履带式农业机械的综合自动控制装置及其测控方法与流程

本发明属于农业机械领域，具体涉及履带式农业机械的自动化操控。

背景技术：

机械化农田作业需要符合农艺要求，例如水田的耕地作业要求机器在一块农田内反复作业2-3遍，耕作之后要求表面平坦，不得有坑坑洼洼的现象，这是一种重复性、单调性的劳动，司机的劳动强度很大。再比如，开沟作业要求水沟的直线性好、行距均匀、水沟的深浅保持恒定，以利于排水，人工驾驶仅能勉强达到这样的农艺要求。履带式农业机械相比于轮式农业机械，具有接地比压小、抗陷能力强、不破坏犁底层的优点，可以挂接旋耕机、开沟机等作业机具，特别适合在南方水田种植地区使用。采用履带底盘之后，车辆更容易产生俯仰式的颠簸，导致司机需要时刻扭头关注旋耕机或开沟机的作业深度；此外，由于水田的犁底层往往是不平坦的，旋耕机易于随车身产生横滚方向的倾斜，影响耕作后土地的平整程度。因此，如何大幅降低司机的劳动强度，同时提高耕作的质量，是市场所迫切的技术。

发明专利“履带式联合收割机的自动驾驶系统及其控制方法”(中国专利201410413403.9)，是另外一种履带式农业机械，它采用rtk-gps作为导航传感器，具有直线自动行跟踪、自动转弯和收割台的抬升和下降自动控制的功能，但缺乏对机具的精准化位置控制。在另外一份申请的发明专利“悬挂机具水平自动控制装置”(申请号201810801271.9)，提出了使用两只gps天线测量车辆的横滚角，使悬挂的机具能持续保持水平状态，但缺乏对悬挂机具的入土深度控制。发明专利“前置式拖拉机水平自动控制装置”(中国专利，201510843200.8)提出了一种间接测量农具姿态的方法，然后控制机具保持水平姿态，同样，该方法也缺乏对机具的入土深度控制。

为了克服现有履带式农业机械自动控制装置的缺陷，本发明提供了一种履带式农业机械的综合自动控制装置。该装置不仅可以可以独立控制左、右履带的速度以满足自动导航的需求，而且同时控制悬挂机具的水平状态和入土深度，实现综合自动化功能。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：履带式农业机械的综合自动控制装置由测向型卫星定位系统、导航控制器、ecu机箱、电磁液压集成阀、升降油缸的位移传感器、水平油缸的位移传感器、电动推杆调速装置和can网络组成。测向型卫星定位系统的gps天线一前一后被放置在履带式农业机械的遮阳棚架上的中轴线处；转向与机具手柄采用电子式摇杆手柄，代替机械式摇杆手柄；导航控制器固定在仪表面板的侧方，便于驾驶员操控；在车身箱体内，固定一台ecu机箱和一台测向型卫星定位系统的接收机，ecu机箱内包含一块位姿数据采集卡、调速控制卡、履带机具板卡；一台电磁液压集成阀固定于行走踏板之下的车架上，它控制履带的运动、机具的升降和水平姿态；在升降油缸处并联一只位移传感器，在水平油缸处并联一只位移传感器；使用电动推杆调速装置代替手动的hst无级变速装置，使得车速能被综合自动控制装置控制。

电磁液压集成阀包含溢流阀、三位四通电磁阀、二位三通电磁阀、单向节流阀和先导单向阀。电磁液压集成阀的进油口p与第一只三位四通电磁阀的p口联通，此电磁阀的a口b口、先导单向阀、单向节流阀、出油口a1顺次联通，出油口a1与悬挂机具的升降油缸的无杆腔联通；第一只三位四通电磁阀的t口与第二只三位四通电磁阀的p口联通，此电磁阀的a口b口、先导单向阀、单向节流阀、出油口a2出油口b2顺次联通，出油口a2出油口b2与悬挂机具的水平油缸的无杆腔和有杆腔联通；第二只三位四通电磁阀的t口与第三只三位四通电磁阀的p口联通，此电磁阀的a口b口、出油口a3出油口b3顺次联通，出油口a3出油口b3与双推杆油缸的各自的无杆腔联通，双推杆油缸的的有杆腔与二位三通电磁阀的p口联通；此二位三通电磁阀的a口直接联通电磁液压集成阀的回油口t，此二位三通电磁阀的b口与节流阀、电磁液压集成阀的回油口t顺次联通。此外，第一只三位四通电磁阀的p口、第二只三位四通电磁阀的p口各自与一只溢流阀联通，当p口的油压超过设定的压力时，液压油直接溢流到电磁液压集成阀的回油口t。电磁液压集成阀的工作原理是：当第一只三位四通电磁阀的1a电磁阀得电时，升降油缸的大腔内压升高，提升悬挂机具；当1b电磁阀得电时，升降油缸的大腔失压，下降悬挂机具；当第二只三位四通电磁阀的2a电磁阀得电时，水平油缸的大腔内压升高，悬挂机具的一端被升高；当2b电磁阀得电时，水平油缸的小腔内压升高，悬挂机具的一端被降低；当3a电磁阀得电时，双推杆油缸的左油缸大腔内压升高，左履带被制动，履带式农业机械向左旋转，当3b电磁阀得电时，双推杆油缸的右油缸大腔内压升高，右履带被制动，履带式农业机械向右旋转，当这2个电磁阀同时得电时，双推杆油缸的左、右大腔的内压升高，两支推杆全部推出，履带式农业机械被制动。二位三通电磁阀的4a电磁阀没有得到信号时，双推杆油缸的回油口直接联通电磁液压集成阀的回油口t，双推杆油缸的左、右大腔的内压能迅速升高，其推杆能快速推出，控制变速箱与履带驱动轮之间的离合器被迅速推开，制动器马上发生作用，履带式农业机械被制动，履带式农业机械处于大转向模式，当二位三通电磁阀的4a电磁阀得电时，液压油通过节流阀之后，才回到油箱，双推杆油缸的左、右大腔的内压升高较慢，使得其推杆推出伸出的速度变慢，控制变速箱与履带驱动轮之间的离合器被缓慢地推开，被控履带仅仅减速，履带式农业机械处于小转向模式。

