液壓式農(nóng)機(jī)自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制裝置及控制方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種液壓式農(nóng)機(jī)自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制裝置，其特征在于包括：相互連接的控制器和液壓驅(qū)動(dòng)模塊；控制方法包括以下步驟：控制器接收上位機(jī)的開(kāi)始命令，控制液壓驅(qū)動(dòng)模塊內(nèi)的電磁開(kāi)關(guān)閥閉合使農(nóng)機(jī)切換為自動(dòng)轉(zhuǎn)向模式；控制器根據(jù)轉(zhuǎn)向角度設(shè)定命令中的角度設(shè)定值以及來(lái)自傳感器的轉(zhuǎn)向角度測(cè)量值、農(nóng)機(jī)速度測(cè)量值進(jìn)行自適應(yīng)模糊PID控制；得到的流向和流量的控制量輸出至控制液壓驅(qū)動(dòng)模塊的比例換向閥實(shí)現(xiàn)自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制；本發(fā)明以自適應(yīng)模糊PID控制方法為核心的農(nóng)機(jī)自動(dòng)液壓轉(zhuǎn)向控制方法，可以較好地解決車輛液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)自身的死區(qū)、飽和、非對(duì)稱特性引起的誤差，提高自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制的精度。
【專利說(shuō)明】液壓式農(nóng)機(jī)自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制裝置及控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及農(nóng)機(jī)導(dǎo)航控制【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其是應(yīng)用于農(nóng)機(jī)液壓式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制裝置及控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)的推廣，農(nóng)機(jī)導(dǎo)航控制技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。作為農(nóng)機(jī)導(dǎo)航控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，農(nóng)機(jī)自動(dòng)轉(zhuǎn)向技術(shù)的具有較高的重要性。目前大中型農(nóng)機(jī)大多使用液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，無(wú)論是出廠時(shí)帶有的、或出廠后改造的農(nóng)機(jī)自動(dòng)轉(zhuǎn)向接口，大多為電控液壓閥形式，且基本都包括比例換向閥和電磁開(kāi)關(guān)閥。通常對(duì)農(nóng)機(jī)的控制方式，多為通過(guò)模擬電壓信號(hào)對(duì)液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的比例閥進(jìn)行控制，且使用的控制方法多為PID控制方法中的比例控制。
[0003]模擬電壓信號(hào)容易受到傳輸線阻抗影響，而且，即使控制電壓在傳輸?shù)奖壤龘Q向閥的放大器之前產(chǎn)生了較大的壓降，轉(zhuǎn)向控制器通常無(wú)法獲得反饋或者需要加入額外電路才能獲得反饋。這在轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)中引入了額外的干擾因素，降低了轉(zhuǎn)向控制精度。由于液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)自身存在死區(qū)、飽和以及不對(duì)稱的特性，所以使用比例方式進(jìn)行轉(zhuǎn)向控制時(shí)，難以實(shí)現(xiàn)左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)的控制效果都達(dá)到很高精度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了解決傳統(tǒng)電壓式控制帶來(lái)的壓降誤差和比例式控制方法對(duì)液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)不對(duì)稱特性處理的局限性，本發(fā)明提出了一種采用電流型控制信號(hào)的液壓式農(nóng)機(jī)自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制裝置及控制方法。
[0005]本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的所采用的技術(shù)方案是:液壓式農(nóng)機(jī)自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制裝置，包括:相互連接控制器和液壓驅(qū)動(dòng)模塊；
[0006]控制器:接收與其連接的上位機(jī)的命令，并通過(guò)對(duì)液壓驅(qū)動(dòng)模塊的控制進(jìn)而控制農(nóng)機(jī)自動(dòng)轉(zhuǎn)向；
