一种果园多功能动力底盘电控调速系统的制作方法

本实用新型属于果园机械技术领域，具体涉及一种果园多功能动力底盘电控调速系统。

背景技术：

我国是世界水果生产和消费大国，水果在居民生活中有着重要地位。自2000年以来，我国果树种植面积和水果产量逐年增加，水果市场蓬勃发展。截止2016年，我国果树种植面积为1.298亿hm²，果品产量达2.75亿t，占农业总产值的5.7％，占种植业总产值的11.3％。水果产业已经成为我国农村经济发展的重要支柱和农民收入的主要来源，在国内经济市场中占据重要的地位。

水果产业现阶段面临的主要问题是，随着种植面积的迅速扩大和农村从业人口大幅减少，劳动力从季节性短缺转变为持续性短缺，劳动力成本大幅上升，人力支出超过总生产成本的50%。要解决这一制约水果产业发展的关键问题的根本出路在于果园生产机械化。在这一背景下，我国对自动化的果园机械需求旺盛。但国内果园机械供给不足，主要表现为：品种少、技术落后、安全性差以及操作人员劳动强度大，现有果园机械难以满足生产实际需要。

机组行驶速度对果园机械化作业质量、作业效率影响显著，若能在作业过程中控制机组行驶速度，使其保持在最佳作业速度附近，则果园机械化作业质量和效率均可得到大幅度提升。

果园动力底盘通常采用25马力拖拉机，可作为果园施药、施肥、运输等作业的动力机。

目前拖拉机定速作业系统多运用于国外大中型拖拉机，考虑成本等方面因素，国内大中型拖拉机大多没有定速作业系统，小型拖拉机一般采用完全手动操纵，基本无电控操纵装置，因此，急需一种果园多功能动力底盘用小型拖拉机电控调速系统，可通过电控操纵实现果园多功能动力底盘调速并按照设定的速度作业，提高果园机械化作业的质量和效率，同时也为实现远程遥控调速，从而实现人机完全分离，提高操纵便捷性并保证作业人员安全性提供有利条件。

技术实现要素：

本实用新型提供一种果园多功能动力底盘电控调速系统，仅需对果园用小型拖拉机做简单的改造即可安装，安装成本较低且通用性较好，可通过电控操纵实现果园多功能动力底盘调速并按照设定的速度作业，在调速同时对动力系统关键参数进行监测并实时显示，当参数异常时发出报警信号，在不需要电控系统操纵时或电控系统失效时仍可手动进行调速，可靠性较高；该系统可提高果园机械化作业的质量和效率，同时也为实现远程遥控调速，从而实现人机完全分离，提高操纵便捷性并保证作业人员安全性提供有利条件。

为实现上述目的，本实用新型的技术方案为：一种果园多功能动力底盘电控调速系统，主要包括油门调节执行机构和控制系统；所述油门调节执行机构主要包括油门拉索盘（1）、蜗杆蜗轮减速器（2）、一号固定支架（3）、调节手轮（4）、车架（5）、二号固定支架（6）、步进电机（7）、底座（9）；所述油门拉索盘（1）上设有钢丝拉索（101）、触头（102）和拉索盘传动轴（103），钢丝拉索（101）、触头（102）和拉索盘传动轴（103）通过焊接固定在油门拉索盘（1）上；所述调节手轮（4）上设有手轮传动轴（401）和手轮轴孔（402）；所述底座（9）上设有一号限位挡板（901）和二号限位挡板（902），一号限位挡板（901）和二号限位挡板（902）通过焊接固定在底座（9）上；一号固定支架（3）与二号固定支架（6）通过螺栓固定在车架（5）上，步进电机（7）通过螺钉固定在二号固定支架（6）上，调节手轮（4）的手轮轴孔（402）与步进电机（7）的传动轴相连接，蜗杆蜗轮减速器（2）的输入端轴孔与调节手轮（4）的手轮传动轴（401）相连接，蜗杆蜗轮减速器（2）通过螺钉固定在一号固定支架（3）上，底座（9）通过螺钉固定在蜗杆蜗轮减速器（2）上，油门拉索盘（1）的拉索盘传动轴（103）与蜗杆蜗轮减速器（2）的输出端轴孔相连接。

