汽车拖拉机底盘构造与理论课件：电动拖拉机及无人驾驶拖拉机技术

电动拖拉机及无人驾驶拖拉机技术第一节

电动拖拉机第二节

无人驾驶拖拉机第一节电动拖拉机一、电动拖拉机发展历程电动拖拉机最早出现在20世纪初，纵观100多年的发展历史，电动拖拉机的发展历程可以划分为三个阶段。1、早期阶段早期发展阶段是20世纪70年代以前，该阶段电动拖拉机的主要特点是：①由于电池技术的限制，早期电动拖拉机主要依靠电轨的方式提供能源

,作业范围受限；②受限于当时农机工业的总体水平，早期电动拖拉机结构较为简单，多

数采用手扶式结构，部分采用轮式和履带式结构。2、中期阶段从20世纪70年代起至21世纪初，电动拖拉机经历了中期发展阶段，该阶段的主要特点是：①随着蓄电池技术的发展，电动拖拉机的供能方式由电轨形式转化为车

载电池，增加了电动拖拉机的作业范围和实用性；②受限于铅酸电池能量密度和当时电子控制技术水平，中期阶段的电动拖拉机功率较小，连续作业能力较弱，不具备农田重负荷作业能力，主要从事

割草、园艺等家庭轻型作业。3、现阶段21世纪初至今，受能源形势影响，新能源技术快速发展，电动拖拉机发展呈现四条技术路线，分别是：①继续发展小型化的专用机型，使用先进的集成电力电子技术，通过提高电

动拖拉机的轻便性和转向灵敏性提高产品的性能；②利用增程式电驱技术，通过燃油发电机组或燃料电池等辅助能源增加电动拖拉机的额定功率和续航里程，提高电动拖拉机对大功率农田作业的适应性；并逐步降低混合度，向较大功率纯电动拖拉机发展；③利用新能源方面的前沿技术，由小型化的专用产品向一般用途电动拖拉机

发展，逐步增加整机的额定功率与续航时间；④

利用智能算法、环境感知、导航定位和路径规划等技术，电动拖拉机逐渐向智能化、无人化方向发展。电动拖拉机按能源系统划分按行走装置划分●增程式电动拖拉机●纯电动拖拉机●轮式电动拖拉机●履带式电动拖拉机●手扶式电动拖拉机按功率分流的物

理形式和整机包

含的电动机数量

划分●机械分流单电动机电动拖拉机●电力分流双电动机电动拖拉机二

、

电

动

拖

拉

机

的

分

类1、增程式电动拖拉机增程式电动拖拉机能源系统由增程器和蓄电池组构成，增程器通常具有的形

式为柴油发电增程器、燃料电池增程器等。2、纯电动拖拉机从整机工作原理角度，纯电动拖拉机的结构主要为机械分流的单电机电动拖拉机和电力分流的双电机电动拖拉机。单电机式电动拖拉机由机械装置将驱动电动机输出的机械功率分别传递至驱

动轮和PTO。双电机式电动拖拉机的驱动轮和PTO由独立的电动机驱动，可以根据工况需

要独立调速。3、其他类型电动拖拉机轮边驱动式电动拖拉机主要是指将电机装在单个车轮边上实现单独驱动

,在整体上取消主减速器和差速器。履带式电动拖拉机的整机由驱动电动机提供功率，可采用电池组或柴油发电机组供电，具有在传统履带拖拉机上快速改装的特点。手扶式电动拖拉机可根据工况需要与单轴车身组成骑乘式电动拖拉机。三、电动拖拉机的控制技术1、能量管理技术能量管理对电动拖拉机的性能影响较大，对于纯电动拖拉机，通过对蓄电池组充放电过程有效控制，可使放电过程满足不同工况对电功率的需求，尽可能地提高电池的使用寿命。2、驱动系统控制技术驱动系统控制策略的主要目的为通过控制驱动电动机、

PTO电动机、变速器的工作状态，改善电动拖拉机在不同复杂工况下的作业性能。3、通信技术通信系统用于实现整机控制框架内各通信节点之间收发信息，通信协议通信

系统执行的内在规则，其类型由通信总线决定。目前电动拖拉机以CAN总线为主进行通信。四、电动拖拉机的仿真与测试技术1、电动拖拉机仿真技术目前，进行电动拖拉机性能仿真时采用的软件工具有MATLAB/Simulink、ADVISOR

、AVL

CRUISE

、Simulation

X

、Carsim

、RecurDyn。车辆仿真过程根据数据流方向分为后向仿真与前向仿真两种。后向型仿真以工况载荷作为数据

输入，经过整机仿真模型计算后与控制策略形成数据闭环，仿真过程较简单。后

向型仿真软件有MATLAB/Simulink

、ADVISOR。

前向型仿真以驾驶员模型为

输入，与控制策略、整机仿真模型和工况形成数据闭环，更加接近车辆真实运行

状态。前向型仿真软件包含AVL

CRUISE、Carsim等。MATLAB/Simulink是进行物理系统仿真的通用平台，需要根据仿真对象的数学模型搭建模块化的仿真模型，适用范围较广，缺点为搭建整机仿真建模

