一种桑园液压转向微耕机的机电液控制系统及方法与流程

本发明涉及桑园液压转向微耕机的控制技术领域，尤其涉及到一种桑园液压转向微耕机的机电液控制系统及方法。

背景技术：

在我国农业生产中，蚕桑生产有着悠久的历史。近年来，随着我国科技水平的不断进步，农业机械化得到长足的发展，大田作业农业机械表现得尤为突出，但桑园管理机械的发展仍处于起步阶段。目前的桑园管理主要以人工作业为主，这样一来直接地提高了蚕桑管理的成本。

在桑园作业过程中，对桑园机械的作业速度、幅度、质量、灵活度的要求逐渐提高，人们希望桑园机械在快速高效作业的同时，能够保障作业质量。根据桑园管理的园艺要求，为了提高桑树桑叶产量，桑树要进行夏伐和秋伐多次剪伐，在生长过程中会逐渐生成“树拳”。传统的桑园液压微耕机机在进行桑园作业过程中，如果桑园微耕机碰伤“树拳”，就会影响桑树的再次发芽生长，降低桑叶产量。桑园微耕机在作业过程中，如果仅依靠操作人员的主观判断来调整作业机械的姿态和速率，很容易发生作业重叠、遗漏和操作不当碰伤“树拳”现象。

技术实现要素：

本发明针对现有技术的不足，提供一种桑园液压转向微耕机的机电液控制系统及方法，利用导航定位系统获取桑园地理位置信息及微耕机作业过程中实时位置及航向信息，利用车载微型电脑对获取到的路径信息与微耕机的实时位置坐标和航向信息进行比较分析，如果发生偏离，计算回归偏转角度，将其传递给基于stm32的转向控制系统，通过pid控制算法控制电液比例阀的流量，从而控制液压转向执行机构执行转向操作，使得微耕机回归设定路径，驱动桑园液压转向微耕机按规划路径自动作业，有效绕开“树拳”。

本发明是通过如下技术方案实现的，提供一种桑园液压转向微耕机的机电液控制系统，包括液压转向执行机构模块、导航定位系统以及与所述导航定位系统电连接的转向控制系统模块，所述液压转向执行机构模块包括连通液压油箱的液压泵，以及分别安装于微耕机左轮、右轮上的左液压缸、右液压缸，所述左液压缸、右液压缸分别通过左转油路、右转油路汇集于连通所述液压泵出口的主管路，所述左转油路和右转油路上均设有三位四通电液比例流量阀，所述主管路上设有两位四通总电磁阀。

本方案通过利用导航定位系统获取桑园地理位置信息及微耕机作业过程中实时位置及航向信息，通过农机实际路径与预定义路径之间的比较计算出农机车辆的期望偏转角度，并传递给转向控制系统模块，由转向控制系统模块控制三位四通电液比例流量阀，实现左液压缸和右液压缸的活塞杆位移，从而通过左轮或右轮的差速行驶实现转向；液压管路的设置保证了左右液压缸的独立、快速的相应，互不影响，分别对微耕机的左右轮进行控制，同时通过总电磁阀实现主管路的切换，十分高效可靠。

作为优化，所述转向控制系统模块包括up板卡、微控制单元(mcu)、can总线模块、光耦隔离单元、功率放大器、角度测量单元和电源模块；

所述up板卡搭载搭载ips-lcd显示屏，方便对导航定位系统进行操作；

所述微控制单元(mcu)接收期望偏转角度信号，并经计算处理生成与期望偏转角度相应的pwm信号；

所述can总线模块包括自带can总线控制器的stm32芯片和附加的can总线收发器tja1050，其传输数据稳定可靠且具备较强错误自检的功能，能够避免桑园微耕机在行驶过程中振动比较大带来的环境影响；

所述光耦隔离单元包括光电耦合器和外围电路，对pwm信号进行隔离处理，对stm32芯片处理器和功率放大电路进行隔离保护；

所述功率放大器对pwm信号的功率进行放大处理；

所述角度测量单元用于计算微耕机姿态信息，为转向提供数据，通过检测车辆实际偏转角度并与期望偏转角度进行比较，根据产生的偏差对pwm信号的占空比进行调节；

所述电源模块为转向控制系统模块的各部分提供工作电压，保证系统的正常运行。

作为优选，所述微控制单元（mcu）选择型号为stm32f103c8t6增强型系列的ram处理器芯片作为mcu。数据处理更加精确快速，保证了微耕机动作的可靠、快速。

作为优选，所述角度测量单元选用mpu6050模块。利用其内部带有的姿态解算器计算姿态信息，然后由卡尔曼算法进行动态滤波，计算的准确性更高。

对于上述桑园液压转向微耕机的机电液控制方法：

（1）导航定位系统获取微耕机实时位置和航向信息，通过农机实际路径与预定义路径之间的比较计算出农机车辆的期望偏转角度，并传递给转向控制系统模块；

（2）转向控制系统模块接收期望偏转角度后，经计算处理生成相应的pwm信号，通过调整输出pwm信号的占空比大小控制电液比例流量阀输出流量的大小，实现控制液压缸活塞杆的位移，从而控制微耕机转向；

