履帶式聯(lián)合收割機(jī)的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)及其控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明屬于農(nóng)業(yè)自動(dòng)控制領(lǐng)域，具體涉及收割機(jī)的自動(dòng)控制系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 谷物聯(lián)合收割機(jī)的機(jī)械構(gòu)造技術(shù)已經(jīng)非常成熟，因其優(yōu)良的綜合性能和極高的工 效，得到普及推廣，其中，履帶式收割機(jī)因其轉(zhuǎn)彎半徑小、能適應(yīng)較陷的水田環(huán)境，在我國南 方，甚至北方地區(qū)具有很大的市場占有率。然而，駕駛收割機(jī)作業(yè)，一方面，不僅枯燥、乏味， 而且由于受水稻或小麥長勢的影響，為了使機(jī)械化收割作業(yè)的損失率最小，駕駛員需不斷 調(diào)整車速和改變行駛方向；另一方面，稻麥?zhǔn)崭顣r(shí)，地塊一般已處于非常干燥狀態(tài)，為了提 高作業(yè)效率，駕駛員通常高速行駛作業(yè)，他們需忍受強(qiáng)烈的顛簸，勞動(dòng)強(qiáng)度極大。市場迫切 需求收割機(jī)增加自動(dòng)駕駛功能，使駕駛員只需集中精力于機(jī)器工況的監(jiān)視。
[0003] 在履帶式車輛的自動(dòng)駕駛控制方面已經(jīng)有所研宄及發(fā)明。例如吳紹斌等在《遙控 履帶車輛的轉(zhuǎn)向控制方法》（《北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)》，2007,Vol. 27(8) : (680~683))提出 了一種遙控的履帶轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)，遙控器發(fā)出駕駛指令控制轉(zhuǎn)向拉桿伸縮實(shí)現(xiàn)調(diào)整軌跡的 目的。該作者構(gòu)建了轉(zhuǎn)向操縱閉環(huán)系統(tǒng)模型，針對(duì)遙控信息的時(shí)間滯后，設(shè)計(jì)了預(yù)測和斷 續(xù)轉(zhuǎn)向控制方法。也有人對(duì)輪式農(nóng)機(jī)的自動(dòng)導(dǎo)航駕駛進(jìn)行了研宄，例如羅錫文等在《東方 紅X-804拖拉機(jī)的RTK-GPS自動(dòng)導(dǎo)航控制系統(tǒng)》（農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2009,Vol. 25 (11) : 139~ 146)提出的一種基于RTK-RTK-GPS的自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)，能很好的實(shí)現(xiàn)拖拉機(jī)的自動(dòng)導(dǎo)航控 制。前者采用遙控方式，當(dāng)機(jī)器距離控制人較遠(yuǎn)時(shí)，較難觀察軌跡的偏差，控制精度必然下 降，而且他必須時(shí)刻監(jiān)視并控制機(jī)車，勞動(dòng)強(qiáng)度仍然很大；后者實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)導(dǎo)航駕駛控制， 但是四輪行走系與履帶行走系在調(diào)整車身姿態(tài)方面存在較大的差異，其轉(zhuǎn)向控制方式完全 不同，因此有必要發(fā)明履帶式聯(lián)合收割機(jī)的自動(dòng)導(dǎo)航駕駛系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了克服現(xiàn)有履帶式收割機(jī)在駕駛裝置自動(dòng)化、智能化方面的不足，本發(fā)明提供 了一種履帶式收割機(jī)的自動(dòng)導(dǎo)航駕駛系統(tǒng)，它可代替人工駕駛?cè)蝿?wù)：控制轉(zhuǎn)向、控制車速、 控制割臺(tái)，駕駛員僅需監(jiān)視機(jī)車的工況，工作強(qiáng)度大幅降低。
