四轮独立电驱动高地隙喷雾机辅助转向系统设计与试验

刘 慧，龙友能，何思伟，崔业民，沈 跃

四轮独立电驱动高地隙喷雾机辅助转向系统设计与试验

刘 慧1，龙友能1，何思伟1，崔业民2，沈 跃1※

（1. 江苏大学电气信息工程学院，镇江 212013；2. 南通广益机电有限责任公司，南通 226631）

针对四轮独立电驱动高地隙喷雾机因轮毂电机控制器遇到较大扰动无法及时响应而导致的转向不稳定问题，该研究提出了一种液压辅助转向方法。通过对四轮独立电驱动高地隙喷雾机的自转向底盘结构原理的分析，设计了液压辅助转向系统，在此基础上建立了简化二自由度车辆转向模型，用于对辅助转向系统转角控制进行分析，并通过仿真分析和试验验证自转向和辅助转向协调控制性能。四轮电驱动喷雾机分别在自转向系统单独作业以及自转向系统和辅助转向系统协同作业的工况下，以1 m/s的速度分别进行了坡度为15°的下坡转向对比试验和水田转向对比试验。试验结果表明：在下坡试验中，单独自转向系统作业的最大跟踪偏差为6.1°，自转向和辅助转向协同作业的最大跟踪偏差为0.9°；水田试验中，单独自转向系统作业的最大跟踪偏差为10.3°，自转向和辅助转向协同作业的最大跟踪偏差为1.5°。研究结果表明该文所设计的液压辅助转向系统具有可行性和较好的稳定性，能够满足实际作业需求。

高地隙喷雾机；电动底盘；四轮转向；自转向结构；液压辅助转向

0 引 言

高地隙喷雾机作为典型的田间植保机械[1]，优良的转向性能是其在复杂场地环境中实现稳定作业的关键。目前大部分高地隙喷雾机采用机械传动结构，在松软、泥泞水田等恶劣环境下，机械传动结构容易引发驱动轮故障、滑移、沉陷等现象，其机动性、稳定性备受考验。

近年来，国内外众多学者针对拖拉机、喷雾机的自动驾驶[2-5]、转向系统[6-11]以及驱动系统[12-15]等开展研究，并取得了一系列研究成果。夏长高等研究了高地隙自走式喷雾机全液压转向系统[16]，利用三位四通换向阀实现全液压四轮转向，解决了传统高地隙喷雾机转向不灵活、转向半径过大而且前后轮同辙重合度低的问题。李伟等设计了高地隙自走式喷雾机多轮转向系统[17]，提高了大型高地隙喷雾机的机动性能和作业效率。从现有研究成果分析得知，目前高地隙喷雾机的转向方式主要采用侧向转弯原理[18-22]。当喷雾机在水田作业过程中半个或整个轮子深陷淤泥时，车轮的转向则需推开侧边所有淤泥，所需转向力矩随着转向角度的增加而增加，直到满足转向机构所能提供力矩的上限，轮子会深陷泥中或超出底盘承受力矩上限而损坏底盘，无法转向。

沈跃等研究设计了一种四轮独立电驱动自转向结构底盘喷雾机[23-24]，通过协调控制四轮差速带动前后桥臂同步转动实现自转向，在复杂水田环境中有更好的工作性能。由于喷雾机转向结构比较特殊，轮毂电机在遇到较大扰动时，现有轮毂电机控制器无法及时响应，因此无法实现稳定、可靠的转向控制。例如喷雾机在下坡过程中，轮子需要反向力矩保持车身姿态，现有驱动系统无法及时响应，导致转向不稳定。此外，考虑到成本问题，喷雾机并没有设计悬架系统，当行驶在高低不平的路面时容易出现因转向轮悬空而导致前/后桥转向不稳定现象。当单个轮毂电机出现故障时，系统转向性能不稳定；当前后均有轮毂电机出现故障时，系统无法实现自动转向。

本文以四轮独立电驱动高地隙喷雾机为研究对象，通过分析现有自转向底盘结构，提出基于液压控制的辅助转向系统。该系统使用电机驱动转向阀的方式对液压缸进行控制，保证辅助转向系统响应性能。最后通过仿真测试和实地试验验证该方法的有效性。

1 四轮独立电驱动高地隙喷雾机转向结构与原理

1.1 转向结构

喷雾机的转向结构如图1所示。前后转向桥通过平面轴承与喷雾机底盘相连，A、B为平面轴承的旋转中心，前后转向桥的两侧装有轮毂电机，通过两侧轮毂电机的差速转动实现转向桥的转动，同时前后转向桥通过连杆约束，以确保前后转向桥的转向角度绝对值相等。

1.底盘车架 2.约束连杆 3.前转向桥 4.后转向桥 5.轮毂电机

1.Chassis frame 2.Constraint connecting rod 3.Front steering axle 4.Rear steering axle 5.Wheel hub motor

注：A、B分别为前后桥的转向中心。

Note: A, B are turning centers of the front/rear steering axle, respectively.