履带机具板卡由单片机、运算放大器滤波电路、转向与机具手柄的开关信号输入电路、场效应管功率输出电路和can通信电路组成。水平油缸的位移传感器的模拟量输出端与运算放大器滤波电路的信号输入an0端电连接，运算放大器滤波电路的信号输出ad0端与单片机的ra0引脚电连接；升降油缸的位移传感器的模拟量输出端与运算放大器滤波电路的信号输入an1端电连接，运算放大器滤波电路的信号输出ad1端与单片机的ra1引脚电连接。转向与机具手柄的向左、向右、抬升、下降微动开关和水平油缸抬升、水平油缸下降、大小转切换、手动/自动切换按钮开关与光耦、单片机的rb0、rb1、rb4、rb5、rb6、rb7引脚依次电连接。单片机的rc1～rc7依次与光耦、场效应管功率输出电路和电磁液压集成阀的向左、向右、抬升、下降、水平调节升、水平调节降、大小转切换的电磁头电连接。单片机的canrx、cantx引脚与can通信电路电连接，使得履带机具板卡既可接收导航控制器的指令去控制履带式农业机械转向、机具升降、机具水平控制，也可采集位移传感器的模拟量，发送给导航控制器。

履带机具板卡上电后，初始化单片机的ra、rb、rc端口，配置ra为模拟量输入端口，rb为开关量输入端口，rc为开关量输出端口，然后依次初始化定时器timer0、模数a/d变换和can通信寄存器，构建时间继电器t0-～t11，开启定时器和can通信中断功能。程序按照循环扫描的方式运行：首先逐个检查摇杆手柄的信号——是否有手动操控，如果检测到摇杆手柄向左拨动，则rc0输出被开通，启动时间继电器t0，双推杆油缸的左推杆伸出，使左履带失去动力并制动，手动操控时，时间继电器t0的定时时间固定为200ms，当t0的定时时间到则rc0输出被关断，双推杆油缸的左推杆缩回，使左履带重新获得动力。如果检测到摇杆手柄向右拨动，则rc1输出被开通，启动时间继电器t1，双推杆油缸的右推杆伸出，使右履带失去动力并制动，当t1的定时时间到则rc1输出被关断，双推杆油缸的右推杆缩回，使右履带重新获得动力。如果检测到摇杆手柄向后拨动，则rc2输出被开通，启动时间继电器t2，升降油缸的推杆伸出，抬升悬挂机具，当t2的定时时间到则rc2输出被关断，升降油缸的推杆立即停止运动，悬挂机具停在新的高度位置。如果检测到摇杆手柄向前拨动，则rc3输出被开通，启动时间继电器t3，升降油缸的推杆缩回，下降悬挂机具，当t3的定时时间到则rc3输出被关断，升降油缸的推杆立即停止运动，悬挂机具停在当前的高度位置。如果检测到摇杆手柄的水平控制抬升按钮被按下，则rc4输出被开通，启动时间继电器t4，水平油缸的推杆缩回，抬升悬挂机具的右端，当t4的定时时间到则rc4输出被关断，水平油缸的推杆立即停止运动，悬挂机具停在新的高度位置。如果检测到摇杆手柄的水平控制下降按钮被按下，则rc5输出被开通，启动时间继电器t5，水平油缸的推杆伸出，下降悬挂机具的右端，当t5的定时时间到则rc5输出被关断，水平油缸的推杆立即停止运动，悬挂机具停在当前的高度位置。如果转向与机具手柄的手柄或按钮被持续按住，则执行机构能持续动作。其次，如果产生can接收中断，则判别是哪类指令：如果是向左转指令，则rc0输出被开通，从指令中取出定时时长，启动时间继电器t6，产生与t0相同效果的对左履带的控制。如果是向右转指令，则rc1输出被开通，从指令中取出定时时长，启动时间继电器t7，产生与t1相同效果的对右履带的控制。如果是抬升机具指令，则rc2输出被开通，从指令中取出定时时长，启动时间继电器t8，产生与t2相同效果的对悬挂机具的控制。如果是下降机具指令，则rc3输出被开通，从指令中取出定时时长，启动时间继电器t9，产生与t3相同效果的对悬挂机具的控制。如果是水平控制抬升指令，则rc4输出被开通，从指令中取出定时时长，启动时间继电器t10，产生与t4相同效果的对悬挂机具的水平控制。如果是水平控制下降指令，则rc5输出被开通，从指令中取出定时时长，启动时间继电器t11，产生与t5相同效果的对悬挂机具的水平控制。如果是采集升降油缸的位移传感器指令，则启动a/d变换，把ra0引脚的模拟量转换为数字量，然后通过can网络发送给导航控制器。如果是采集水平油缸的位移传感器指令，则启动a/d变换，把ra1引脚的模拟量转换为数字量，然后通过can通信电路发送给导航控制器。