[0007]液壓驅(qū)動(dòng)模塊:與農(nóng)機(jī)原轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向油缸、油泵、油箱連接；接收控制器的控制信號(hào)進(jìn)行手動(dòng)/自動(dòng)轉(zhuǎn)向油路切換:即應(yīng)用農(nóng)機(jī)原轉(zhuǎn)向器手動(dòng)轉(zhuǎn)向或者通過(guò)比例換向閥改變轉(zhuǎn)向油缸內(nèi)的液壓油的流向、流量實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)的自動(dòng)轉(zhuǎn)向。
[0008]所述液壓驅(qū)動(dòng)模塊包括電磁開(kāi)關(guān)閥、比例換向閥和減壓閥；電磁開(kāi)關(guān)閥為三個(gè)兩位三通的電磁開(kāi)關(guān)閥A、B、C ;電磁開(kāi)關(guān)閥A的常閉端口和農(nóng)機(jī)原轉(zhuǎn)向器的P 口連接，常開(kāi)端口與比例換向閥的P 口連接，公共端口與油泵的輸出連接；電磁開(kāi)關(guān)閥B的常閉端口和農(nóng)機(jī)原轉(zhuǎn)向器的A 口連接，常開(kāi)端口與比例換向閥的A 口連接，公共端口與轉(zhuǎn)向油缸的A 口連接；電磁開(kāi)關(guān)閥C的常閉端口和農(nóng)機(jī)原轉(zhuǎn)向器的B 口連接，常開(kāi)端口與比例換向閥的B 口連接，公共端口與轉(zhuǎn)向油缸的B 口連接；減壓閥與油泵的輸出端連接。
[0009]所述控制器包括:處理器與CAN通信模塊、電磁開(kāi)關(guān)閥控制模塊、比例換向閥控制模塊、緊急開(kāi)關(guān)檢測(cè)模塊連接；緊急開(kāi)關(guān)檢測(cè)模塊通過(guò)緊急開(kāi)關(guān)與電源連接；電磁開(kāi)關(guān)閥控制模塊與液壓驅(qū)動(dòng)模塊的電磁開(kāi)關(guān)閥連接；比例換向閥控制模塊與液壓驅(qū)動(dòng)模塊的比例換向閥連接。
[0010]所述電磁開(kāi)關(guān)閥控制模塊包括順序連接的達(dá)林頓晶體管、繼電器；達(dá)林頓晶體管的輸入端與處理器連接，輸出端與繼電器的線圈控制端連接，繼電器的兩個(gè)觸點(diǎn)分別連接電源和電磁開(kāi)關(guān)閥的線圈控制端。
[0011]所述比例換向閥控制模塊包括:兩個(gè)數(shù)字隔離芯片分別與兩個(gè)電流源數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片順序連接；數(shù)字隔離芯片與處理器連接，電流源數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片通過(guò)電流輸入放大器與比例換向閥的兩個(gè)電磁鐵連接。
[0012]所述緊急開(kāi)關(guān)檢測(cè)模塊包括:串聯(lián)的達(dá)林頓晶體管A和靜電放電保護(hù)芯片；達(dá)林頓晶體管A輸出端與處理器的中斷引腳連接，該輸出端連有上拉電阻；靜電放電保護(hù)芯片輸入端通過(guò)手動(dòng)開(kāi)關(guān)與電源連接。
[0013]液壓式農(nóng)機(jī)自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制方法，包括以下步驟:
[0014]控制器接收上位機(jī)的開(kāi)始命令，控制液壓驅(qū)動(dòng)模塊內(nèi)的電磁開(kāi)關(guān)閥閉合使農(nóng)機(jī)切換為自動(dòng)轉(zhuǎn)向模式；
[0015]控制器根據(jù)轉(zhuǎn)向角度設(shè)定命令中的角度設(shè)定值以及來(lái)自傳感器的轉(zhuǎn)向角度測(cè)量值、農(nóng)機(jī)速度測(cè)量值進(jìn)行自適應(yīng)模糊PID控制；得到的流向和流量的控制量輸出至控制液壓驅(qū)動(dòng)模塊的比例換向閥實(shí)現(xiàn)自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制；
[0016]控制器接收上位機(jī)的轉(zhuǎn)向停止命令，控制液壓驅(qū)動(dòng)模塊內(nèi)的電磁開(kāi)關(guān)閥斷開(kāi)使農(nóng)機(jī)切換為手動(dòng)轉(zhuǎn)向|吳式，結(jié)束自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制。
[0017]所述進(jìn)行自適應(yīng)模糊PID控制包括以下步驟:
[0018]將轉(zhuǎn)向角度設(shè)定值Θ k)與轉(zhuǎn)向角度測(cè)量值y(k)的差值e(k)和農(nóng)機(jī)速度測(cè)量值v(k)作為自適應(yīng)模糊控制器的輸入，通過(guò)自適應(yīng)模糊控制得到PID控制器的比例參數(shù)kp、積分參數(shù)h、微分參數(shù)kd輸出至PID控制器；
[0019]PID控制器根據(jù)輸入的e(k)得到控制量P(k)，P(k)轉(zhuǎn)換成為電流控制信號(hào)控制放大器，通過(guò)控制比例換向閥的導(dǎo)通方向和流量大小，從而控制農(nóng)機(jī)轉(zhuǎn)向的方向和速度。
[0020]控制器檢測(cè)到緊急開(kāi)關(guān)按下時(shí)，農(nóng)機(jī)由自動(dòng)轉(zhuǎn)向模式切換為手動(dòng)轉(zhuǎn)向模式，液壓驅(qū)動(dòng)模塊恢復(fù)為初始狀態(tài)，即電磁開(kāi)關(guān)閥斷開(kāi)，比例換向閥停止在中位。
[0021]本發(fā)明具有以下有益效果及優(yōu)點(diǎn):
[0022]1.本發(fā)明的轉(zhuǎn)向控制具備CAN總線接口，易于接入常見(jiàn)的農(nóng)機(jī)車載電子系統(tǒng)；轉(zhuǎn)向控制器所采用的電流型控制信號(hào)，可以保證傳輸?shù)奖壤龘Q向閥放大器上的電流信號(hào)不受傳輸線路阻抗情況的影響，而且當(dāng)傳輸線阻抗極大或者斷路時(shí)，轉(zhuǎn)向控制器內(nèi)部電路能夠通過(guò)輸出電流的狀況監(jiān)測(cè)到，便于進(jìn)行故障分析和處理。