图1 高地隙喷雾机转向结构示意图

Fig.1 Diagram of steering structure of high clearance sprayer

1.2 转向原理

区别于传统高地隙的侧向转向方式（图2a），本文研究的高地隙喷雾机采用一种自转向结构底盘，通过四轮差速带动整个桥臂转动实现自转向，转向原理如图2b所示。当高地隙喷雾机陷于淤泥中时，阻力集中在轮子的切线方向，与驱动电机力矩方向共线，而且转向无需推开大片淤泥，所需力矩远小于传统的侧向转向方式，所以本文研究的高地隙喷雾机在水田中行驶效率较高。

2 液压辅助转向系统设计

2.1 设计方案

高地隙喷雾机在下坡过程中需要反向力矩来保持车身的姿态，而现有驱动系统无法及时提供所需力矩，此外高地隙喷雾机没有悬架系统，当行驶在高低不平的路面时容易出现因转向轮悬空而导致转向不稳定现象。因此需要设计一套辅助转向系统，用于提高高地隙喷雾机行驶的稳定性和可靠性。

为实现辅助转向功能，提高高地隙喷雾机作业性能，本文在现有自转向系统上设计了一套基于电控液压的辅助转向系统，辅助转向系统的安装位置如图3所示。转向阀4及其驱动电机2、齿轮泵3及其驱动电机1、溢流阀5和油箱6都安装在车架的右上角，转向油缸7的固定端安装在车架上，移动端安装在后转向桥上，通过控制转向油缸的伸缩长度控制后转向桥的转动，而后转向桥与前转向桥则通过连杆约束，即前后转向桥的转向角度相等，所以转向油缸只需控制后转向桥转角即可控制喷雾机的前后转向桥同步转向。

液压辅助转向系统原理如图4所示。图中P为系统压力油输入口、T为系统回油口、CL为转向阀6左腔、CR为转向阀6右腔。其中油箱1的作用是装载液压油，为整个液压系统提供液压油；溢流阀2的作用是保护油路；齿轮泵4的作用是控制液压系统的油压，确保系统油压的稳定；直流电机3的作用是驱动齿轮泵4，确保齿轮泵4的转速可控；转向阀6的作用是控制油路的流向、流速和流量；直流电机5的作用是驱动转向阀6，通过调节转向阀6的转向、转速和转角从而控制转向油缸7的伸缩、伸缩速度和伸缩距离。转向阀6的工作原理图如图5所示，当驱动转向阀6的直流电机5不转动时，阀套和阀芯在回位弹簧的作用下处于中立位置如图5a所示，通往左腔CL和右腔CR的通道被关闭，从进油口P流进的压力油最后经回油口T流回油箱1，转向油缸7两腔的油液不流动，活塞不移动，高地隙喷雾机沿原定方向行驶；当驱动转向阀6的直流电机5逆时针转动时，通过电机轴带动阀芯旋转，阀套由于制动而暂时不转，阀芯与阀套产生相对运动如图5b所示，左腔CL和右腔CR的油路逐渐被打开，回油口T的油路逐渐被关闭，腔内的压力油使阀套跟随电机轴同向旋转，电机轴继续转动，则阀套始终跟随阀芯保持一定的相对转角同步旋转。这一转角保证了向该方向转向所需要的油液通道，液压油从进油口P流经左腔CL然后流向转向油缸7的右腔而将液压缸推出，另一腔的油液经转向阀6的右腔CR流经回油口T流回油箱1，电机轴连续转动，转向阀便把与电机轴转角成比例的油量泵入转向油缸7，使活塞运动，推动桥臂转动，完成转向动作。电机轴停止转动后，阀芯停止转动，由于阀套的随动和回位弹簧的作用，阀芯与阀套的相对转角立即消失，转向阀6恢复到中立位置，高地隙喷雾机沿着操纵方向行驶。

1.油箱 2.溢流阀 3.直流电机 4.齿轮泵 5.直流电机 6.转向阀 7.转向油缸

1.Oil tank 2.Relief valve 3.DC motor 4.Gear pump 5.DC motor 6.Steering valve 7. Steering cylinder

注：P为系统压力油输入口； T为系统回油口；CL为转向阀6左腔；CR为转向阀6右腔。下同。

Note: P represents inlet; T represents return port; CLrepresents left cavity; CRrepresents right cavity. The same as below.

