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。     

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。     

基于模糊PID控制的玉米精量播种机单体驱动器设计与试验

为提升新疆地区玉米精量播种机作业效率、稳定高速工况下播种质量，该研究以气吸圆盘式玉米排种器为研究对象，设计了一种基于模糊PID控制的玉米精量播种机单体驱动器。基于电机驱动排种控制系统硬件构成及工作原理，搭建了以STM32F103C8T6单片机为核心的功能电路。该单体驱动器工作时，由霍尔传感器采集播种机的作业速度，通过高精度光电旋转编码器实时反馈电机转速，利用增益调整型模糊PID算法使调速系统根据转速偏差和偏差变化率实时修正PID控制参数，使电机转速快速精准地跟随作业速度的变化。通过转速控制特性试验可知：脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation, PWM）频率为60 kHz时，电机具有良好的启动特性；电机转速在307～10 441 r/min范围内，电机实际转速变异系数均小于6.29%，具有较好的稳定性和线性度。电机调速试验结果表明：在设定电机目标转速为1 500 r/min时，模糊PID调速系统相比传统PID调速系统超调量降低0.4%，上升时间和调节时间分别缩短0.12和0.49 s，稳态误差减小0.3%；在种床带速度反馈周期T=1.0 s时，模糊PID动态调速精度较高、鲁棒性好。电机驱动排种台架试验结果表明：作业速度为8、10 km/h时，两种控制方式的播种性能指标差异较小；作业速度为12 km/h时，模糊PID控制的播种合格指数大于93.04%，重播指数小于5.13%，漏播指数小于1.83%；与传统PID控制方式相比合格指数均值提高2.50个百分点，重播指数均值降低0.85个百分点，漏播指数均值降低0.88个百分点，各播种性能指标均优于传统PID控制方式，适于高速播种作业。研究结果可为玉米高速精量播种机的研发设计提供参考。     

SF2104拖拉机自主行驶与作业控制方法

针对农业机械无人化作业的应用需求,该研究基于SF2104动力换向线控底盘拖拉机和全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System,GNSS),研发了拖拉机自主行驶与作业控制系统。该系统针对田内直线作业与地头转弯,采用分层控制思想,将控制系统划分为规划层、控制层和执行层。规划层生成U形转弯所需的路网数据,控制层进行拖拉机横向控制、速度控制、转弯控制、机具升降控制、当前路径更新及终止作业等行为决策;执行层负责以上行为的配置执行。拖拉机挂载深松机进行深松作业,并与有人驾驶深松作业进行对照。结果表明,拖拉机自主行驶与作业控制系统的平均横向偏差为4 cm,平均作业速度及其平均标准差分别为1.66和0.09 m/s,稳定作业时发动机转速的平均标准差为7.9 r/min,机具位置的平均极差为23.8,均优于有人驾驶。该研究初步实现了拖拉机的自主行驶与作业,有助于解决农村劳动力紧缺问题。     

玉米变量播种机单体驱动器的设计

国内电驱式玉米精量播种机所用电机驱动器和各类监测传感器大都直接连接在主控制器上,功能单一、播种行数难以拓展,无法满足变量播种作业对各个播种单体独立控制的要求。针对上述问题,搭建了基于STM32F103的单体驱动器硬件和软件架构,实现了排种器驱动电机的平稳驱动、转速调节、过流保护以及合格率、重播率、漏播率的播种质量检测;单体驱动器集成了CAN总线通讯模块,可通过增减单体驱动器便捷地实现播种机行数拓展。系统整体试验表明,单体驱动器和主控制器可以通过CAN总线完成转速指令和播种质量数据的交互;当作业速度在3～9 km/h之间时,单体驱动器驱动排种器播种合格率大于95.7%,重播率小于4.3%,漏播率小于1.4%,高于国标要求;播种质量检测模块与现有排种器性能检测仪的对比试验结果显示,在3km/h的作业速度,两者的检测结果最大差值为0.1个百分点,当前进速度逐渐上升时,两者的偏差逐渐增大,单体驱动器测得的3项指标都小于排种器检测仪,但在不同的速度梯度下,两者合格率相差不超过2个百分点,重播率不超过1.1个百分点,漏播率不超过0.9个百分点。综合而言,单体驱动器的整体功能良好。     