[0023]2.本發(fā)明以自適應(yīng)模糊PID控制方法為核心的農(nóng)機(jī)自動(dòng)液壓轉(zhuǎn)向控制方法，可以較好地解決車輛液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)自身的死區(qū)、飽和、非對(duì)稱特性引起的誤差，提高自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制的精度。
[0024]3.本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)手動(dòng)轉(zhuǎn)向/自動(dòng)轉(zhuǎn)向的程序控制切換，并具備緊急狀況處理機(jī)制。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】[0025]圖1為本發(fā)明的液壓式農(nóng)機(jī)自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制裝置結(jié)構(gòu)及連接示意圖；
[0026]圖2為本發(fā)明的磁開(kāi)關(guān)閥控制模塊結(jié)構(gòu)及連接示意圖；
[0027]圖3為本發(fā)明的比例換向閥控制模塊結(jié)構(gòu)及連接示意圖；
[0028]圖4為本發(fā)明的緊急開(kāi)關(guān)檢測(cè)模塊結(jié)構(gòu)及連接示意圖；
[0029]圖5為本發(fā)明的自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制典型工作過(guò)程流程圖；
[0030]圖6為本發(fā)明的緊急開(kāi)關(guān)中斷處理程序流程圖；
[0031]圖7為本發(fā)明的自適應(yīng)模糊PID轉(zhuǎn)向控制算法框圖；
[0032]圖8為本發(fā)明的自適應(yīng)模糊PID轉(zhuǎn)向控制算法中模糊子集的隸屬度函數(shù)圖；
[0033]其中，1-電磁開(kāi)關(guān)閥；2_比例換向閥；3_減壓閥；4_放大器；6-油箱；7-油泵；8-農(nóng)機(jī)原轉(zhuǎn)向器；9_方向盤；10-轉(zhuǎn)向油缸；11-液壓驅(qū)動(dòng)模塊；12_控制器；13-32位處理器最小系統(tǒng)；14-CAN通信模塊；15_電磁開(kāi)關(guān)閥控制模塊；16_比例換向閥控制模塊；17_緊急開(kāi)關(guān)檢測(cè)模塊；18_緊急開(kāi)關(guān)；21_達(dá)林頓晶體管；22_繼電器；23_電流源數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片；24-數(shù)字隔離芯片；25_電磁鐵；31_達(dá)林頓晶體管；32_上拉電阻；33_靜電放電保護(hù)芯片。
【具體實(shí)施方式】
[0034]下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
[0035]提出了一種液壓式農(nóng)機(jī)自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制裝置，由液壓驅(qū)動(dòng)模塊和控制器兩部分構(gòu)成；液壓驅(qū)動(dòng)模塊由電磁開(kāi)關(guān)閥、比例換向閥、減壓閥、集成閥座及放大器構(gòu)成；控制器由32位處理器最小系統(tǒng)、CAN通信模塊、電磁開(kāi)關(guān)閥控制模塊、比例換向閥控制模塊、緊急開(kāi)關(guān)檢測(cè)模塊等電路模塊構(gòu)成。
[0036]液壓驅(qū)動(dòng)模塊，并聯(lián)安裝在農(nóng)機(jī)原有液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，可用于自動(dòng)轉(zhuǎn)向模式下的轉(zhuǎn)向輪驅(qū)動(dòng)；液壓驅(qū)動(dòng)模塊包括:電磁開(kāi)關(guān)閥，三個(gè)，用于手動(dòng)轉(zhuǎn)向/自動(dòng)轉(zhuǎn)向的工作方式切換，手動(dòng)轉(zhuǎn)向模式具體為電磁開(kāi)關(guān)閥斷開(kāi)，農(nóng)機(jī)原轉(zhuǎn)向器工作，而自動(dòng)轉(zhuǎn)向模式具體為電磁開(kāi)關(guān)閥閉合，農(nóng)機(jī)原轉(zhuǎn)向器不工作，本自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制裝置工作；比例換向閥，三位四通，通過(guò)控制導(dǎo)通方向和流量實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)向方向和轉(zhuǎn)向速度的控制；減壓閥，用于調(diào)節(jié)油路壓力；集成閥座，用于集成上述電磁開(kāi)關(guān)閥、比例換向閥和減壓閥；放大器，兩個(gè)，分別接在比例換向閥的兩個(gè)電磁鐵上，用于驅(qū)動(dòng)比例換向閥，輸入控制信號(hào)為4-20mA電流。
[0037]控制器包括:32位處理器最小系統(tǒng)，由32位處理器和晶振、電源等基本外圍電路構(gòu)成；CAN通信模塊，與外部CAN總線相連，用于接收轉(zhuǎn)向控制指令和轉(zhuǎn)向角度數(shù)據(jù)；電磁開(kāi)關(guān)閥控制模塊，用于控制電磁開(kāi)關(guān)閥進(jìn)行液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的手動(dòng)/自動(dòng)油路切換；比例換向閥控制模塊，通過(guò)電流輸入型放大器，控制比例換向閥的流向與流量；緊急開(kāi)關(guān)，在緊急情況下將液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)切換回手動(dòng)轉(zhuǎn)向方式；緊急開(kāi)關(guān)檢測(cè)模塊，用于檢測(cè)緊急開(kāi)關(guān)狀態(tài)。