图4 辅助转向液压系统原理图

Fig.4 Principle diagram of auxiliary steering hydraulic system

2.2 辅助转向系统重要部件选型

由于条件限制，不能通过实测获得喷雾机的转向阻力矩，因此，通过计算来估计喷雾机的转向阻力矩。如图6所示，A、B分别为前后转向桥的转向中心，为转向中心到轮子中心的距离。前后转向桥通过连杆连接，以确保前后转向角相等。假设喷雾机有2个轮子出现故障时仍可转向，则其中有2个轮子处于滚动状态，另外2个轮子处于滑动状态。

滚动状态的轮子在转向时的转向阻力矩为

滑动状态的轮子在转向时的转向阻力矩为

式中M为滚动状态轮子转向阻力矩，N·mm；M为滑动状态轮子转向阻力矩，N·mm；1为滚动摩擦系数，查阅机械设计手册，取0.035；2为地面附着系数，查阅机械设计手册，取0.9；为转向中心与轮子中心距离，取755 mm；为喷雾机整车质量，取1 380 kg；为重力加速度，取9.8 N/kg。

由式（1）和式（2）可得，M=89.3 N·m，M=2 297.4 N·m，整车的转弯阻力矩为M1=2M+2M=4 773.4 N·m。

由于喷雾机主要工作环境为水田，因此需要考虑土壤对轮胎的阻力矩[25]。为了计算方便，近似取为M2= 226.6 N·m。最终计算得出喷雾机的总转向阻力矩为

查阅机械设计手册，按照系统压力低于液压泵额定压力的2/3的原则，本文喷雾机液压辅助转向系统工作压力选取为1=10 MPa。

根据选取的工作压力及最大总负载可以确定液压缸内径和活塞杆直径，液压缸受力分析如图7所示。

活塞杆受压时：

活塞杆受拉时：

查阅机械设计手册，取2=0.8，取/=0.71，将数据代入公式，求得液压缸内径尺寸=63 mm，活塞杆直径尺寸=35 mm。

为了获得行走中桥臂转向角度和辅助转向液压缸的映射关系以及桥臂转向的角速度和液压缸伸缩的线速度关系，建立辅助转向系统几何模型如图8所示。图中A、B分别为前后桥臂的转向中心，C为液压缸的固定端，D为液压缸的移动端，前后桥臂通过连杆约束（图中未画出），以确保前后桥臂的转角绝对值基本相等，桥臂转角即为转向轮转角。当车辆从直线方向向左转向时活塞杆向外伸出，C、D之间的距离增大。

根据三角函数关系可得：

求得：

同理得：

由三角形关系得：

将式（8）～（9）代入式（10）得到车轮转角和液压油缸行程的映射关系：

根据试验分析，3WPZ-500喷雾机在转向时转向角范围是−30°～30°，根据上述计算和参考其他田间行走机器的转向液压缸，最终选择HSG63双向液压缸，该液压缸的额定压力16 MPa，最高压力19 MPa，额定推力49 850 N，额定拉力31 681 N，机械效率M≥92%，容积效率V≥98%，最高速度0.3 m/s，行程300 mm，缸径63 mm,外径73 mm，杆径35 mm，销孔30 mm，安装距离570 mm，闭合总长630 mm，伸出总长930 mm。经计算得到液压油缸的安装距离=720 mm，1=780 mm，2= 300 mm，经测量油缸缸体长度=570 mm，得到液压油缸行程与转向桥转向角之间的映射关系如图9所示。

由图9可知，油缸行程与转角近似呈线性关系，通过计算数据拟合所得比例系数为3.49 rad/m。为验证比例系数的准确性，通过采集油缸行程和桥臂转角数据，试验数据拟合得到比例系数为3.42 rad/m，相对误差0.2%。因此液压油缸行程与后桥转向角之间的映射关系可近似为：

