水田作业移动平台电控液压转向系统设计

李 江，杨光友

（1.1.湖北工业大学农业机械工程研究设计院，湖北 武汉 430068；2.湖北省农机装备智能化工程技术研究中心，湖北 武汉 430068）

0 引言

自动转向控制技术是我国智能化农业设备和移动作业平台的关键技术，国内外研究人员利用多种技术手段开展了自动转向控制技术的研究。ZHANG等开发了电液转向装置,实现了自动化控制转向[1,2]。THOMAS 等设计了一种由减速器直接驱动车轮实现自动转向功能的智能四轮转向机构[3]。YUTAKA KAIZU 团队基于电控方向盘进行改装，通过电机控制实现了自动转向的功能[4]。罗锡文院士团队以X-804 拖拉机为试验平台，在转向系统上加装电液换向阀以及比例阀，采用电控液压控制方式实现了农机自动转向[5-8]。南京农业大学鲁植雄团队设计的双闭环PID 算法有效改进了拖拉机液压转向的稳定性[9-12]。山东大学房素素等使用电磁比例伺服阀，使转向机构拥有足够的动力[13]。华中农业大学张闻宇等对拖拉机转向驱动系统进行摩擦轮式设计，改进了转向机构的机械结构，极大地减少了转向响应时间[14,15]。

目前，农机自动转向控制系统的研究有两个关键问题，就是对执行机构和控制方法的选择。近年来，我国主要研究的方法是改装方向盘机构，通过电机控制转向，此方法转向车轮和方向盘角传动比一定，且存在转向力矩不足的问题；全液压转向系统太复杂，且存在转向轮和地面间摩擦力的问题。

本文针对以上问题，在自建的水田作业移动平台上设计了一种电控液压转向系统，应用AMESim和Matlab/simulink 对液压转向系统进行了联合仿真，同时基于移动平台进行了液压转向系统性能测试试验，其结果表明,电控液压转向系统具有较好的动态响应性能和较高的控制精度。

1 电控液压转向系统设计

转向系统性能直接决定水田作业移动平台在田间作业的高效性和精确性，良好的转向系统是实现作业移动平台直线行驶和转弯动作的关键，基于自建的水田作业移动平台，设计了电控液压转向系统。

1.1 设计原理

水田作业移动平台整体结构如图1（a）所示，主要由移动底盘、转向机构、控制箱、提升机构以及作业机构5 部分组成。本文重点研究转向系统机构的设计。

图1 水田作业移动平台

转向机构在前桥两驱动电机之间，采用电控双向液压缸驱动方式推动前轮转向，其结构如图1（b）所示，实物如图2 所示，双向液压缸推杆利用万向球头和转向拉杆相连接，转向拉杆和前桥加高臂转向板相连，双向液压缸通过液压油推动推杆，驱动车轮向左或向右转动。

图2 转向机构实物图

根据电控液压转向系统的设计方案，结合实际工况分析，该系统能够保证转向稳定，且具有转向调速功能。根据换向和速度控制要求，本系统采用电磁比例换向阀取代普通电磁换向阀对系统进行转向控制，液压系统原理如图3 所示。转向动力来源于液压油的压力，压力由齿轮泵转动提供。溢流阀可保护整个液压系统回路。二位二通换向阀的作用是工作时如果出现故障，可自己控制卸荷，从而保护整个液压系统。当整个系统通电工作后，液压泵压出的液压油通过三位四通比例阀。三位四通比例阀可根据控制器给出的控制电压信号，改变电磁比例阀的方向和流量，控制推杆的速度大小，驱动转向机构进行转向。

图3 液压转向系统

1.2 系统参数

正常工作条件下，移动平台原地转向时，需克服阻力最大，本文根据原地转向最大负载作为设计液压动力系统参考。液压缸选用双向液压缸，转向行程为16 cm，油缸外径为6 cm，活塞杆直径为28 mm。液压动力单元采用一套液压系统总成，包含液压元件实物，如图4 所示，各元件参数如表1 所示。

图4 液压系统总成

表1 液压系统主要参数

1.3 控制系统硬件

电控液压转向系统的核心是电子控制单元，需要满足功能为：与上位机进行通讯，实时接收角度传感器测得的实际转角数据并进行处理，通过一定的算法确定输出相应的控制量给所控对象。根据需求，选用STM32F103 单片机作为控制器可以满足要求。

角度传感器是整个闭环控制的关键，采用MEMS陀螺仪进行测量，供电电压为5～24 V，经过上位机解析可以直接输出测量角度值。将陀螺仪安装在移动平台前桥转向臂表面，和前轮保持平行状态。当转向臂跟着前桥转动时，传感器同步运动，得到前轮的转向角度数据。