[0038]CAN通信模塊主要由處理器外圍設(shè)備CAN控制器和CAN隔離收發(fā)器構(gòu)成；CAN通信模塊與外部CAN總線通信的過(guò)程中，遵守的協(xié)議為IS011783協(xié)議，采用的數(shù)據(jù)幀基于IS011783私有廣播報(bào)文來(lái)定義；控制器響應(yīng)的CAN通信數(shù)據(jù)幀包括以下五種:轉(zhuǎn)向開(kāi)始命令、轉(zhuǎn)向停止命令、轉(zhuǎn)向角度設(shè)定值、轉(zhuǎn)向角度測(cè)量值以及農(nóng)機(jī)速度測(cè)量值。
[0039]電磁開(kāi)關(guān)閥控制模塊主要由三組達(dá)林頓晶體管和三個(gè)常開(kāi)型繼電器構(gòu)成；三個(gè)繼電器分別串聯(lián)在三個(gè)電磁開(kāi)關(guān)閥供電回路中；當(dāng)繼電器開(kāi)路時(shí)，轉(zhuǎn)向方式為手動(dòng)轉(zhuǎn)向；當(dāng)繼電器閉合時(shí)，轉(zhuǎn)向方式為自動(dòng)轉(zhuǎn)向。[0040]比例換向閥控制模塊主要由兩片電流源模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片、兩片數(shù)字隔離芯片構(gòu)成；兩片電流源模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，輸入端分別與處理器的兩個(gè)SPI接口相連，且連線均使用數(shù)字隔離芯片進(jìn)行隔離；兩片電流源模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，輸出端分別與比例換向閥兩個(gè)電流輸入型放大器相連，輸出信號(hào)的形式為4-20mA模擬電流信號(hào)；兩片電流源模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，同一時(shí)刻只可以有一片處于工作狀態(tài)，由此決定比例換向閥中液壓油的流動(dòng)方向；其輸出電流的大小，決定比例換向閥中液壓油的流量。
[0041]緊急開(kāi)關(guān)，串聯(lián)在三個(gè)電磁開(kāi)關(guān)閥的供電端；當(dāng)按下緊急開(kāi)關(guān)時(shí)，三個(gè)電磁開(kāi)關(guān)閥供電斷開(kāi)，轉(zhuǎn)向方式立即切換為手動(dòng)轉(zhuǎn)向，以確保農(nóng)機(jī)駕駛安全。緊急開(kāi)關(guān)檢測(cè)模塊，由達(dá)林頓晶體管、上拉電阻及靜電放電保護(hù)芯片構(gòu)成；緊急開(kāi)關(guān)信號(hào)通過(guò)達(dá)林頓晶體管、上拉電阻進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換后，接入到處理器的中斷輸入引腳上；當(dāng)檢測(cè)到緊急開(kāi)關(guān)按下時(shí)，自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制裝置復(fù)位為初始狀態(tài)，即電磁開(kāi)關(guān)閥斷開(kāi)，比例換向閥停止在中位。
[0042]本發(fā)明還提供了 一種利用上述液壓式農(nóng)機(jī)自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制裝置進(jìn)行農(nóng)機(jī)自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制的方法，其典型工作過(guò)程包括如下步驟:
[0043]SOl:控制器接收到轉(zhuǎn)向開(kāi)始命令，控制三個(gè)繼電器閉合，從而使三個(gè)電磁開(kāi)關(guān)閥閉合，農(nóng)機(jī)轉(zhuǎn)向方式切換為自動(dòng)轉(zhuǎn)向；
[0044]S02:控制器接收到轉(zhuǎn)向角度設(shè)定值后，與最近一次接收到的轉(zhuǎn)向角度測(cè)量值、農(nóng)機(jī)速度測(cè)量值，一同作為自適應(yīng)模糊PID轉(zhuǎn)向控制算法的輸入，根據(jù)算法的運(yùn)算結(jié)果，選擇電流源數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片控制轉(zhuǎn)向方向，并設(shè)定電流源數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片輸出電流的大小控制轉(zhuǎn)向速度；
[0045]S03:控制器輸出電流信號(hào)，通過(guò)放大器，控制比例換向閥中液壓油的流向和流量;
[0046]S04:循環(huán)執(zhí)行步驟S02-S03，實(shí)現(xiàn)持續(xù)自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制；
[0047]S05:當(dāng)控制器接收到轉(zhuǎn)向停止命令時(shí)，控制三個(gè)繼電器斷開(kāi)，從而使三個(gè)電磁開(kāi)關(guān)閥開(kāi)路，農(nóng)機(jī)轉(zhuǎn)向方式切換為手動(dòng)轉(zhuǎn)向，同時(shí)停止4-20mA電流信號(hào)的輸出，使比例換向閥停止在中位，并設(shè)置控制程序?yàn)樯想姵跏紶顟B(tài)。
[0048]S06:當(dāng)控制器檢測(cè)到緊急開(kāi)關(guān)按下時(shí)，設(shè)置控制程序?yàn)樯想姵跏紶顟B(tài)。
