農業機械轉向自動控制技術及常用方案

謝偉麗

摘 要：智能農機是農業機械發展的主要趨勢，隨著農業機械化的不斷進步，農業機械的自動化程度不斷提高，為實現農業機械的導航和自動化行駛，為農業機械研究合理的自動轉向技術十分重要。通過對農業機械自動轉向的研究過程進行分析，說明了轉向自動控制技術的基本原理和常用方案，并對各種方案的優缺點進行了分析。

關鍵詞：農業機械;轉向;自動控制;技術;方案

中圖分類號：S223.91;TP273 文獻標識碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2019.08.011

現代化的農業機械在我國農業生產中發揮了巨大的作用，由于農田作業過程中地面阻力和地表狀態的共同影響，使人工駕駛農機的過程變得更為復雜，傳統的拖拉機轉向控制多采用全液壓助力技術，盡管如此，轉向過程中仍存在著方向盤沉重、轉向可靠性不足的問題，這在很大程度上增加了駕駛員的勞動負擔。加之農業機械的自動化發展趨勢是全自動化作業，因此，就必不可少的要求農業機械能夠實現自動化導航行駛，這對轉向控制技術提出了新的要求。自動轉向技術不僅能夠有效提高農機的自動化作業能力，還能夠提升農機作業的精細程度，使農業生產變得更加簡單輕便，有利于農業機械新功能的研究與功能優化。

1 農業機械自動轉向的相關研究

近十年來，我國對于農業機械的轉向控制技術進行了大量的研究，也取得了十分顯著的成果，盡管相關技術還處于研究階段，自動轉向控制技術作為農業機械發展的必須技術，其在農業機械上的應用勢在必行。我國對于農業機械自動轉向技術的典型研究如下：（1）西北農林科技大學研究了拖拉機行駛路線自動變更技術與機械結構設計，利用伺服馬達控制方向盤并結合多種傳感器實現行駛路線的改變;（2）中國農業大學研究了關于電控液壓動力自動轉向控制模型，通過兩位三通電磁換向閥能夠同時實現自動控制與人工控制，并利用步進電機實現對前輪的轉向驅動;（3）中國科學院沈陽自動化研究所通過加裝減速齒輪的方式對進口聯合收割機進行改造，通過步進電機完成轉向驅動，形成了現有農機的改造方案;（4）中國農業機械化科學研究院對現有拖拉機通過加裝電液比例換向閥的方式實現了控制轉向和轉速的要求等。現階段研究的趨勢趨向于通過控制技術與步進電機的結合，實現現有農機的改造升級（圖1），而未來的農業機械自動轉向技術必將是多學科廣泛融合的產物。

2 農業機械轉向自動控制主要裝置

根據現階段農業機械的發展情況和駕駛系統的主要結構，改良并設計自動轉向控制的機械結構和方案是實現相關功能研究的主要方法。農業機械轉向自動控制基本裝置由液壓油泵、動力電機、液壓比例換向閥、角度傳感器、溢流閥、轉向液壓缸、其他輔助原件等構成。實際工作中通過傳感器獲取機械狀態，并將相關信息傳遞給控制系統的處理器，經運算和處理后轉換為農業機械的轉向控制方案，進而控制轉向輪向不同方向的轉向動作，同時實現轉向幅度的檢測與控制（圖2）。

（1）液壓泵。作為農業機械自動轉向系統的動力元件之一，可通過柴油機或電機驅動，通過從液壓油箱內部吸取油液，使之形成一定壓力后排出，從而將動力傳遞給執行元件的工作部件。

（2）轉向液壓缸。通過將液壓能轉換為機械能實現指定元件的位移，在農機轉向系統中，利用控制器將液壓油輸送進轉向油缸的不同腔體內，能實現不同方向的轉動，進而實現前輪的轉向。

（3）動力電機。是液壓泵的動力元件，部分自動駕駛裝置也會使用電機作為方向盤或轉向軸的驅動力。

（4）角度傳感器。用以檢測輪胎的轉動角度，以獲得農機的實際狀態，為自動駕駛提供參數依據，并驗證轉向動作的執行情況。

（5）電磁閥。屬于電磁控制技術的工業設備，能有效實現流體的自動化控制，在農機轉向的液壓系統中，作為液壓油的方向、流量、速度和其他的參數的調整工具，具有較高的精度和靈活性。

