农用柔性底盘偏置轴转向机构联动耦合控制策略及试验

针对农用柔性底盘前轮转向时两偏置轴转向机构难以保持联动关系而影响顺利转弯的问题,基于阿克曼转向几何与交叉耦合控制原理,设计了偏置轴转向机构联动耦合控制策略,采用模糊PID控制算法对两转向轮转角联动轮廓误差进行补偿,并依据方向盘信号大小和变化率对电磁摩擦锁PWM控制信号占空比进行调节,以匹配偏置电动轮转向的角速度,使两转向机构形成耦合而保持期望联动关系;基于MATLAB/Simulink对控制策略进行了仿真,且在硬化路面上实施了阶跃转向、蛇行转向及随机转向3种运动方式的试验验证,并对比分析了转角分配控制下的前轮转向效果。试验结果表明:耦合控制方法下柔性底盘前轮阶跃转向响应均在0.8 s内,左、右侧转角最大超调为1.3°;电磁摩擦锁的开闭可较好匹配电动轮的转向;左、右前轮对于各自目标角具有良好的跟踪性能;3种转向方式下最大与平均跟随误差值均小于分配控制方法;两轮联动的最大与平均转角轮廓误差分别为:阶跃转向1.2°与0.6°、蛇行转向1.1°与0.6°、随机转向1.0°与0.5°;耦合控制下仿真与试验转角的轮廓误差变化趋势一致,最大误差为2.2°,证明仿真模型合理有效。耦合控制下偏置轴转向机构联动控制效果优于转角分配控制,转向效果良好,该文提出的柔性底盘偏置轴转向机构联动耦合控制策略有效且可行。     

基于PWM信号的农用柔性底盘驱动与转向协同控制特性试验

针对四轮独立驱动独立转向的农用柔性底盘驱动转向时需要同时打开和锁紧电磁摩擦锁的矛盾,该文提出一种基于脉冲宽度调制信号(pulse width modulation,PWM)的电磁摩擦锁控制方法来实现偏置转向轴机构的分时步进驱动和转向,并利用自制偏置转向轴试验台,采用双因素试验测试了PWM波频率和占空比对偏置转向轴电磁摩擦锁脉冲锁紧力矩的影响,采用三元二次正交旋转组合试验测试了分时步进驱动和转向时频率、占空比和轮毂电机转速对转向特性的影响。双因素试验结果表明:频率、占空比及其交互作用对脉冲锁紧力矩均有极显著影响(P0.01);在频率4~24 Hz、占空比20%~80%时,锁紧力矩变化范围为6.822~40.046 N·m;旋转组合试验结果表明:频率、占空比、两者交互作用及轮毂电机初始转速对分时步进转向时转向平均角速度均有显著影响(P0.05),转向平均角速度随占空比和轮毂电机初始转速增大而减小,随频率增大而缓慢增大,在频率4~24 Hz、占空比20%~80%、初始转速30~120 r/min时,转向平均角速度变化范围为0~0.514 rad/s。该结论可为农用柔性底盘驱动与转向协同控制提供参考。     

基于虚拟样机的倒立摆惯性参数实验台改进设计

针对倒立摆惯性参数测量实验台,提出了一种能快速获取被测物体质心坐标和惯性参数矩阵的测量流程及数据处理方法。利用ADAMS软件建立了倒立摆惯性参数实验台虚拟样机,并进行了虚拟测量,分析了台架转动部分质心相对于转轴的偏置量和自身转动惯量对测量精度的影响。结果表明：减小台架自身转动惯量和转轴偏置量能显著提高测量精度。在此基础上,设计了一种测试物体全惯性参数的无偏置轴倒立摆实验台,利用该实验台对动力总成进行了测量,获得了其质心位置和完整惯性矩阵。该实验台的设计为快速、准确地获取复杂部件的完整惯性参数提供了条件。     

橡胶履带轮静态接地压力测试与建模

为快速有效预测橡胶履带轮接地压力,该文针对橡胶履带轮静态接地压力进行了试验研究和数学建模。首先对不同载荷下橡胶履带轮在坚实地面和松软地面的接地压力进行了测试。结果表明:在履带长度方向上,橡胶履带轮接地压力呈多峰值非均匀分布,同时其峰值呈钟罩型分布,且载荷越大,峰值分布越均匀。根据测试结果提出了一种橡胶履带轮静态接地压力分布数学模型,履带长度方向的接地压力采用二次余弦函数表示,履带宽度方向的接地压力采用线性函数表示。相较于其他模型,该模型采用地面硬度参数表征不同的地面条件,避免了进行土壤承压和剪切试验,提高了模型的实用性。最后,基于该模型对橡胶履带轮转向性能进行了仿真计算和试验验证。结果证明:仿真结果与试验数据最大误差约为4.71%,故该模型能够较好地适用于橡胶履带轮的转向性能分析。该文提出的模型可为橡胶履带轮的结构设计和其他性能研究提供参考。     

