研究生开题报告--棉花作业机自动转向系统研究.doc

中国农业大学硕士研究生论文开题报告 所在院系 工 学 院 专 业 车辆工程 学生姓名 入学时间 2012年9月 导师姓名 课题名称 棉花作业机自动转向系统研究 中国农业大学研究生院制填表时间 2013年 4 月 25 日一、 立论依据（以下各项均可加页）（包括课题的研究意义，国内外研究现状分析，附主要的参考文献）1. 课题研究意义自动转向控制系统是实现农业机械自动导航与无人驾驶的关键技术之一。现在农田作业大多都是几十亩的大面积行间作业，这种行间作业要求拖拉机驾驶员在操纵行驶的过程中，要严格保证播种机作业轨迹与作物行平行。因此驾驶员必须技术熟练，精神集中，这就使驾驶员很容易疲劳，从而导致作业精度下降，严重者可能导致安全事故的发生。即使是最好的农机手在进行田间耕作时所能达到的精度也只有10cm，若再经过一天的劳作后，精度会大大降低。而自动驾驶拖拉机可以使精度达到3cm，从而避免重复耕作【1】。另外，人工转向收割机使作业人员无暇顾及作物生长状况及车辆本身的状况，不能在最佳时机对农作物进行施肥和灌溉。本课题旨在设计一款高精度的自动转向系统，用来提高农业机械的作业精度，降低驾驶员劳动强度，使作业机器更好地按指定路径行走，并使得作业人员在作业过程中能对作物生长状况及车辆本身状况进行观察，实时掌握作物的生长状况。从农业发展角度来看，自动导航系统在棉花播种、基肥撒施、中耕、施药和收获中具有非常广阔的发展前景。2. 国外研究现状分析早在20世纪70年代后期，随着工业机器的发展，农业机器人也开始步入研究。20世纪90年代以来，“精准农业技术”的研究与应用在发达国家受到了普遍的重视，已被国际农业科技界认为是21世纪实现农业可持续发展的先导技术【2】。每一款自动导航农业机器和无人驾驶车辆都包含着自动转向技术。要想保证农业车辆自动导航和无人驾驶的精度就必须先保证自动转向系统的精度。现在国外自动导航技术和无人驾驶技术已经非常成熟，由此可见国外的自动转向系统研究也已经非常成熟。R.P. Van Zuydam设计了拖拉机的助力转向系统，为驾驶者提供转向协助，并用拖拉机进行了田间测试。实验结果显示：曲线跟踪的最大横向偏差是12cm，直线跟踪的平均偏差为2cm，拖拉机的速度是5.2Km/h。另外，他还用大型车辆在水泥路上进行了实验，用一个电动侧移执行器在地上画出粉笔线用来表示农具实际行驶的轨迹。实验证明，当车辆在速度为3.6km/h时，平均偏差为1cm【3】。H. Qiu和Q. Zhang等设置了一个电液转向控制系统，此HIL仿真器由一个计算机仿真与控制、多功能I / O的PCI数据采集卡与A / D及D / A转换器、一个传感器和控制器的I / O设备、一个PWM电液阀驱动器、E / H转向控制阀、液压转向助力油缸和液压动力单元组成。结构示意图如图1，并将此仿真器安装在农用车上进行测试，在正弦曲线跟踪试验中，最大误差为1.8，均方根误差为0.84【4】。图1 电液转向控制系统的结构示意图在国外，像Volvo、John Deere、NEW HOLLAND等许多汽车厂家也纷纷对自动转向系统进行了研究。约翰迪尔iSteer是一个智能农具转向系统，它应用液压输出阀自动转向，控制农具方向，使其沿所需轨迹运动。iSteer系统确定拖拉机行驶的AB行导向轨迹，并控制农具沿该轨迹运动【5】。在2011英国防务展上，英国著名的越野车制造厂商约翰迪尔公司和波音英国分公司共同发布了一款由两家公司合作研制的新式无人运输车。这款被称为R-Gator A3 Assisted Carriage System ACS辅助运输系统的无人运输车是在约翰迪尔公司的R-Gator无人多用途车基础上研制的。