮半径与方向盘半径为Ｏ．１８８，由式（１）计算得＾磊铷．４９Ｎ．ｍ，即摩擦轮的钜必须大于０．４９Ｎ．ｍ。由于式（２）中各最难以测定，笤次试验最终选娜真流电机ＺＧＢ７０Ｒ－６０ＳＲＺ—Ｆ１，额定崔转矩２．９７Ｎ—ｍ，大于２．６Ｎ．ｍ。电机减速后转速为ｒ／ｒａｉｎ。在水田中测得插秧机前轮从左极限转至右极限．３ｓ，与人工操作相当。可满足设计要求。变速操纵机构插秧机变速手柄分为主变速手柄和副变速手柄，副手柄是进行路上行驶和田间作业时切换的手柄，主巨柄是操作前进、后退、停车改变行走速度的手柄。ｆ速度随主变速手柄的移动幅度而变化，将其从空‘推或向后拉可实现前进或后退无级变速。如图ｌ示，变速机构的改造方法是采媚转动圆盘，圆盘通过其上的连杆推动速度控制杆实现速度变换，链由商流电机（型号：ＺＧＡ６０ＦＭ３１３ｌｉ）驱动。塞操纵机构为平面四连杆机构，如图３所示，转７原动件，速度控制杆为从动件。图中ＡＢ为转动：度即为圆盘半径，ＢＣ为连杆，ＣＤ是速度控制拖分别为从动件在Ｃ点和Ｃ’点时的传动角。从角‰和转角变化范围妒。分别为４００和５００。在童程中，传动角７≥４０。＂－＇５０。，说明变速操纵机皂良好。７≠Ｏ。，即不会出现死点ＩＩｌ】。扎，∥∥，’、．７、．、ｌ’．ｏＤ圈３平面四连杆机构Ｆｉｇ．３Ｐｌａｎｅｆｏｕｒ－ｂａｒｌｉｎｋａｇｅ１．３插秧机具升降操纵机构插秧离合器手柄控制插秧机具的上升、空档、下降和插秧（插秧爪转动、载秧台横向传送）。如图ｌ中③所示，插秧机具的改造方法是采用惠流电机（电机型号：６０８６ＨＦ．１６０，齿轮箱型号：２ＬＦ５０．３）推动手柄达到上升、停止、下降和插秧位置，再由插秧机液压系统实现插秧机具上升、停止、下降和插秧动作。图４是插秧机具升降操纵机构简化的滑块机构图，Ｆ点位于ｂ、６‘和ｂ”时分别对应手柄的停止档、插秧档和上升档。Ｚａ，么∥分别为手柄位于插秩档和上升档时与停止档形成的角度，其角度值分别为４０＂，２８＂。Ｆ点水平运动距离ｄ和垂蔑运动距离ｈ可分别由式（３）和（４）计算得。ＨＪ－口

ｄ＝２×，×ｓｉｎ＇４Ｔｐ＇．（３）２

ｈ＝，×（１一ＣＯＳｔｌ）（４）ＥＦ长，为ｌｌｃｍ，根据式（３）、（４）计算得ｄ和ｈ

分别为１２．３ｃｍ和２．６ｃｍ，即得到了滑块的设计尺寸。

图４滑块机构Ｆｉｇ。４Ｓｌｉｄｅｒｍｅｃｈａｎｉｓｍ

２电机驱动及控制算法２，１电机驱动所设计的电控装置都采用直流电机驱动，电机驱动器选用Ｌ６２０３，是一种场效应管Ｈ桥驱动：卷片，最大电流４Ａ，工作电压可达４２

Ｖ，控制逻辑输入为订Ｌ电平，

非常适合予普通直流电机换向和变速控制ｆⅢ。本应用中电机电源２４Ｖ，通过Ｌ６２０３实现电机与单片机之间连接。

３个电控装置的控制器相同，如图５所示，每个装置各提供一电控接口，分别接收前轮转向角度指令、插秧机行走速度指令和插秧机具控制手柄档位指令，通过各检测传感器（电位器）形成位置闭环控制。