（3）机电液控制系统工作时，将两位四通总电磁阀调至左位，使整个液压油路导通；

（4）微耕机需要左转时，将左转油路中的三位四通电液比例流量阀打到左端，并通过调节阀口开度大小控制压力油进入左液压缸的无杆腔的流量大小；

（5）微耕机需要右转时，将右转油路中的三位四通电液比例流量阀打到左端，并通过调节阀口开度大小控制压力油进入液压缸的无杆腔的流量大小；

（6）微耕机需要停止时，将左转油路和右转油路中的三位四通电液比例流量阀均打到左端，并使阀口完全打开；

（7）微耕机正常行驶时，左转油路和右转油路中的三位四通电液比例流量阀均位于右端。

本控制方法通过导航定位系统得出期望偏转角度，通过can总线传递给转向控制器，通过pid控制算法控制电液比例阀的流量，从而控制液压转向执行机构执行转向操作，自动化程度和转向的精确性较之人工操作有了大幅提高。

本发明的有益效果为：在自动行驶的过程中，通过导航定位系统不断检测农机的实际位置和姿态信息，并计算桑园液压转向微耕机与预定路径之间的偏差信息，通过can总线将偏差信息传递给转向控制器，通过mcu生成pwm信号控制转向执行机构进行转向，最终使得微耕机按照预定路径行驶，实现了桑园液压转向微耕机在自动控制系统下自动行驶于田间进行农艺作业，使得作业更加高效，大大缩短作业时间，减少对桑树生长的影响，并且降低了投入成本，有利于促进微耕机械精准作业及智能化农业装备的发展。

附图说明

图1为本发明液压转向执行机构原理图；

图2为本发明转向控制系统原理图；

图3为本发明控制系统总体流程图；

图中所示：

1、左液压缸，2、右液压缸，3、三位四通电液比例流量阀，4、两位四通总电磁阀，5、溢流阀，6、液压泵。

具体实施方式

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，对本方案进行阐述。

一种桑园液压转向微耕机的机电液控制系统，包括液压转向执行机构模块、导航定位系统以及与所述导航定位系统电连接的转向控制系统模块。

导航定位系统为北斗差分定位导航系统，可以精确获取桑园地理位置信息及微耕机作业过程中实时位置及航向信息。

液压转向执行机构模块包括连通液压油箱的液压泵6，以及分别安装于微耕机左轮、右轮上的左液压缸1、右液压缸2，液压泵6的出口设有连通至油箱的溢流阀5，所述左液压缸1、右液压缸2分别通过左转油路、右转油路汇集于连通所述液压泵6出口的主管路，所述左转油路和右转油路上均设有三位四通电液比例流量阀3，所述主管路上设有两位四通总电磁阀4。

三位四通电液比例流量阀采用efbg-03-125型比例流量阀，左液压缸1和右液压缸2均为只有一端有活塞杆的单活塞杆液压缸。

液压缸活塞杆的位移速度v与液压缸的输入流量q成线性关系，通过控制比例流量阀的输出流量就可以控制液压缸活塞杆的位移，而对比例流量阀输出流量大小控制的关键就是对输入电流的控制。采用脉冲宽度调制（pwm）控制技术来调节电流大小。

在pwm信号周期t不发生变化的情况下，pwm方波的电流平均值随着占空比的变化而变化，通过调整输出pwm信号的占空比大小控制比例流量阀输出流量的大小，达到控制液压缸活塞杆的位移的目的。通过对两个比例流量阀的分别控制，实现了桑园微耕机左转向、右转向和快速停止等操作。

转向控制系统模块包括up板卡、微控制单元(mcu)、can总线模块、光耦隔离单元、功率放大器、角度测量单元和电源模块。

所述up板卡搭载搭载ips-lcd显示屏，作为导航定位系统的操作系统。

所述微控制单元(mcu)选择型号为stm32f103c8t6增强型系列的ram处理器芯片作为mcu，接收期望偏转角度信号，并生成与期望偏转角度相应的pwm信号。

所述can总线模块包括自带can总线控制器的stm32芯片和附加的can总线收发器tja1050。

所述光耦隔离单元包括光电耦合器和外围电路，对stm32芯片处理器和功率放大电路进行隔离保护。光耦隔离单元对pwm信号进行隔离处理。

所述功率放大器对pwm信号的功率进行放大处理，放大电路为反接卸荷式，对电流信号进行放大处理后对比例阀比例电磁铁线圈供电。

所述角度测量单元选用mpu6050模块，用内部带有的姿态解算器计算姿态信息，然后由卡尔曼算法进行动态滤波。角度测量单元检测车辆实际偏转角度并与期望偏转角度进行比较，根据产生的偏差对pwm信号的占空比进行调节。

