基于DF2204无级变速拖拉机的农机无人驾驶系统研制

针对农机无人化作业需求,该研究基于DF2204无级变速拖拉机和机器人操作系统（Robot Operating System,ROS）,研发了一种适于田间作业的农机无人驾驶自主作业系统。系统由控制、规划、安全和总线通信等模块组成。对DF2204无级变速拖拉机进行硬件改造与集成,设计满足农机无人驾驶要求的控制器局域网（Controller Area Network,CAN）总线协议和ROS与CAN总线通信的消息结构,包括5类控制帧和2类状态帧;设计了基于比例-积分-微分（Proportion Integration Differentiation,PID）控制器的横向跟踪与纵向速度控制算法。在北京密云试验田开展田间小麦播种实际作业试验。试验结果表明,消息结构满足50 Hz通信负载,横向跟踪平均绝对误差为2.96 cm,纵向速度平均绝对误差0.68 m/s。研究结果可为无级变速拖拉机的无人化升级改造提供参考,提高农机智能化水平和作业效率。     

拖拉机电控机械式自动变速器动力性换档规律研究

在拖拉机上使用电控机械式自动变速器(AMT)很有必要。该文首先分析了拖拉机的换档特性，根据需求特性场与供应特性场的关系，确定出拖拉机AMT的换档方法；然后根据驱动轮滑转率数学模型和发动机的能量方程，以及拖拉机理论计算基本公式，推导出与发动机不同油门位置相应的拖拉机驱动力F_q与车速V_a的关系，从而建立了动力性换档的数学模型。将不同油门下相邻两档F_q与V_a曲线的交点连接，得到对应的升档曲线；最后由试验数据，采用计算机编程计算，对东方红-1302R履带拖拉机的换档规律进行了实例分析。这些为拖拉机AMT的设计与研究提供了理论依据，为提高我国拖拉机的技术含量和国际竞争力作出了有益的探索。     

无级变速拖拉机智能变速规律的研究

针对无级变速拖拉机经济性和动力性变速规律只能以固定模式控制拖拉机工作状态的局限性问题,以实现拖拉机瞬态过程的动力性和稳态过程的经济性为目标,建立基于驾驶员操作意图模糊推理的智能变速规律,并可实现瞬态动力性到稳态经济性的平稳过渡,使拖拉机获得最佳的综合性能,为开发智能化无级变速拖拉机提供理论依据。     

拖拉机液力机械式无级变速器的研究

提出了一种新的组合式无级变速传动方案——液力机械综合式无级变速传动,由综合式液力变矩器、链无级变速器、减速齿轮组及相应的操纵控制机构组成。用该传动方案改进设计拖拉机的传动系,设计出了具有良好性能的液力机械式无级变速器。通过液力变矩器可自动无级变速变扭以适应外界变工况作业;通过链无级变速器和负载换档可实现由驾驶员控制的无级变速,因而整车能实现可控自动无级变速,在外界负荷频繁变化条件下发动机始终工作在标定工况附近     

拖拉机液压机械无级变速传动系统与发动机的合理匹配

利用发动机的试验测试结果,采用多项式拟合的方法建立了发动机模型,给出了关于发动机的最佳动力性和最佳燃油经济性的转速调节特性。在此基础上研究了发动机与无级变速传动系统的匹配机理。根据不同的作业项目,将拖拉机的作业工况分为3种模式,阐述了各种作业模式下发动机与无级变速传动系统匹配的实现方案。该研究对理解和设计拖拉机液压机械无级变速传动系统,提高拖拉机生产率,具有一定的意义。     