[0005] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：在駕駛員座位的左側(cè)、收割機(jī)縱軸 線上，安裝一支高約〇. 6米的GPS支架，其上方固定一臺(tái)RTK-GPS接收機(jī)和移動(dòng)站電臺(tái)的天 線；在駕駛員座位左側(cè)的調(diào)速面板上，以搖桿電子調(diào)速手柄代替機(jī)械式調(diào)速手柄，其下方的 HST變速箱的伸出軸端加裝電控HST調(diào)速機(jī)構(gòu)，它們之間不再存在機(jī)械式的鉸鏈聯(lián)接，而以 信號(hào)線代替；以電子轉(zhuǎn)向手柄代替原機(jī)械連桿式手柄，以電磁轉(zhuǎn)向液壓閥代替原集成手動(dòng) 轉(zhuǎn)向液壓閥，它們之間同樣不再存在機(jī)械式的鉸鏈聯(lián)接；駕駛儀表板的正上方是傾斜安裝 的導(dǎo)航控制器，在駕駛儀表板的正下方固定ECU插件箱和RTK-GPS接收機(jī)；在車載蓄電池的 底部增加阻尼器以減弱電池表面的振動(dòng)，該電池的上方固定是姿態(tài)ECU。
[0006] 各部件的結(jié)構(gòu)是：
[0007] 自動(dòng)導(dǎo)航電子系統(tǒng)采用分布式體系結(jié)構(gòu)，由導(dǎo)航控制器、履帶E⑶卡、HST-E⑶卡、 GPS-E⑶卡和姿態(tài)E⑶組成。導(dǎo)航控制器是系統(tǒng)的總控中心，它與4個(gè)E⑶之間通過掛燈 籠式CAN網(wǎng)絡(luò)傳輸信息。導(dǎo)航控制器具有接收GPS的經(jīng)煒度定位信息、估計(jì)收割機(jī)當(dāng)前的 姿態(tài)、規(guī)劃作業(yè)路徑、控制行車的偏差量、調(diào)節(jié)速度等功能，GPS-ECU卡接收移動(dòng)站RTK-GPS 的定位數(shù)據(jù)，通過CAN網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)給導(dǎo)航控制器；姿態(tài)ECU發(fā)送橫滾角、航向角到CAN網(wǎng) 絡(luò)上由導(dǎo)航控制器接收處理；HST-ECU卡接收導(dǎo)航控制器的指令或搖桿電子調(diào)速手柄的開 關(guān)信息控制收割機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度；履帶ECU卡接收導(dǎo)航控制器的指令或電子轉(zhuǎn)向手柄的開關(guān) 信息控制收割機(jī)向左或向右調(diào)整姿態(tài)，或控制割臺(tái)提升、降落。
[0008]ECU插件箱把上述的除姿態(tài)ECU以外的其他三塊板卡集成在一個(gè)箱體內(nèi)，其內(nèi)部 還包括一塊總線底板，各塊插卡通過插件箱內(nèi)的上、下槽和總線底板固定在箱體內(nèi)?？偩€底 板主要是CAN總線，外部的開關(guān)信號(hào)、傳感器信號(hào)和RS232串口信號(hào)被相應(yīng)的E⑶卡處理， 通過總線底板上傳信息給導(dǎo)航控制器，導(dǎo)航控制器發(fā)出的指令也通過總線底板傳達(dá)到各 ECU卡。如果未來需要繼續(xù)增加控制對(duì)象，例如撥禾輪、卸糧口等，則只需增加插件卡，使得 測控系統(tǒng)具有極大的擴(kuò)容能力。
[0009] 電子轉(zhuǎn)向手柄采用球鉸式構(gòu)造，在手柄箱體中，球鉸座固定在箱體的底部，手柄與 球鉸座之間球鉸聯(lián)接，并由兩對(duì)彈簧促使手柄在常態(tài)下處于正中的位置，十字形凸輪穿過 手柄并固定在其上，十字形凸輪的四個(gè)突出部位的下邊是四只輕觸開關(guān)。