它拥有全天候自动驾驶能力，但仍保留手动操纵系统【6】。2012年10月17日日产汽车宣布，开发出了一种利用多个传感器检测车辆周围的障碍物，每当有行人突然出现时会通过自动转向避免碰撞的功能，并对新开发的功能进行了两项演示，一项是从汽车旁边突然出现行人时的演示，另一项是当前方车辆停止刹车也来不及避免碰撞时的演示。两种场景均通过自动转向避开了障碍物，然后再自动打回方向盘恢复直行状态【7】。Volvo也宣布预计在2014年推出全自动驾驶车辆S60，目前实车正在测试当中，这个系统可以让汽车以50km/h以下的速度自动跟随前方车辆行驶，S60的方向盘随之自动转向【8】【9】。3. 国内研究现状我国是一个农业大国，农业问题关系是到经济社会发展的根本问题，所以对精准农业发展投入研究成为时代之趋。随着自动导航技术的发展，对转向系统的研究也越来越多，越来越趋于成熟。在国内，石河子大学、南京农业大学、西北农林大学以及中国农业大学等高校对自动转向系统进行了研究，这些研究主要分为四类：方向盘上加摩擦装置、液压阀类、全液压转向器类以及电液助力转向类。3.1 方向盘上加摩擦装置在不改变原有的转向系统的基础上，模拟人的操作，直接在方向盘上或者方向盘转轴上加上摩擦装置，并用电动机控制转向以及转速。这方面研究较多，石河子大学的李军，马蓉在2012年对自动转向系统研究方案进行详细了论证，提出了由步进电机输出轴固定摩擦装置，驱动拖拉机转向盘转向控制系统，建立了拖拉机自动驾驶的运动学模型，讨论基于模型的最优控制理论算法，研究参数在控制中对精度的影响，并对设计的系统进行了实验。在速度为0.5 ms的直线跟踪实验中，平均偏差为00942 m，曲线跟踪实验中，平均偏差为0.7574 m。可以看出，所设计的系统直线跟踪时精度比较好，但是曲线跟踪时精度较差【10】。其转向方案实体图及效果图如图2所示。图2 转向方案实体图及效果图沈阳农业大学的任文涛在2012年以久保田NSD8型插秧机为研究平台，在保证现有转向机构可用性的基础上，设计了由离合轴、链传动机构、U型螺栓、转向辅助装置、步进动电机等组成的一种遥控自动转向系统，图3为液压转向执行机构。并用AT89S52单片机为整体遥控、控制系统信号采集、接收器信号接收、自动转向控制的控制器。在平地上进行了直线跟踪实验，最大偏差为0.027m，平均值为0.0046m。但是考虑到实际作业环境中路面比较颠簸，偏差也会相应加大，另外这种方式也还存在直线跟踪时无法自动纠正航向角的缺点【11】。图3 转向执行机构简图该类系统不需要对拖拉机进行油路的改造，改装简单、成本低廉。但是它对摩擦装置的要求较高；自动转向时方向盘始终转动，比较适合无人驾驶的情况，若有驾驶员在的话，会带来很大的不便。3.2 液压阀实现以电液比例阀为主要控制元件的转向控制系统，比例阀是实现元件和系统被控制量与控制量之间线性关系的技术手段。依靠这一手段保证输出量大小按比例随着输入量而变化。南京农业大学在自动转向系统设计这方面进行了多年的研究，并取得了一定的成果。常江雪等在2012年对拖拉机的线性液压转向系统进行了总体设计，提出了用电液比例阀实现转向控制，并采用模糊控制实现前轮转角的闭环控制，并用Matlab/Simulink 对整个系统进行仿真，获得了油缸位移的响应曲线【12】。田丰年等人针对传统的全液压转向系统需要将油路通到转向盘下面的转向器中，而这个空间实际上比较狭小，油路布置非常困难的问题，对液压系统进行了改造，在已有的电控液压动力系统的基础上，提出了联合控制电机和电磁阀的控制策略，并采用基于PID神经网络算法对系统进行控制，采用Matlab与AMEsim 软件进行联合仿真试验，试验证明，该系统继承了全液压转向系统的特点，同时又具有实时响应快，转向舒适度高等特点【13】。