[0049]如圖1所示，本發(fā)明的控制裝置包括液壓驅(qū)動(dòng)模塊11和控制器12兩大部分；液壓驅(qū)動(dòng)模塊11具體包括:電磁開(kāi)關(guān)閥1、比例換向閥2、減壓閥3、放大器4、以及集成閥座(未示出)，控制器12具體包括:32位處理器最小系統(tǒng)13、CAN通信模塊14、電磁開(kāi)關(guān)閥控制模塊15、比例換向閥控制模塊16、緊急開(kāi)關(guān)檢測(cè)模塊17。其中，電磁換向閥1，共三個(gè)，用于手動(dòng)轉(zhuǎn)向/自動(dòng)轉(zhuǎn)向的工作方式切換；當(dāng)默認(rèn)狀態(tài)，即電磁開(kāi)關(guān)閥I斷開(kāi)時(shí)，農(nóng)機(jī)原轉(zhuǎn)向液壓通路導(dǎo)通，保持手動(dòng)轉(zhuǎn)向方式，此時(shí)自動(dòng)轉(zhuǎn)向裝置不工作；當(dāng)電磁開(kāi)關(guān)閥I導(dǎo)通時(shí)，農(nóng)機(jī)原轉(zhuǎn)向器8的液壓通路關(guān)閉，自動(dòng)轉(zhuǎn)向液壓通路打開(kāi)，農(nóng)機(jī)由手動(dòng)轉(zhuǎn)向切換為電控自動(dòng)轉(zhuǎn)向的工作方式。比例換向閥2，三位四通，配備兩個(gè)線圈，通過(guò)選擇動(dòng)作的線圈，決定轉(zhuǎn)向油缸10的動(dòng)作方向，通過(guò)線圈中的電流大小，決定轉(zhuǎn)向油缸10的動(dòng)作速度。減壓閥3，用于調(diào)節(jié)液壓油路的壓力，保證轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在手動(dòng)轉(zhuǎn)向和自動(dòng)轉(zhuǎn)向時(shí)都能夠正常工作；放大器4，連接在比例換向閥2的兩個(gè)線圈上，用于將控制器12中輸出的4-20mA控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的比例閥驅(qū)動(dòng)電流。電磁開(kāi)關(guān)閥1、比例換向閥2、減壓閥3都為插式閥，集成閥座用于集成上述閥體，并在內(nèi)部為各插式閥提供連接油路，在外部留出與農(nóng)機(jī)原液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行并聯(lián)安裝的接頭。
[0050]其中，電磁開(kāi)關(guān)閥為兩位三通結(jié)構(gòu)，三個(gè)電磁開(kāi)關(guān)閥I的常閉端口分別和農(nóng)機(jī)原轉(zhuǎn)向器8的P 口、輸出到轉(zhuǎn)向油缸10的A 口和B 口相連，三個(gè)電磁開(kāi)關(guān)閥I的常開(kāi)端口分別和比例換向閥2的P 口、及控制油口 A 口和B 口相連，三個(gè)電磁開(kāi)關(guān)閥I的公共端口分別與油泵的輸出、轉(zhuǎn)向油缸10的兩端相連；減壓閥3接在油泵的輸出端，用于調(diào)節(jié)整個(gè)油路的壓力。
[0051]控制器12中，32位處理器最小系統(tǒng)13，由32位處理器和晶振、電源等基本外圍電路構(gòu)成，是控制器的核心，完成所有通信、信號(hào)處理等相關(guān)的邏輯和計(jì)算工作；CAN通信模塊14，主要由處理器外圍設(shè)備CAN控制器和CAN隔離收發(fā)器(未示出)構(gòu)成，與外部CAN總線相連，用于接收轉(zhuǎn)向控制指令和轉(zhuǎn)向角度數(shù)據(jù)；CAN通信模塊與外部CAN總線通信的過(guò)程中，遵守的協(xié)議為ISOl 1783協(xié)議，采用的數(shù)據(jù)幀基于ISOl 1783私有廣播報(bào)文來(lái)定義；控制器12進(jìn)行響應(yīng)的CAN通信數(shù)據(jù)幀包括以下五種:轉(zhuǎn)向開(kāi)始命令、轉(zhuǎn)向停止命令、轉(zhuǎn)向角度設(shè)定值、轉(zhuǎn)向角度測(cè)量值以及農(nóng)機(jī)速度測(cè)量值。
[0052]如圖2所示，電磁開(kāi)關(guān)閥控制模塊15主要由三組達(dá)林頓晶體管21和三個(gè)常開(kāi)型繼電器22構(gòu)成，三組達(dá)林頓晶體管21對(duì)來(lái)自處理器的數(shù)字電平輸出信號(hào)進(jìn)行反相，并增加驅(qū)動(dòng)能力后輸出到三個(gè)常開(kāi)型繼電器22的控制線圈上，當(dāng)繼電器22線圈上有控制電壓時(shí)，繼電器22吸合，否則斷開(kāi)；繼電器22分別串聯(lián)在三個(gè)電磁開(kāi)關(guān)閥I的供電回路中，當(dāng)繼電器22斷開(kāi)時(shí)，則電磁開(kāi)關(guān)閥I斷開(kāi)，轉(zhuǎn)向方式為手動(dòng)轉(zhuǎn)向；當(dāng)繼電器22閉合時(shí)，則電磁開(kāi)關(guān)閥I導(dǎo)通，轉(zhuǎn)向方式為自動(dòng)轉(zhuǎn)向。
[0053]如圖3所示，比例換向閥控制模塊16主要由兩片電流源模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片23、兩片數(shù)字隔離芯片24構(gòu)成；兩片電流源模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片23，輸入端分別與處理器的兩個(gè)SPI接口相連，且連線均通過(guò)數(shù)字隔離芯片24進(jìn)行數(shù)字隔離，輸出端分別與安裝在比例換向閥2的電磁鐵25上的兩個(gè)電流輸入型放大器4相連；同時(shí)只可以有一個(gè)SPI 口工作，處理器通過(guò)確定工作的SPI 口，選擇比例換向閥2中工作的線圈，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向方向的控制；處理器通過(guò)SPI口向電流源模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片23發(fā)送電流設(shè)置命令，改變輸入到對(duì)應(yīng)放大器4中的控制電流大小，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)比例換向閥2中閥芯開(kāi)度的控制，達(dá)到控制轉(zhuǎn)向速度的目的。