所述电源模块为转向控制系统模块的各部分提供工作电压，具体地，主控mcu（+3.3v）、can收发器（+5v）、光耦隔离单元（+5v）、角度测量单元（+5v）和功率放大电路（+24v）。

针对上述控制系统的控制方法：

（1）导航定位系统获取微耕机实时位置和航向信息，通过农机实际路径与预定义路径之间的比较计算出农机车辆的期望偏转角度，车载电脑up板卡通过can总线与主控mcu进行通讯，将期望偏转角度传递给mcu。

（2）转向控制系统模块的mcu接收期望偏转角度后，经计算处理生成相应的pwm信号，首先通过光耦隔离单元进行隔离处理，然后通过功率放大器对电流信号进行放大处理后，对比例阀比例电磁铁线圈供电，通过角度测量单元检测车辆实际偏转角度并与期望偏转角度进行比较，应用pid算法根据产生的偏差对pwm信号的占空比进行调节，通过调整输出pwm信号的占空比大小控制电液比例流量阀输出流量的大小，实现控制液压缸活塞杆的位移，从而控制微耕机转向。

（3）机电液控制系统工作时，将两位四通总电磁阀调至左位，使整个液压油路导通。

（4）微耕机需要左转时，将左转油路中的三位四通电液比例流量阀打到左端，并通过调节阀口开度大小控制压力油进入左液压缸的无杆腔的流量大小，使得活塞杆以一定的速度向外伸出，使得连接套与分离拔叉向外移动，半轴离合器分离，同时通过刹车臂摆动带动刹车片制动，通过减少驱动链轮转速，使左履带前进速度小于右履带的前进速度，从而实现微耕机左转动作。

（5）微耕机需要右转时，将右转油路中的三位四通电液比例流量阀打到左端，并通过调节阀口开度大小控制压力油进入液压缸的无杆腔的流量大小，其他操作与上述（4）相同。

（6）微耕机需要停止时，将左转油路和右转油路中的三位四通电液比例流量阀均打到左端，并使阀口完全打开，使液压缸中活塞杆迅速完全伸出，通过刹车臂摆动带动刹车片制动，使得左右驱动链轮停止转动，双边履带同时停，从而实现桑园微耕机停止前进。

（7）微耕机正常行驶时，左转油路和右转油路中的三位四通电液比例流量阀均位于右端，通过分离弹簧力的作用下，使液压缸活塞杆处于初始状态。

本机电液控制系统软件设计主要包括期望转角计算程序、pid算法。根据期望转角计算程序得出期望转角，通过can总线传递给转向控制器，通过pid控制算法控制电液比例阀的流量从而控制液压转向执行机构执行转向操作。

期望转角计算程序：在自动导航中航向角默认为以正北方向为基准，即以正北方向顺时针旋转360度，其中正北方向为0º。通过桑园耕机的航向角β与导航线方位角的比较可以确定桑园微耕机的期望转向角度。将北斗卫星天线沿桑园微耕机的中心线放置在车头位置。

（1）取桑园微耕机起始点位置为基点，在桑园微耕机行驶过程中以每秒20次的频率提取车辆的实时位置坐标，计算实时位置到基点的距离，当距离大于等于0.5m时，计算实时位置与起始位置的连线与地球正北方向的夹角，同时将该位置设置为初始位置（基点）。

（2）取桑园微耕机初次行驶时的前两个基点，计算这两个基点的连线与正北方向的夹角，即为方位角α。同时设置该直线航向为规划路径。

（3）利用wgs-84坐标系下的经纬度坐标，将相邻的两基点进行高斯投影转换，得到的平面坐标a（x1，y1）和b(x2,y2)，ab之间的距离为

，

计算出方位角：

（一）

（二）

（4）从第二个基点开始，当桑园微耕机行驶距离大于等于0.5m时计算实时位置与上一个基点的连线与地球正北方向的夹角，即为实时航向角β。利用公式（一）、（二）可以计算出航向角β。

（5）将桑园微耕机航向角与导航线方位角比较，计算期望转向角度θ。以此类推重复以上步骤，连续输出期望转向角度。

pid算法：采用增量型pid控制可以提高液压转向执行机构的稳定性。利用pid算法将获取到的期望转角信号通过stm32进行运算，输出pwm脉冲信号，从而调节液压转向机构。系统在工作中产生的误差，采用比例、积分、微分的方式计算出控制量。根据采样周期t、采样时间点n（0,1,2,3...）、第n次的采样偏差u（n）、第n次控制量的输出值k（n）。增量型pid控制是指数字控制器的输出只是控制量的增量δk（n）。控制算法如下：

当然，上述说明也并不仅限于上述举例，本发明未经描述的技术特征可以通过或采用现有技术实现，在此不再赘述；以上实施例及附图仅用于说明本发明的技术方案并非是对本发明的限制，参照优选的实施方式对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换都不脱离本发明的宗旨，也应属于本发明的权利要求保护范围。