对车轮转角求导

通过试验，转向桥从-30°转到30°平均需要3.5 s，HSG63液压缸最高速度0.3 m/s，行程300 mm，理论上从一个极限点到另一个极限点只需1 s，满足要求。

查阅机械设计手册，所需转向阀和液压泵的流量应满足：

式中为转向阀和液压泵输出的最大流量，L/min；为系统泄漏系数，一般取1.1～1.3；max为进入液压缸的最大流量，L/min；π2/4为无杆腔活塞最大容积，m3；经计算得max=16.02 L/min，则转向阀和液压泵流量≥17.62 L/min。

因此，选用BZZ1-E250摆线转阀式开芯无反应型全液压转向器搭配DM08RC有刷直流减速电机，CBN-E310齿轮油泵搭配DC72 V直流减速电机；BZZ1-E250摆线转阀式开芯无反应型全液压转向器基本参数：排量250 mL/r，流量19 L/min，转速100 r/min，最大入口压力16 MPa，最大连续背压2.5 MPa，质量6.48 kg，总长181.5 mm，最高工作油温80 ℃，动力转向力矩1.7～5.0 N·m，最大人力转向力矩136 N·m；DM08RC有刷直流减速电机基本参数：工作电压72 V，功率90 W，转速120 r/min，最大转矩6.98 N·m；CBN-E310齿轮油泵基本参数：额定压力16 MPa，最大压力20 MPa，排量10 mL/r，额定转速2 000 r/min，最大转速3 000 r/min，输入功率7.7 kW；DC72 V直流电机为常用的液压系统电机，功率4 kW。

2.3 控制系统设计

阀控缸系统为非线性传递，本文采用PID控制算法实现转向系统闭环控制。根据车速、转角对应的四个轮子的速度以及对应的液压缸伸缩长度和伸缩速度关系，建立Matlab/Simulink仿真模型如图11所示。

仿真结果如图12所示，由仿真结果可以看出，自转向单独作业、辅助转向单独作业以及自转向和辅助转向协调作业都在1.8 s左右跟踪到目标角度。自转向单独作业前期响应相对较慢，后期跟踪到目标角度时比单独辅助转向较快，单独辅助转向作业跟踪到目标角度后有微小的超调并在后期一直保持了这微小的误差，自转向和辅助转向协同作业相比前两种单独作业系统有更快的响应性能，而且到达目标角度后也更加稳定。

3 试 验

3.1 试验方法及设备

为验证液压辅助转向系统性能，在水田和坡度为15°路面的工况下分别进行独立自转向系统作业以及自转向系统和辅助转向系统协同作业试验，试验车速为1 m/s。试验情况如图13所示。图13a为独立自转向（无推杆）下坡试验图，图13b为自转向和辅助转向系统协同作业（有推杆）下坡试验图，图13c为独立自转向（无推杆）水田试验图，图13d为自转向和辅助转向系统协同作业（有推杆）水田试验图。水田场地为长50 m、宽40 m的试验田，水田中有多条宽20 cm、深40 cm的沟，田里有水浸泡，场地较为泥泞。

3.2 试验结果与分析

下坡试验的角度跟踪轨迹如图14和图15所示，其中图14为独立自转向系统作业角度跟踪轨迹，图15为自转向系统和辅助转向系统协同作业的角度跟踪轨迹。由试验结果可知：下坡过程中，独立自转向系统作业的转向角度出现震荡，震荡角度在2.5°左右，最大角度跟踪偏差为6.1°，自转向系统和辅助转向系统协同作业的转向角度出现高频震荡，震荡角度在0.6°左右，最大角度跟踪偏差为0.9°。图14a中0～2 s为喷雾机的下坡启动时间，图14b中抖动现象由约束连杆和液压缸与喷雾机底盘的连接存在机械间隙引起。

水田试验的角度跟踪轨迹如图15所示，其中图15a为独立自转向系统作业的角度跟踪轨迹，图15b为自转向系统和辅助转向系统协同作业的角度跟踪轨迹，由试验结果可知：独立自转向系统作业的转向角度出现震荡，震荡角度在3.0°左右，最大角度跟踪偏差为10.3°，自转向系统和辅助转向系统协同作业的转向角度出现震荡，震荡角度在1.0°左右，最大角度跟踪偏差为1.5°。