导航控制器对履带式农机进行综合自动控制。软件系统上电之后，读入导航控制、机具高程控制、机具水平控制的各自的kp、ki、和kd参数，启动can通信线程、控制线程，把悬挂机具降入作业深度，在人机界面设置此位置作为设定的作业深度，软件系统保存此时的升降油缸的位移传感器的读数值。can通信线程一旦接收到位姿数据采集卡的数据，控制线程立即解析出由测向型卫星定位系统产生的车身的位置、航向角和俯仰角，以及由陀螺仪产生的车身绕x轴的角速率和俯仰角、绕y轴的角速率和横滚角；把测向型卫星定位系统产生的车身的x坐标、y坐标、航向角、俯仰角和陀螺仪产生的绕车身x轴的角速率、绕y轴的角速率、俯仰角、横滚角构成观测量，把车身的x坐标、y坐标、航向角、绕x轴的角速率、y轴的角速率、俯仰角和横滚角构成状态量，进行kalman滤波器的递推计算，状态方程和观测方程如下：

xk+1＝φkxk+wk(1)

zk＝hkxk+vk(2)

其中，状态变量为

xk＝[xk,yk,zk,vk,ωxk,ωyk,γxk,γyk,ψzk]^t(3)

状态转移矩阵是

观察量和观测矩阵是

通过先期的实验，计算出状态变量的协方差矩阵qk和观测量的协方差矩阵rk。导航控制器然后从履带机具板卡获取升降油缸和水平油缸的位移传感器的数据，计算该时刻升降油缸的推杆的伸出量、水平油缸的推杆的伸出量。则可计算出悬挂机具当前的作业深度与设置的作业深度之间的差值、当前的左右两端之间的高程差：

式中，δs1是当前升降油缸伸出量与设定工作高度或深度时的伸出量之间的差值产生的油缸行程量；

δs2是当前水平油缸伸出量与悬挂机具水平状态时的伸出量之间的差值产生的油缸行程量；

δegps是前卫星定位天线的高程的改变量；

l1，l11分别是上提升臂的总长、从机身支座到油缸铰接点之间的距离；

l2，l21分别是下提升臂的总长、从机身支座到拉杆铰接点之间的距离；

l3，l4分别是履带中点距离前卫星定位天线的水平距离、履带中点距离悬挂机具刀尖的水平距离；

l5，l6分别是悬挂机具的拉杆铰接点之间的距离和悬挂机具的宽度；

α是升降油缸与垂线之间的角度；

最后，依据车身的横向偏差和航向角，按照导航的非线性pid控制算法产生改变履带运动状态的纠正路径偏差的控制量，按照机具控制非线性pid控制算法产生使升降油缸、水平油缸动作的控制量。鉴于控制履带、升降油缸、水平油缸的油路属于串联性质，因此尽管每一次数据周期均可产生上述计算结果，但是输出控制需要按照一定的节拍，并考虑不同作业场景的差异。如果是挂接旋耕机进行耕地作业时，直行阶段，导航控制器需要兼顾导航、作业深度、水平控制，以5拍为一个周期，按照输出节拍1：2：2的方式进行控制；转弯阶段，导航控制器需要兼顾作业深度与水平控制，仍然以5拍为一个周期，按照输出节拍3：2的方式进行控制；如果是挂接开沟机进行开沟作业，直行阶段，导航控制器兼顾导航、作业深度，输出控制节拍为1：4；转弯阶段，开沟机被抬升后，导航控制器只控制航向。