基于双闭环PID模糊算法的玉米精量排种控制系统设计

黄淮海麦玉轮作区秸秆全量还田模式下,小麦秸秆韧性好、粉碎还田效果差以及土壤较为黏重,传统被动式地轮驱动易秸秆缠绕、拥堵及黏土量较大,播种作业易断条。为有效解决这些问题,该文以勺轮式玉米排种器为研究对象,设计一种主动式玉米电控精量排种系统。该系统作业时,通过USART HMI四线制触控串口屏人机界面向控制器输入理论期望株距,由GPS测速传感器采集机具作业速度,结合旋转编码器实时采集排种器作业转速,基于双闭环模糊算法对PID参数进行自整定,得到排种器目标转速,通过控制器调节相应PWM占空比,以实现通过机具作业速度实时控制电机转速,实现精密排种。台架试验结果表明:理论排种转速6~54 r/min时,实际转速的变异系数均小于10.0%,实际转速在理论转速附近波动范围小,符合控制要求;在设定株距值下,车速为3~5 km/h时,株距合格指数94.0%,漏播指数3.0%;车速为6~8 km/h时,株距合格指数≥90.0%,漏播指数≤4.5%。田间验证结果表明该玉米排种控制系统作业时,株距合格指数≥87.75%,平均值为90.89%,漏播指数均小于4%,平均值为2.54%,与市场上常见的勺轮式玉米排种器相比合格指数提高2.12个百分点、漏播指数降低4.32个百分点,播种性能良好,满足玉米农艺种植要求。该文研究的玉米电控精量排种系统可有效提高排种质量并可为研制高速精量主动排种控制系统提供参考。     

小麦双线精播智能控制系统的设计

为避免地轮打滑对播种均匀性产生的不利影响,保证较好的播种质量,该研究设计了一种播种机的自动控制系统,利用步进电机驱动排种器。系统以AT89C55单片机为控制核心,采用旋转编码器实时采集播种机作业时前进速度信息,微处理器（CPU）进行速度判断,并结合对种子粒距（或播量）的设置,实时调节步进电机的转速,以带动排种器按需播种。另外,该系统还能实现液晶显示、声光报警等辅助功能。试验结果表明,系统工作性能稳定可靠,能够满足播种时设定的要求。     

玉米精量排种器电驱PID控制系统设计与性能评价

本文研究了一种基于PID的排种器电驱控制系统,取消了播种机采用地轮和链条驱动的方式,提高了播种机的播种质量和作业速度.采用PID算法控制排种盘转速,在目标转速与当前转速差异较大时,加入PID积分分离算法,以减少转速的超调量.通过整定后的PID参数为:Kp=16、Ki=0.05、Kd=36,在其排种盘转速范围为0~24r/min时,响应时间、超调量、稳态误差分别为0.4秒,1.56%和0.75%.试验结果表明,在12km/h的高速播种作业条件下,采用该电驱控制系统的排种器排种单粒率仍然可达到98.4%,其重播率和漏播率小于1%.采用本文研究的基于PID算法的排种控制系统可以获得良好的排种质量和更高的排种速度,使排种器更适宜高速精量播种.     

设施园艺移动平台分布式驱动自适应防滑控制

针对设施园艺特殊作业场景对电驱移动平台灵活作业与高操纵稳定性需求,该研究设计了一种四轮轮毂电机独立驱动的分布式设施园艺电驱移动平台,并提出了一种可提高转向灵活性与稳定性的自适应防滑控制策略。在该控制策略中,首先构建电驱移动平台动力学模型与Ackermann差速转向模型,结合速度瞬心原理及轮胎侧偏角确定各车轮转向目标转速;其次,为提高电驱移动平台对时变附着系数的适应能力,采用改进的强跟踪自适应无迹卡尔曼滤波算法设计复杂路面识别器,实现对路面附着系数准确估计;最后,设计基于自适应滑模算法的防滑控制器,根据路面附着系数估计值确定车轮相对最佳滑转率并实时控制滑转率。为验证所提控制策略的有效性,开展了Carsim-MATLAB/Simulink联合仿真与分布式设施园艺电驱移动平台实车试验。试验结果表明,所提控制策略可准确估计复杂道路下路面附着系数,降低车轮滑转率误差;在不变路面、对接路面与对开路面3种工况下,左侧车轮滑转率误差分别为0.031、0.015和0.038,右侧车轮滑转率误差分别为0.026、0.005和0.028;在不变路边随机路面实测路况下,电驱移动平台路面附着系分别数约为0.44和0.47,最大滑转率分别约为0.69和0.68,有效抑制了轮胎转向时的过度滑转,提高了电驱移动平台的行驶稳定性。研究可为设施园艺车辆驱动防滑控制提供具体理论依据和实施方案。     