过程繁琐，工作量大，适合对部件或控制策略进行仿真。ADVISOR

是在Simulink

环境下开发的半开源型整机仿真软件，包含的传动系统模块、发动机模块、热效应模块、通信模块等子模块之间通过Workpace实现数据动态交互。优点为简化了整机仿真建模过程，保留了对仿真对象数学模型的修改功能。缺点为该软件2004年后更新缓慢，新型仿真技术和功能

不足，难以对各子模块之间的通讯关系直接定义，无法用于控制器硬件在环

测

试。AVL

CRUISE是目前车辆研发领域常用的整机仿真软件，具有多种仿真功能和数据流模式，开发过程较简单，软件更新速率较快，仿真精度较高，缺

点是无法对各部件模块的内置数学模型修改。Cairsim主要用于车辆转向稳定性、制动性和平顺性等动态特性仿真的软件，应用较为广泛，与其他常用性能仿真软件具有数据接口，可以进行联合仿真O2、电动拖拉机测试技术控制器硬件在环测试(Hardware

in

the

Loop,简称HIL)是在虚拟环境下测试控制器效果的方法。过程为将受控对象的部件或整机仿真模型载入HIL设备，根

据整机通信协议进行配置后与控制器形成通信闭环，启动运行后，控制器根据

HIL设备提供的控制变量发出信号，对仿真模型进行控制。相比控制策略模型在

环仿真，HIL测试可以实现对控制器硬件设计和软件执行过程测试、

调试和标定

。目前常用的HIL设备为dSPACE和ETAS,

二者在数据格式、软件兼容性上存

在一些差异。台架试验技术对电动拖拉机的部件匹配、总成测试、系统标定和整机性能分析等具有重要作用。利用部件或总成台架试验结果与整机之间的机电关系

,可于产品开发中前期准确预测整机性能，有效提高了设计开发过程的品质与效率。底盘试验和牵引试验是整机级的试验方法，用于测试拖拉机的牵引性能，加载位置分别为驱动轮和牵引铰接点，受电动化影响较小，采用传统拖拉机

的底盘测功机和负荷车可实现电动拖拉机的底盘试验和牵引试验。五、其他新能源拖拉机1、氢气燃料电池拖拉机利用氢气等燃料和空气中的氧在催化剂的作用下在燃料电池中经电化学反应产生的电能，并作为主要动力源驱动的拖拉机。电力发生电子移动e-氧

气H+H₂O水阴极

阳极隔离膜(氢离子通过)图6

-

7

燃

料

电

池

的

反

应

机

理

图6-8

燃料电池动力系统↵H₂氢气升压变换器电

子

动%O₃H₂OH+e-H₂H+图6-10带有氢气罐的氢-柴油双燃料拖拉机(俯瞰图)该拖拉机扭矩和功率与柴油拖拉机一致，而二氧化碳和氮氧化物的排

放大大降低。2、氢-柴油双燃料拖拉机农场

农牧业废弃物、厨余垃圾生物质沼气制备农场提

纯天然气管网图6-11

生物质能源利用示意图↵New

Holland

T6甲烷动力拖拉机是纽荷兰能源独立农场概念的关键元素,实现了真正的循环经济闭合，

从农场到能源生产再返回农场，

形成一

个完整的二氧化碳天然循环.3、甲烷拖拉机沼

气

制热和发电用于农场机械

的甲烷有机沼渣(肥料)压缩图6-12STEYR

Konzept

油电混合动力拖拉机↵STEYR

Konzept油电混合动力拖拉机由柴油发动机、发电机、动力电池

、轮毂电机、液压泵、电动PTO等组成，在混合动力提升模式下能够达

到250kW

的峰值功率，与某些特定的拖拉机作业中所使用的纯柴油发动机相比，可节省8%的燃油。4、混合动力拖拉机第二节无人驾驶拖拉机一、无人驾驶拖拉机定义无人驾驶拖拉机是一个智能系统高度集成化的智能化平台，搭载全球定位系统、自动转向系统、整车控制系统、环境识别系统、远程视频传输系统、信

息采集系统等，能够实现自主进行农业生产。无人驾驶拖拉机可以24小时不

间断工作，实现精细作业，提高土地利用率；同时不需要人工手动驾驶，降

低人工运行费用，解放了劳动力的同时提高了生产效率。在大区域作业上，

具有明显的技术优势。级别名称定义驾驶操纵周边监控接

管应用场景L0↵无驾驶自动

化↵由驾驶员全权驾驶车辆驾驶员驾驶员驾驶员无L1↵驾驶员辅助车辆对方向盘和加减速中的一项操作提供驾驶，驾驶员负责其余的驾驶动作驾驶员和车辆驾驶员驾驶员限定场景↵L2↵部分驾驶自