双流传动履带式车辆实现方向盘转向的台架试验

为了使履带车辆的转向操作简便,并降低发动机的功率储备,在现有静液压双流差速转向装置的基础上,设计了一套与其匹配的采用方向盘操纵的控制装置,利用方向盘转角来控制两个定量马达的转速,再通过可差速传动的机械式变速箱分配到两侧驱动轮上,从而实现履带车辆双流传动装置转向期间车辆自动无级降速.通过台架空载试验测得车辆两侧驱动轮输出轴转速与方向盘转角之间的对应关系,并与理论计算仿真结果进行比较.结果表明:使用方向盘转向来实现履带车辆转向期间自动无级降速是可行的,为进一步研究方向盘操纵双流传动履带车辆转向装置提供充分可靠的理论依据.     

履带车辆差速转向机构转向过程动态特性的试验方法

该文研究了履带车辆在不同转向半径下转向的两侧履带功率流动特性及液压无级差速转向机构的工作原理。在此基础上,确定了用试验台模拟履带车辆转向过程的试验方案,提出了用试验台驱动装置模拟发动机特性以及加载装置模拟转向过程动态负载的方法,完成液压无级差速转向机构转向过程的动态特性试验。结果表明：履带车辆转向过程中内侧履带由输出功率到输入功率以及外侧履带输出功率进一步增大的变化特点,能够在液压二次调节实验台上予以完成。此试验方法成功解决了履带车辆转向特性试验的台架实现问题。     

电动轮式移动小车控制系统设计与试验

为了实现电动轮式移动小车能在实际不同的负载和路况下可以稳定的运行工作,该文研制了小车的四轮独立驱动的电机驱动和四轮转向控制系统,该系统由主控制芯片STM32F103RCT6对移动小车进行解算得出4个驱动轮的速度,然后对每个驱动电机进行转矩分配,控制4台用于驱动的无刷直流轮毂电机、2台转向直流电机以及2台制动用直流电机,使得小车实现直线行驶、转向和原地转向;通过单片机ATMEGA48PA控制4台无刷直流轮毂电机换相;采用驱动芯片IR2113驱动场效应管FQA140N10,并利用电机内部霍尔传感器输出的脉冲信号检测无刷直流电机的速度,采用放大器LM358搭建过载保护电路。试验结果表明,所开发的小车驱动控制系统实现了四轮电子差速与转矩分配,移动小车能在水泥路面、干泥土路面、斜坡和草地上稳定可靠运行,小车限速20 km/h,爬坡度为8°。在空载情况下能匀速运行8~10 h,带额定负载250 kg情况下能匀速运行4~5 h,有较好的负载性能,满足农业运输及农田作业的需求,减轻人的体力劳动,提高生产效率。该研究可为应用于田间作业的电动移动小车的机械设计及电气控制系统设计提供参考。     

动力差速转向机构履带车辆载荷比与转向系数的关系

为了研究采用动力差速转向机构的液压机械双流驱动系统履带车辆转向时的功率增长程度,该文对其载荷比和转向系数进行理论研究,并获得了两者之间的关系,与其他转向机构的载荷比-转向系数射线比较,分析了载荷比的增长情况。通过样机试验和计算获得了载荷比和转向系数的数值和关系,并绘制了载荷比-转向系数射线。载荷比与转向系数的关系可用来评价动力差速转向机构的转向性能。该文为进一步分析采用动力差速式转向机构的液压机械双流驱动系统的转向性能提供了参考。     