履带式旋耕机逆时针方向围框型覆盖式作业的路径规划方法如下：设田块的宽度为w，长度为l，作业宽度为m,转弯半径为r，从田块的右侧由南向北开始作业。履带式旋耕机首先按照从外向内的路径作业，第一条路径定义为x＝-0.5m，该路径的直行终点是y＝l-0.5m-2.5r；履带式旋耕机往往是在水田中作业，让它直接进行一个90°的转弯比较困难，旧的路径切换到新的路径采用1条45°弧线路径加一小段直行，再加1条45°弧线路径的方式；第二条路径定义为y＝l-0.5m，该路径的直行终点是x＝-w+0.5m+2.5r；第三条路径定义为x＝-w+0.5m，该路径的直行终点是y＝0.5m+2.5r；第四条路径定义为y＝0.5m，该路径的直行终点是x＝-1.5m-2.5r。如此这样，履带式旋耕机完成一个整圈的作业。此后，每条路径是一条与紧邻的外侧路径平行的、间距一个作业宽度m的路径，该路径的终点比紧邻的外侧路径的终点缩短距离m。当这种覆盖式作业使履带式旋耕机运动到田块中央部位之后，以最接近中线的那条路径为起点，实行从内向外的路径：新的路径逐条外移，每次移动一个作业宽度m，新路径的终点比紧邻的内侧路径的终点延长距离m。如此这样，履带式旋耕机将自动靠近田块的最外围路径，如果没有人为的停车干预，新的路径将再次按照从外向内的方式逐行推进，等履带式旋耕机到达中线之后，新的路径再次按照从内向外的方式逐行推进。通过这样的路径设置方法，可使履带式旋耕机反复地自动耕地，达到预期的农艺要求。

履带式旋耕机逆时针方向围框型覆盖式作业的综合自动控制方法如下：导航控制器按照顺序执行的方式进行路径的控制。在直线路径上启动直行自动控制，兼顾导航、作业深度和水平控制,按规划的路径前进作业，在距离该路径的终点1.0米处，导航控制器发出慢速指令给调速控制卡，使得履带式旋耕机以慢速精确地到达该路径的终点。履带式旋耕机进入转弯阶段，此阶段导航控制器兼顾作业深度和水平控制；导航控制器发出左转指令给履带机具板卡，左履带被制动，右履带运动，当航向角改变45°时，导航控制器发出直行指令给履带机具板卡，两条履带同时运动，此直行动作持续1.6m距离之后，导航控制器发出左转指令给履带机具板卡，当航向角再次改变45°时，履带式旋耕机已经整体转动了90°，转弯阶段结束，履带式旋耕机进入新的一条路径，再次进入直行阶段，继续兼顾导航、作业深度和水平控制，在慢速中履带式旋耕机纠正路径偏差和航向姿态，持续2米之后，导航控制器发出中速指令给调速控制卡，按规划的路径前进作业。在距离该路径的终点1.0米处，依次进入慢速、转弯模式，直到进入一条新的路径。

履带式开沟机从左向右逐排平行行开沟作业的路径规划方法如下：开沟作业的时，土壤一般是比较干燥的，履带式开沟机可以直接进行一个90°的转弯。履带式开沟机的第一条路径(去程)定义为x＝0.5m，该路径的直行终点是y＝l-r；第二条路径(过渡直行路径)定义为y＝l，该路径的直行终点是x＝1.5m-r；第三条路径(回程)定义为x＝1.5m，该路径的直行终点是y＝r；第四条路径(过渡直行路径)定义为y＝0，该路径的直行终点是x＝2.5m-r。如此这样，履带式开沟机完成一个周期的路径规划。此后的路径规划重复这个周期，去程与回程路径之间的间距保持为一个作业宽度m，奇数序号的路径终点相同，都是y＝l-r；偶数序号的路径终点相同，都是y＝r。这种逐排平行行路径使履带式开沟机能自动运动到农田边界。设置一条与去程路径垂直的远端横直行路径，定义为y＝l-m,上一条路径的终点是y＝l-r-m，远端横直行路径的终点是x＝r；再设置一条近端横直行路径，定义为y＝m,上一条路径的终点是y＝r+m，近端横直行路径的终点是x＝w；两条横直行路径构成去程和回程，但不再有第四条路径。这样就构成了纵向为主，纵横联通的开沟路径。

履带式开沟机的综合自动控制按照顺序执行的方式进行路径的控制。在直线路径上读取第一条路径设置，启动直行自动控制，兼顾导航、作业深度的控制，在距离该路径的终点1.0米处，导航控制器发出慢速指令给调速控制卡，使得履带式开沟机以慢速精确地到达该路径的终点，导航控制器发出抬升开沟机的指令给履带机具板卡。履带式开沟机进入转弯阶段，此阶段导航控制器只监视转弯过程；导航控制器发出右转指令给履带机具板卡，右履带被制动，左履带运动，当航向角改变90°时，转弯阶段结束，履带式开沟机进入第二条路径，导航控制器只进行导航控制，当到达第二条路径的终点时，履带式开沟机再次进入90°转弯阶段，此阶段导航控制器只监视转弯过程。当转弯阶段结束，履带式开沟机进入回程路径，导航控制器发出下降开沟机的指令给履带机具板卡，履带式开沟机兼顾导航、作业深度的控制，此动作持续2米之后，导航控制器发出中速指令给调速控制卡，按规划的路径前进作业。在距离该路径的终点1.0米处，再次进入慢速、左转弯模式，直到进入第四条路径。在完成一个路径周期之后，履带式开沟机重新进入去程路径，履带式开沟机又进入慢速调整轨迹、中速作业的顺序动作过程。

