丘陵地區剪叉式甘蔗轉運車調平控制系統設計與試驗

李尚平 閆昱曉 徐 冰 李凱華 李 威 彭 卓

(1.廣西民族大學電子信息學院， 南寧 530006； 2.廣西大學機械工程學院， 南寧 530004)

0 引言

甘蔗作為我國重要的經濟作物，90%的產地集中在廣西、云南等多丘陵地區，丘陵蔗田約占種植面積的60%以上[1]。種植方式存在小而分散，地形復雜，機耕道路差等問題，影響了甘蔗全程機械化推進，造成原料及砍運成本居高不下，嚴重制約了我國糖業發展和在國際上的競爭力[2-3]。目前，我國丘陵地區的甘蔗轉運車多采用半掛側翻式結構或廂式轉運結構[4-5]，依靠操作員手動操作進行甘蔗轉運。車型輪距大、提升重心高，在田間進行甘蔗轉運時，由于地形復雜或操作員經驗不足，容易發生側翻危險，造成較大的經濟和安全損失。

國外甘蔗種植區主要集中在平原地區，因地貌環境和種植方式的差異，引進和仿制國外的甘蔗轉運車輪距過寬、安全性差，不適用于我國蔗田的地形地貌[6]。因此，需開發適用于丘陵地區的甘蔗轉運車，提高甘蔗機械化種植效率。本文基于課題組自主研發的剪叉式甘蔗轉運車機構特點[7]，研究針對丘陵地區甘蔗轉運車卸蔗前車身的自動平衡，實現對轉運車安全提升作業的有效控制。

國內外學者對于農機具的調平研究，多為采用底盤上的三點懸掛支撐方式調整機身[8-12]與耕整地類農機的牽引器具調平[13-16]，鮮見對丘陵地區甘蔗轉運車等載重農機的駐車調平控制系統研究[17-18]。丘陵地區甘蔗轉運車存在安全性不足，工作環境惡劣等隱患，現有控制方法和調平策略沒有解決甘蔗轉運車采用四點支撐結構會出現“虛腿”(三點支撐結構用于支撐平臺，一個位于最低點的支撐結構處于懸空或者不受力狀態，以下簡稱為“虛腿”)問題，在地況復雜的環境中難以穩定作業，且甘蔗轉運車在卸蔗時，手動操作難度高、效率低等問題有待解決。本文基于剪叉式甘蔗轉運車，針對轉運車在卸蔗過程的穩定性和工作效率問題，設計一種剪叉式甘蔗轉運車調平控制系統，以期提高丘陵地區剪叉式甘蔗轉運車的安全性和工作效率。

1 系統結構與工作原理

1.1 系統結構組成

剪叉式甘蔗轉運車采用雙剪叉式提升機構，系統結構如圖1所示。轉運車負責甘蔗收獲機與大型集蔗車之間的轉運工作，由于集蔗車的車廂護欄高，該雙剪叉式甘蔗轉運車在丘陵地區田間駐車卸蔗前，需將車廂提升至3.8 m高度再進行車廂翻轉和側面卸載作業。但因地面不平，導致轉運車底盤和車身處于不平衡的狀態，整車重心極易發生較大程度偏移甚至側翻事故。因此，卸蔗前需要先調整車身平衡，再進行提升轉運作業。

1.2 工作原理

控制中心安裝于駕駛室內，分別與三軸姿態傳感器和壓力變送器通信連接，用于實時接收轉運車狀態信號，并輸出使各液壓缸動作的控制信號；三軸姿態傳感器固定于車身底盤，用于測量轉運車與水平面的夾角α(車身左右方向偏移角度，簡稱側向角α)和β(車身前后方向偏移角度，簡稱縱向角β)；4個輔助支撐裝置安裝于底盤結構支點處；壓力變送器安裝于各個輔助支撐裝置液壓缸進油口，用于實時監測液壓缸內的壓力變化情況。甘蔗轉運車調平控制系統工作原理如圖2所示，控制中心接收來自各傳感器的信號，發出指令通過液壓系統控制各個液壓缸有序調平動作；經過車身狀態安全檢測后，再進行卸蔗所需的車廂提升、車廂門開啟、車廂向側面傾倒、車廂收回下落和輔助支撐裝置收回等動作。

