动力换挡拖拉机行驶速度自动控制系统设计及试验

李国强,武广伟,祝清震,张光强,丛 岳,付卫强

(1.江苏大学 农业工程学院,江苏 镇江 212013;2.北京市农林科学院 智能装备技术研究中心,北京 100097)

0 引言

无人驾驶拖拉机是精准农业实施的关键和动力来源基础[1-3],且动力换挡技术是无人驾驶拖拉机关键技术之一。动力换挡技术通过电控液压系统控制多个离合器的结合分离,实现动力不中断换挡,且将复杂的换挡操作过程简化为按钮或自动操作[4-5]。目前,拥有动力换挡功能的拖拉机已经成为无人农机自动驾驶的应用对象。

行驶速度自动控制是无人农机自动驾驶的关键技术条件之一,国内外科研工作者对于拖拉机等农业动力装备的行驶速度自动控制技术方法进行了大量研究[6-9]。赵春江等以约翰迪尔4720静液压传动拖拉机为平台设计了基于CAN的拖拉机定速巡航控制系统,使用电动油门调节器对油门踏板实现线控并获取油门开度大小信息反馈,定速巡航控制绝对误差最大为0.012 m/s[10]。韩科立等以福田雷沃TG1254型拖拉机为平台,研制了一种电-液自动机械式变速装置,并开发了基于ARM7的单片机控制系统,速度控制精度在0.2m/s以内,能够满足定速巡航要求[11]。郭娜和胡静涛基于自适应模糊PID控制算法,对插秧机的行驶速度进行控制,相较于传统PID 控制算法,插秧机在水泥道路上的行驶速度平均误差小于0.02m/s[12]。张硕等分析了速度变化对拖拉机自动导航行驶稳定的影响,研发了基于速度自适应的拖拉机自动导航控制系统,能实现不同速度下的拖拉机的直线路径自动跟踪控制效果[13]。周岩和王雪瑞开发了基于WSN的智能农机自动导航控制系统,可实现拖拉机的精准定位和速度控制[14]。王卓等研发了拖拉机定速巡航系统,通过对拖拉机加速度进行精确控制,以实现定速巡航功能,试验结果表明系统对非线性特性及外界干扰的鲁棒性能较好[15]。已有拖拉机等动力装备的行驶速度控制方法及控制系统研究,提高了农机作业精度、减轻了驾驶员劳动强度,促进了无人驾驶拖拉机技术和精准农业的发展。

目前,关于农机行驶速度控制方法的研究对象多为机械换挡拖拉机,且存在农机速度控制系统调节精度差、调节速度慢的问题。近年来,动力换挡拖拉机在我国得到了广泛关注和应用,但针对动力换挡拖拉机的行驶速度自动控制方法和研究还相对较少。为此,以纽荷兰T1404型动力换挡拖拉机作为实验平台,开展行驶速度自动控制方法研究,并开发一套行驶速度自动控制系统,以提高动力换挡拖拉机的智能化程度,为精准农业技术在我国的发展提供技术支撑。

1 总体设计

1.1 试验平台

选择纽荷兰T1404型拖拉机作为行驶速度自动控制方法试验的平台,如图1所示。该拖拉机配备了动力换挡变速箱,设有18个前进挡和6个倒挡,前进挡又被分为A、B、C等3个区段。另外,该拖拉机拥有先进的电子控制技术,其换向、换挡方式均为I/O控制,油门为模拟量控制方式。

1.2 系统设计

所提出的行驶速度自动控制系统整体架构如图2所示。该系统分为手动控制单元和自动控制单元:手动控制单元主要包括换向手柄、挡位升降按钮、手油门推杆、悬挂按钮的输入电路及相应的输出电路;自动控制单元主要包括通讯模块、工况信息采集模块、油门控制模块及挡位控制模块等。通讯模块主要负责车载计算机与控制器之间的指令、操作日志传输;信息采集模块主要用于获取拖拉机速度、发动机转速、变速箱挡位和悬挂位置等信息;控制模块为模拟物理按钮,通过发送高低电平信号给发动机控制单元ECU、变速箱控制单元TCU,对拖拉机的发动机转速和变速箱动力传输比进行控制。