提高燃油经济性的拖拉机变速控制策略

为实现对液压机械无级变速拖拉机的最佳燃油经济性控制,分析发动机及液压机械无级变速器(hydro-mechanical continuously variable transmission, HMCVT)对拖拉机燃油经济性的影响,研究拖拉机最佳燃油经济性无级变速控制策略,该文针对发动机和HMCVT二元调节无级变速拖拉机,分析了发动机燃油消耗率和变速器的效率变化特性,提出了以发动机有效燃油消耗率g_e与HMCVT传动效率η_b的比值g_e/η_b为指标的最佳燃油经济性无级变速控制策略及拖拉机负载反馈控制原理。采用参数循环算法,求算出拖拉机在负载特性场内任意工作点下的最佳发动机转速、转矩、HMCVT的最佳变速比,保证了二元协同调节下拖拉机最佳燃油经济性变速控制策略的工程实现。计算结果显示:最佳变速比的分布呈现梯田状,平台部分的最佳变速比对应HMCVT纯机械传动时的工作状态,此时HMCVT处于传动效率最高点,并且在变速器传动效率高于0.92的工作区,最佳变速比的分布比例高达72.84%。相比较一元调节下分别以g_e、g_e/η_b为指标、二元调节下以g_e为指标的3种变速控制策略,明显降低了拖拉机燃油消耗率。牵引功率范围内,当拖拉机在某一目标车速下稳定工作时,在基于g_e/η_b最小化的二元调节变速控制策略调控下,拖拉机更可能在较低油耗状态下工作。表明以g_e/η_b为指标的二元调节拖拉机最佳燃油经济性变速控制策略能够提高拖拉机在任意工况下的燃油经济性。     

基于速度自适应的拖拉机自动导航控制方法

针对速度因素对拖拉机自动导航系统稳定性的影响,提出了基于横向位置偏差和航向角偏差的双目标联合滑模控制方法,在建立两轮拖拉机-路径动力学模型和直线路径跟踪偏差模型的基础上,应用Matlab/Simulink进行整体系统仿真,验证了控制方法的可靠性;以雷沃TG1254拖拉机为载体搭建了自动导航控制系统田间试验平台,分别在定速和变速条件下,进行了拖拉机直线路径跟踪控制的田间试验;分析了不同速度条件下的动态跟踪控制效果,验证了设计的自动导航控制系统的稳定性和控制精度。试验结果表明:在拖拉机田间作业常见的定速直线行驶工况下,采用基于速度自适应的双目标联合滑模控制方法,拖拉机直线路径跟踪控制的横向位置偏差最大值为10.60 cm,平均绝对偏差在3.50 cm以内;航向角偏差最大值为3.87°,平均绝对偏差在1.70°以内;在进入稳态以后,前轮转向角最大摆动幅度为3°,摆动标准差为0.80°。结论表明,该文提出的基于速度自适应的拖拉机自动导航控制系统,能基本实现不同速度下的直线路径自动跟踪控制。     

拖拉机自动转向最优控制方法的研究

该文讨论了拖拉机自动驾驶(自动转向)控制点的选择，并且在此基础上建立了拖拉机跟踪直线行驶时的运动学与动力学模型，分别对基于这两种模型的拖拉机自动驾驶最优控制方法进行了研究，分析了参数选择对控制方法的影响。由于拖拉机是一个具有大延迟、高度非线性的复杂系统，为了减少试验确定参数时的试凑次数，提高其最优控制参数的整定精度，提出一种融合运动学与动力学模型各自特点的控制参数的确定方法，对拖拉机自动驾驶试验时控制参数的整定具有指导意义。结果表明，所提出的方法用于拖拉机自动驾驶是可行的。     

无级变速拖拉机跃度最优化调速控制

针对无人驾驶拖拉机加减速导致的作业平稳性低和燃油经济性差等问题,该研究基于CVT（constantly variable transmission,无级变速传动）拖拉机,设计了一种基于贝尔曼最优性原理的最小跃度多项式局部速度规划算法。基于贝尔曼最优性原理和最优控制思想设计全局规划目标、局部规划目标及约束,提出基于最小跃度多项式的局部速度规划算法并开发速度跟随控制系统。田间试验表明,相对于无最优化调速技术的对照组,U型掉头的速度误差平均值和均方根分别降低42.31%和50.75%,加速度平均值与方差分别降低8.26%和16.36%,跃度平均值与方差分别降低7.65%和14.23%,发动机转速方差降低63.36%,发动机扭矩百分比方差降低60.26%,瞬时油耗方差降低71.25%,总油耗降低2.37%。直线行驶调速效果呈现相同趋势,与对照组相比,速度误差平均值和均方根分别降低9.45%和11.14%,加速度平均值与方差分别降低6.03%和13.68%。跃度平均值和均方根分别降低1.55%和3.59%。发动机转速方差降低31.78%,发动机扭矩百分比方差降低25.13%,瞬时油耗方差降低31.82%,总油耗降低2.48%。所提方法满足无级变速拖拉机无人驾驶速度平稳切换需要,并提高了燃油经济性。     