2 輔助支撐調平系統設計

2.1 輔助支撐機構

平臺輔助支撐結構可分為三點支撐、四點支撐或多點支撐[19-20]。且支撐點數量越多，控制過程越冗雜，其中三點支撐實現較為簡單，但三點支撐易出現傾覆,不適于丘陵地區農機調平。相比較三點支撐，四點等多點支撐的穩定性較好但控制策略和系統設計難度較高，且易出現“虛腿”現象，不僅造成各支撐結構受力嚴重不均、對整個底盤支撐平臺形成沖擊，同時影響轉運車在后續使用過程的穩定性。由于轉運車自重和車廂裝載噸位較大，本設計將輔助支撐裝置液壓缸設計為可活動的輔助支撐腿。在各個支撐裝置液壓缸進油口安裝壓力變送器，對缸內受壓情況進行實時監測，采用閉環控制法有效解決四點支撐結構容易出現的“虛腿”問題。因此，本文采用適用丘陵地區駐車作業的四點支撐結構，設計調平策略對轉運車調平進行控制。

2.1.1“虛腿”檢測

甘蔗轉運車調平控制方案在進入調平流程前，首先需解決“虛腿”問題。控制中心實時檢測各個輔助支撐裝置液壓缸內部壓力情況pi(i=1,2,3,4)，通過pi≤p′(p′為由轉運車自重計算出的各輔助支撐裝置承重值)判斷該輔助支撐裝置是否著地承重，且在車身調平后繼續檢測轉運過程中是否存在“虛腿”現象，以保證轉運過程穩定安全性。輔助支撐“虛腿”檢測原理圖如圖3所示。

2.1.2調平控制策略設計

假設甘蔗轉運車傾斜狀態下車身底盤坐標系OXYZ與水平面坐標系OX1Y1Z1共用同一坐標原點O，坐標轉換關系如圖4所示，則側向角α為底盤X軸方向與水平面坐標X1軸的傾角，縱向角β為底盤Y軸方向與水平面坐標Y1軸的傾角,4個頂點表示各輔助支撐裝置位置。

當α、β都不等于0°，與X軸傾角為α的坐標轉換矩陣表示為

(1)

式中R1——三維空間變換矩陣

與Y軸傾角為β的坐標轉換矩陣表示為

(2)

式中R2——三維空間變換矩陣

得出變換矩陣

(3)

本文所設計的調平控制系統中，由于甘蔗轉運車工作狀態初始傾斜角度一般較小，轉運前當α或β超過±8°，則系統自動報警，通知停止轉運作業。因此可以忽略高階項的影響，由極限定理近似認為:sinα≈α,sinβ≈β,cosα≈cosβ≈1。則R可化簡為

(4)

假設，在轉運車底盤坐標系OXYZ中，各輔助支撐裝置坐標Pi為

Pi=(Xi,Yi,Zi) (i=1,2,3,4)

(5)

(6)

目前，采用輔助支撐結構進行調平的方法主要分為基于角度誤差調平和基于位置誤差調平。其中，基于位置誤差調平常用于工程機械或傳感器安裝環境干擾較少的車型[21-24]，需在支撐點處安裝位移傳感器測量裝置行程。由于甘蔗轉運車一般在田間進行甘蔗裝卸，甘蔗收獲季節又多為雨季，道路泥濘，轉運車工作環境惡劣，位移傳感器易受外界因素干擾，所以本設計采用數據獲取較為穩定的角度誤差調平方法。基于角度誤差調平方法包括“追逐式”調平策略和“定點不動”調平策略[25]。在調平過程中，由于甘蔗轉運車負載噸位較大，液壓系統存在一定的滯后性，故不宜有液壓支撐裝置下降的動作, 所以采取“追逐式”策略中向最高點對齊的調平方法。以輔助支撐裝置的初始最高點為基準，其余輔助支撐裝置采用只伸長不收縮的方式追逐最高點，通過檢測搜索閉環控制，使各支撐點與初始最高點處于同一水平高度，以達到調平的目的。由式(6)可得各個支撐裝置在水平面坐標系OX1Y1Z1中Z1軸方向的坐標為