马铃薯播种机播深调控装置设计与试验

针对现有马铃薯播种机大多采用整体仿形,无单体仿形机构而引起的仿形效果不佳、播深合格率较低、出苗整齐度较差等关键问题,研究设计了一种马铃薯播种机播深调控装置。阐述了该播深调控装置的主要结构和工作原理,通过对播深调控装置的动力学分析,建立了播深稳定性的数学模型,结合马铃薯播种机播深一致性的农艺具体要求,确定了该装置的理论结构参数,并得出了影响开沟深度稳定性的关键因素。采用旋转正交的试验方法,以初始牵引角、弹簧刚度和机具作业速度为试验因素,开沟深度合格指数和开沟深度变异系数为试验指标。试验结果表明:在作业速度为1 m/s、初始牵引角为0、弹簧刚度为10 N/mm时,开沟深度合格指数为96.6%,开沟深度变异系数为8.9%,满足马铃薯播种作业的要求。该研究为提高马铃薯播种机播种深度一致性和马铃薯苗齐苗壮的播种关键问题提供了设计参考。     

玉米免耕播种施肥机精准作业监控系统

为了解决玉米播种和施肥时种子和肥料利用率低、投入高、产出低的问题,研制了玉米免耕播种施肥机精准作业监控系统。针对土壤墒情、肥力以及不同地区玉米播种农艺,研制玉米变粒距自动控制系统,通过控制伺服电机,结合拖拉机行走速度,对排种轴的转速进行反馈控制,实现播种粒距的自动调节。根据作业处方图和GPS信息,结合肥箱肥料质量和机具前进速度,得到施肥控制量,输出到伺服电机驱动器,调节排肥轴的转速,实现按处方图施肥作业。试验结果表明,肥料控制精度在3.31%以内,对玉米点播,实现播种粒距10～20 cm在线无级调整,最大控制误差不高于4.48%。该研究实现了玉米免耕播种施肥机变量施肥和精密播种。     

高地隙施药机自动驾驶系统研制与试验

针对农业自动导航、电动自动转向、农机自动控制、精量施药控制等关键技术的集成应用问题,该研究以高地隙喷杆喷雾机为平台,基于机电液一体化控制与软硬件标准化,研制了用于高地隙施药机的自动驾驶系统。根据底盘机构和工作原理设计了电控执行机构,实现发动机启停、转向、油门调节、车速调节、液泵启停、喷杆伸缩的自动控制。设计了基于CAN总线的整车通信控制网络,实现手动遥控和自动导航2种模式的自由切换。设计了基于姿态测量的定位误差校正方法,补偿导航定位过程中因机体倾斜造成的位置测量误差,提出地头转弯过程中的直线作业路径规划方法,以提高调头的准确性并保证邻接行的上线精度。在验证自动操控机构和通信控制网络稳定性的基础上进行了手动遥控和自动导航的对比试验。结果表明:作业速度3.6km/h时,遥控操作和自动导航2种模式下横向偏差最大值分别为20.81和8.84 cm,航向偏角最大值为7.86°和2.48°、横向偏差的均方根误差最大值为7.47和4.66 cm。该研究设计的高地隙施药机自动驾驶系统能够实时准确执行手动遥控和自动导航2种模式下的操作指令,自动导航模式下的路径跟踪精度较高,满足田间施药作业需求。     