基于拖拉机整机效率最大化的液压机械无级变速规律

为了实现对拖拉机多段液压机械无级变速传动(hydro-mechanical continuously variable transmission,HMCVT)在任意稳定行驶速度和许可牵引负载下经济性最佳的控制,该文对拖拉机经济性最佳的无级变速规律进行了研究。根据拖拉机能量传递的特点,考虑HMCVT在不同传动比下存在效率差异的特征,把研究拖拉机的经济性最佳转化为对整车效率最大的研究。在分析整机传动系统效率特性的基础上,针对效率最大的目标函数和约束条件,求解了整车效率数值,结果表明在任意目标车速和牵引负载下,优化后拖拉机整车效率在35%~40%之间,并得出了效率最大时HMCVT最佳传动比、发动机转速和转矩,确定了基于整车效率最大的拖拉机HMCVT传动变速原理。研究表明:基于整车效率最大化原则能够实现拖拉机在任意车速和牵引负载下的整车经济性最佳,根据整车效率最大化确定的拖拉机多段HMCVT经济性最佳无级变速规律,为下一步制定装备多段HMCVT的拖拉机的经济性最佳控制策略提供参考。     

基于DEM的无人驾驶拖拉机前馈稳速控制

针对农田坡度变化影响无人驾驶农机行驶速度稳定性,进而降低播种均匀性和肥药施用精度等问题,该研究设计了一种基于农田数字高程模型（digital elevation model,DEM）和前馈控制策略的拖拉机稳速控制方法。首先建立坡地干扰补偿模型,基于拖拉机实时位置从农田DEM中提取前方作业路径的坡度信息,计算拖拉机前方目标速度补偿量,实现拖拉机行驶的稳速控制。以DF1204无级变速拖拉机为试验平台,在中国农业大学烟台研究院开展3组不同目标速度的上坡、平地和下坡行驶对比试验。试验结果表明,拖拉机以目标速度4.0、6.0和8.0 km/h行驶时,上坡行驶的实测速度均值分别为4.03、5.94和7.85 km/h,平地行驶的实测速度均值分别为4.04、6.02和8.03 km/h,下坡行驶的实测速度均值分别为4.00、6.10和8.19 km/h,与对照组相比,在上坡、平地和下坡行驶时的速度均方根误差分别降低了46.63%、21.92%和37.15%,试验组上坡和下坡行驶的实测速度均值更接近目标速度。所提方法可有效提高无人驾驶拖拉机在起伏农田的稳速控制精度,有助于提高农机作业质量。     

基于电液悬挂系统的拖拉机主动减振控制

大功率拖拉机的减振问题对于确保拖拉机的行驶安全性及舒适性起着决定性作用。该文基于电液悬挂系统对拖拉机进行了主动减振控制系统的设计,设计了带位置校正环节的离散滑模控制方法。该方法仅利用电液悬挂系统已有的牵引力传感器及位置传感器采集振动信息,而不需增加其他振动传感器。之后该文对系统进行了仿真和试验验证,结果表明:与不加控制前相比,主动减振控制使拖拉机的振动强度及前轮胎动载荷均显著降低,在受到水泥路障冲击后的整个过程中,农具振动加速度的均方根值降低了51.2%,后轮轴心的垂直加速度均方根值降低了20.1%;拖拉机质心的垂直加速度均方根值降低了16.6%;前轮胎的平均动载荷降低了39%;农具的存在引起的10~15 Hz的振动被完全抑制,农具的存在所加强的约5 Hz的俯仰振动也几乎消失;位置校正环节使液压缸活塞的运动轨迹保持在期望位置范围内。实车试验中,振动加速度测量信号的均方根值降低了25.7%;驾驶室内测点的垂直加速度的均方根值降低了26.4%。证明了所设计的主动减振控制器的有效性和可行性。     

