一种用于悬挂升降自动平衡系统及其控制方法的开发与应用

荆 毅，岑秋仪

（广东皓行科技有限公司，广东佛山 528300）

0 引言

随着智慧农业、无人驾驶农机技术在农业领域的使用和纵深发展，智能农机已成为实现无人驾驶技术发展的必要条件，只有农机实现了智能化控制，才能确保智慧农业以及无人驾驶技术的推广使用。农业场景主要涉及耕、种、管和收四个环节，拖拉机作为农业场景中应用最为广泛、用途最多的农机动力源，通过挂接不同的农机具实现农业场景中的耕整地、播种和运输环节。耕、种环节的作业质量直接影响到农作物后期的生长、生产和产量，主要是利用拖拉机通过后三点悬挂升降系统完成牵引作业，其作业质量与拖拉机悬挂升降平衡位置系统关系极为密切。

传统拖拉机的三点悬挂升降是通过升降油缸、上拉杆总成、左右两侧提升杆总成、左右两侧下拉杆总成的左右限位杆，完成农机具的挂接和升降作业。除悬挂升降由油缸实现外，其余都是依靠手工进行反复多次调节来完成农机具前后、左右的水平控制，调节后，在作业过程中由于地形和工况变化不能实时调整农机具的左右、前后水平，农机具无法实现仿形作业和平整作业的需求，因此不具备自动驾驶控制技术。

1 主要内容

针对传统拖拉机三点悬挂在实际作业过程中无法实时进行前后、左右自动调整平衡所挂接农机具的缺陷，根据拖拉机三点悬挂牵引挂接农机具实际作业的质量需求，通过改变原有悬挂结构设置，利用液压油缸替代原有机械拉杆，配以双轴角倾角传感器实时采集数据，控制器融合算法解析，把控制信号输入到电控液压阀组，从而控制油缸的伸缩来完成农机具的平衡和实际作业需求。

2 关键技术

1）悬挂升降依靠安装在提升臂的角度传感器进行监测，并将实时监测位置反馈到MCU，MCU根据监测位置下发控制指令给电控阀，电控阀控制油缸准确升降。

2）左右两侧机械式提升杆总成改用液压油缸左右控制，在挂接的农机具上安装双轴角倾角传感器监测农机具左右水平位置。通过传感器监测的左右两侧倾角，实时控制农机具既可以实现仿地形作业，又可以实现平地作业，实现整地平整，播种深度一致。

3）机械式上拉杆总成改用液压油缸左右控制，两个油缸的进油方式为：左侧油缸有杆腔和右侧油缸无杆腔为同一路；左侧油缸无杆腔和右侧油缸有杆腔为同一路。左侧油缸提升时，右侧油缸下降，该过程可实现左右平衡，也可实现左侧比右侧高或右侧比左侧高，实现仿形作业。

4）在农机上安装双轴角倾角传感器，监测农机具左右、前后位置，使农机具在作业过程中具备地形仿形和平整度作业需求。

3 控制逻辑及实施方案

3.1 控制逻辑

农机具前后、左右控制系统逻辑架构流程（图1、图2）。

图1 农机具前后控制系统逻辑架构流程

图2 农机具左右两侧控制系统逻辑架构流程

3.2 实施方案

左侧升降油缸7、右侧升降油缸8，左侧平衡油缸5、右侧平衡油缸6一端通过销轴连接到提升摆臂50，左侧升降油缸7、右侧升降油缸8的另一端连接到拖拉机本体支座上。左侧平衡油缸5的另一端连接到左侧下拉杆总成2、右侧平衡油缸6的另一端连接到右侧下拉杆总成3；前后平衡油缸4的一端连接到拖拉机本体，另一端连接到农机具300的上悬挂200上。双轴角倾角传感器1安装到农机具变速箱上表面平整的位置，电控阀组10和MCU11安装到拖拉机本体上。农机具300上的左支座201通过销轴100与左侧下拉杆总成2连接，右支座202通过销轴100与右侧下拉杆总成3连接，上悬挂200通过销轴40与前后平衡油缸4连接（图3、图4、图5、图6）。