振动式枸杞采摘机理仿真分析与样机试验

为了实现枸杞机械化采摘,该文研究了枸杞振动采摘机理,并建立振动采摘力学模型,分析求解得到枸杞挂果枝条受迫振动时各节点处枸杞和花朵所受惯性力的通解。运用MATLAB对振动式枸杞采摘机工作参数进行优化和仿真试验,优化得到合理的迫振载荷和驱动轮转速组合,仿真试验得到受迫振动枸杞挂果枝条各节点处枸杞与花朵所受采摘惯性力随转速变化规律仿真曲线,对转速取值进行调整。最后进行了枸杞采摘试验,试验得到合理的驱动轮转速为2 870 r/min,该转速水平在仿真得到的合理的转速区间为2 868.84~2 871.21 r/min。试验转速为2870 r/min时,成熟枸杞采摘效率为815颗/min,成熟枸杞采净率为86.70%,未成熟枸杞采摘率为7.36%,花朵采摘率为7.43%,成熟枸杞损伤率为8.62%,机采人采效率比为5.43,试验结果与仿真结论一致。研究结果可为枸杞振动采摘机的研制提供参考。     

甘蔗收获机剥叶断尾系统的设计与转速优化

为了考察碎叶轮、剥叶轮及断尾轮转速对甘蔗剥叶断尾效果的影响规律,设计并制造了作业转速可调的甘蔗割后集成作业试验台,并进行甘蔗剥叶断尾试验。采用二次回归通用旋转组合试验设计方法,以碎叶轮转速、剥叶轮转速和断尾轮转速为试验因素,以甘蔗未剥净率、断尾率、伤皮率和未折断率为试验指标,利用SAS9.3软件进行回归分析和响应面分析,研究单因子及交互效应对响应值的影响规律;结合非线性优化的计算方法,对试验台各工作部件的工作参数进行优化计算,确立影响甘蔗剥叶断尾质量的最佳参数组合为:碎叶轮转速为512.9 r/min、剥叶轮转速为418.8 r/min、断尾轮转速为307.0 r/min,此时未剥净率为4.98%、断尾率为88.39%、伤皮率为5.19%、未折断率为96.21%,试验验证表明未剥净率为4.86%、断尾率为90%、伤皮率为4.78%、未折断率为97.50%,试验验证与理论结果一致,因此所建立的回归模型合理,对设计与提高整杆式甘蔗收获机的收获质量有重要参考价值。     

农用轮式机器人四轮独立转向驱动控制系统设计与试验

针对一般农用轮式机器人转向方式单一、难以适应田间复杂作业环境以及推广应用成本较高等问题,该文设计了一种农用轮式机器人四轮独立转向驱动控制系统,采用模块化设计方法构建了该控制系统的底层硬件部分,结合控制器局域网络(controller area network,CAN)总线、串口通讯和传感器技术实现了该机器人移动轮转角、转速等数据的采集功能且应用了有效的硬件电路隔离保护方案;基于低速阿克曼四轮转向模型与比例积分微分(proportion,integration,differentiation,PID)控制算法分析并验证了该机器人四轮独立转向驱动控制策略的有效性。试验结果表明:该机器人能够通过上位机或遥控器实现其四轮独立转向与转速控制功能,移动轮在0~360°转向过程中,控制效果鲁棒性强、稳定且转角控制的最大平均绝对误差为0.10°,通过上位机设定转速后经0.5~1 s左右,移动轮转速达到稳态,并具有较高转速控制精度。该研究为农用轮式机器人的四轮独立转向驱动控制方法提供了参考。     

小型农用履带底盘多体动力学建模及验证

多体动力学建模及仿真是研究履带车辆动力学性能的重要手段,其分析结果是否可信取决于所建立的动力学模型是否准确。该文以自主研制的小型农用履带底盘为对象,运用极限理论和瞬态运动分析法建立了履带底盘的运动学方程,运用拉格朗日法建立了履带底盘的动力学方程,在此基础上,结合履带底盘的拓扑结构分析建立了其多体动力学模型,并通过不同路面环境下履带底盘直线行驶的实车试验与仿真结果的对比分析验证了模型的有效性、可信度。结果表明:硬质、松软2种路面环境下履带底盘直线行驶时的平均速度、侧向偏移量、驱动轮转矩和履带张紧力等仿真分析数据与实车试验结果的相对误差分别为5.00%、2.27%,3.86%、6.83%,3.15%、4.66%,0.15%、0.62%,吻合度较好,说明所建立的履带底盘动力学模型准确度较高。该研究可为后期履带底盘动力学性能的深入研究提供参考模型。     