自动挡雨预警推送蒸发器手机在线控制装置研制

为消除蒸发器水面蒸发量检测过程中因天然降雨对检测结果的不利影响。在脉冲式蒸发器水面蒸发量手机在线检测装置基础上增加了自动挡雨装置和天气预警及其挡雨装置是否正常运转的推送功能。该装置通过个推软件工具开发包实现了预警推送功能,并采用雨水传感器感应板输出的电信号变化感知是否出现降雨情况,实现了挡雨盖遮挡和移除的智能控制。结果表明:1)装置运行可靠,60次试验中,挡雨盖完全遮挡和回到初始位置、挡雨和移除挡雨盖成功后,收到反馈消息的成功率均为98.3%;2)装置运行稳定,支撑杆转动的理论角度与实测角度的绝对误差范围为1.6°～3.5°,最大相对误差为4.1%,最小相对误差为1.9%。田间试验结果表明,该装置适应性较强,性能良好,支撑杆转动的理论角度与实测角度的最大绝对误差为3.4°。可见,该装置不仅通过降雨感知进行挡雨,而且可以通过手机在线控制,查看降雨天气预警、挡雨盖完全遮挡蒸发器和回到初始位置是否成功的推送消息,提高了蒸发器挡雨操作的智能化水平,解决了蒸发器蒸发量检测过程中因降雨造成检测失败的突出问题。该研究为智能挡雨和消息推送技术在农业智能设备研发中的应用提供了新思路。     

电液流量匹配装载机转向系统特性分析

为降低小型装载机负荷传感液压转向系统在流量方面的能量损失,提出用伺服电机独立驱动定量泵的电液流量匹配转向控制方法。该文首先在Simulation X中建立了装载机整机联合仿真模型,对采用负荷传感转向系统的装载机在原地转向工况下进行仿真。构建了装载机试验测试系统,通过对比仿真与试验结果,验证了仿真模型的准确性。进一步将电液流量匹配转向方法应运于此仿真模型。维持与负荷传感系统相同转向特性的条件下,该系统在低速空载工况下使液压泵能量消耗相对负荷传感系统降低36%,高速空载为37%,中速正载为39%,中速偏载为28%,电液流量系统平均降低了转向过程中泵输出能耗约30%。该文提出的研究方法对装载机转向节能研究提供了参考。     

智能农机GNSS/INS组合导航系统设计

为提高自动导航农机的定位精度和可靠性,该研究设计了基于全球导航卫星系统(GlobalNavigationSatellite System, GNSS)和惯性导航系统(Inertial Navigation System, INS)的智能农机组合导航系统,该系统根据来自INS的三轴姿态角速度、加速度信息以及高精度定位板卡的三轴位置、速度信息,采用松耦合模式,通过卡尔曼滤波对INS误差实时校正,解算出农机的精准位置、速度和姿态信息。为实现该组合导航系统,设计和制作了智能农机控制板,集成GNSS高精度解析板卡和惯性测量模块,并在控制板上实现组合导航算法。搭建了东风DF1004-2智能农机试验平台,并在试验田中分别进行静止和直线行驶状态下的试验和单独GNSS导航与组合导航效果的对比。试验结果表明,在农机静止状态,两者性能接近,定位误差均在1 cm以内,姿态角误差均在0.1°以内;在农机以2 m/s的速度按照预设直线行驶时,单独GNSS导航位置误差在6 cm以内,姿态角误差在1°以内,GNSS/INS组合导航位置误差在3 cm以内,姿态角误差在0.5°以内,GNSS/INS组合导航精度明显的提升,可为高精度农机自动导航控制提供技术支持。     

大蒜播种机种植机构的设计

为了满足大蒜在栽植过程中保持蒜瓣鳞芽朝上垂直入土且蒜瓣弓背面朝向一致的农艺要求,该文根据蒜瓣的外形特征,设计了一种大蒜播种机种植机构并对该机构进行详细的理论分析,运用Solidworks软件对该机构进行建模并通过3D打印机打印出零件,然后组建试验台对该种植机构进行试验。试验数据显示采用该种植机构不但可以确保大蒜弓背面朝向一致,而且播种机前进速度的变化对蒜瓣垂直度的影响较小。该文为大蒜种植机械种植机构的设计提供了一种设计方法,为研究大蒜播种机和同类机具提供了参考。     

三轮农用运输车－驾驶员闭环系统的行驶方向稳定性

研究了考虑驾驶员转向控制时三轮农用运输车在地面绝对坐标系中的行驶方向稳定性，推导了三轮车－驾驶员闭环系统稳定行驶的条件，分析了影响行驶方向稳定性的诸种因素，提出了为提高行驶方向稳定性在车辆总体布置和操纵中应注意的原则