东方红X-804拖拉机的DGPS自动导航控制系统

该文在东方红X-804拖拉机上开发了基于RTK-DGPS的自动导航控制系统。系统主要包括RTK-DGPS接收机、导航控制器、转向操纵控制器、电控液压转向装置和转向轮偏角检测传感器。其中转向操纵控制器、转向轮偏角检测传感器和电控液压转向装置构成转向轮偏角的闭环控制回路,该回路可根据导航控制器提供的期望转向轮偏角实现偏转角的随动控制。将拖拉机运动学模型和转向操纵控制模型相结合,建立了拖拉机直线跟踪的导航控制传递函数模型,模型的输入是横向跟踪误差,输出是期望的转向轮偏角。设计了基于PID算法的导航控制器,仿真分析了系统稳定性和动态响应性能,确定了PID控制参数的较佳取值。针对东方红X-804拖拉机转弯半径大的特点,采用跨行地头转向控制方式,提出了具体的控制流程及算法。田间试验结果表明：采用所设计的DGPS自动导航控制系统,在拖拉机行进速度为0.8 m/s时,直线跟踪的最大误差小于0.15 m,平均跟踪误差小于0.03 m,所提出的跨行地头转向控制方法对试验拖拉机具有良好的适用性。     

拖拉机液压机械无级变速器的速比控制

为了实现无级调速拖拉机工作时的速比调节与动力换段,该文对其液压机械无级变速器的速比控制进行了研究。根据变速器的速比特性和液压系统辨识试验,确定了变量泵励磁电流、泵-马达速比与变速器速比三者之间的稳态和动态数学模型。基于该模型,设计了基于单神经元网络的神经PID控制器,在Matlab/Simulink下研究了其参数整定规律,得到了一组可行参数并通过了试验验证;在此基础上提出了开环与闭环相结合的继电控制模式,使神经PID控制器工作于特定的区间和条件之下,有效避免了频繁的换段和马达换向问题;并通过台架试验证实了该算法的正确性及可行性。试验中,每个偏向的开环调节时间为5~6 s,调速过程平稳、无静差,变速器能在包含换段点在内的任意速比条件下可靠运行。该研究可为变速器的后续设计及动力匹配提供参考。     

拖拉机液压机械无级变速箱效率特性的仿真与试验

为了对一种新型拖拉机液压机械无级变速箱的效率水平进行评估,该文对其满负荷及部分负荷下的效率特性进行了研究。基于SimulationX平台,该文构建了完整的变速箱传动模型,并通过台架试验对其进行了校准,从而确保了模型的可靠性。通过仿真分析,得出了传动效率与发动机转速、负载扭矩和速比的关系,并绘制了较为全面的效率图谱;指出了泵前齿轮副对变速箱效率的影响,从而使得基于效率进行变速箱的结构优化具备了理论上的可操作性。结果表明,该变速箱在HM2、HM4段负排量和HM1、HM3段正排量时存在功率循环,且变速箱的传动效率受到发动机转速和扭矩的双重影响,其在额定工况下的满负荷传动效率为81.5%。因此,该类变速箱的传动效率随工况波动较大,为了使拖拉机在给定的车速、负载水平下高效作业,必须合理匹配其速比与发动机转速的关系。该研究可为变速箱的结构优化及动力匹配提供理论依据。     