本发明的有益效果是履带式农业机械的综合自动控制装置不仅可以可以独立控制左、右履带的运动状态以满足自动导航的需求，而且同时控制悬挂机具的水平状态和入土深度，实现综合自动化功能，提高作业的精准度，极大地减轻司机的劳动强度。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是综合自动控制装置在履带式旋耕机中应用的一个实施例。

图2是电磁液压集成阀的液压原理图。

图3是履带机具板卡的一个电路原理实施例。

图4是履带机具板卡的测控过程的一个实施例。

图5是导航控制器综合自动控制履带式旋耕机直线行驶软件流程的一个实施例。

图6是履带式旋耕机逆时针方向围框型覆盖式作业的路径规划方法的一个实施例。

图7是履带式旋耕机逆时针方向围框型覆盖式作业的综合自动控制的一个实施例。

图8是履带式开沟机从左向右逐排平行行开沟作业的路径规划方法的一个实施例。

图9是履带式开沟机的综合自动控制的一个实施例。

图中，1.旋耕机具，2.车身箱体，3.测向型卫星定位系统，4.遮阳棚架，5.转向与机具手柄，6.导航控制器，7.ecu机箱，8.电磁液压集成阀，9.位移传感器，10.水平油缸，11.位移传感器，12.升降油缸，13.溢流阀，14.溢流阀，15.三位四通电磁阀，16.先导单向阀，17.单向节流阀，18.三位四通电磁阀，19.单向节流阀，20.双推杆油缸，21.先导单向阀，22.三位四通电磁阀，23.二位三通电磁阀，24.节流阀，25.mcp6274滤波电路，26.pic18f25k80，27.mcp2551can通信电路，28.aod4184功率输出电路，29.光耦el357，30.开关信号输入电路，31.按钮开关

图1是综合自动控制装置在履带式旋耕机中应用的一个实施例，履带式旋耕机的综合自动控制装置由测向型卫星定位系统(3)、导航控制器(6)、ecu机箱(7)、电磁液压集成阀(8)、升降油缸(12)的位移传感器(11)、水平油缸(10)的位移传感器(9)、电动推杆调速装置和can网络组成。测向型卫星定位系统(3)的gps天线一前一后被放置在履带式旋耕机的遮阳棚架(4)上的中轴线处；转向与机具手柄(5)采用电子式摇杆手柄，代替机械式摇杆手柄；导航控制器(6)固定在仪表面板的侧方，便于驾驶员操控；在车身箱体(2)内，固定一台ecu机箱(7)和一台测向型卫星定位系统(3)的接收机，ecu机箱(7)内包含一块位姿数据采集卡、调速控制卡、履带机具板卡；一台电磁液压集成阀(8)固定于行走踏板之下的车架上，它控制履带的运动、旋耕机具(1)的升降和水平姿态；在升降油缸(12)处并联一只位移传感器(11)，在水平油缸(10)处并联一只位移传感器(9)；使用电动推杆调速装置代替手动的hst无级变速装置，使得车速能被综合自动控制装置控制。

图2是电磁液压集成阀(8)的液压原理图，包含溢流阀(13，14)、三位四通电磁阀(15，18，21)、二位三通电磁阀(22)、单向节流阀(17，19)、节流阀(24)和先导单向阀(16，20)。电磁液压集成阀(8)的进油口p与第一只三位四通电磁阀(15)的p口联通，此电磁阀(15)的a口b口、先导单向阀(16)、单向节流阀(17)、出油口a1顺次联通，出油口a1与旋耕机具(1)的升降油缸(12)的无杆腔联通；第一只三位四通电磁阀(15)的t口与第二只三位四通电磁阀(18)的p口联通，此电磁阀(18)的a口b口、先导单向阀(21)、单向节流阀(19)、出油口a2出油口b2顺次联通，出油口a2出油口b2与旋耕机具(1)的水平油缸(10)的无杆腔和有杆腔联通；第二只三位四通电磁阀(18)的t口与第三只三位四通电磁阀(22)的p口联通，此电磁阀(22)的a口b口、出油口a3出油口b3顺次联通，出油口a3出油口b3与双推杆油缸(20)的各自的无杆腔联通，双推杆油缸(20)的有杆腔与二位三通电磁阀(23)的p口联通；此二位三通电磁阀(23)的a口直接联通电磁液压集成阀(8)的回油口t，此二位三通电磁阀(23)的b口与节流阀(24)、电磁液压集成阀(8)的回油口t顺次联通。此外，第一只三位四通电磁阀(15)的p口、第二只三位四通电磁阀(18)的p口各自与一只溢流阀(13，14)联通，当p口的油压超过设定的压力时，液压油直接溢流到电磁液压集成阀(8)的回油口t。电磁液压集成阀(8)的工作原理是：当第一只三位四通电磁阀(15)的1a电磁阀得电时，升降油缸(12)的大腔内压升高，提升旋耕机具(1)；当1b电磁阀得电时，升降油缸(12)的大腔失压，下降旋耕机具(1)；当第二只三位四通电磁阀(18)的2a电磁阀得电时，水平油缸(10)的大腔内压升高，旋耕机具(1)的一端被升高；当2b电磁阀得电时，水平油缸(10)的小腔内压升高，悬耕机具(1)的一端被降低；当3a电磁阀得电时，双推杆油缸(20)的左油缸大腔内压升高，左履带被制动，履带式农业机械向左旋转，当3b电磁阀得电时，双推杆油缸(20)的右油缸大腔内压升高，右履带被制动，履带式农业机械向右旋转，当这2个电磁阀同时得电时，双推杆油缸(20)的左、右大腔的内压升高，两支推杆全部推出，履带式农业机械被制动。二位三通电磁阀(23)的4a电磁阀没有得到信号时，双推杆油缸(20)的回油口直接联通电磁液压集成阀(8)的回油口t，双推杆油缸(20)的左、右大腔的内压能迅速升高，其推杆能快速推出，控制变速箱与履带驱动轮之间的离合器被迅速推开，制动器马上发生作用，履带式农业机械被制动，履带式农业机械处于大转向模式，当二位三通电磁阀(23)的4a电磁阀得电时，液压油通过节流阀之后，才回到油箱，双推杆油缸(20)的左、右大腔的内压升高较慢，使得其推杆推出伸出的速度变慢，控制变速箱与履带驱动轮之间的离合器被缓慢地推开，被控履带仅仅减速，履带式农业机械处于小转向模式。