图2 系统整体结构Fig.2 Overall system structure

该系统将拖拉机的自带换向手柄、扶手箱按钮/推杆与拖拉机控制单元的物理连接方式切断,通过控制器将这些模块串联在一起。当拖拉机处于手动模式时,控制器能够实时监测换向手柄的位置、加减挡按钮状态以及手油门推杆的位置,通过系统的挡位、油门控制模块输出高低电平信号给拖拉机ECU控制单元,以实现拖拉机原有的驾驶功能。当拖拉机处于自动模式时,控制器将通过CAN总线不断读取拖拉机的工况信息,换向手柄、扶手箱按钮/推杆将不再参与驾驶控制操作;控制器接收到来自车载计算机的目标行驶速度和发动机目标转速指令后,对拖拉机组进行换挡操作;换挡操作结束后,系统能够控制油门调节模块的DAC输出值,不断对油门大小进行调节,使拖拉机的实际行驶速度稳定在目标速度值附近,直到接收到新的目标速度。

系统的控制器选用北京芯海融科科技有限公司的MC1206控制器,以STM32F407芯片为核心进行开发,集成了5路CAN、4路RS232,能够满足控制器与车载计算机通讯及信息采集要求,同时具有12路开关量输入、8路开关量输出、6路模拟量输入、6路模拟量输出、1路12V电压输出和6路功率输出功能,能够满足控制需求。系统开发的编程环境为CubeMX、CubeIDE,编程语言为C语言。该系统能够根据ISO 11783农机具CAN总线通讯协议标准及相关资料,从拖拉机CAN总线上获取驱动轮的车速、发动机转速、变速箱挡位及方向等相关工况信息。

1.3 控制方法

行驶速度自动控制系统的工作原理和控制方法,主要分为挡位计算和油门调节控制方法两个部分,详细控制方法如下。

1)挡位计算方法。通过查阅纽荷兰T1404型拖拉机的操作手册,可以获得拖拉机发动机在2200r/min额定转速下的理论行驶速度,进而可以计算出不同挡位设置下的发动机转速与拖拉机速度的关系。在理想的挡位设置下,拖拉机的行驶速度与发动机的转速关系如图3中虚线G′所示。但是,由于变速箱结构及传动比限制,控制系统只能选择邻近挡位G1或G2,发动机的转速只可以为n1或n2(优先选择与目标转速差距更小者),从而达到以目标行进速度行驶的控制目标。

图3 挡位计算原理Fig.3 Gear calculation principle

2)油门调节方法。当拖拉机挡位不变时,拖拉机驱动轮转速仅与发动机的转速有关,故在换挡操作结束后控制系统通过调节油门大小可以对发动机转速进行控制,从而达到控制拖拉机驱动轮转速的目的。为提高拖拉机行驶速度稳定性,采用PID控制算法对油门的大小进行调节。纽荷兰T1404型拖拉机的油门为模拟量控制方式,控制系统将PID算法的油门大小调节量转换为DAC输出电压,即可对油门的开度大小进行控制。经万用表测量可知,手油门推杆在最小油门时其信号线电压值为0.5V,在最大油门时电压值为4.5V,即0.5～4.5V电压范围对应拖拉机发动机怠速转速900r/min～额定转速2200r/min。因此,结合发动机转速与行驶速度的关系可以得出速度调节量与DAC输出电压值之间的关系。详细的油门开度PID调节原理如图4所示。经过仿真与试验,最终确定油门调节频率为2Hz,比例调节系数Kp、积分调节系数Ki、微分调节系数Kd分别为0.125、0.001562和0。

图4 油门开度PID调节原理Fig.4 PID regulation principle of throttle opening

2 软件设计

行驶速度自动控制的软件程序主要分为6个主要部分,分别为初始化,定时器(控制各模块的执行频率),按键检测、I/O操作,A/D模数转换、D/A数模转换,PID算法和中位值平均滤波算法接入,串口通讯和CAN总线通讯。