[0054]如圖4所示，緊急開(kāi)關(guān)檢測(cè)模塊由達(dá)林頓晶體管31、上拉電阻32及靜電放電保護(hù)芯片33構(gòu)成；當(dāng)緊急開(kāi)關(guān)18為閉合狀態(tài)時(shí)，進(jìn)行正常的自動(dòng)轉(zhuǎn)向操作；當(dāng)緊急開(kāi)關(guān)18斷開(kāi)時(shí)，達(dá)林頓晶體管31的輸入端懸空，則由于上拉電阻32的作用，使得輸入到處理器的中斷輸入引腳上的電平為高，處理器執(zhí)行相應(yīng)中斷服務(wù)程序，斷開(kāi)三個(gè)繼電器22，從而斷開(kāi)三個(gè)電磁開(kāi)關(guān)閥I的供電，轉(zhuǎn)向方式由自動(dòng)轉(zhuǎn)向切換為手動(dòng)轉(zhuǎn)向；同時(shí)也停止4-20mA電流信號(hào)的輸出，使比例換向閥2停止在中位；另外，圖2中，供給電磁開(kāi)關(guān)閥I的電壓+SV，也受緊急開(kāi)關(guān)18控制，當(dāng)此開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)+SV懸空，三個(gè)電磁開(kāi)關(guān)閥I斷開(kāi)，由此保證了即使處理器程序出現(xiàn)異常，也能夠確保只要斷開(kāi)緊急開(kāi)關(guān)18，轉(zhuǎn)向方式即由自動(dòng)轉(zhuǎn)向切換為手動(dòng)轉(zhuǎn)向。
[0055]下面對(duì)利用上述自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制裝置進(jìn)行農(nóng)機(jī)自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制的典型工作過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0056]如圖5所示，本發(fā)明的自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制典型工作過(guò)程包括如下步驟:
[0057]SOl:控制器接收到轉(zhuǎn)向開(kāi)始命令，控制三個(gè)繼電器22閉合，從而使三個(gè)電磁開(kāi)關(guān)閥I閉合，轉(zhuǎn)向方式切換為自動(dòng)轉(zhuǎn)向；[0058]S02:控制器接收到轉(zhuǎn)向角度設(shè)定值后，與最近一次接收到的轉(zhuǎn)向角度測(cè)量值、農(nóng)機(jī)速度測(cè)量值，一同作為自適應(yīng)模糊PID轉(zhuǎn)向控制算法的輸入，根據(jù)算法的運(yùn)算結(jié)果，選擇電流源模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片23控制轉(zhuǎn)向方向，并設(shè)定電流源模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片23輸出電流的大小控制轉(zhuǎn)向速度；
[0059]S03:控制器輸出電流信號(hào)，通過(guò)放大器4，控制比例換向閥2中液壓油的流向和流量;
[0060]S04:循環(huán)執(zhí)行步驟S02-S03，實(shí)現(xiàn)持續(xù)自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制；
[0061]S05:當(dāng)控制器接收到轉(zhuǎn)向停止命令時(shí)，控制三個(gè)繼電器22斷開(kāi)，從而使三個(gè)電磁開(kāi)關(guān)閥I開(kāi)路，轉(zhuǎn)向方式切換為手動(dòng)轉(zhuǎn)向，同時(shí)停止4-20mA電流信號(hào)的輸出，使比例換向閥2停止在中位，并設(shè)置控制程序?yàn)樯想姵跏紶顟B(tài)。
[0062]S06:當(dāng)控制器檢測(cè)到緊急開(kāi)關(guān)18按下時(shí)，設(shè)置控制程序?yàn)樯想姵跏紶顟B(tài)。
[0063]針對(duì)在自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)的意外情況，本發(fā)明設(shè)計(jì)了緊急開(kāi)關(guān)機(jī)制，當(dāng)發(fā)生意外情況時(shí)，無(wú)論處理器中的程序處于什么狀態(tài)，只需要按下緊急開(kāi)關(guān)18，即可以立即切換為手動(dòng)轉(zhuǎn)向操作，保證農(nóng)機(jī)駕駛安全。同時(shí)，緊急開(kāi)關(guān)18按下時(shí)，處理器立即產(chǎn)生中斷、并執(zhí)行中斷服務(wù)程序，中斷服務(wù)程序中進(jìn)行如圖6所示的操作，即控制三個(gè)繼電器斷開(kāi)，從而使三個(gè)電磁開(kāi)關(guān)閥開(kāi)路，轉(zhuǎn)向方式更改為手動(dòng)轉(zhuǎn)向；同時(shí)也停止4-20mA電流信號(hào)的輸出，使比例換向閥停止在中位；并設(shè)置控制程序?yàn)樯想姵跏紶顟B(tài)。
[0064]如圖7所示，自適應(yīng)模糊PID轉(zhuǎn)向控制算法描述如下:
[0065]首先計(jì)算轉(zhuǎn)向 角度設(shè)定值Θ (k)與轉(zhuǎn)向角度測(cè)量值y(k)的差值e(k)，將e(k)和農(nóng)機(jī)速度測(cè)量值v(k)輸入自適應(yīng)模糊控制器，根據(jù)自適應(yīng)模糊控制規(guī)則，推導(dǎo)出PID控制器的比例系數(shù)kp、積分系數(shù)h和微分系數(shù)kd，PID控制器以e(k)作為輸入，計(jì)算出控制量P(k)，P(k)經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換成為輸入到放大器4的電流值，從而控制比例換向閥2的導(dǎo)通方向和流量大小，從而控制農(nóng)機(jī)轉(zhuǎn)向的方向和速度。