基于GNSS姿态与电机编码器的农机转向角度测量系统研制

典型的农业机械自动驾驶系统需要在车辆转向轮上安装角度传感器测量转向角度,存在安装不便与可靠性差问题。该研究提出一种基于GNSS模块和电机编码器组合的转向轮转向角度测量系统。该系统通过组合利用GNSS姿态测量值与运动模型得到转向轮期望角度,利用电机转向速度和全液压转向阀的传递模型推算转向角度变化值,经卡尔曼滤波融合解算得到车辆转向轮的实时转向角度。与霍尔式绝对角度传感器对比的动态测试结果表明,该系统在直线行驶时的测量标准方差小于0.91°,在转向轮-10°～+10°区间,测量标准方差小于1.0°;直线自动驾驶作业时的导航误差小于2.5 cm,曲线作业自动驾驶的导航误差小于9.0 cm,满足农机自动调头等场景应用。     

基于触感引导的小型水田行进底盘自动对行方法

为了解决小型水田底盘因路径偏差导致的稻苗碾压损伤问题,该研究提出一种基于触感引导的自动对行方法。采用自制的感测器获取稻株定位历程触感数据,通过数据的分割阈值设定、区域谷值提取、横向距离标定获得感测器与稻株的横向距离。根据水稻机械化移栽行距规整性,利用行距与定位数据几何关系校验稻株定位数据,解算获得稻列方向相邻稻株中点位置,实现对行目标点坐标提取。基于时变坐标系跟踪方法,控制转向电机实时校正路径偏差,实现小型水田底盘自动对行。田间性能试验表明：当行进速度为0.5 m/s时,自动对行绝对误差平均值为3.11 cm、绝对误差标准差为1.10 cm、绝对误差最大值为4.75 cm,研究成果为水田环境作业底盘自动导航提供了新思路和借鉴。     

温室作业用柔性底盘试验样机的设计

结合设施农业实际作业要求,研制了基于四轮独立驱动与四轮独立转向原理的柔性底盘试验样机.试验样机轮距1320 mm,轴距1200 mm,最小离地间隙235 mm,整机质量750 kg.底盘设计额定牵引力2400 N,额定功率8 kW,最高设计时速28 km/h,犁耕作业速度5 km/h,连续犁耕作业时间大于1 h.设计并搭建了采用CAN总线通信的模块化分层控制系统,其中单轮行走系控制子系统采用自适应模糊PID控制算法来协调控制.相对于理论样机,柔性底盘试验样机在整机动力、机械结构和控制系统等方面做出了多项改进.进行了单轮行走系转向响应试验和底盘基本运行姿态试验,得到各轮行走系平均转向角度为89.84°~90.11°,平均转向响应时间为4.24~4.28 s;在各基本运行姿态下,底盘质心加速度跳动值均小于0.007 g.表明柔性底盘试验样机能够在硬化路面上有效稳定运行.     

基于理想传动比的主动前轮转向控制

针对目前汽车主动前轮转向系统缺少对理想传动比规律研究的问题,建立线性二自由度车辆模型、主动前轮转向系统模型,以及轮胎模型;设计固定横摆角速度增益下的主动前轮转向系统理想传动比规律,提出基于该规律的主动前轮转向附加转角闭环控制策略,并对提出的控制策略进行仿真分析和试验验证。结果表明:基于理想传动比的前轮主动转向附加转角控制策略可有效保证车辆在低速时横摆角速度响应幅值变大,车辆具有较好的操纵性;高速时横摆角速度和质心侧偏角响应的幅值均变小,车辆具有较好的稳定性,有利于车辆获得较为理想的转向品质。研究结果可为主动前轮转向系统的设计与开发提供理论基础。     

牵引式山地果园运输机驱动绳轮摩擦磨损

为探究牵引式山地果园运输机驱动绳轮系统的摩擦磨损机理,该研究首先利用Adams软件建立绳轮系统模型,在各因素水平允许范围内进行单因素试验,再进行台架试验分析不同因素对绳轮接触处摩擦磨损的影响。仿真模型计算结果表明,从连接负载端开始,各完整缠绕圈所在槽道受到的摩擦力沿钢丝绳方向呈现逐渐减小趋势,与多槽轮的磨损形貌分析结果一致,且槽道上容易发生的失效形式为塑性变形和微动磨损。单因素试验结果显示,圈数从2/3增加到4/5,受力最大处摩擦力减小48.66%,各槽道受力标准差由102.97 N减小到46.53 N,受力更加均衡;多槽轮中心距越小或轮径越大,各完整缠绕圈的槽道受力越均衡;同一多槽轮上的槽距和槽壁角度对摩擦的影响很小。台架正交试验的多槽轮磨损率分析结果表明,较大的中心距,较小的预紧力,较多的圈数可以缓解磨损。研究结果可为后续对驱动绳轮系统的优化提供参考。