當(dāng)電子轉(zhuǎn)向手柄 向左擺動(dòng)時(shí)，它帶動(dòng)十字形凸輪繞縱向軸轉(zhuǎn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)到最大角度時(shí)壓住左邊的輕觸開關(guān)的 懸臂，使其常開接點(diǎn)閉合，通過信號(hào)線該開關(guān)信號(hào)被履帶ECU卡采集，由它控制收割機(jī)向左 轉(zhuǎn)向；當(dāng)電子轉(zhuǎn)向手柄向右擺動(dòng)時(shí)，它帶動(dòng)十字形凸輪繞縱向軸轉(zhuǎn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)到最大角度壓住 右邊的輕觸開關(guān)的懸臂，使其常開接點(diǎn)閉合，通過信號(hào)線該開關(guān)信號(hào)被履帶ECU卡采集，由 它控制收割機(jī)向右轉(zhuǎn)向；當(dāng)電子轉(zhuǎn)向手柄向前擺動(dòng)時(shí)，十字形凸輪壓住前部的輕觸開關(guān)的 懸臂，使其常開接點(diǎn)閉合，通過信號(hào)線該開關(guān)信號(hào)被履帶ECU卡采集，由它控制提升割臺(tái)； 當(dāng)電子轉(zhuǎn)向手柄向后擺動(dòng)時(shí)，十字形凸輪壓住后部的輕觸開關(guān)的懸臂，使其常開接點(diǎn)閉合， 通過信號(hào)線該開關(guān)信號(hào)被履帶ECU卡采集，由它控制下落割臺(tái)。
[0010] 產(chǎn)生履帶差速的電磁液壓控制系統(tǒng)工作原理是：電磁轉(zhuǎn)向液壓閥內(nèi)部包含了多只 液壓閥，包括2只溢流閥（用于轉(zhuǎn)向、割臺(tái)油路各1只）、1只雙向電磁閥、1只割臺(tái)提升電磁 閥、1只割臺(tái)下降電磁閥、1只手動(dòng)節(jié)流閥和一只單向閥等。初始條件下，油液流向是：液壓 泵_>電磁閥I的右位_>電磁閥II的中位_>回油箱，即電磁閥I的P口與B口聯(lián)通，該B 口又與電磁閥II的P口聯(lián)通，而此時(shí)電磁閥II處于中位，屬于H型油路，壓力油直接回油 箱泄壓，集成轉(zhuǎn)向油缸的左、右油缸受內(nèi)部彈簧的推力作用，保持縮回狀態(tài)；當(dāng)電磁閥II的 左電磁鐵得電，油液流向是：液壓泵_>電磁閥I的右位_>電磁閥II的左位_>集成轉(zhuǎn)向 油缸的左油缸大腔，即電磁閥II的P口與A聯(lián)通，集成轉(zhuǎn)向油缸的左油缸大腔進(jìn)油，推桿外 伸，約推送一半行程時(shí)，出油口與進(jìn)油口聯(lián)通，傳遞履帶動(dòng)力的左離合器脫開，此時(shí)，如果節(jié) 流閥的推桿已被壓到底部，該閥完全切斷了左油缸回油的油路，集成轉(zhuǎn)向油缸的左推桿繼 續(xù)推送，直到滿行程，此時(shí)左側(cè)的制動(dòng)器動(dòng)作，履帶被制動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了向左大轉(zhuǎn)彎的效果；當(dāng)該 電磁閥的左電磁鐵失電，電磁閥處于中位，壓力油從電磁閥II的中位泄壓回油箱，集成轉(zhuǎn) 向油缸的左推桿縮回，左側(cè)履帶的制動(dòng)器被脫開，離合器閉合，履帶重新獲得動(dòng)力，使可繼 續(xù)滾動(dòng)；當(dāng)節(jié)流閥的推桿沒有被壓到底時(shí)，獲得節(jié)流效果，集成轉(zhuǎn)向油缸的左推桿伸出速度 減慢，而且平移一半行程后，該油缸的進(jìn)油口與回油口聯(lián)通，在大腔油壓和小腔彈簧力的 作用下，推桿維持在此位置，僅使傳遞動(dòng)力的離合器脫開，而制動(dòng)器的狀態(tài)沒有改變，無法 起到制動(dòng)的作用，履帶依靠慣性繼續(xù)滾動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了向左的小轉(zhuǎn)彎效果。同理，如果電磁閥II 的右電磁鐵得電，可實(shí)現(xiàn)向右大轉(zhuǎn)彎或右小轉(zhuǎn)彎的效果。如果電磁閥I的電磁鐵得電，油液 流向是：液壓泵-> 電磁閥I的左位-> 內(nèi)部單向閥-> 內(nèi)部過濾器-> 割臺(tái)油缸的大腔，即電 磁閥I的P口與A口聯(lián)通，壓力油經(jīng)單向閥、內(nèi)部過濾器進(jìn)入割臺(tái)油缸的大腔，割臺(tái)被舉升； 如果螺紋式電磁閥的電磁鐵得電，油液流向是：割臺(tái)油缸的大腔_>內(nèi)部過濾器_>內(nèi)部阻尼 孔_>螺紋式電磁閥右位_>回油管，即割臺(tái)油缸的大腔的液壓油經(jīng)內(nèi)部阻尼孔接通了回油 泄壓管路，割臺(tái)被下降。
