国内农用拖拉机自动转向系统研究现状

黄春香，陆凤祥

（1.盐城工业职业技术学院，江苏 盐城 224005；2.江苏悦达智能农业装备有限公司，江苏 盐城 224007）

随着农用拖拉机自动控制技术的发展应用，自动导航技术和无人驾驶技术取得了很大进步。自动转向技术是实现自动导航控制的核心技术，它可以自动控制转向轮完成转向指令，实现对农用拖拉机的横向控制。一般拖拉机的工作环境都比较恶劣，田地路况比较差，而目前农用拖拉机应用自动转向技术的还较少，仍需要人工操作完成农用拖拉机的换行转弯，机械式转向要耗费驾驶员大量体力，增加驾驶员工作负荷。因此，研制应用于农用拖拉机的自动转向技术具有十分重要的意义[1]。

转向系统的作用是控制转向轮相对于农用拖拉机机体纵轴产生一定的偏转，然后通过车轮与地面的相互作用，产生驱动拖拉机偏离行驶方向的向心力，使得行驶方向发生变化。自动转向系统由两部分组成，分别为自动转向执行机构和自动转向控制系统。其中自动转向执行机构主要通过控制指令驱动农用拖拉机转向轮完成相应的转向角转动，使农用拖拉机能够实时跟踪规划路径以一定精度完成转向任务；自动转向控制系统主要用于控制执行机构以一定速度和精度完成转向任务。

1 自动转向执行机构的研究情况

目前，农用拖拉机的转向系统大致分为两种，第一种是在原有转向系统基础上并联转向控制阀组，通过对阀组的控制实现拖拉机的自动转向控制；第二种是控制电动机驱动方向盘或者驱动并联的转向器转动实现转向操作[1]。

燕山大学的韩创世硕士采用在原有液压转向系统基础上并联以比例方向阀为核心的自动转向控制阀组的方案来实现拖拉机转向的自动控制。即在现有单独并联比例阀进行拖拉机自动转向改造的基础上，设计了自动转向改造核心部件自动转向控制阀组，创新使用压力补偿器补偿负载压力变化，使系统压力实时与负载压力相适应，减少能源损耗，提高转向系统抵抗负载变化的能力，提高转向系统的速度刚度[2]。

李世超等设计开发了基于步进电机、伺服电机和步进伺服电机的3种不同类型电机驱动的自动转向执行机构，并对比分析了这3种自动转向执行机构性能，结果表明步进伺服电机转向系统定位准确，运行稳定，不失步，混凝土路面与田间自动导航精度都较好[3]。

目前，大部分拖拉机采用全液压系统控制其转向执行机构工作，其在工作过程中通过控制液压执行机构克服转向轮与地面间的摩擦力完成拖拉机的正常转向。但由于传统的转向系统方向盘与转向轮之间通过转向柱相连，结构复杂，方向盘与转向车轮的角传动比固定，系统的灵敏度较差，转向过于沉重、控制精度较差。随着线控转向技术及电液控制技术的快速发展，全液压系统逐渐被电液转向系统取代，同时方向盘与转向车轮之间的机械结构也逐渐被取消，系统工作时通过电子信号控制电液比例阀驱动液压执行机构工作，从而完成拖拉机的正常转向。

李忠利等基于全液压转向系统设计了拖拉机线控电液转向系统。系统正常工作时，工作人员控制方向盘转动合适的角度，方向盘转角传感器将检测到的转角数据传给ECU，ECU经过计算处理后输出相应的电流，控制电液比例控制阀产生合适的开度，从而输出相应大小的流量控制转向油缸驱动转向车轮转动合适的角度[4]。

2 自动转向控制系统研究

转向控制系统控制方法的选择及控制系统性能的优劣对整个自动转向系统起着重要的作用。而转向控制系统的核心是转向控制算法，转向控制算法主要用于转向控制信号的修正、控制性能的优化，使得转向命令能准确、迅速地被执行，从而提高自动转向系统的控制精度和响应速度。因此，国内多位学者对不同的转向控制算法进行了研究。

目前PID控制及模糊控制是常用的控制方法。

李世超等设计了工控机车载终端软件，转向控制程序中采用嵌套双闭环PID，能够保证转向系统平稳、快速地响应[3]。

李忠利等提出了基于变论域模糊PID控制的拖拉机电控液压转向控制方法。在变论域模糊PID的控制作用下，转向油缸的位移偏差仅为2.1 mm，系统的跟随特性远远优于常规PID控制。方向盘固定转角仿真试验结果表明，在变论域模糊PID的控制作用下，系统的响应速度相对于模糊PID较快，拖拉机电液转向系统的超调量仅为1.5%，而模糊PID的超调量为6.5%，系统表现出较优的稳定性和控制精度[4]。

王守瑞等以拖拉机转向系统为研究对象，以控制电压信号作为控制输入，以前轮转角位置作为控制输出，提出了基于内模的PID控制器调整方法。仿真和实车试验结果验证了所提出控制算法的有效性，转向前轮能够按照转向控制系统发出的转向指令实施转向，响应速度快，不超过0.2 s；稳定性好、控制精度高，跟踪平均误差为0.4°，受到干扰后可在1 s内追踪到指定角度，能满足田间作业要求[5]。

3 结论

执行机构和控制方式的选择是农用拖拉机自动转向控制系统研究的两个关键问题。目前国内农用拖拉机自动转向系统大部分属于后装系统，增加了精确跟踪及作业控制参数调整匹配的复杂性。因此提高通适性、降低改造成本、简化执行机构是今后需要研究的重点。自动转向控制系统的控制算法是整个自动转向系统的核心，使得转向控制系统智能化是今后发展的趋势，需要进一步进行研究，开发出适合我国农用拖拉机的自动转向系统。