（6）溢流閥。能夠有效控制系統壓力，當系統壓力超過合理值時，起到溢流、穩壓的安全保護作用。

3 轉向自動控制常用方案

3.1 傳統液壓技術升級方案

通過對現階段傳統農機技術進行研究，以農機轉向的傳統結構為依托，利用其液壓助力轉向技術，在原農機轉向系統中增加液壓控制裝置來對液壓轉向機構進行驅動，其基本原理如圖3所示。在農機正常工作模式下，可進行人工操作和自動駕駛的選擇，當電磁閥不通電時為人工操作模式，要進行自動轉向，可通過自動模式進行切換，此時電磁閥工作實現模式更換，轉向系統會從普通的手動控制油路變換到自動控制油路進行工作。轉向控制器通過接收多種傳感器獲取的相關信號，經分析和處理后控制換向電磁閥改變油路實現對前輪轉向的控制，同時與電控比例閥配合實現轉向速度與行駛速度的合理化實施，并通過傳感器監測確保轉向功能的妥善實施。

在自動行駛過程中，若沒有轉向命令，此時換向電磁閥處于不工作狀態，液壓油會通過三通壓力補償器流回油箱中。當農機需要進行轉向時，控制器會根據預先方案或實際情況控制換向電磁閥實現轉向功能。當三位四通換向閥控制油路時，左位左轉，右位右轉，油路控制后根據控制器計算得出的轉角所需流量大小，三位四通比例流量閥完成對響應油路流量的控制。比例閥的流量通過節流閥開口的程度來實現，當需要調整流量大小時，通過電流變化控制電磁鐵的磁力大小，磁力變化導致控制閥芯的位置變化，進而實現節流閥開口的幅度變化，現代化的流量閥已經能夠實現流量的精細化控制。

3.2 電機驅動方案

電機驅動分為兩種方式，一是電機驅動方向盤工作，二是電機驅動轉向軸工作。使用步進電機驅動方向盤作業，主要是利用摩擦或齒輪傳動的方式帶動方向盤轉動，此方案的工作部件包括步進電機、摩擦輪或齒輪副、支架、護罩等。這種驅動方式對農業機械原結構的改動小，但摩擦傳動存在打滑問題，效率低且使用壽命短;齒輪傳動雖然可靠性更好，但為減少傳動結構占用的空間和降低傳動過程中電機的扭矩負擔，通常采用的傳動比很大，導致使用過程中存在著控制繁瑣、精度不高、反應延遲等問題。通過電機驅動轉向軸工作通常采用直驅電機作為轉向動力源，能夠通過控制電機的轉向和轉速來實現自動轉向的功能要求，與電機驅動方向盤相比，直接對轉向軸進行驅動有效提升了控制精度并簡化了機械結構，具有一定的推廣價值，但只能適用于對反應速度要求不高的場合。

3.3 全液壓轉向技術

全液壓自動轉向主要由換向閥、全液壓轉向器、步進電機等結構組成。與普通液壓控制類似，在自動行駛狀態下，當不需要轉向系統工作時，液壓油經全液壓轉向器中位直接流回油箱中，當需要全液壓轉向器控制農業機械轉向時，此時根據需要的轉動角度和實際轉動的角度之間的差值，由自動轉向控制器將需要流量大小傳遞給步進電機，通過步進電機聯動全液壓轉向器轉動，實現轉速的改變，從而完成液壓流量的變化。全液壓轉向技術具有較高的控制精度，能夠可靠的完成轉向工作，具有良好的技術可移植性，由于采用了步進電機驅動全液壓裝置，反應仍會存在一定的延遲。

4 結束語

農業機械的轉向自動控制技術經過多年的發展，已經具備了豐富的技術儲備，能夠在一定程度上完成自動轉向的基本要求。但大多數的技術均依靠成熟農機的機械結構，利用多學科結合的整體技術突破相對較少，科技含量和穩定性仍有待提高，這還需要相關研究人員的不懈努力才能實現。

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