图3是履带机具板卡的一个电路原理实施例，履带机具板卡由pic18f25k80(26)、mcp6274滤波电路(25)、转向与机具手柄(5)的开关信号输入电路(30)、aod4184功率输出电路(28)和mcp2551can通信电路(27)组成。水平油缸(10)的位移传感器(9)的模拟量输出端与mcp6274滤波电路(25)的信号输入an0端电连接，mcp6274滤波电路(25)的信号输出ad0端与pic18f25k80(26)的ra0引脚电连接；升降油缸(12)的位移传感器(11)的模拟量输出端与mcp6274滤波电路(25)的信号输入an1端电连接，mcp6274滤波电路(25)的信号输出ad1端与pic18f25k80(26)的ra1引脚电连接。转向与机具手柄(5)的向左、向右、抬升、下降微动开关和水平油缸(10)抬升、水平油缸(10)下降、大小转切换、手动/自动切换按钮开关(31)与开关信号输入电路(30)、pic18f25k80(26)的rb0、rb1、rb4、rb5、rb6、rb7引脚依次电连接。pic18f25k80(26)的rc1～rc7依次与光耦el357(29)、aod4184功率输出电路(28)和电磁液压集成阀(8)的向左、向右、抬升、下降、水平调节升、水平调节降、大小转切换的电磁头电连接。pic18f25k80(26)的canrx、cantx引脚与mcp2551can通信电路(27)电连接，使得履带机具板卡既可接收导航控制器(6)的指令去控制履带式农业机械转向、机具升降、机具水平控制，也可采集位移传感器(9，11)的模拟量，发送给导航控制器(6)。

图4履带机具板卡的测控过程的一个实施例。履带机具板卡上电后，初始化pic18f25k8(26)的ra、rb、rc端口，配置ra为模拟量输入端口，rb为开关量输入端口，rc为开关量输出端口，然后依次初始化定时器timer0、模数a/d变换和can通信寄存器，构建时间继电器t0-～t11，开启定时器和can通信中断功能。程序按照循环扫描的方式运行：首先逐个检查转向与机具手柄(5)的信号——是否有手动操控，如果检测到转向与机具手柄(5)向左拨动，则rc0输出被开通，启动时间继电器t0，双推杆油缸(20)的左推杆伸出，使左履带失去动力并制动，手动操控时，时间继电器t0的定时时间固定为200ms，当t0的定时时间到则rc0输出被关断，双推杆油缸(20)的左推杆缩回，使左履带重新获得动力。如果检测到转向与机具手柄(5)向右拨动，则rc1输出被开通，启动时间继电器t1，双推杆油缸(20)的右推杆伸出，使右履带失去动力并制动，当t1的定时时间到则rc1输出被关断，双推杆油缸(20)的右推杆缩回，使右履带重新获得动力。如果检测到转向与机具手柄(5)向后拨动，则rc2输出被开通，启动时间继电器t2，升降油缸(12)的推杆伸出，抬升旋耕机具(1)，当t2的定时时间到则rc2输出被关断，升降油缸(12)的推杆立即停止运动，旋耕机具(1)停在新的高度位置。如果检测到转向与机具手柄(5)向前拨动，则rc3输出被开通，启动时间继电器t3，升降油缸(12)的推杆缩回，下降悬耕机，当t3的定时时间到则rc3输出被关断，升降油缸(12)的推杆立即停止运动，旋耕机具(1)停在当前的高度位置。如果检测到转向与机具手柄(5)的水平控制抬升按钮被按下，则rc4输出被开通，启动时间继电器t4，水平油缸(10)的推杆缩回，抬升悬耕机的右端，当t4的定时时间到则rc4输出被关断，水平油缸(10)的推杆立即停止运动，旋耕机具(1)停在新的高度位置。如果检测到转向与机具手柄(5)的水平控制下降按钮被按下，则rc5输出被开通，启动时间继电器t5，水平油缸(10)的推杆伸出，下降悬耕机具(1)的右端，当t5的定时时间到则rc5输出被关断，水平油缸(10)的推杆立即停止运动，悬耕机具(1)停在当前的高度位置。如果转向与机具手柄(5)的手柄或按钮被持续按住，则执行机构能持续动作。其次，如果产生can接收中断，则判别是哪类指令：如果是向左转指令，则rc0输出被开通，从指令中取出定时时长，启动时间继电器t6，产生与t0相同效果的对左履带的控制。如果是向右转指令，则rc1输出被开通，从指令中取出定时时长，启动时间继电器t7，产生与t1相同效果的对右履带的控制。如果是抬升机具指令，则rc2输出被开通，从指令中取出定时时长，启动时间继电器t8，产生与t2相同效果的对旋耕机具(1)的控制。如果是下降机具指令，则rc3输出被开通，从指令中取出定时时长，启动时间继电器t9，产生与t3相同效果的对旋耕机具(1)的控制。如果是水平控制抬升指令，则rc4输出被开通，从指令中取出定时时长，启动时间继电器t10，产生与t4相同效果的对悬耕机具(1)的水平控制。如果是水平控制下降指令，则rc5输出被开通，从指令中取出定时时长，启动时间继电器t11，产生与t5相同效果的对悬耕机具(1)的水平控制。如果是采集升降油缸(12)的位移传感器(11)指令，则启动a/d变换，把ra0引脚的模拟量转换为数字量，然后通过can网络发送给导航控制器(6)。如果是采集水平油缸(10)的位移传感器(9)指令，则启动a/d变换，把ra1引脚的模拟量转换为数字量，然后通过mcp2551can通信电路(27)发送给导航控制器(6)。