[0066]其中，自適應(yīng)模糊控制器的設(shè)計(jì)方法如下:將e(k)、v(k)、kp、Iii和kd的變化范圍都定義為模糊集上的論域{_6，_5，-4，-3，-2，-1, O, I, 2，3，4，5，6}，對(duì)應(yīng)的模糊子集都隸屬于模糊分類NB，NM, NS, Z0, PS, PM，PB，且各模糊子集均服從如圖8所示的三角形隸屬度曲線分布，縱軸為隸屬度。另外，對(duì)于不同的e(k)和V (k)，對(duì)PID三個(gè)參數(shù)的自整定要求應(yīng)滿足如下規(guī)則:
[0067](I)當(dāng)|e(k) I較大且|v(k) I較小時(shí)，應(yīng)取較大的1^及較小的kd，以加快轉(zhuǎn)向控制的響應(yīng)速度；(本實(shí)施例為:當(dāng)e(k)為NB或PB、且V (k)為NS或PS時(shí)，取較大的kp及較小的kd，例如kp取PM或PB，kd取PS);
[0068](2)當(dāng)|e(k) I較大且|v(k) |較大時(shí)，應(yīng)取中等的kp及適當(dāng)?shù)膋d，以在不影響穩(wěn)定性的前提下盡量加快轉(zhuǎn)向控制的響應(yīng)速度；(本實(shí)施例為:當(dāng)e(k)為NB或PB、且v(k)為NB或PB時(shí)，取中等的kp及適當(dāng)?shù)膋d，例如kp取PM，kd取PS、PM或PB)；
[0069](3)當(dāng)|e(k) I較小且|v(k) |較大時(shí)，應(yīng)取較小的kp及較小的kd，以增加轉(zhuǎn)向控制的穩(wěn)定性；(本實(shí)施例為:當(dāng)e (k)為NS或PS、且V (k)為NB或PB時(shí)，較小的kp及較小的kd，例如取PS或PM)。
[0070]上述規(guī)則中kp、Iii和kd的具體取值根據(jù)PID控制器設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)獲得。
[0071]綜上所述，本發(fā)明的自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制裝置和控制方法，能夠較為方便地并聯(lián)在農(nóng)機(jī)原有液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中；通過(guò)采用的自適應(yīng)模糊PID轉(zhuǎn)向控制算法，能夠精確地執(zhí)行轉(zhuǎn)向命令；而且，本發(fā)明設(shè)計(jì)了緊急開(kāi)關(guān)，用于處理需要立即停止自動(dòng)轉(zhuǎn)向的情況，保證了農(nóng)機(jī)自動(dòng)轉(zhuǎn)向行駛的安全。本發(fā)明可以作為農(nóng)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，為自動(dòng)導(dǎo)航駕駛在大中型農(nóng)機(jī)上的推廣提供技術(shù)基礎(chǔ)。
[0072]以上實(shí)施方案僅用于說(shuō)明本發(fā)明，而并非對(duì)本發(fā)明的限制，本發(fā)明的專利保護(hù)范圍由權(quán)利要求限定。
【權(quán)利要求】
1.液壓式農(nóng)機(jī)自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制裝置，其特征在于包括:相互連接的控制器(12)和液壓驅(qū)動(dòng)模塊(11); 控制器(12):接收與其連接的上位機(jī)的命令，并通過(guò)對(duì)液壓驅(qū)動(dòng)模塊(11)的控制進(jìn)而控制農(nóng)機(jī)自動(dòng)轉(zhuǎn)向； 液壓驅(qū)動(dòng)模塊(11):與農(nóng)機(jī)原轉(zhuǎn)向器(8)、轉(zhuǎn)向油缸(10)、油泵(7)、油箱(6)連接；接收控制器(12)的控制信號(hào)進(jìn)行手動(dòng)/自動(dòng)轉(zhuǎn)向油路切換:即應(yīng)用農(nóng)機(jī)原轉(zhuǎn)向器(8)手動(dòng)轉(zhuǎn)向或者通過(guò)比例換向閥(2)改變轉(zhuǎn)向油缸(10)內(nèi)的液壓油的流向、流量實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)的自動(dòng)轉(zhuǎn)向。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液壓式農(nóng)機(jī)自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制裝置，其特征在于:所述液壓驅(qū)動(dòng)模塊(11)包括電磁開(kāi)關(guān)閥(I)、比例換向閥(2 )和減壓閥(3 );電磁開(kāi)關(guān)閥(I)為三個(gè)兩位三通的電磁開(kāi)關(guān)閥A、B、C ;電磁開(kāi)關(guān)閥A的常閉端口和農(nóng)機(jī)原轉(zhuǎn)向器(8)的P 口連接，常開(kāi)端口與比例換向閥(2 )的P 口連接，公共端口與油泵(7 )的輸出連接；電磁開(kāi)關(guān)閥B的常閉端口和農(nóng)機(jī)原轉(zhuǎn)向器(8)的A 口連接，常開(kāi)端口與比例換向閥(2)的A 口連接，公共端口與轉(zhuǎn)向油缸(10)的A 口連接；電磁開(kāi)關(guān)閥C的常閉端口和農(nóng)機(jī)原轉(zhuǎn)向器(8)的B 口連接，常開(kāi)端口與比例換向閥(2)的B 口連接，公共端口與轉(zhuǎn)向油缸(10)的B 口連接；減壓閥(3)與油泵(7)的輸出端連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液壓式農(nóng)機(jī)自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制裝置，其特征在于:所述控制器(12)包括:處理器(13)與CAN通信模塊(14)、電磁開(kāi)關(guān)閥控制模塊(15)、比例換向閥控制模塊(16)、緊急開(kāi)關(guān)檢測(cè)模塊(17)連接；緊急開(kāi)關(guān)檢測(cè)模塊(17)通過(guò)緊急開(kāi)關(guān)(18)與電源連接；電磁開(kāi)關(guān)閥控制模塊(15)與液壓驅(qū)動(dòng)模塊(11)的電磁開(kāi)關(guān)閥(I)連接；比例換向閥控制模塊(16 )與液壓驅(qū)動(dòng)模塊(11)的比例換向閥(2 )連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液壓式農(nóng)機(jī)自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制裝置，其特征在于:所述電磁開(kāi)關(guān)閥控制模塊(15)包括順序連接的達(dá)林頓晶體管(21)、繼電器(22);達(dá)林頓晶體管(21)的輸入端與處理器(13)連接，輸出端與繼電器(22)的線圈控制端連接，繼電器(22)的兩個(gè)觸點(diǎn)分別連接電源和電磁開(kāi)關(guān)閥(1)的線圈控制端。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液壓式農(nóng)機(jī)自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制裝置，其特征在于:所述比例換向閥控制模塊(16)包括:兩個(gè)數(shù)字隔離芯片(24)分別與兩個(gè)電流源數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片(23)順序連接；數(shù)字隔離芯片(24)與處理器(13)連接，電流源數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片(23)通過(guò)電流輸入放大器(4)與比例換向閥(2)的兩個(gè)電磁鐵(25)連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液壓式農(nóng)機(jī)自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制裝置，其特征在于:所述緊急開(kāi)關(guān)檢測(cè)模塊(17)包括:串聯(lián)的達(dá)林頓晶體管A (31)和靜電放電保護(hù)芯片(33);達(dá)林頓晶體管A (31)輸出端與處理器(13)的中斷引腳連接，該輸出端連有上拉電阻(32);靜電放電保護(hù)芯片(33 )輸入端通過(guò)手動(dòng)開(kāi)關(guān)(18 )與電源連接。
7.液壓式農(nóng)機(jī)自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制方法，其特征在于包括以下步驟: 控制器(12 )接收上位機(jī)的開(kāi)始命令，控制液壓驅(qū)動(dòng)模塊(11)內(nèi)的電磁開(kāi)關(guān)閥(I)閉合使農(nóng)機(jī)切換為自動(dòng)轉(zhuǎn)向模式； 控制器(12)根據(jù)轉(zhuǎn)向角度設(shè)定命令中的角度設(shè)定值以及來(lái)自傳感器的轉(zhuǎn)向角度測(cè)量值、農(nóng)機(jī)速度測(cè)量值進(jìn)行自適應(yīng)模糊PID控制；得到的流向和流量的控制量輸出至控制液壓驅(qū)動(dòng)模塊(11)的比例換向閥(2 )實(shí)現(xiàn)自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制；控制器(12 )接收上位機(jī)的轉(zhuǎn)向停止命令，控制液壓驅(qū)動(dòng)模塊(11)內(nèi)的電磁開(kāi)關(guān)閥(I1)斷開(kāi)使農(nóng)機(jī)切換為手動(dòng)轉(zhuǎn)向模式，結(jié)束自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的液壓式農(nóng)機(jī)自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制方法，其特征在于: 所述進(jìn)行自適應(yīng)模糊PID控制包括以下步驟: 將轉(zhuǎn)向角度設(shè)定值9k)與轉(zhuǎn)向角度測(cè)量值y(k)的差值e(k)和農(nóng)機(jī)速度測(cè)量值v(k)作為自適應(yīng)模糊控制器的輸入，通過(guò)自適應(yīng)模糊控制得到PID控制器的比例參數(shù)kp、積分參數(shù)匕、微分參數(shù)kd輸出至PID控制器； PID控制器根據(jù)輸入的e(k)得到控制量P(k)，P(k)轉(zhuǎn)換成為電流控制信號(hào)控制放大器(4)，通過(guò)控制比例換向閥(2)的導(dǎo)通方向和流量大小，從而控制農(nóng)機(jī)轉(zhuǎn)向的方向和速度。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的液壓式農(nóng)機(jī)自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制方法，其特征在于:控制器(12)檢測(cè)到緊急開(kāi)關(guān)(18)按下時(shí)，農(nóng)機(jī)由自動(dòng)轉(zhuǎn)向模式切換為手動(dòng)轉(zhuǎn)向模式，液壓驅(qū)動(dòng)模塊(11)恢復(fù)為初始狀態(tài)，即電磁開(kāi)關(guān)閥(1)斷開(kāi)，比例換向閥(2)停止在中位。
【文檔編號(hào)】B62D5/06GK103895698SQ201210578890
【公開(kāi)日】2014年7月2日 申請(qǐng)日期:2012年12月27日 優(yōu)先權(quán)日:2012年12月27日
【發(fā)明者】胡靜濤, 高雷, 遲浩東, 白曉平, 王鶴, 李逃昌, 劉曉光 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所