4 结 论

1）针对四轮独立电驱动高地隙喷雾机因轮毂电机驱动器响应不及时导致的转向不稳定问题，设计了基于电机驱动转向阀的液压辅助转向系统；结合底盘自转向结构特点，采用PID算法对自转向和辅助转向协调控制进行了Matlab仿真验证。仿真结构表明：喷雾机从0°转到10°的响应时间为1.8 s。

2）分别进行了高地隙喷雾机液压辅助转向系统下坡和水田试验，试验结果表明：该系统可实现既定角度行走，在下坡和水田两种不同的环境下，跟踪的最大角度偏差分别为0.9°和1.5°；该液压辅助转向系统具有良好的行驶稳定性和精度，能够满足作业需求。

[1] 庄腾飞，杨学军，董祥，等. 大型自走式喷雾机喷杆研究现状及发展趋势分析[J]. 农业机械学报，2018，49(S1)：189-198.Zhuang Tengfei, Yang Xuejun, Dong Xiang, et al. Research status and development trend of large self-propelled sprayer booms[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2018, 49(S1): 189-198. (in Chinese with English abstract)

[2] 刘兆朋，张智刚，罗锡文，等. 雷沃ZP9500高地隙喷雾机的GNSS自动导航作业系统设计[J]. 农业工程学报，2018，34(1)：15-21.

Liu Zhaopeng, Zhang Zhigang, Luo Xiwen, et al. Design of automatic navigation operation system for Levol ZP9500 high clearance boom sprayer based on GNSS[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(1): 15-21. (in Chinese with English abstract)

[3] 刘进一，杜岳峰，张硕，等. 基于GNSS/MIMU/DR的农业机械组合导航定位方法[J]. 农业机械学报，2016，47(S1)：1-7.

Liu Jinyi, Du Yuefeng, Zhang Shuo, et al. Automatic navigation method for agricultural machinery based on GNSS/MIMU/DR information fusion[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2016, 47(S1): 1-7. (in Chinese with English abstract)

[4] 陈黎卿，许泽镇，解彬彬，等. 无人驾驶喷雾机电控系统设计与试验[J]. 农业机械学报，2019，50(1)：122-128.

Chen Liqing, Xu Zezhen, Xie Binbin, et al. Design and test of electronic control system for unmanned drive sprayer[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2019, 50(1): 122-128. (in Chinese with English abstract)

[5] 张漫，季宇寒，李世超，等. 农业机械导航技术研究进展[J]. 农业机械学报，2020，51(4)：1-18.

Zhang Man, Ji Yuhan, Li Shichao, et al. Research progress of agricultural machinery navigation technology[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2020, 51(4): 1-18. (in Chinese with English abstract)

[6] Sahin H, Akalin O. Articulated vehicle lateral stability management via active rear-wheel steering of tractor using fuzzy logic and model predictive control[J]. SAE International Journal of Commercial Vehicles, 2020, 13(2): 115-128.

[7] Hanifah R A, Toha S F, Hassan M K, et al. Power reduction optimization with swarm based technique in electric power assist steering system[J]. Energy, 2016, 102: 444-452.

[8] Li M X, Jia Y M. Decoupling control in velocity-varying four-wheel steering vehicles with∞performance by longitudinal velocity and yaw rate feedback[J]. International Journal of Vehicle Mechanics and Mobility, 2014, 52(12): 1563-1583.

[9] 许超，陈永成，李瑞敏，等. 高地隙自走式喷杆喷雾机的设计与研究[J]. 中国农机化学报，2016，37(1)：51-54.

Xu Chao, Chen Yongcheng, Li Ruimin, et al. Design and research on highland gap self-propelled lance spray[J]. Chinese Journal of Agricultural Mechanization, 2016, 37(1): 51-54. (in Chinese with English abstract)

[10] 李忠利，乔冬冬，邹会勉. 基于变论域方法的拖拉机电液转向系统控制研究[J]. 江苏农业科学，2020，48(4)：203-208.

Li Zhongli, Qiao Dongdong, Zou Huimian. Study on control of tractor electro-hydraulic steering system based on variable universe method[J]. Jiangsu Agricultural Sciences, 2020, 48(4): 203-208. (in Chinese with English abstract)

[11] 罗灯明，鲍远通，林海. 多轴重型全挂车机械液压全轮转向装置设计[J]. 机械设计，2013，30(6)：86-89.