(7)

因各個輔助支撐裝置在車身底盤坐標系中Z軸的坐標值均為0，可判斷最高點支撐裝置為

(8)

“追逐式”調平策略過程如圖5所示。

假設，車身初始狀態如圖4所示，則由α、β角度信息可判斷輔助支撐裝置3為最高點，為保護車體設備以及輔助支撐裝置的剛性結構，調平動作要求降低對結構的破壞性影響，整個過程盡量平穩。本文采用的“追逐式”調平策略在車身調平過程中低位支撐點需有序向最高點靠攏，調平過程示意圖如圖6所示。平面ABCD是4個支撐裝置所構成平面，平面A′B′C′D′是地理系絕對水平面，經過調整后平面ABCD與平面A′B′C′D′保持平行，且不改變點C初始位置。

首先，對危險性較大的車身低位側向邊進行調整，點A和點B同時上升至側向角-z≤α≤z(z為默認車身處于水平狀態的角度)，此時點B與點C等高，點A與點D等高；其次對車身低位縱向邊進行調整，點A和點D同時上升至縱向角-z≤β≤z，此時點A、B、C、D等高，則由支撐裝置所構成平面ABCD與地理系水平面A′B′C′D′保持平行狀態。

兩點同時上升的“追逐式”調平策略可避免液壓四點支撐結構在非水平狀態下著地調整時，因自身速度和位移的差距在調平過程出現“虛腿”的問題。增加車身穩定性和抗顛覆能力，縮短了調平時間，對車身底盤和輔助支撐裝置液壓缸起到緩沖作用，且液壓系統電磁閥換向頻率低，對電磁閥磁芯損害較小。

2.2 液壓系統設計

液壓系統原理圖如圖7所示，系統組成包括液壓泵、溢流閥、三位四通電磁換向閥、二位二通常閉插裝閥、車廂舉升油缸、車廂門油缸、車廂翻轉油缸和輔助支撐裝置油缸等。

整機液壓系統動力來源為車載24 V蓄電池；采用YUKEN公司的DSG03型并聯組合多路三位四通電磁換向閥，配合同型號的直動插裝式溢流閥，防止系統過載；選用4個二位二通常閉插裝閥對輔助支撐油缸進行獨立控制，并加裝液壓鎖實現輔助支撐裝置保壓功能。換向閥通過接收控制中心指令，對油液流向進行換向，進而實現對輔助支撐支路、車廂舉升支路、車廂門支路和車廂翻轉支路液壓油缸的單獨控制。

2.3 調平控制系統設計

甘蔗轉運車調平控制系統的控制原理圖如圖8所示，α0、β0和p′分別為車身側向角、縱向角和各輔助支撐裝置壓力信息的目標值，α、β和pi分別為實際測得的車身側向角、縱向角，以及壓力變送器測得的各輔助支撐裝置液壓缸實際壓力信息。

控制中心通過A/D模塊將壓力變送器獲取到的各輔助支撐裝置液壓缸壓電信號轉換為數字信息；利用姿態傳感器獲取車身α、β角度信息；車身狀態信息經過程序濾波處理后用于系統控制。控制中心根據當前車身狀態信息，輸出控制信號至液壓系統，進而控制輔助支撐裝置支路的三位四通電磁換向閥和二位二通常閉插裝閥，通過輔助支腿動作調節轉運車身恢復水平狀態并消除“虛腿”。車身狀態安全檢測通過后，控制中心輸出信號至液壓系統，控制負責車廂提升支路、車廂門支路和車廂翻轉支路的電磁換向閥，改變車廂狀態完成卸蔗動作，等待下一次轉運指令。