所述控制系统主要包括can总线（11）、can总线模块（12）、单片机（13）、模数转换器（14）、步进电机驱动器（15）、油箱油量传感器（16）、串口屏（17）、发动机ecu（18）、旋转编码器（19）、一号接近开关（8）、二号接近开关（10）、指示灯（20）；

can总线（11）的can_h与can_l分别与can总线模块（12）和发动机ecu（18）连接，can总线模块（12）通过线路与单片机（13）连接，单片机（13）通过线路与步进电机驱动器（15）、旋转编码器（19）、一号接近开关（8）、二号接近开关（10）、指示灯（20）和模数转换器（14）连接，模数转换器（14）通过线路与油箱油量传感器（16）连接；

所述单片机（13）采用stm32f407zgt6系列单片机；

所述can总线（11）用于传递调速指令以及实现发动机ecu（18）与单片机（13）之间的通信；

所述发动机ecu（18）为常柴系列发动机ecu，用于实时监测发动机转速、发动机水箱温度以及发动机工作状态信息，并将信息发送至can总线（11）；

所述can总线模块（12）采用mcp2515模块，用于处理来自can总线（11）的信息，并将can总线（11）的信息传递至单片机（13）；

所述油箱油量传感器（16）用于测量发动机油箱剩余油量，输出0～5v模拟电压信号，模数转换器（14）采用adc0832模数转换器，用于将油箱油量传感器（16）的模拟电压信号转换为数字信号并发送至单片机（13）；

所述旋转编码器（19）采用omrone6b2-cwz6c旋转编码器，分辨率60p/r，安装在驱动轮上，转速与驱动轮转速同步，用于测定车辆实际行驶速度；

所述一号接近开关（8）和二号接近开关（10）均采用德力西cdj10-i1a12接近开关，输出形式为npn，用于判断油门的最大位置和最小位置，一号接近开关（8）固定在一号限位挡板（901）上，二号接近开关（10）固定在二号限位挡板（902）上；

所述串口屏（17）采用7寸串口屏，用于显示行驶速度、发动机工作状态、发动机转速、发动机油箱剩余油量以及发动机水箱温度等动力系统关键参数，当参数异常时显示故障信息；

所述指示灯（20）用于提示操作人员电控调速系统开启并正在运行；

所述步进电机（7）与步进电机驱动器（15）连接，步进电机（7）采用57步进电机，步进电机驱动器（15）采用hbs657步进电机驱动器，步进电机驱动器（15）根据单片机（13）的指令控制步进电机（7）的动作。

一种果园多功能动力底盘电控调速系统，包括步骤：

步骤1：系统上电后，首先进行油门初始位置校准，单片机（13）检测一号接近开关（8）和二号接近开关（10）的电平信号，若一号接近开关（8）和二号接近开关（10）输出均为低电平信号，或一号接近开关（8）输出为低电平信号，二号接近开关（10）输出为高电平信号，单片机（13）将向步进电机驱动器（15）发出指令控制步进电机（7）快速旋转，使得油门拉索盘（1）上的触头（102）向一号接近开关（8）靠近，直至一号接近开关（8）输出高电平信号，步进电机（7）停止转动。

步骤2：初始化can总线模块（12）与模数转换器（

步骤5：在电控调速过程中，若一号接近开关（8）或二号接近开关（10）输出高电平信号，说明油门拉索盘（1）已达到极限位置，即油门已达到极限位置，步进电机立即停止动作，在未收到下一个速度设定指令之前，油门开度将一直保持最大或最小，此时单片机（13）不再进行模糊pid运算，直至收到下一个速度设定指令，若新的速度设定指令经过计算后仍使得油门拉索盘（1）朝着极限位置方向运动，则步进电机（7）仍不动作，直至收到的速度设定指令经过计算后使得油门拉索盘（1）朝着极限位置的反方向运动。

步骤6：电控调速启动后，当动力系统各项参数异常时或手调油门导致发动机转速快速上升或下降时，电控调速会自动关闭，当单片机（13）收到来自can总线的电控调速关闭指令时，电控调速立即关闭。