动

化↵车辆对方向盘和加减速中的多项操作提供驾驶，驾驶员负责其余的驾驶动作车辆驾驶员驾驶员L3↵有条件驾驶自动化↵由车辆完成绝大部分驾驶操作，驾驶员需保持注意力集中以备不时之需车辆车辆驾驶员L4↵高度驾驶自动化由车辆完成所有驾驶操作，驾驶员无需保持注意力，但限定道路和环境条件车辆车辆车辆L5↵完全驾驶自

动

化↵由车辆完成所有驾驶操作，驾驶员无需保持注意力车辆车辆车辆所有场景二、无人驾驶的分类表6-1

SAE

关于汽车自动驾驶的分级↵e↵↵↵↵级别名称描述1↵导航仍由操作员操作车辆，导航可以提高运行准确性，提高工作效率2↵协调和优化使用农机和环境的数据形成信息枢纽，使得操作员控制的装备之间实现通信3↵操作员协助下的自动驾驶自动驾驶系统可以接管基础的行进任务，操作员可以专注于装备的作业4↵有监督的自动驾驶操作员需要现场监督监控无人驾驶的设备作业，同时可以进行其他工作5↵完全的自动驾驶完全的自动驾驶装备，可以在远程监督下作业，或通过人工智能进行操作表6-2

农业装备自动驾驶分类↵三、无人驾驶拖拉机工作原理无人驾驶就是让拖拉机自己拥有环境感知、路径规划并自主实现车辆控制的技术，也就是用电子技术控制拖拉机进行的仿人驾驶或是自动驾驶。传感器是“眼睛”,能360度感知障碍物的远近深浅；车辆控制技术是“大脑”,能实时感知环境信息。1、拖拉机正常工作时：在拖拉机开始行驶时，导航系统测得动态数据，远程控制模块通过无线通讯与中央处理器连接。中央处理器将补偿后的位置信息与电子地图上已规划好的路径进行对比，修正偏差值后，通过自动转向变速系统来控

制无人驾驶拖拉机的行驶方向和速度。2、拖拉机工作在紧急情况时：拖拉机行进中，前方出现的障碍物或行人与拖拉机的距离进入危险范围时视为紧急情况。此时CPU

发出指令，紧急制动熄火，确保行车安全。3、系统对拖拉机的远程控制：

远程控制系统通过无线通讯与中央处理器连接，

中央处理器接到指令后控制变速转向机构完成相应动作。四、无人驾驶拖拉机智能系统1、智能感知系统参考汽车自动驾驶，无人驾驶拖拉机的智能感知分为机外感知和机内感知。机外感

知是指对作业环境和对象信息参数的感知，包括农田土壤信息感知、地形感知和作业障碍感知等。机内感知是指对拖拉机自身的工作参数及作业状态参数的感知等。2、智能决策系统决策是保证无人驾驶拖拉机高效、高精度及高品质作业的关键，主要技术包括变量作业决策技术、

路径规划决策技术等。变量作业智能决策是指根据作业过程中的传感器数据，结合专家系统、知识库和数

据库里的信息，

得出控制策略。作业路径规划是指必须满足相关农艺规范的要求，实现作业区域内不重、不漏前提

下，对作业距离、时间、转弯次数、能耗等参数优化，寻找合理的行走路线，是无人驾驶拖拉机不可或缺的环节。3、智能执行系统智能执行系统就是相当于人类的手和脚对拖拉机的运行做出控制。无人驾驶是自动驾

驶发展的最高阶段，由拖拉机完成所有驾驶操作。五、无人驾驶拖拉机的关键技术1、DGPS

导航DGPS(差分GPS)是在一个精确的已知位置上安装监测接收机，计算得到

它能跟踪的每颗GPS

卫星的距离误差。该差值通常称为PRC

(伪距离修正

值),将此数据传送给用户接收机作误差修正，从而提高了定位精度。2、地形补偿为适应高精度的需要，系统采用了地形补偿技术，通过姿态纠偏模块所采集到的拖拉机的上坡、下坡、偏航、倾斜等状态信息，补偿不同地形对拖拉机行进产生的影响，减小拖拉机实际行驶轨迹和预定规划路径之间的偏差。3、路径规划如何实现高效的路径规划，使得有效的降低耕地的次数，节省能耗，避免漏掉耕地的问题。目前较为可行的方案是：将目标耕地的边界参数作为输入参

数，根据耕地农具的幅宽(耕作一下能覆盖到土地的宽度),将耕地的宽度平均划分(不足幅宽的按照幅宽算),在从头到尾作业一次发送调头信号时

,通过程序控制无人机向相邻附近移动一个幅宽的距离后掉头。此时可以避

免重复耕作和漏耕。4、自动转向自动转向是拖拉机实现无人驾驶的关键技术之一，涉及自动转向系统、转向控

制方法等。关于田间作业，从田头到田尾作业一次，如何精确控制无人机具，

遇到田头(田埂)时，能精确的提升耕地机具并且掉头后落下机具?软件方面

耕作田地长度一定，将其作为基数参数，以田地的

一头为零点(参考点),通

过修正后的GPS

精确定位无人机位置，计算与零点之间的距离，从而求得此运

行距离与基数参数的差，当差为0时表明参数从头到尾部耕作一次，此时输出控制信号；硬件