2.3.1硬件設計

作為剪叉式甘蔗轉運車調平控制系統的核心部件，控制中心需對獲取的各類信息進行高效實時處理。選用STM32F103ZET6芯片作為核心模塊，可搭配液晶屏編程實現可視化設計。姿態傳感器選用維特智能公司的WT901型高精度三軸姿態傳感器，測量精度0.05°。壓力變送器選用與系統電路設計兼容的PT210B型壓電式傳感器，信號輸出為0～3.3 V，量程0～8 MPa，精度等級±0.5%FS。系統電源由24 V蓄電池配合壓降模塊構成。

2.3.2軟件設計

控制系統的核心部分是軟件，直接影響系統的穩定性和精度。本設計采用Keil μVision5軟件，使用C++語言進行控制程序的開發。

甘蔗轉運車調平控制系統軟件主循環程序由各傳感器的通信協議程序、可視化程序和車身狀態自動控制程序3部分組成。程序啟動后系統進行初始化，控制中心與姿態傳感器通過串口TTL方式通信，通過A/D模塊轉換方式采集壓力變送器信息。檢測各傳感器通信正常后，將獲取到的車身狀態信息存放至內存緩沖區并實時更新，可視化程序和車身狀態自動控制程序對緩沖區內信息進行讀取；轉運指令發出后，車身狀態自動控制程序根據讀取到的數據進行判定，發送指令至液壓系統，完成甘蔗轉運所需動作；在卸蔗過程中控制系統對車身狀態不斷循環檢測，當超出安全范圍時，系統立即停止所有動作并發出報警信號，等待操作員處理。主程序流程圖如圖9所示，程序運行過程中，通過中斷優先級管理實現各部分程序運行互不影響。

2.3.3濾波設計

控制系統需實時獲取車身姿態信息，而工作中轉運車會不可避免地出現振動干擾，從而對控制的準確性產生一定影響。為增加信號曲線的平滑度，針對控制系統數據獲取頻率較高、采樣周期短的特點，在程序內采用加權遞推平均濾波方法[26]對姿態傳感器數據進行處理，調整系統對當前所受干擾的靈敏度。濾波后車身姿態角度對比效果如圖10所示，數據平滑度較好，可增加控制系統的魯棒性。

壓力變送器自身電荷漂移會產生測量誤差，針對含有噪聲的壓力信號，采用小波軟閾值去噪[27]的方法對壓力信號進行處理。為確定最佳小波基，本文在大量仿真計算的基礎上，進一步選取了去噪效果較好的dbN(N取4)、coifN(N取4)、symN(N取4，8)小波基進行去噪處理分析，在分解尺度為4時不同類型小波基去噪效果對比如表1所示。

表1 不同類型小波基的去噪效果Tab.1 Denoising effects of different types of wavelet bases

由表1可知，不同類型小波基的均值去噪后與原樣本差別不大，而標準差有顯著差異，采用sym8小波基去噪后標準差由去噪前的0.309 0 MPa減小到0.296 6 MPa，去噪效果最為顯著。所以本文采用sym8小波函數去噪的方法對壓力傳感器數據進行濾波處理，從而提高排除“虛腿”的控制精準性，濾波前后的轉運車輔助支撐裝置受力情況對比如圖11所示。結果表明:經濾波處理后壓力數據清晰度明顯提高，有明顯的局部分辨特性，提高了實時控制的有效性和可靠性。