步骤7：电控调速关闭后，指示灯（20）熄灭，步进电机（7）不动作，油门开度保持原有位置不变。

步骤8：电控调速关闭后，操作人员用手直接转动调节手轮（4）即可继续调节油门开度大小，调节手轮（4）通过蜗杆蜗轮减速器（2）带动油门拉索盘（1）旋转，固定在油门拉索盘（1）上的钢丝拉索（101）随着油门拉索盘（1）的旋转被带动，从而调节发动机油门开度大小，当油门开度调至合适位置，调速手轮（4）不转时，由于蜗杆蜗轮减速器（2）的自锁作用，油门拉索盘（1）不在外力作用下转动，因此油门开度也不会再外力作用下改变；固定在油门拉索盘（1）上的触头（102）也随着油门拉索盘（1）转动，在手动调节油门开度过程中，当触头（102）触碰到一号限位挡板（901）或二号限位挡板（902）时，油门拉索盘（1）达到极限位置，即油门已到达极限位置。

步骤9：电控调速关闭后，单片机（13）对行驶速度、发动机工作状态、发动机转速、发动机油箱剩余油量以及发动机水箱温度等动力系统关键参数的监测以及实时显示功能仍在运行，若重新启动电控调速，则重复步骤3，4，5，6，7，8。

本实用新型具有如下增益效果：

提高果园机械化作业质量和效率，该系统可通过电控操作使得果园作业机组行驶速度维持在最佳作业速度附近；该系统采用can总线实现调速指令的传递和通信，有效减少了指令传递所需的线束，提高了系统的可靠性、灵活性，节省了布线成本；can总线的可拓展性较好，可沿can总线增加其它功能模块拓展系统功能，因此本实用新型提出的一种果园多功能动力底盘电控调速系统为实现远程遥控果园作业机组作业，从而实现人机完全分离，最大限度提高操纵便捷性，保证作业人员安全提供有利条件，也为后续果园作业机组加装自主导航系统，实现果园无人作业提供了一定的基础条件。

目前拖拉机定速作业系统多运用于国外大中型拖拉机，考虑成本等方面因素，国内大中型拖拉机大多没有定速作业系统，小型拖拉机一般采用完全手动操纵，基本无电控操纵装置，本实用新型提供一种果园多功能动力底盘电控调速系统，该电控调速系统结构简单、成本低，仅需对小型拖拉机原有的油门操纵机构进行简单的改造即可安装，具有一定的推广价值。

部分油门执行器配合单片机或plc系统亦可实现类似功能，但油门执行器更适用于控制固定地面的发电用发动机或水泵用发动机，对于移动车辆而言，当不需要电控操纵或电控系统失效时，若采用油门执行器作为操纵执行元件，车辆将难以控制，易发生危险，可靠性较差，因此，本实用新型提供的一种果园多功能动力底盘电控调速系统对于移动车辆具有较好的适用性。

附图说明：

附图1为本实用新型的油门调节执行机构整体结构图；

附图2为本实用新型的油门调节执行机构整体结构俯视图；

附图3为本实用新型的油门拉索盘结构图；

附图4为本实用新型的调节手轮结构图；

附图5为本实用新型的限位底板结构图；

附图6为本实用新型的控制系统硬件连接示意图；

其中：1-油门拉索盘；2-蜗杆蜗轮减速器；3-一号固定支架；4-调节手轮；5-车架；6-二号固定支架；7-步进电机；8-一号接近开关；9-底座；10-二号接近开关；11-can总线；12-can总线模块；13-单片机；14-模数转换器；15-步进电机驱动器；16-油箱油量传感器；17-串口屏；18-发动机ecu；19-旋转编码器；20-指示灯；101-钢丝拉索；102-触头；103-拉索盘传动轴；401-手轮传动轴；402-手轮轴孔；901-一号限位挡板；902-二号限位挡板。