图3 拖拉机悬挂升降自动平衡系统主视图

图4 拖拉机悬挂升降自动平衡系统剖视图

图5 拖拉机悬挂升降自动平衡系统剖视图

图6 拖拉机悬挂升降自动平衡系统等轴测图

拖拉机牵引农机具300工作时，农机具300作业的高低位置通过安装在悬挂升降提升摆臂50支承轴400上的角度传感器60实时监测。当角度传感器60监测到农机具300位置偏低时，角度传感器60把监测的角度值通过连接在其上的信号线61输入到MCU11，MCU11通过融合算法解析，把信号指令发给电控阀组10，阀组10通过连接在其上的油管25和油管28把液压油从左侧升降油缸7的B3，右侧升降油缸8的B4进入，有杆腔中的液压油通过左侧升降油缸7的A3、右侧升降油缸8的A4回油流进油管27和油管26进入电控阀组，左侧升降油缸7和右侧升降油缸8活塞杆同时同步收回，从而使农机具300提升。角度传感器60监测到农机具达到需求后，MCU11停止给电控阀组10下发指令。反之，当角度传感器60监测到农机具300位置偏高时，角度传感器60把监测的角度值通过连接在其上的信号线61输入到MCU11，MCU11通过融合算法解析，把信号指令发给电控阀组10，电控阀组10通过连接在其上的油管26和油管27把液压油从左侧升降油缸7的A3、右侧升降油缸8的A4进入，无杆腔中的液压油通过左侧升降油缸7的B3，右侧升降油缸8的B4回油流进油管28和油管25进入电控阀组，左侧升降油缸7和右侧升降油缸8活塞杆同时同步伸出，从而使农机具300降低。角度传感器60监测到农机具达到需求后，MCU11停止给电控阀组10下发指令。

通过安装在农机具300上的双轴角倾角传感器1在线实时监测农机具300前后、左右的倾角。如果监测到农机具300前面低于后面，双轴角倾角传感器1把监测的角度值通过连接在其上的信号线30输入到MCU11，MCU11通过融合算法解析，把信号指令发给电控阀组10，电控阀组10通过连接在其上的油管21把液压油从前后平衡油缸4上的B5口进入，有杆腔中的液压油通过前后平衡油缸4上的A5口回油流进油管22进入电控阀组，前后平衡油缸4的活塞杆伸出，从而使农机具前面升高到与农机具后面水平一致。这时，双轴角倾角传感器1可监测到农机具前后水平，MCU11停止给电控阀组10下发指令。反之，如果监测到农机具300后面低于前面，双轴角倾角传感器1把监测的角度值通过连接在其上的信号线30输入到MCU11，控制器通过融合算法解析，把信号指令发给电控阀组10，电控阀组10通过连接在其上的油管22把液压油从前后平衡油缸4上的A5口进入，无杆腔中的液压油通过前后平衡油缸4上的B5口回油流进油管21进入电控阀组，前后平衡油缸4的活塞杆收回，从而使农机具后面升高到与农机具前面水平一致。这时，双轴角倾角传感器1可监测到农机具前后水平，MCU11停止给电控阀组10下发指令。