图5是导航控制器(6)综合自动控制履带式旋耕机直线行驶软件流程的一个实施例。软件系统上电之后，读入导航控制、机具高程控制、机具水平控制的各自的kp、ki、和kd参数，启动can通信线程、控制线程，把悬耕机降入作业深度，在人机界面设置此位置作为设定的作业深度，软件系统保存此时的升降油缸(12)的位移传感器(11)的读数值。can通信线程一旦接收到位姿数据采集卡的数据，控制线程立即解析出由测向型卫星定位系统(3)产生的车身的位置、航向角和俯仰角，以及由陀螺仪产生的车身绕x轴的角速率和俯仰角、绕y轴的角速率和横滚角；把测向型卫星定位系统(3)产生的车身的x坐标、y坐标、航向角、俯仰角和陀螺仪产生的绕车身x轴的角速率、绕y轴的角速率、俯仰角、横滚角构成观测量，把车身的x坐标、y坐标、航向角、绕x轴的角速率、y轴的角速率、俯仰角和横滚角构成状态量，进行kalman滤波器的递推计算。通过先期的实验，计算出状态变量的协方差矩阵qk和观测量的协方差矩阵rk。导航控制器(6)然后从履带机具板卡获取升降油缸(12)和水平油缸(10)的位移传感器(9，11)的数据，计算该时刻升降油缸(12)的推杆的伸出量、水平油缸(10)的推杆的伸出量。依据公式(7)计算出旋耕机具(1)中心点当前的作业深度与设置的作业深度之间的差值，依据公式(8)计算出当前的左右两端之间的高程差；依据车身的横向偏差和航向角，按照导航的非线性pid控制算法产生改变履带运动状态的纠正路径偏差的控制量，按照机具控制非线性pid控制算法产生使升降油缸(12)、水平油缸(10)动作的控制量。鉴于控制履带、升降油缸(12)、水平油缸(10)的油路属于串联性质，因此尽管每一次数据周期均可产生上述计算结果，但是输出控制需要按照一定的节拍。直行阶段，导航控制器(6)需要兼顾导航、作业深度、水平控制，以5拍为一个周期，按照输出节拍1：2：2的方式进行控制；转弯阶段，导航控制器(6)需要兼顾作业深度与水平控制，仍然以5拍为一个周期，按照输出节拍3：2的方式进行控制。