具体实施方式：

下面结合附图对本实用新型作进一步的说明。

如图1-6所示，一种果园多功能动力底盘电控调速系统，主要包括油门调节执行机构和控制系统；所述油门调节执行机构主要包括油门拉索盘（1）、蜗杆蜗轮减速器（2）、一号固定支架（3）、调节手轮（4）、车架（5）、二号固定支架（6）、步进电机（7）、底座（9）；所述油门拉索盘（1）上设有钢丝拉索（101）、触头（102）和拉索盘传动轴（103），钢丝拉索（101）、触头（102）和拉索盘传动轴（103）通过焊接固定在油门拉索盘（1）上；所述调节手轮（4）上设有手轮传动轴（401）和手轮轴孔（402）；所述底座（9）上设有一号限位挡板（901）和二号限位挡板（902），一号限位挡板（901）和二号限位挡板（902）通过焊接固定在底座（9）上；一号固定支架（3）与二号固定支架（6）通过螺栓固定在车架（5）上，步进电机（7）通过螺钉固定在二号固定支架（6）上，调节手轮（4）的手轮轴孔（402）与步进电机（7）的传动轴相连接，蜗杆蜗轮减速器（2）的输入端轴孔与调节手轮（4）的手轮传动轴（401）相连接，蜗杆蜗轮减速器（2）通过螺钉固定在一号固定支架（3）上，底座（9）通过螺钉固定在蜗杆蜗轮减速器（2）上，油门拉索盘（1）的拉索盘传动轴（103）与蜗杆蜗轮减速器（2）的输出端轴孔相连接。

所述控制系统主要包括can总线（11）、can总线模块（12）、单片机（13）、模数转换器（14）、步进电机驱动器（15）、油箱油量传感器（16）、串口屏（17）、发动机ecu（18）、旋转编码器（19）、一号接近开关（8）、二号接近开关（10）、指示灯（20）；

can总线（11）的can_h与can_l分别与can总线模块（12）和发动机ecu（18）连接，can总线模块（12）通过线路与单片机（13）连接，单片机（13）通过线路与步进电机驱动器（15）、旋转编码器（19）、一号接近开关（8）、二号接近开关（10）、指示灯（20）和模数转换器（14）连接，模数转换器（14）通过线路与油箱油量传感器（16）连接；

所述单片机（13）采用stm32f407zgt6系列单片机；

所述can总线（11）用于传递调速指令以及实现发动机ecu（18）与单片机（13）之间的通信；

所述发动机ecu（18）为常柴系列发动机ecu，用于实时监测发动机转速、发动机水箱温度以及发动机工作状态信息，并将信息发送至can总线（11）；

所述can总线模块（12）采用mcp2515模块，用于处理来自can总线（11）的信息，并将can总线（11）的信息传递至单片机（13）；

所述油箱油量传感器（16）用于测量发动机油箱剩余油量，输出0～5v模拟电压信号，模数转换器（14）采用adc0832模数转换器，用于将油箱油量传感器（16）的模拟电压信号转换为数字信号并发送至单片机（13）；

所述旋转编码器（19）采用omrone6b2-cwz6c旋转编码器，分辨率60p/r，安装在驱动轮上，转速与驱动轮转速同步，用于测定车辆实际行驶速度；

所述一号接近开关（8）和二号接近开关（10）均采用德力西cdj10-i1a12接近开关，输出形式为npn，用于判断油门的最大位置和最小位置，一号接近开关（8）固定在一号限位挡板（901）上，二号接近开关（10）固定在二号限位挡板（902）上；

所述串口屏（17）采用7寸串口屏，用于显示行驶速度、发动机工作状态、发动机转速、发动机油箱剩余油量以及发动机水箱温度等动力系统关键参数，当参数异常时显示故障信息；

所述指示灯（20）用于提示操作人员电控调速系统开启并正在运行；

所述步进电机（7）与步进电机驱动器（15）连接，步进电机（7）采用57步进电机，步进电机驱动器（15）采用hbs657步进电机驱动器，步进电机驱动器（15）根据单片机（13）的指令控制步进电机（7）的动作。

上述的一种果园多功能动力底盘电控调速系统，系统上电后，首先进行油门初始位置校准，单片机（13）检测一号接近开关（8）和二号接近开关（10）的电平信号，若一号接近开关（8）和二号接近开关（10）输出均为低电平信号，或一号接近开关（8）输出为低电平信号，二号接近开关（10）输出为高电平信号，单片机（13）将向步进电机驱动器（15）发出指令控制步进电机（7）快速旋转，使得油门拉索盘（1）上的触头（102）向一号接近开关（8）靠近，直至一号接近开关（8）输出高电平信号，步进电机（7）停止转动。