如果双轴角倾角传感器1监测到农机具300左侧低于右侧，双轴角倾角传感器1通过连接在其上的信号线30把监测角度值输入到MCU11，控制器通过融合算法解析，把信号指令发给电控阀组10，电控阀组10通过连接在其上的油管23把液压油从右侧平衡油缸6上的A2口进入，无杆腔中的液压油通过右侧平衡油缸6上的B2口流进油管24进入电控阀组，右侧平衡油缸6的活塞杆收回，同时油管23把液压油通过油管30从左侧平衡油缸5上的B1口进入，有杆腔中的液压油通过左侧平衡油缸5上的A1口通过油管29和油管24进入电控阀组，左侧平衡油缸6的活塞杆伸出，从而使农机具左侧升高直到与农机具右侧水平。这时，双轴角倾角传感器1可监测到农机具左右水平，MCU11停止给电控阀组10下发指令。反之，如果双轴角倾角传感器1监测到农机具300右侧低于左侧，双轴角倾角传感器1通过连接在其上的信号线30把监测角度值输入到MCU11，控制器通过融合算法解析，把信号指令发给电控阀组10，电控阀组10通过连接在其上的油管24把液压油从右侧平衡油缸6上的B2口进入，有杆腔中的液压油通过右侧平衡油缸6上的A2口流进油管23进入电控阀组，右侧平衡油缸6的活塞杆伸出，同时油管24把液压油通过油管29从左侧平衡油缸5上的A1口进入，无杆腔中的液压油通过左侧平衡油缸5上的B1口流进油管30和油管23进入电控阀组，左侧平衡油缸6的活塞杆收回，从而使农机具右侧升高直到与农机具左侧水平。这时，双轴角倾角传感器1可监测到农机具左右水平，MCU11停止给电控阀组10下发指令。

如果需要农机具300左侧低于右侧，双轴角倾角传感器1通过连接在其上的信号线30把监测角度值输入到MCU11，根据左侧与右侧形成的角度需要，MCU11通过融合算法解析，把信号指令发给电控阀组10，电控阀组10通过连接在其上的油管23把液压油从右侧平衡油缸6上的B2口进入，无杆腔中的液压油通过右侧平衡油缸6上的A2口流进油管24进入电控阀组，右侧平衡油缸6的活塞杆伸出，同时油管23把液压油通过油管30从左侧平衡油缸5上的A1口进入，有杆腔中的液压油通过左侧平衡油缸5上的B1口通过油管29和油管24进入电控阀组，左侧平衡油缸6的活塞杆收回，从而使农机具左侧降低，右侧升高，直到农机具左侧与右侧形成的倾角满足需求。这时，双轴角倾角传感器1可监测到农机具左右倾角，MCU11停止给电控阀组10下发指令。反之，如果需要农机具300左侧高于右侧，双轴角倾角传感器1通过连接在其上的信号线30把监测角度值输入到MCU11，根据左侧与右侧形成的角度需要，MCU11通过融合算法解析，把信号指令发给电控阀组10，电控阀组10通过连接在其上的油管23把液压油从右侧平衡油缸6上的A2口进入，无杆腔中的液压油通过右侧平衡油缸6上的B2口流进油管24进入电控阀组，右侧平衡油缸6的活塞杆收回，同时油管23把液压油通过油管30从左侧平衡油缸5上的B1口进入，有杆腔中的液压油通过左侧平衡油缸5上的A1口通过油管29和油管24进入电控阀组，左侧平衡油缸6的活塞杆伸出，从而使农机具左侧升高，右侧降低，直到农机具左侧与右侧形成的倾角满足需求。这时，双轴角倾角传感器1可监测到农机具左右倾角，MCU11停止给电控阀组10下发指令。

4 结语

通过悬挂升降自动平衡系统及其控制方法的开发与应用，不仅实现了拖拉机在牵引农机具作业过程中的仿形功能，还可以实现平整作业的功能需求。在耕整地环节，能够实现土地表面平整度一致、耕深一致、开沟一致，特别是需要进行起垄种植模式的玉米，通过该套系统可以实现垄面的平整度。在播种环节，既可实现地形仿形播种，还可实现播深一致的功能。农业环节中耕整地的质量直接影响着种子的出苗率、后期的生长率和产量。该平衡系统及控制方法的开发和实际生产中的应用，极大地提高了农机的作业效率，促进了农机作业标准化、智能化以及智慧农业的发展。