3 試驗

3.1 試驗設備與器材

剪叉式甘蔗轉運車樣機如圖12所示。

為驗證本文設計的甘蔗轉運車調平控制系統可靠性，根據相似性原理，在實驗室內按照與樣機車廂4∶1的比例建立了試驗平臺，如圖13所示。平臺整體長度1 200 mm，寬度530 mm,高度1 000 mm(其中車廂高度為530 mm)；車廂滿載量為120 kg (相當實際樣機滿載7.88 t計算，按照與樣機滿載量64∶1的比例縮小的裝載量)，車廂提升后的試驗平臺高度為1 650 mm。試驗所需器材物品還包括裝滿水的礦泉水瓶(礦泉水瓶的外形、質量與甘蔗較為接近，存放時間久)，用來進行模擬負載甘蔗和轉運甘蔗過程的負荷試驗，每瓶水為0.55 kg，共218瓶水；采用角度墊塊模擬轉運車所處田間地面存在坡度和凹凸不平情況。

3.2 試驗與結果

試驗分為平臺穩定性控制和模擬甘蔗轉運車自動轉運控制2組試驗。控制中心通過串口打印方式，在試驗過程中同步向計算機端發送車身狀態數據，數據采集頻率為50 Hz。

3.2.1試驗平臺穩定性控制單因素試驗

甘蔗轉運車在卸蔗過程中會因為丘陵蔗地、道路不平等因素發生較大重心偏移甚至側翻事故。如圖14所示，利用試驗平臺進行單因素側翻臨界對比試驗，考察轉運車初始側向角和輔助支撐裝置側向跨距對車身重心偏移的影響。實驗室內地面為基本水平的剛性地面，使用角度墊塊墊起輔助支撐裝置，模擬因田間道路不平車身發生傾斜的情況，并保持無“虛腿”狀態。設置平臺車廂負載質量為120 kg，向傾卸甘蔗一側的方向墊起角度分別選取0°、2°、4°、6°、8°；輔助支撐裝置縱向跨距不變，單獨改變其側向跨距，跨距選取490(490 mm為等比例縮小后的輪胎跨距)、650、730 mm，進行單因素穩定性臨界試驗。在試驗過程中關閉側面車門，以模擬極端側翻的工作狀況，試驗共15組，每組重復試驗3次，試驗全程對車身側向角變化進行實時監測。模擬卸蔗過程的車身側向角相較于未卸蔗前車身初始側向角的平均絕對誤差和均方根誤差，如表2所示。

表2 不同狀態卸蔗過程試驗平臺角度穩定性誤差Tab.2 Angular stability error of test platform in different states of sugarcane unloading process (°)

由表2可知，試驗平臺轉運過程角度平均絕對誤差和均方根誤差隨初始側向角的增大呈上升趨勢；隨輔助支撐裝置側向跨距的增加呈下降趨勢。不同初始狀態的甘蔗轉運過程試驗平臺重心最大偏移角對比如圖15所示。

由圖15可知,平臺卸蔗過程重心偏移角與初始側向角成正比。在支撐裝置側向跨距490 mm，初始側向角6°工況下，試驗平臺轉運過程重心最大偏移0.401°，處于危險臨界狀態并出現嚴重晃動；在支撐裝置側向跨距490 mm，初始側向角8°工況下，試驗平臺轉運過程重心最大偏移2.625°，已經發生側傾事故。僅使用輪胎結構作為支撐跨距，在大角度情況進行甘蔗轉運發生危險的可能性較大；當增加輔助支撐裝置跨距后，試驗平臺隨跨距的增加趨于穩定。采用輔助支撐裝置可有效減小甘蔗轉運過程的危險性。

側向跨距分別為650、730 mm，初始側向角分別為0°、2°、4°、6°、8°工況下，試驗平臺向重心偏移方向的輔助支撐裝置平均壓力如圖16所示。

由圖16可知，卸蔗過程中平臺重心偏移方向的支撐裝置所受壓力與初始側向角成正比，所以需要調整車身初始姿態角度，提高卸蔗過程車身穩定性。輔助支撐裝置跨距730 mm相較于650 mm所受壓力較為均勻，且考慮剪叉式甘蔗轉運車在田間卸蔗時和大型集蔗車的并行間距問題，確定試驗平臺輔助支撐裝置側向伸展跨距730 mm為最佳跨距。

