拖拉机动量飞轮主动防侧翻控制与模型试验研究

针对拖拉机侧翻致死致伤事故仍时有发生的问题，基于旋转刚体加速时的反向施矩原理，以反作用动量飞轮为执行元件，提出了从主动安全角度解决拖拉机侧翻问题的研究方法。通过构建拖拉机动力学系统数学模型，解析了整机侧翻行为的动态演变机理。为保证拖拉机主体结构的完整性，将动量飞轮置于拖拉机前部，取代传统静态配重的同时可主动提供防侧翻力矩。应用Matlab/Simulink软件，对反作用飞轮的回稳过程进行了基于PID控制的有效性仿真分析，同时设计并搭建了比例模型试验平台，对主动施矩飞轮的回稳控制效果进行了试验验证。结果表明，装备飞轮的拖拉机与无控制组对比，在一次试验中可多次实现整机的防侧翻控制，使整机防侧翻性能得到明显改善，且不同行驶工况下的试验数据与仿真结果的相关性较强，充分验证了本文拖拉机侧翻动力学模型的有效性。     

拖拉机姿控飞轮防侧翻系统卸载能量回收试验研究

拖拉机侧翻事故是农业生产过程中最严峻的安全问题之一，现有主、被动安全手段均未能从根本上解决该问题。在前期利用飞轮—电机加速旋转时产生的反向力矩进行姿态调节实现失稳态拖拉机姿态回稳的基础上，为进一步避免姿控飞轮卸载过程造成能量浪费，本文基于1∶16比例模型试验平台设计搭建了飞轮卸载能量回收电路，并通过模型试验对其回收效果进行了验证。试验结果表明，当模型拖拉机以0.2m/s速度行驶于路面不平度较高的G级、H级路面出现侧翻趋势并实现姿态回稳时，整机侧向姿态角降至10°后能量回收系统可介入工作，此时回收电压出现峰值0.97V（H-B轨迹），随后其数值变化趋势与姿控飞轮转速的降低趋势相似，直至飞轮卸载完成后回收电压归零。试验过程中，飞轮—电机系统在对不同的整机侧翻趋势做出响应时，能量回收系统完成的电量回收不同，但均完成了对飞轮卸载能量的部分回收，提高了整机能源的利用效率。     

丘陵山地拖拉机电液悬挂仿形控制系统研究

针对丘陵山地拖拉机作业地形复杂，传统电液悬挂控制系统地形适应性差的问题，设计了一套横向姿态可调的丘陵山地拖拉机电液悬挂仿形控制系统。根据丘陵山地拖拉机仿形控制作业需求，在传统悬挂结构基础上加装一个液压驱动旋转装置，设计了一种仿形悬挂机构，基于液压多点动力输出技术设计了带有负载反馈的闭心式液压控制系统，并提出了一种基于带死区的经典PID算法的控制方法。通过对阀控非对称液压缸工作原理的分析，建立了其数学模型并推导出仿形控制系统的传递函数，运用Matlab/Simulink建立了电液悬挂仿形控制系统的动力学模型并进行了仿真分析，仿真结果表明，系统在0°~11°阶跃信号的作用下，调整时间约为0.4s，几乎无超调，系统稳定后农机具横向倾角约为11.1°，稳态误差约为0.1°，仿真结果验证了该控制算法的有效性。通过对传统拖拉机的液压悬挂装置进行改装，将原来的手柄操纵式液压悬挂装置改装成带有虚拟终端的电液悬挂控制系统，搭建了仿形控制试验台并进行了室内台架试验，试验结果表明，系统调整时间约为2.2s，几乎无超调，系统稳定后农机具横向倾角约为11.2°，稳态误差约为0.2°，在系统允许误差（0.5°）范围内，试验结果验证了所设计的丘陵山地拖拉机电液悬挂仿形控制系统调节的快速性与稳定性，满足拖拉机等高线坡地作业需求。     

拖拉机在牧草地上自动引导行走的控制

利用车辆运动学模型,应用最优控制理论,对拖拉机自动引导行走方法进行了研究。利用前馈控制方法生成了车辆自动行走的轨道;通过对车辆运动状态方程的线性化,设计了车辆沿生成的轨道引导行走的负反馈控制器。最后利用该方法在牧草地上进行了实车实验,结果表明:拖拉机在倾斜度小于3°的地面上直线行走时的横向标准偏差小于0.08m。     

农业装备虚拟试验系统平台的建立

针对农业装备数字化设计技术研究的需求,利用虚拟现实场景建模工具MultiGen Creator和实时场景驱动软件Vega Prime,结合VC++编程语言,开发出一套完整的农业装备虚拟试验系统平台.阐述了系统平台的软硬件组成、功能、结构以及系统的开发流程,对建模过程中运用到的方法、步骤和所涉及到的关键技术进行了研究,此外对Vega Prime应用中的关键技术和难点进行了探讨.测试试验表明,该系统平台运行稳定,具有可靠性和有效性.     