基于Raspberry Pi的拖拉机通用自动驾驶系统

为了改善现阶段拖拉机自动化驾驶系统主要针对单个特定型号的拖拉机进行开发的局限性,该文设计了一套采用分布式控制方式的拖拉机自动化驾驶系统。该系统的作用在于同SAFAR系统（software architecture for agricultural robot,农业机器人的软件体系结构）整合,成为一个能够进行实际工作的系统。系统采用Raspberry Pi微型计算机作为系统的电子控制单元（electronic control unit,ECU）,在不同的ECU上分别处理不同的任务,利用通讯协议传输控制协议/互联网络协议来进行ECU之间的通讯。为了保障系统的安全,该系统采用激光测距传感器R2100来保障车辆和周围环境的安全,采用Heart Beat（心跳）检测机制来探测系统故障。该系统可以接收来自SAFAR的控制信号,并对拖拉机进行相应的操作来实现拖拉机的自动化驾驶。除此之外,该系统还提供了无线遥控的功能,能够方便操作人员进行简单、直观的操控。经过测试,该系统能够正确、快速地响应来自操作人员或SAFAR的控制,控制系统的响应时间低于0.5 s,电机转向角误差小于0.06;舵机角度偏差4°左右;系统各个ECU之间通讯稳定可靠,可在试验设定的4 h内稳定工作,每0.25 s检测一次工作环境并给予响应。该研究对农业机械自动化的实现提供了参考。     

拖拉机线控液压转向系统的双通道 PID控制仿真与试验

拖拉机线控液压转向系统采用的单杆液压缸具有非对称性,为了提高转向系统的控制精度,提出了双通道PID(proportional integral derivative)控制方法,对液压缸活塞杆伸出和缩回的运动进行分通道控制。基于Sim Hydraulics模块建立线控液压转向系统的物理模型,对转向轮的跟随响应、阶跃响应进行仿真试验;同时搭建了线控液压转向系统试验台,进行台架试验,从而分析双通道PID控制对转向系统的影响。仿真试验得出双通道PID控制的跟随误差为0.473°、响应时间为0.273 s,且左、右转向跟随误差基本一致,均优于单通道PID控制,台架试验结果与仿真试验的效果一致。结果表明,线控液压转向系统在双通道PID控制下响应快,跟随误差更小,具有良好的跟随性和较高的控制精度。     

基于激光导航的果园拖拉机自动控制系统

为实现果园作业的自动化,以拖拉机为研究对象,采用激光导航方式实现了果园机械的自动导航。试验以激光扫描仪为检测设备对果树位置信息实时采集,采用最小二乘法规划拖拉机导航路径;拖拉机航向偏差和横向偏差作为比例控制器的输入量,以方向盘电机的转速为输出量,控制拖拉机沿导航路径直线行走;系统实现了拖拉机在果园环境下的直线行走控制功能。拖拉机以0.27 m/s的速度直线行走30 m,最大横向偏差0.15 m。试验结果表明本系统可用于果园机械的自动导航,并具有一定的可靠性。     

基于自动导引小车系统盆栽水稻高通量输送系统的设计

针对栽培区中盆栽水稻需频繁搬运的问题,该文以自动导引小车AGV(automated guided vehicle)系统为核心设计了一套盆栽水稻高通量输送系统。盆栽水稻高通量输送系统包括AGV、无动力种植槽、输送线、上下线机、通讯与控制系统等。水稻主要通过AGV和输送线实现移动。无动力种植槽成行放置于栽培区中,且每个无动力种植槽中栽培24株水稻。AGV按照指令从栽培区中提取种植槽,并将其移动至上下线机,24株盆栽水稻通过上下线机整体进入输送线,并依次移动至指定地点进行作业,作业完成后24株盆栽水稻从上下线机又整体离开输送线,由AGV将盆栽水稻放回原址。AGV移动时通过激光条码定位,定位准确,误差为±5 mm。AGV移动速度快,最高速度达60 m/min。AGV移动平稳,取放、移动种植槽时,盆栽水稻不易倾翻。随机选取的240株盆栽水稻进行输送试验,试验表明,盆栽水稻高通量输送系统联机自动运行可以满足盆栽水稻表型检测速度要求,AGV提取和存放盆栽水稻时位置准确,无歪斜无碰撞,盆栽水稻在移动过程,状态平稳,无倾翻,无折断现象,而且实现了温室中设备的分区管理。该研究成果为其他温室盆栽植物输送提供了参考。