Luo Dengming, Bao Yuantong, Lin Hai. Design of mechanical-hydraulic full-wheel steering device for multi-axle heavy-duty full trailer[J]. Journal of Mechanical Design, 2013, 30(6): 86-89.(in Chinese with English abstract)

[12] Ariff M H M, Hairi Z, Idris N R N, et al. Independent torque control of an independent-wheel-drive electric vehicle[J]. Applied Mechanics and Materials, 2014, 663(1): 493-497.

[13] Guo Q B, Zhang C M, Li L Y, et al. Design and implementation of a loss optimization control for electric vehicle in-wheel permanent-magnet synchronous motor direct drive system[J]. Applied Energy, 2017, 105: 2253-2259.

[14] 丁力，陈永成，张曼，等. 轮式高地隙喷雾机行走液压驱动系统的设计研究[J]. 农机化研究，2015，37(12)：106-109.

Ding Li, Chen Yongcheng, Zhang Man, et al. Wheeled high clearance sprayer walking hydraulic drive system design research[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2015, 37(12): 106-109. (in Chinese with English abstract)

[15] 张京，陈度，王书茂，等. 农用轮式机器人四轮独立转向驱动控制系统设计与试验[J]. 农业工程学报，2015，31(18)：63-70.

Zhang Jing, Chen Du, Wang Shumao, et al. Design and experiment of four-wheel independent steering driving and control system for agricultural wheeled robot[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(18): 63-70.(in Chinese with English abstract)

[16] 夏长高，罗汞伟. 喷雾机全液压四轮转向系统设计与分析[J]. 重庆理工大学学报：自然科学，2016，30(11)：65-70.

Xia Changgao, Luo Gongwei. Design and analysis of sprayer with full hydraulic four-wheel steering system[J]. Journal of Chongqing University of Technology: Natural Science, 2016, 30(11): 65-70. (in Chinese with English abstract)

[17] 李伟，薛涛，毛恩荣，等. 高地隙自走式喷雾机多轮转向系统设计与试验[J]. 农业机械学报，2019，50(1)：141-151.

Li Wei, Xue Tao, Mao Enrong, et al. Design and experiment of multifunctional steering system for high clearance self-propelled sprayer[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2019, 50(1): 141-151. (in Chinese with English abstract)

[18] 张尚青，王卫兵，冯静安，等. 高地隙喷雾机驱动轮独立式驱动系统转向控制模型研究[J]. 农机化研究，2015，37(1)：31-34.

Zhang Shangqing, Wang Weibing, Feng Jingan, et al. The research of vehicles driving wheel free standing driving system steering control model[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2015, 37(1): 31-34.(in Chinese with English abstract)

[19] 鲁植雄，龚佳慧，鲁杨，等. 拖拉机线控液压转向系统的双通道PID控制仿真与试验[J]. 农业工程学报，2016，32(6)：101-106.

Lu Zhixiong, Gong Jiahui, Lu Yang, et al. Simulation and experiment of dual channel PID control for hydraulic steerby-wire system of tractor[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(6): 101-106. (in Chinese with English abstract)

[20] 毛罕平，倪静，韩绿化，等. 高地隙液压四轮驱动喷雾机转向防滑控制系统[J]. 农业机械学报，2012，43(6)：58-62.

Mao Hanping, Ni Jing, Han Lühua, et al. Turning anti-slip control system of hydraulic four-wheel drive high clearance sprayer[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2012, 43(6): 58-62.(in Chinese with English abstract)

[21] 陈黎卿，许鸣，柏仁贵，等. 高地隙植保机辅助驾驶系统设计与试验[J]. 农业机械学报，2019，50(9): 25-32.

Chen Liqing, Xu Ming, Bai Rengui, et al. Design and test of auxiliary driving system for high-gap plant protection machine[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2019, 50(9): 25-32. (in Chinese with English abstract)

[22] 扈凯，张文毅. 高地隙自走式喷雾机多模式液压转向系统设计与试验[J]. 农业机械学报，2020，51(9)：366-373. Hu Kai, Zhang Wenyi. Design and experiment of multi-mode hydraulic steering system of high clearance self-propelled sprayer[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2020, 51(9): 366-373. (in Chinese with English abstract)

[23] 沈跃，何思伟，刘慧，等. 高地隙喷雾机自转向电动底盘控制系统设计与试验[J]. 农业机械学报，2020，51(11)：385-392，402. Shen Yue, He Siwei, Liu Hui, et al. Modeling and control of self-steering electric chassis structure of high clearance sprayer[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2020, 51(11): 385-392, 402. (in Chinese with English abstract)

[24] Shen Y, Zhang B N, Liu H, et al. Design and development of a novel independent wheel torque control of 4WD electric vehicle[J]. Mechanical, 2019, 25(3): 210-218.