图５电控装置控制器圣士拍耐Ｆｉｐｓｔ、二一一

万方数据１２０农业工程学报２００９笠２．２双阈值死区ＰＤ控制算法以上介绍的３部分的操作均是对电机控制，为实现精确、稳定控制，设计了双阈值死区ＰＤ控制算法。死区设定双阈值可以增加抗干扰能力、减少调节，从而提高稳定性。在电子技术中，为提高比较器的抗干扰能力常采用迟滞比较器，或称为施密特触发器。由于迟滞比较器的输入信号增加或减少的阈值不同，从而避免了比较器输出频繁跳变［１３，１４］。Ｍｏｔｏｒｏｌａ公司的ＭＣ３３０３０是一种直流电机位置控制集成电路，其内部集成了双阀值死区逻辑控制以保证位置控制过程中的稳定性【ｌ卯。本文用软件方法实现这种死区控制，见图６，乃为控制器需达到的角度值。区间［Ｄ６，Ｄ５】为所需的控制器死区宽度。死区区间与角度值的变化趋势有关，当角度值增加时，死区范围为［Ｄｌ，Ｄ２】；减小时，死区范围为［Ｄ４，Ｄ３】。图中Ｄ２＞Ｄ３＞Ｄｌ＞０４，Ｄ４与Ｄ１、岛与Ｄ２之间存在滞环（或称回差），它们对称分布于死区边界Ｄ５与风两侧，目的是避免控制器在死区［Ｄ６，Ｄ５１边界处出现频繁控制作用，增强位置控制的稳定性。双阈值死区可用式（５）描述。ＢＤ·乃Ｄ，岛角度图６双闽值死区示意图Ｆｉｇ．６Ｄｉａｇｒａｍｏｆｄｏｕｂｌｙ－ｔｈｒｅｓｈｏｌｄｄｅａｄｚｏｎｃｆ０．Ｄ．§０≤Ｄ，且姗＝１ｄｅａｄｚｏ肛４０：Ｄ４ｗＩｓｐ§五ｆ１．ｄｉｒ：０（５）．【ｌ，其他ｏｏ＝ｄｅａｄｚｏｎｅｘ０１，，ｉ（６）式中口一当前所测角度值：硪卜一电机运转方向，数值ｌ表示左转，对应Ａ／Ｄ值增大；数值０表示右转，对应Ａ／Ｄ值减小；００——ＰｗＭ控制信号输出量；ｑｄ——增量式ＰＤ控制算法输出其中Ｄ一＝ＫｐＰ＋Ｋｄ（ｅ－ｅｏ）（７）式中蜀——比例系数；杨——微分系数；ｅ——误差；印——前一次误差。通过试验，确定３部分的死区宽度Ｄ５一Ｄ６、回差Ｄｌ－－Ｄ４和ＰＤ系数局、砀分别如表ｌ所示。麦１死区参数和ＰＤ系数！！！！！！里婴堡堡！！！竺璺竺竺！竺璺垒茎！电控机构名称Ｄ５－－Ｄ６／（。）Ｄ１一Ｄ４／（。）昂肠３试验测试３．１转向控制器导向信号跟踪结果为测定转向电控系统的响应特性，将插秧机支起，前轮离地，以正弦波、三角波、方波３种标准信号作为转向控制器导向输入信号，信号频率为０．１Ｈｚ，角度幅值为１０。。试验结果如图７所示。正弦波导向信号跟踪最大误差１．６０，平均误差Ｏ．１２０，最大延迟时间０．２ｓ；方波导向信号跟踪上升时间小于ｌｓ，超调量不大于１３％；三角波导向信号跟踪最大误差２。，平均误差Ｏ．０４。，最大延迟时间０．３ｓ。