一种拖拉机自动转向系统的装配方案

2018-05-14褚爽郭广伟杨振涛王伟张金梅

汽车零部件 2018年3期

褚爽,郭广伟,杨振涛,王伟,张金梅

(中国一拖集团有限公司大拖装配厂,河南洛阳 471004)

0 引言

我国是农业大国，农业在国民经济中占有重要的地位。现代农业是继传统农业之后又一新的发展阶段，是以现代工业和科学技术为基础，重视加强农业基础设施建设。随着精准农业推广实施，拖拉机自动控制项目已作为重点项目研发。国内外都对自动转向技术、自动驾驶进行了大量的研究。20世纪90年代，精准农业在美国、加拿大等国实现产业化，发展到现在自动转向技术已应用到施肥、播种、耕作、喷洒农药以及水分管理等农业耕作的全部领域，自动驾驶技术也已经实现，能够应用于农业生产中。我国于1998年在北京顺义建立了北方精准农业示范区，在2000年精准农业被列入国家863高技术计划。

自动转向(又可称自动驾驶)技术作为无人驾驶技术的一部分(包含关系)已广泛应用于耙地、播种、施肥、喷药和起垄等农艺作业中，且已得到了用户的普遍认可，自动转向系统总装机量在逐年增加。现主要分布在黑龙江和新疆地区，江苏以及内蒙古等地区的农场和农机合作社也开始进行自动转向系统的安装。国家已将自动转向前装农机购置补贴提上议程。

前期进入中国的拖拉机自动转向系统均为国外品牌，国内并没有自主研发、自主知识产权的自动转向产品，国内厂商均采用代理的方式进行销售。通过多年的发展和农业部前装补贴方案的实施，国内更多的企业已开始进行自动转向技术研究。与普通拖拉机整机比较，自动转向系统需要装配设备太多，整机所余空间狭小，安装难，管线布局难，系统要求安装精度高，科技含量与技术含量较高。实现自动转向功能，整机电气系统、转向系统均需改动，设计准确标准高，产品质量要求高，装配难度系数高，装配可能性、装配质量不易保证。

1 自动转向系统介绍

拖拉机自动转向技术，是通过接收机接收卫星定位和基准站位置信号，利用RTK(Real-time Kinematic)差分信号原理通过主控制器控制液压转向比例阀，进而实现对拖拉机转向自动控制的技术，利用显示屏进行人机交互和路径规划，并通过转向角度传感器反馈信号实现拖拉机转向的闭环控制。自动驾驶系统组件包含：

便携式基准站。实时计算拖拉机的位置；

智能驾驶控制器。计算北斗接收机和角度传感器信号，并向电液比例阀实时发送指令；

电液比例阀。实时控制液压油流量和流向，保证拖拉机始终按设定路线行驶；

角度传感器。感应车辆实时的转向角度;

智能显控终端。人机交互界面，设定作业模式、参数以及进行路径规划。

2 自动驾驶的组成部分及装配方案

2.1 便携式基准站

在拖拉机自动驾驶系统中，基准站的主要作用是放置在一个相对固定的位置作为流动站精准定位的参考点，需要通过GPS(Global Positioning System)、GLONASS(Global Navigation Satellite System)、BD(Bei Dou)系统定位并将差分数据通过电台传输给流动站电台，流动站电台将收到的差分数据输出给流动站，这样流动站才能实现高精度定位。高精度定位是拖拉机实现高精度自动驾驶的前提，所以基准站和流动站电台的稳定工作是拖拉机自动驾驶的重要保障。

在中国，严复最早在《天演论》中“译例言”讲到了译事三难：信、达、雅。虽然简短三字，但却道出了翻译的要求与原则。之后各种翻译思想，如信、达、切，形似，神似等均是对其延伸与发展。

2.2 智能驾驶控制器ECU(Electronic Control Unit)

此控制器需要与GNSS测量天线、转向控制单元(液压或者方向盘)、拖拉机前轮转向测量单元及智能显控终端等配合连接使用，方能实现自动转向或者自动驾驶。控制器安装要求严苛，必须是水平或者垂直放置，否则会影响正常使用，所以需要设计控制器专用支架。

装配方案一：垂直放置，将控制器装配在整机座椅后面的后壁板上，如图1(a)所示。

装配方案二：水平放置，将控制器装配在整机右操纵台上，如图1(b)所示。

一般会优选装配方案一,节省驾驶室内部空间。

2.3 电液比例阀

应用集成液压阀模块将自动转向的液压转向系统并联到原有拖拉机液压系统的转向系统中。在原有的转向油路中安装自动转向的集成液压阀，实现拖拉机的自动转向。开启自动驾驶时，控制器发出命令，电磁换向阀实现油路方向切换控制，达到控制转向的效果，比例阀实现油路流量控制，达到控制转向速度的效果。液压油经过比例阀和电磁阀，进入转向油缸，油缸活塞在油压的作用下移动实现拖拉机目标角度的转向。

装配方案一：利用支架将阀块固定在油箱上方，消声器和发动机之间。

装配方案二：将阀块直接安装在驾驶室下围板上。

装配方案三: 利用支架将阀块装配在前机罩内部。

3种装配方案均可, 阀体本身具备一定的防水防泥功能，一般比较常用的方案为装配方案一(见图2)。

图2 电液比例阀装配方案一

2.4 智能显控终端(显示屏)

智能显控终端是主要针对精准农业和工程机械智能化开发的一款智能显控终端，具备工业应用的基本特性：坚固，防摔、防尘、防雨水设计。智能显控终端基于Windows 10操作系统，能搭载目前市场上存在的主流工程控制及农业控制软件，20.32 cm(8英寸)电容式高亮触摸显示屏的采用以及IP67标准的设计，满足了用户在强光照射、多灰尘、需戴手套操作等环境下的操控和显示需求。产品支持CAN总线、串口、USB、网络接口、CVBS(Composite Video Broadcast Signal)等多种接口，支持WiFi、3G/4G及以太网等多种通信，以最大限度地满足各种传感器和数据的接入和传输要求。显示器安装在驾驶室内部。

装配方案一：用专用的固定支架安装在驾驶室门扶手上。

装配方案二：安装在驾驶室内右侧立柱上。

显示屏的安装需要根据驾驶室内部的实际情况，以方便观看与操作为主。

2.5 角度传感器

角度传感器是将实际中角度的变化信号转换成电信号的一种传感器，自动转向控制的工作精度直接由它决定。不同厂家的角度传感器有不同的安装方式，目前的装配方案是把角度传感器装配在前桥上，后续会研发将角度传感器装在前桥内部形成合件。工作时，安装在传感器支座上的角度传感器同转向节立轴一起转动，从而使转轴和传感器之间产生相对转动。

3 实施效果

提出的自动转向控制系统是一种拖拉机的辅助作业系统，有效提高农业生产的效益和质量，降低了驾驶员长期疲劳作业的劳动强度，提升农机产业的质量和效益。文中所述的所有装配方案都在实际生产中试制过，经过多次的实际验证后，推出上述比较常见的装配方案。装配后的样机，已经通过相应的实验，能够实现自动转向的功能，并且能够批量生产，推向市场。也能够在自动转向系统的基础上，通过再增加其他组件的方式，实现拖拉机无人驾驶。