接触器用来控制液压系统电机的启停，根据电机参数，选用MZJ-100 型号接触器，通过控制器引脚高低电平控制接触器，从而完成电机的启停，使液压动力系统工作或停止。

电控液压转向系统电路设计如图5 所示，主要包括供电电源、MEMS 陀螺仪、上位机、控制器、光耦隔离继电器、接触器以及电磁比例阀等。

图5 液压系统控制电路图

2 电控液压转向系统仿真

2.1 转向控制方法

由于自身机构和液压阀特性，转向控制需考虑角度死区问题。经典PID 控制算法中，积分I 控制的存在会根据系统的累计误差不断增加而陷入不断消除误差的循环，可能会造成转向控制系统产生振动，基于此原因，本设计使用PD 控制算法且设定角度死区作为转向系统的控制策略。系统依据上位机传输的转向信号（期望转角）和角度传感器实时检测到的角度信号（实际转角）的差值（偏差信号），计算出控制量，控制比例阀的流量和方向驱动液压缸推杆位移，带动前轮转向机构转向以快速达到期望转角，整个闭环控制原理如图6 所示。

图6 转向控制系统原理

2.2 AMESim和Matlab/Simulink联合仿真

为验证设计系统的可靠性，本文联合使用AMESim 软件和Matlab/Simulink 软件对液压转向系统进行建模仿真，联合仿真模型如图7 所示。主要由两部分组成，第一部分为AMESim 软件机械建模部分，绿色为机械模型部分，将移动平台与水田土壤之间的阻力考虑进系统，包含电机、车轮负载、模拟泥地阻力、位移传感器模块；蓝色为液压模型部分，包含恒流液压泵、溢流阀、电磁比例阀、双向液压油缸等。整体建模包含AMESim 软件和Simulink 软件连接接口部分。第二部分为Matlab/Simulink 闭环控制算法部分，Simulink 搭建算法模型如图8 所示，由PD 控制器、机械模型仿真接口、位移和转角转换函数等模块组成。

图7 AMESim联合仿真模型

图8 Simulink算法仿真模型

AMESim 模型中涉及到参数的设置，首先是液压油的参数设置，整个液压系统使用的是普通类液压油。密度、绝对粘度、温度、饱和压力等参数采用普通液压油参数即可。在电机和泵的参数设置时，泵的参数只需要设置排量，转速不需要设置，因为泵和电机相连，其转速完全由电机的转速决定，因此只需设置电机的转速即可。位移传感器增益参数，为方便算法仿真，设置为1，即所得即为位移量。比例换向阀入口控制增益k 设置为1 或-1，如图7，当k 为1 时，比例换向阀处于右位工作；当k 为-1时，比例换向阀处于左位工作。在仿真分析时，k 值取1，比例换向阀处于右位，活塞杆向左移动。控制算法部分PD 参数根据人为经验多次调试确定，经调试，当P=20，D=0.5 时，系统仿真结果如图9、图10 所示。

如图9（a）所示，当设定目标转向角度为30°时，液压缸活塞杆位移在1.8 s时达到了最大值0.16 m，此时对应的转向角度是极限角度30°，由图9（b）活塞杆速度曲线可以看出，一开始液压缸活塞杆推动的速度急剧上升，之后稳定在0.1 m/s左右，最后缓慢减速直到为0，这充分反应出了PD闭环控制的过程。

图9 液压缸位移及速度变化曲线图

由图10 可知，当目标角度为20°时，系统到达目标角度大概需要1.3 s，当目标角度为10°时，系统到达目标角度所需时间为0.8 s 左右。从以上结果分析得出，PD 算法应用于整个系统是可行的。

图10 角度转向特性曲线图

3 转向系统性能测试试验

为了检验转向系统工作是否平稳、准确，将水田作业移动平台用千斤顶支起，忽略地面摩擦阻力等因素的影响，试验平台实物如图11 所示。

图11 转向系统试验平台

为了验证前轮转角自动控制器的跟踪精度、稳定性和响应速度，向系统输入期望目标转角，使转向系统完成转向动作，分别以20°和10°为目标角度调整转向角。通过图12（a）、图12（b）和之前仿真结果对比可得出结论，整个转向系统响应速度比较快，稳定性良好且没有很大振动。当转角到达20°时系统响应时间为1.5 s，转角到达10°时系统响应时间为1.1 s，有良好的稳定性。

图12 转向系统响应特性

试验结果表明，使用电控液压转向系统，响应速度较快、稳定性较好；在带有死区的PD 控制算法情况下，转向前轮能快速到达目标角度，基本满足实际工作转向需求。系统调节过程迅速，转向最大稳态误差0.15°，跟踪平均稳态误差小于0.12°，满足田间转向要求。

4 结语

1）本文针对农业转向机构研究，在自建的水田作业移动平台上搭建了电控液压转向系统。

2）采用AMESim 和Simulink 对转向系统进行联合仿真建模，确定了液压系统中的各液压元件的参数及其带死区的PD 控制器调整方法，从仿真结果可知该系统具有良好的动态响应和稳定性。

3）移动平台转向系统试验结果表明，系统调节过程迅速，转向最大稳态误差0.15°，跟踪平均稳态误差小于0.12°，满足田间转向要求。