[25] 王静，鲁植雄，金月，等. 拖拉机全液压转向阻力矩与油缸推力的研究[J].中国农机化学报，2013，34(4)：168-173.Wang Jing, Lu Zhixiong, Jin Yue, et al. Study on resistant torque and piston thrust of wheeled tractor with hydraulic steering system[J]. Journal of Chinese Agricultural Mechanization, 2013, 34(4): 168-173. (in Chinese with English abstract)

Design and experiment of the auxiliary steering system for a four-wheel independent electrically driven high clearance sprayer

Liu Hui1, Long Youneng1, He Siwei1, Cui Yemin2, Shen Yue1※

(1.,,212013,;2.,226631,)

Aiming at the unstable steering of a four-wheel independent electrically driven high clearance sprayer due to the failure of the hub motor controller to respond to a large disturbance, an auxiliary steering method based on electrically controlled hydraulic pressure was proposed. Firstly, the structure and steering principle of the self-steering chassis of the four-wheel independent electrically driven highland gap sprayer were briefly introduced. Secondly, the realization method of the hydraulic assisted steering system was described, including the establishment of the steering resistance moment calculation model, and the analysis of the steering resistance moment required by the wheels under rolling and sliding conditions. The upper limit of the steering resistance moment can be calculated when the two wheels fail turning. Thirdly, based on the structural characteristics of the self-steering chassis, the kinematics model of the hydraulic auxiliary steering was established, the relevant parameters of the important components of the hydraulic system were calculated, the installation position of the hydraulic cylinder was determined, and the key components of the hydraulic system were selected. Finally, the simulation and experiment were carried out to verify the performance of coordinated control of auto steering and auxiliary steering. In the simulation test, the independent operation of self-steering, the independent operation of auxiliary steering, and the collaborative operation of the self-steering and auxiliary steering of the sprayer were simulated and adjusted to make the angle tracking trajectory of the self-steering and the auxiliary steering as consistent as possible. The simulation results showed that, self-steering alone, auxiliary steering alone, and coordinated self-steering and auxiliary steering could all track to the target angle by about 1.8 s. The response of the self-steering is relatively slow in the early stage, but it is a little faster than the auxiliary steering when tracking the target Aangle in the later stage. The auxiliary steering has a slight overshoot after tracking the target Aangle and keeps this slight error in the later stage. Since the self-steering and auxiliary work together has faster response performance than the first two separate operating systems, they are more stable when they reach the target angle. Under the working conditions of independent operation of the self-steering system and cooperative operation of the self-steering system and auxiliary steering system, the comparison tests of downhill and paddy field with a gradient of 15° were carried out at a speed of 1 m/s respectively. The test results showed that in the downhill test, the maximum tracking deviation of the independent auto-steering system operation was 6.1°, and the maximum tracking deviation of the co-operation of auto-steering and auxiliary steering was 0.9°. In the paddy field test, the maximum tracking deviation of the independent auto-steering system operation was 10.3°, and the maximum tracking deviation of the co-operation of auto-steering and auxiliary steering was 1.5°. The experimental results verify the feasibility and stability of the proposed hydraulic auxiliary steering system. The system has good test performance and can meet the actual operation requirements.

high clearance sprayer; electric chassis; four-wheel steering; self-steering structure; hydraulic auxiliary steering

2021-03-15

2021-05-04

国家自然科学基金项目（51975260）；江苏省重点研发计划（BE2018372）；江苏省自然科学基金（BK20181443）；江苏高校青蓝工程项目和镇江市重点研发计划（NY2018001）

刘慧，教授，博士生导师，研究方向为农业电气化与自动化、智能控制与信号处理研究。Email：amity@ujs.edu.cn

沈跃，教授，博士生导师，研究方向为无人农机与智能控制、农业机器人研究。Email：shen@ujs.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.13.004

S491

A

1002-6819(2021)-13-0030-08