农业装备虚拟试验系统平台的建立

针对农业装备数字化设计技术研究的需求，利用虚拟现实场景建模工具MultiGen Creator 和实时场景驱动软件Vega Prime，结合VC++编程语言，开发出一套完整的农业装备虚拟试验系统平台。阐述了系统平台的软硬件组成、功能、结构以及系统的开发流程，对建模过程中运用到的方法、步骤和所涉及到的关键技术进行了研究，此外对Vega Prime应用中的关键技术和难点进行了探讨。测试试验表明，该系统平台运行稳定，具有可靠性和有效性。     

虚拟现实系统中农业装备模型转换方

对几种典型的农业装备虚拟现实系统模型建立方法进行研究,比较分析了各自的优缺点.在VC++6.0环境下,通过UG和Creator双方二次开发相结合的方法,实现了从UG(CAD)到Creator(VR)的模型转换,通过直接转换建立了农业装备的虚拟现实模型.经过在虚拟现实系统中实验测试,该转换模型满足了农业装备虚拟现实的要求.     

基于最优控制的导航拖拉机速度与航向联合控制方法

为提高自动导航拖拉机工作效率和作业质量,以自动变速系统和自动转向系统为硬件支撑,结合最优控制理论,设计了基于速度和转向角的双参数最优控制算法.针对耙地作业要求,设计了直线路径跟踪与地头转弯路径跟踪控制器,运用Matlab软件对所设计的控制器进行了仿真分析,通过田间试验对所设计的控制器进行了验证.试验结果表明:控制器的横向偏差小于0.12m,航向偏差小于1.1°,速度偏差小于0.2 m/s,满足自动导航作业要求.     

基于层次聚类算法的大型玉米收获机械模块划分方法

针对大型玉米收获机械传统设计模式研发周期长,设计成本高等问题,采用分层次模块划分方法,对玉米收获机械进行功能划分,将总功能分解为一级功能、二级功能和功能载体,建立产品的功能主结构后,将整机划分为9个功能模块;基于功能-装配-能量接口关系,提出了部件层的模块划分原则,通过零部件之间的功能关系、装配关系、能量-接口关系建立加权模糊矩阵,将抽象的连接关系映射为具体化的关联矩阵,采用层次聚类算法求解关联矩阵,将9个功能模块细分为186个二级模块和645个子模块,从而实现了玉米收获机部件层零部件模块的精确划分。为实现该模块划分方法的工程应用,基于Qt Creator平台,开发大型玉米收获机械模块化快速设计系统,该系统可完成模块划分、模块管理和基于用户需求的模块配置等功能,从而实现大型玉米收获机械的快速设计。与传统玉米收获机械设计方法相比,应用模块划分方法可显著提升大型玉米收获机械设计效率,缩短整机产品的开发周期。     

丘陵山地拖拉机加载仿形试验台设计

针对丘陵山地拖拉机电液悬挂控制系统试验条件复杂,过程繁琐以及重复性较差等问题,设计一种室内加载仿形试验台。该试验台由安装位置可调整的坡地仿形模块与辅助装置、模拟加载模块以及测控系统等功能模块组成,在电液伺服控制系统的作用下模拟丘陵山地拖拉机的作业坡度和耕作阻力,测试拖拉机电液悬挂控制系统性能。以TS-404H拖拉机为试验对象,坡地等高线为作业路线,运用该试验系统进行丘陵山地拖拉机电液悬挂系统的坡地自适应调整试验,对试验台系统的坡地仿形模块和模拟加载模块进行试验验证。结果表明:在预定坡度目标0°~15°范围内,该试验台仿形模块模拟坡度的最大误差为4.2%,平均误差为3.8%,调整时间1.2 s,超调量为9%;当模拟土壤阻力为6.5 kN时,加载模块的响应时间为1.2 s、最大误差4%,平均误差2%,能够满足中小型丘陵山地拖拉机电液悬挂控制系统对试验设备的性能要求。