[0011] 電控節(jié)流閥機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)是：滾輪通過滾輪軸、滾輪支架的支撐，與節(jié)流閥伸出的推 桿同步左右移動(dòng)，滾輪的右側(cè)緊貼直流減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)的凸輪。該機(jī)構(gòu)的作用是控制收割機(jī) 轉(zhuǎn)彎的幅度：當(dāng)凸輪處于初始釋放節(jié)流閥推桿的位置時(shí)，節(jié)流閥的推桿伸出最大長度，此 時(shí)，無論電磁轉(zhuǎn)向液壓閥的電磁閥II處于左位或右位，集成轉(zhuǎn)向油缸的推桿伸出一半行程 后，其大腔通過節(jié)流閥的右位與回油管接通，該推桿不再向外伸出，僅使行走牙嵌離合器脫 開，一側(cè)履帶失去動(dòng)力源，但仍可依賴慣性向前滾動(dòng)，另一側(cè)履帶仍然全速滾動(dòng)，收割機(jī)實(shí) 現(xiàn)小轉(zhuǎn)彎動(dòng)作；當(dāng)凸輪旋轉(zhuǎn)180°時(shí)，節(jié)流閥的推桿被壓縮到底，此時(shí)，無論電磁轉(zhuǎn)向液壓 閥的電磁閥II無論處于左位或右位，集成轉(zhuǎn)向油缸大腔的回油油路被節(jié)流閥截?cái)?，該油?的推桿一直被壓力油推到底，不僅使行走牙嵌離合器脫開，而且某一側(cè)履帶的制動(dòng)器抱緊 履帶輪，該履帶被完全制動(dòng)，另一側(cè)履帶仍然全速滾動(dòng)，實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)彎動(dòng)作；當(dāng)凸輪旋轉(zhuǎn)角度 處于0~180°時(shí)，節(jié)流閥處于節(jié)流工況，集成轉(zhuǎn)向油缸的推桿的伸出速度減慢，收割機(jī)的 處于一種反應(yīng)較慢的大轉(zhuǎn)彎模式。
[0012] 履帶E⑶卡采用PIC18F248單片機(jī)采集電子轉(zhuǎn)向手柄的位置信號(hào)、控制電磁轉(zhuǎn)向 液壓閥的繼電器及電控節(jié)流閥的工作方式。由電子轉(zhuǎn)向手柄傳來的位置信號(hào)通過光電隔 離，把信號(hào)與單片機(jī)的PORTA引腳連接；單片機(jī)的P0RTC引腳同樣通過光電隔離，把控制信 號(hào)加到功率三極Q1管端的基極，該三極管Q1相當(dāng)于一只電子開關(guān)，可使電磁轉(zhuǎn)向液壓閥的 某一個(gè)繼電器線圈得電而使電磁閥的閥芯產(chǎn)生移位，從而達(dá)到控制向左，或向右轉(zhuǎn)彎等效 果；單片機(jī)的CCP1引腳輸出PWM脈沖波，同樣通過光電隔離，把PWM波加到開關(guān)三極管Q2 的基極，其集電極作為PWM信號(hào)的輸出引腳連接到電控節(jié)流閥的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的PWM輸入引 腳；而單片機(jī)P0RTC的RC3引腳輸出電平信號(hào)，經(jīng)光耦的隔離、三極管Q3的信號(hào)整形后，連 接到直流減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的DIR引腳，設(shè)置直流減速電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向，達(dá)到控制電控節(jié)流 閥伸縮的目的；單片機(jī)的又通過CAN接口與總線底板上的CAN總線連通。至此，即可實(shí)現(xiàn)由 電子轉(zhuǎn)向手柄手動(dòng)控制收割機(jī)轉(zhuǎn)向、升降割臺(tái)的目的，也可由導(dǎo)航控制器控制的目的。
[0013] 上述硬件電路的軟件控制方法是：初始化模塊對(duì)單片機(jī)U2的RA、RB、RC端口、CAN 通訊控制寄存器、PWM寄存器和定時(shí)器TMER0作出設(shè)置，清空CAN通訊的自定義接收、發(fā)送 緩存，開啟定