王庆等在2010年以东风604型拖拉机为研究对象，采用电液比例换向阀实现自动转向，并使用三通压力补偿器对比例阀进出口的压力进行补偿，从而减少压力对比例阀线性度的影响。将原有系统的单出杆单作用液压缸改成双出杆双作用液压缸，从而解决了拖拉机左右转向一致性差的问题。最后利用Matlab软件得到了所设计的转向机构的转向特性曲线，该系统实现了全液压转向器的功能【14】。华南农业大学吴晓鹏等2009年以东方红X804型拖拉机为平台，改造原拖拉机的油路，使用电控比例液压阀，并设计电控单元，选用C8051F040单片机作为控制器，组成了自动转向控制系统，试验结果表明：信号跟踪的最大误差1.11、平均误差0.15、平均延时为0.12 s【15】。1、6.手动切换阀 2.转向前轮 3.转向油缸 4.油管 5.方向盘 7.转向液压泵 8.油箱 9.安全阀 10.转向器 11.比例阀 12.三位四通换向电磁阀图4 改装后东方红-X804转向机构示意图中国农业大学王卿等2007年采用了以电磁比例换向阀为核心的自动转向系统，并使用溢流阀实现将原有的恒流液压系统转换成恒压系统，并在电磁比例换向阀在中位时使溢流阀卸荷，避免系统不工作时油液由于压力升高而发热。并采用了带有非线性补偿的PID控制算法【16】图5 电液控制系统的液压油路图3.3 全液压转向器现在几乎所有的拖拉机转向系统都是用全液压转向器实现，在原有的液压转向系统的基础上并联一套自动转向系统，自动转向部分采用全液压转向器实现，此类改装比较简单，但成本相对较高，且泄露较严重。液压转向器通常都是安装在驾驶室内，而驾驶室本来就已经很狭窄，不利于驾驶舒适性。图6 电液转向系统结构中国农业大学陈文良等在2006年以铁牛645L拖拉机为实验平台，在原有的液压转向系统上并联一套自动转向系统，自动转向部分用全液压转向器实现，并针对控制对象的特点提出了双通道PD控制算法，解决了控制系统的不对称行问题。大目标的跟踪实验中，目标转角与实际转角的最大差值为1.7。小目标跟踪试验中，稳态误差为0.3【17】。冀中能源峰峰集团公司物资供销分公司李占良2009年以全液压转向器为基础，结合数字控制技术，设计了一种具有位移和力反馈的电液转向系统，该系统主要由以下几个部分组成：电子控制单元（ECU）、具有力反馈特性的电子方向盘、传感器、步进电机和全液压转向系统等，并构建了电液转向系统的数学模型，用Matlab软件对系统进行了仿真分析，并对系统进行力和位移的混合控制。采用PID 算法对转向系统进行了实验控制，对正弦信号和阶跃信号进行跟踪，实验表明系统具有良好的跟踪能力。图6为电液转向系统结构【18】。3.4 电液助力转向类电液压转向助力系统克服了机械式液压转向助力系统的缺点。它所有的工作的状态都是由电子控制单元根据车辆的行驶速度、转向角度等信号计算出的最理想状态。简单地说，在低速大转向时，电子控制单元驱动电子液压泵以高速运转输出较大功率，使驾驶员打方向省力；在高速行驶时，液压控制单元驱动电子液压泵以较低的速度运转，在不至于影响高速打转向需要的同时，节省一部分发动机功率【19】。霍立志等2010年设计了一种拖拉机电液自动助力转向（EHPS）系统，通过加装步进电机、步进电机驱动器、电磁换向阀和蓄电池等设备，实现了转矩感应型助力特性的液压助力转向，系统通过判断方向盘阻力转矩是否达到设定值来控制是否启动助力，既可保证转向轻便性，确保实时提供足够助力，又减少能量损失。