图6是履带式旋耕机逆时针方向围框型覆盖式作业的路径规划方法的一个实施例。设田块的宽度为w，长度为l，作业宽度为m,转弯半径为r，从田块的右侧由南向北开始作业。履带式旋耕机首先按照从外向内的路径作业，第一条路径定义为x＝-0.5m，该路径的直行终点是y＝l-0.5m-2.5r；履带式旋耕机往往是在水田中作业，让它直接进行一个90°的转弯比较困难，旧的路径切换到新的路径采用1条45°弧线路径加一小段直行，再加1条45°弧线路径的方式；第二条路径定义为y＝l-0.5m，该路径的直行终点是x＝-w+0.5m+2.5r；第三条路径定义为x＝-w+0.5m，该路径的直行终点是y＝0.5m+2.5r；第四条路径定义为y＝0.5m，该路径的直行终点是x＝-1.5m-2.5r。如此这样，履带式旋耕机完成一个整圈的作业。此后，每条路径是一条与紧邻的外侧路径平行的、间距一个作业宽度m的路径，该路径的终点比紧邻的外侧路径的终点缩短距离m。当这种覆盖式作业使履带式旋耕机运动到田块中央部位之后，以最靠近中线的那条路径为起点，实行从内向外的路径：新的路径逐条外移，每次移动一个作业宽度m，新路径的终点比紧邻的内侧路径的终点延长距离m。如此这样，履带式旋耕机将自动靠近田块的最外围路径，如果没有人为的停车干预，新的路径将再次按照从外向内的方式逐行推进，等履带式旋耕机到达中线之后，新的路径再次按照从内向外的方式逐行推进。通过这样的路径设置方法，可使履带式旋耕机反复地自动耕地，达到预期的农艺要求。

图7是履带式旋耕机逆时针方向围框型覆盖式作业的综合自动控制的一个实施例。导航控制器(6)按照顺序执行的方式进行路径的控制。在直线路径上启动直行自动控制，兼顾导航、作业深度和水平控制,按规划的路径前进作业，在距离该路径的终点1.0米处，导航控制器(6)发出慢速指令给调速控制卡，使得履带式旋耕机以慢速精确地到达该路径的终点。履带式旋耕机进入转弯阶段，此阶段导航控制器(6)兼顾作业深度和水平控制；导航控制器(6)发出左转指令给履带机具板卡，左履带被制动，右履带运动，当航向角改变45°时，导航控制器(6)发出直行指令给履带机具板卡，两条履带同时运动，此直行动作持续1.6m距离之后，导航控制器(6)发出左转指令给履带机具板卡，当航向角再次改变45°时，履带式旋耕机已经整体转动了90°，转弯阶段结束，履带式旋耕机进入新的一条路径，再次进入直行阶段，继续兼顾导航、作业深度和水平控制，在慢速中履带式旋耕机纠正路径偏差和航向姿态，持续2米之后，导航控制器(6)发出中速指令给调速控制卡，按规划的路径前进作业。在距离该路径的终点1.0米处，依次进入慢速、转弯模式，直到进入一条新的路径。

图8是履带式开沟机从左向右逐排平行行开沟作业的路径规划方法的一个实施例。开沟作业的时，土壤一般是比较干燥的，履带式开沟机可以直接进行一个90°的转弯。履带式开沟机的第一条路径(去程)定义为x＝0.5m，该路径的直行终点是y＝l-r；第二条路径(过渡直行路径)定义为y＝l，该路径的直行终点是x＝1.5m-r；第三条路径(回程)定义为x＝1.5m，该路径的直行终点是y＝r；第四条路径(过渡直行路径)定义为y＝0，该路径的直行终点是x＝2.5m-r。如此这样，履带式开沟机完成一个周期的路径规划。此后的路径规划重复这个周期，去程与回程路径之间的间距保持为一个作业宽度m，奇数序号的路径终点相同，都是y＝l-r；偶数序号的路径终点相同，都是y＝r。这种逐排平行行路径使履带式开沟机能自动运动到农田边界。设置一条与去程路径垂直的远端横直行路径，定义为y＝l-m,上一条路径的终点是y＝l-r-m，远端横直行路径的终点是x＝r；再设置一条近端横直行路径，定义为y＝m,上一条路径的终点是y＝r+m，近端横直行路径的终点是x＝w；两条横直行路径构成去程和回程，但不再有第四条路径。这样就构成了纵向为主，纵横联通的开沟路径。

图9是履带式开沟机的综合自动控制的一个实施例。导航控制器(6)按照顺序执行的方式进行路径的控制。在直线路径上读取第一条路径设置，启动直行自动控制，兼顾导航、作业深度的控制，在距离该路径的终点1.0米处，导航控制器(6)发出慢速指令给调速控制卡，使得履带式开沟机以慢速精确地到达该路径的终点，导航控制器(6)发出抬升开沟机的指令给履带机具板卡。履带式开沟机进入转弯阶段，此阶段导航控制器(6)只监视转弯过程；导航控制器(6)发出右转指令给履带机具板卡，右履带被制动，左履带运动，当航向角改变90°时，转弯阶段结束，履带式开沟机进入第二条路径，导航控制器(6)只进行导航控制，当到达第二条路径的终点时，履带式开沟机再次进入90°转弯阶段，此阶段导航控制器(6)只监视转弯过程。当转弯阶段结束，履带式开沟机进入回程路径，导航控制器(6)发出下降开沟机的指令给履带机具板卡，履带式开沟机兼顾导航、作业深度的控制，此动作持续2米之后，导航控制器(6)发出中速指令给调速控制卡，按规划的路径前进作业。在距离该路径的终点1.0米处，再次进入慢速、左转弯模式，直到进入第四条路径。在完成一个路径周期之后，履带式开沟机重新进入去程路径，履带式开沟机又进入慢速调整轨迹、中速作业的顺序动作过程。