初始化can总线模块（12）与模数转换器（14），初始化完成后，单片机（13）对发动机工作状态、发动机水箱温度、发动机转速、油箱剩余油量和车辆行驶速度等动力系统关键参数进行监测，并发送至串口屏（17）显示，当参数异常时通过串口屏（17）显示状态异常信息。

单片机（13）等待来自can总线（11）的电控调速启动指令，当收到来自can总线（11）的电控调速启动指令后，单片机（13）先根据发动机ecu（18）发出的信号判断发动机是否已经启动，同时对动力系统各项关键参数进行监测，发动机未启动或动力系统异常时不启动电控调速，指示灯（20）不亮，当发动机启动，动力系统各项关键参数正常时，电控调速启动，指示灯（20）亮起提示操作人员电控调速已启动。

电控调速启动后，单片机（13）接收来自can总线（11）的速度设定指令，在接收到速度设定指令后，单片机（13）将设定速度与来自旋转编码器（19）的车辆实际行驶速度进行模糊pid运算，运算得到步进电机（7）所需转过角度，然后根据步进电机（7）所需转过角度换算得到步进电机控制指令并发送至步进电机驱动器（15），从而使步进电机（7）转动，带动调节手轮（4）旋转，调节手轮（4）通过蜗杆蜗轮减速器（2）带动油门拉索盘（1）旋转，固定在油门拉索盘（1）上的钢丝拉索（101）随着油门拉索盘（1）的旋转被带动，从而调节发动机油门开度大小，使车辆实际行驶速度维持在速度设定值附近，当步进电机（7）不转时，由于蜗杆蜗轮减速器（2）的自锁作用，油门拉索盘（1）不在外力作用下转动，因此油门开度也不会再外力作用下改变。

在电控调速过程中，若一号接近开关（8）或二号接近开关（10）输出高电平信号，说明油门拉索盘（1）已达到极限位置，即油门已达到极限位置，步进电机立即停止动作，在未收到下一个速度设定指令之前，油门开度将一直保持最大或最小，此时单片机（13）不再进行模糊pid运算，直至收到下一个速度设定指令，若新的速度设定指令经过计算后仍使得油门拉索盘（1）朝着极限位置方向运动，则步进电机（7）仍不动作，直至收到的速度设定指令经过计算后使得油门拉索盘（1）朝着极限位置的反方向运动。

电控调速启动后，当动力系统各项参数异常时或手调油门导致发动机转速快速上升或下降时，电控调速会自动关闭，当单片机（13）收到来自can总线的电控调速关闭指令时，电控调速立即关闭。

电控调速关闭后，指示灯（20）熄灭，步进电机（7）不动作，油门开度保持原有位置不变。

电控调速关闭后，操作人员用手直接转动调节手轮（4）即可继续调节油门开度大小，调节手轮（4）通过蜗杆蜗轮减速器（2）带动油门拉索盘（1）旋转，固定在油门拉索盘（1）上的钢丝拉索（101）随着油门拉索盘（1）的旋转被带动，从而调节发动机油门开度大小，当油门开度调至合适位置，调速手轮（4）不转时，由于蜗杆蜗轮减速器（2）的自锁作用，油门拉索盘（1）不在外力作用下转动，因此油门开度也不会再外力作用下改变；固定在油门拉索盘（1）上的触头（102）也随着油门拉索盘（1）转动，在手动调节油门开度过程中，当触头（102）触碰到一号限位挡板（901）或二号限位挡板（902）时，油门拉索盘（1）达到极限位置，即油门已到达极限位置。

电控调速关闭后，单片机（13）对行驶速度、发动机工作状态、发动机转速、发动机油箱剩余油量以及发动机水箱温度等动力系统关键参数的监测以及实时显示功能仍在运行。

以上对本实用新型的描述是说明性的，而非限制性的，本专业技术人员理解，在权利要求限定的精神与范围之内可对其进行许多修改、变化或等效，但是他们都将落入本实用新型的保护范围之内。