采用双通道PD控制解决了由于单出杆转向油缸而造成的左右转向不对称的问题，作者还在AMEsim 软件建立了EHPS系统仿真模型，在该仿真模型中能有效地处理拖拉机电液助力转向系统中存在大量的非线性摩擦、阻尼。分析表明具有较高的响应速度和控制精度。其电液助力转向系统如图7所示【20】。图7 EHPS系统结构图该系统与全液压转向器相比，转向力和油压压力损失比较大，且可靠性也相对差。4. 小结综上所述，我国自动转向控制与国外相比较还有一定的距离，这方面国外已经形成较成熟的产品，而我国大多数的用户都是使用国外的产品，一方面是由于技术较成熟，另一方面是价格便宜。国内在自动转向系统方面一直都在研究，由于技术不够成熟很少做出产品投入市场。所以设计一款成本低廉、性能较好的自动转向系统是大势所趋。5. 参考文献1陈潭.无人驾驶拖拉机将改变农业耕作方式.科技发展与展望.1997(3)2胡桂仙,于勇,王俊农业机器人的开发与应用.中国农机化.2002(5)：45-473R.P.VanZuydam.Adriverssteeringaidforanagriculturalimplement,basedonanelectronicmapandRealTimeKinematicDGPS.ComputersandElectronicsinAgriculture.24(1999)1531634H.Qiu,Q.Zhang,J.F.Reid.fuzzycontrolofelectrohydraulicsteeringsystemsforagriculturalvehicles.2001AmericanSocietyofAgriculturalEngineersISSN00012351.Vol.44(6):139714025科技引领未来约翰迪尔获得八项产品AE50奖/detail/2011/04/2011041910423142_2.shtml6英国新型无人运输车可以自动导航避障驾驶/2011-09-15/1725665609.html7日产演示通过自动转向避免碰撞的功能/News/2013/03/1802340134160188913340.shtml8沃尔沃全自动驾驶车辆上路2014年发售/nation/jkkx/1210/2185440.html9沃尔沃自动安全列队驾驶首次实车测试/48966/news_detail2274933.html10李军,马蓉.拖拉机自动转向系统设计研究.拖拉机与农用运输车.2012.V0139No475011任文涛,迟德霞等.遥控插秧机自动转向系统设计与试验.农业机械学报，2012(01)第43卷第1期，17517912常江雪,鲁植雄,白学峰等拖拉机新型线控液压转向系统的研究与仿真，南京农业大学工学院江西农业学报.2012.24(8):10510813田丰年,鲁植雄等.基于PID神经网络算法的新型电控液压动力转向系统,公路交通科技,2010.8.vol27No.8.13614214王庆.拖拉机电控液压动力转向系统的转向机构及液压系统设计D.南京：南京农业大学，201015吴晓鹏,赵祚喜等.东方红拖拉机自动转向控制系统设计.农业机械学报.第40卷.200916何卿.基于多传感器融合的拖拉机行间导航系统研究D.北京:中国农业大学，200717陈文良.拖拉机自动驾驶转向控制系统的研制D北京：中国农业大学，200618李占良.一种工程车辆用电液转向系统的设计研究.河北煤炭.2009(6)，P48-5019/other/20120629/1505747947.html20霍立志,吕新民,郭贵生.拖拉机电液助力转向系统的研究.