3.2.2調平控制系統試驗

在確保轉運過程平穩性的前提下，綜合考慮控制精度和效率，設定試驗平臺的側向角和縱向角閾值均處在±0.6°范圍內為默認水平狀態，即當車身調平達到默認水平時，只需消除“虛腿”就可以進行卸蔗動作。設計3組不同傾斜狀態下的調平控制試驗進行可行性分析。

設置試驗平臺的初始側向角為-0.253°，縱向角為0.115°，則平臺處于默認水平狀態。使用甘蔗轉運車調平控制系統進行試驗，系統判斷車身狀態不需調平，消除“虛腿”過程結束后，平臺側向角為-0.170°，縱向角為0.110°。轉運過程中各車身狀態參數變化如圖17所示，可見調平后轉運過程中支撐裝置壓力穩定，無“虛腿”出現，表明轉運狀態平穩。

如圖18所示，在輔助支撐裝置3下方放入干擾物體，模擬田間道路凹凸不平的情況。

設置試驗平臺向車廂卸蔗側的初始側向角為-8.091°，縱向角為0.308°，則平臺處于側向角需要調平，縱向角默認水平狀態。經控制系統判斷后，車身側向角方向需進行調平，縱向角方向默認水平。調平結束后車身側向角為0.170°，縱向角為0.346°，且消除了“虛腿”問題。轉運過程中平臺各狀態參數變化如圖19所示，可見車身調平后轉運過程平穩。

設置試驗平臺向車廂卸蔗側的初始側向角為-3.961°，縱向角為2.818°，則平臺處于側向角和縱向角均需要調平狀態。經控制系統判斷后，側向角和縱向角方向均需輔助調平，調平結束后車身側向角為-0.297°，縱向角為0.099°，且消除了“虛腿”問題。轉運過程平臺各狀態參數變化如圖20所示，可見車身調平后轉運過程較平穩。

不同工況下的3組試驗結果參數對比如表3所示。

表3 不同工況下試驗結果參數對比Tab.3 Comparison of test results parameters under different working conditions

試驗表明，本文所設計的甘蔗轉運車調平控制系統可在20 s內使試驗平臺在卸蔗前由傾斜狀態調整至基本水平狀態，調平精度在0.3°范圍內；控制系統進行自動卸蔗，車廂舉升翻轉和動作回收在35 s內完成；受地面干擾的情況下也可消除“虛腿”問題，并使試驗平臺在甘蔗轉運過程中保持穩定。由文獻[8-12]可知，農機具的調平精度要求一般在1°范圍以內，本文設計的調平系統可維持車身在0.3°范圍內，基本滿足農機具設備的實際作業使用要求。

4 結論

(1)基于雙剪叉式提升機構和四點輔助支撐裝置，設計了一種剪叉式甘蔗轉運車調平控制系統。該系統通過液壓輔助支撐裝置，采用“追逐式”調平策略對四點支撐結構進行調節，從而實現了對剪叉式甘蔗轉運車的調平控制，減少了甘蔗轉運過程中因外界環境造成的危險性；并通過液壓系統實現對車廂舉升、開門、翻轉等轉運動作的自動化控制，采用可視化車身狀態監測和一鍵式控制，降低了人工勞動強度和操作難度。

(2)在試驗平臺穩定性試驗中，處于危險臨界狀態的側向角為6°，側向跨距為490 mm；通過誤差分析，表明了采用輔助支撐裝置可減小試驗平臺在甘蔗轉運過程中的危險性,側向跨距730 mm為最佳輔助支撐裝置跨距。在調平控制系統試驗中，采用本文設計的調平控制系統，輔助支撐裝置可在28 s內觸地并排除“虛腿”，在20 s內完成車身調平，剪叉式轉運車由初始傾斜狀態至轉運完成總過程保持在80 s內。其中，車廂舉升翻轉和動作回收在35 s內完成，滿足60 s內完成車廂舉升翻轉和下降動作的設計要求；試驗平臺調平精度在0.3°內，轉運過程平穩，基本滿足丘陵地區甘蔗轉運作業的實際使用要求。