软件程序的流程如图5所示。首先,控制器上电后,控制系统进行初始化配置,读取手/自动模式开关的状态,决定程序的执行模式。在自动模式下,控制器通过CAN总线获取拖拉机的工况信息;当接收到来自车载电脑的速度和发动机转速指令后,控制系统首先进行挡位与实际发动机转速计算,随后判定是应该做出加速还是减速的判断。若加速,则先调整1次油门,将发动机转速调整至目标转速附近,随后换挡至目标挡位;若减速,则直接切换挡位至目标。随后,采用PID控制算法计算单次速度调节量,然后根据当前挡位下转速与速度的关系计算转速调节量,发动机转速范围为900～2200r/min,对应油门输出电压范围0.5～4.5V,从而获得输出电压调节值,最后通过DAC输出控制油门调节车速,使其稳定在目标值。在手动模式下,则依次执行换向手柄的按键检测与控制,换挡按钮的按键检测与控制,手油门推杆的ADC读取与DAC输出控制。当手动模式切换为自动模式时,控制系统需要进行相关引脚的初始化操作。

图5 速度自动控制系统程序流程图Fig.5 Program flow chart of speed control system

3 试验及结果分析

为验证所开发的动力换挡拖拉机的行驶速度自动控制系统效果,于2021年9月在北京小汤山国家精准农业研究示范基地的6m×480m水泥路面和110m×320m田间平地进行空载工况下的拖拉机行驶速度自动控制试验。通过查阅纽荷兰T1404型拖拉机操作手册,将发动机的目标转速设置为经济转速1400r/min。试验分为两部分,分别为拖拉机由静止状态至目标行驶速度的零速起动试验和目标行驶速度过程中的速度切换效果试验。

3.1 零速起动试验

在行驶速度自动控制系统中,将拖拉机的目标行驶速度分别设定为3、5、7km/h,然后控制拖拉机从静止状态向目标行驶速度调节,最后使拖拉机的速度稳定在设置的目标速度5%误差范围内。两种路面条件下的零速启动试验数据结果如图6和表1所示。其中,表1中行驶速度的调节时间是指离合器接合时间和油门调节时间之和。

表1 零速起动试验数据Table 1 Test data of zero speed starting

图6 两种工况下零速起动试验Fig.6 Parking start test under two working conditions

由图6可知:在水泥路面上和田间平地上,3种目标行驶速度下的离合器接合阶段,拖拉机实际行驶速度快速增加;当离合器完全接合后,控制系统能够快速调节油门,使拖拉机的行驶速度逐渐接近目标速度并稳定在目标值。由表1可知,在两种工况路面条件下,行驶速度的绝对误差最大值为0.15km/h,相对误差最大值为3.0%,调节时间的最大为4.3s。虽然换挡时间在表1中没有标注,但是通过已有数据分析可知,单次换挡平均时间为1.5s。

3.2 目标速度切换试验

首先,通过控制系统使拖拉机稳定在行驶速度3、6、7km/h状态,然后由车载电脑经CAN总线发送新的目标行驶速度5km/h至控制器,由控制器将稳定直线行驶的拖拉机调整为新的目标速度值。拖拉机的目标速度切换试验结果如图7和表2所示。

表2 速度切换试验数据Table 2 Test data of speed switching

图7 两种工况下速度切换试验Fig.7 Speed switching experiment under two working conditions

由图7可知:拖拉机的行驶速度从第4.5s开始调节,3种速度切换过程在10s左右均已稳定在新目标速度值,两种工况下3、6、7、5km/h的速度调节曲线大致相同。其中,在田间平地上,相对于水泥地面拖拉机由7km/h调节至5km/h的过程中,拖拉机没有直接调整到小于5km/h的状态。由表2可知:在两种工况下,拖拉机切换到新目标速度的过程中,拖拉机的行驶速度稳定后的绝对误差最大值为0.09km/h,相对误差最大值为3.0%,调节时间最大值为4.4s。

通过对控制系统的零速起动试验和速度切换试验的结果分析,结果表明:控制系统的速度调控误差最大值为0.15km/h,相对误差最大值为3.0%,调节时间最大值为4.4s,能够满足农机动力作业需求,且在水泥地面和田间地面工况下表现出较高的稳定性。

4 结论

设计了一套针对动力换挡拖拉机的速度自动控制系统,控制器通过CAN总线/串口接收到来自车载电脑的目标速度、目标发动机转速指令后,能自动调节变速箱与发动机,将拖拉机速度精准控制在目标值。在水泥地空载、田间空载两种工况下进行了试验验证,结果表明:控制系统的速度调控误差最大值为0.15km/h,相对误差最大值为3.0%,调节时间最大值为4.4s,能够满足拖拉机的速度自动控制过程的生产需求。