农机化研究,2012(3).222224二、 研究方案（以下各项均可加页）（包括研究目标、研究内容、拟采取的研究方法、技术路线、实验方案及可行性分析和预期的研究进展）1. 研究目标研究自动导航控制系统的自动转向系统，对拖拉机的转向系统的液压油路进行改造，并设计自动转向控制器。2. 研究内容2.1 棉花作业机械自动转向液压系统分析棉花作业机械手动转向系统的结构特点和工作性能，设计自动转向液压系统油路，建立其液压控制模型，进行液压系统仿真分析，研制棉花作业机械自动转向装置。2.2 棉花作业机械自动转向控制系统设计棉花作业机械自动转向控制算法，研制自动转向控制器；根据获取的棉花作业机械定位信息，研究导航控制算法，进行机-电-液联合仿真分析，研制棉花作业机械导航控制器。2.3 棉花作业机械自动转向性能研究搭建棉花作业机械自动转向试验台，研究自动转向系统的控制精度、响应速度、稳定性等及影响自动转向性能的参数。3. 拟采取的研究方法本课题采用的研究方法有文献研究法、探索性研究法、模型法和实验法。首先运用文献研究法对拖拉机自动转向系统的相关资料进行查询，了解自动转向系统的发展历史和国内外现状，并以此为基础，通过探索性研究法设计出一个性能或精度更好的自动转向系统，确定油路改造、控制算法等；再采用模型方法建立模型并进行仿真分析；最后通过实验法对系统参数进行整定，从而得到符合要求的自动转向控制系统。4. 技术路线5. 实验方案及可行性分析5.1 实验方案5.1.1 自动转向控制系统机构改造方案根据棉花作业机器的不同需求，转向控制系统应该具有人工转向和自动转向两种模式，因此必须保留作业机器原有的转向功能。系统通过电液控制实现转向的控制，其控制结构图如下： 图1 自动转向控制液压结构图系统工作原理：人工转向与自动转向功能由人工/智能切换阀实现，切换在自动转向功能时，人工转向处于隔离状态，不起转向作用，比例方向控制阀用来控制转向方向，并通过电流大小控制流量大小从而控制转角大小，比例方向阀在中位时卸荷，以避免系统非工作状态的产热；压力补偿器用来保证比例方向控制阀进出口压力恒定；溢流阀保证系统压力恒定。5.1.2 自动转向控制系统转向控制系统硬件设计主要包括转向控制器最小电路的设计、驱动系统电路设计以及输入输出的设计，硬件图如下：图2 转向控制硬件框图自动转向控制系统要使转向执行机构快速准确的实现转向操作，选择一个合适的控制算法是非常重要的，类比其他转向控制系统，本研究拟采用PID控制算法。控制原理图如图3。控制系统工作原理：转向控制采用的是闭环控制，上位机给出目标转角以后，转向控制器将目标转角和实际转角进行比较得出转角偏差，由PID控制算法根据偏差信号计算得出比例阀的开度大小，从而控制流量大小来减小偏差，系统重复的进行这一过程，从而使系统更好的跟踪目标。图3 转向控制原理图5.1.3 自动转向性能研究课题研究初期，先以学院的液压实验室为基础，搭建液压系统实验平台，并进行一些基本实验，确保系统可行的前提下，将系统安装在棉花作业机器上，进行路径跟踪实验，确定最优的控制参数。5.2 可行性分析（1）本课题可能要涉及到液压、电控和变成等方面的知识，而实验室老师在这些方面都有非常丰富的经验，能为整个课题提供强大的技术支持。（2）拟采用比例方向控制阀对油路进行改造，可确定被控对象为比例电磁铁，通过电流大小控制阀门开口大小。这方面实验室进行过一定的研究，留下了宝贵的经验。（3）比例方向控制阀、PID控制算法等方面技术都比较成熟，能达到较高精度。6. 预期研究进展（1）2013年1月2010年3月查阅棉花作业机械的类型、转向机构特点、液压转向系统的组成和特点的有关