一種用于懸掛升降自動平衡系統及其控制方法的開發與應用

荊 毅，岑秋儀

（廣東皓行科技有限公司，廣東佛山 528300）

0 引言

隨著智慧農業、無人駕駛農機技術在農業領域的使用和縱深發展，智能農機已成為實現無人駕駛技術發展的必要條件，只有農機實現了智能化控制，才能確保智慧農業以及無人駕駛技術的推廣使用。農業場景主要涉及耕、種、管和收四個環節，拖拉機作為農業場景中應用最為廣泛、用途最多的農機動力源，通過掛接不同的農機具實現農業場景中的耕整地、播種和運輸環節。耕、種環節的作業質量直接影響到農作物后期的生長、生產和產量，主要是利用拖拉機通過后三點懸掛升降系統完成牽引作業，其作業質量與拖拉機懸掛升降平衡位置系統關系極為密切。

傳統拖拉機的三點懸掛升降是通過升降油缸、上拉桿總成、左右兩側提升桿總成、左右兩側下拉桿總成的左右限位桿，完成農機具的掛接和升降作業。除懸掛升降由油缸實現外，其余都是依靠手工進行反復多次調節來完成農機具前后、左右的水平控制，調節后，在作業過程中由于地形和工況變化不能實時調整農機具的左右、前后水平，農機具無法實現仿形作業和平整作業的需求，因此不具備自動駕駛控制技術。

1 主要內容

針對傳統拖拉機三點懸掛在實際作業過程中無法實時進行前后、左右自動調整平衡所掛接農機具的缺陷，根據拖拉機三點懸掛牽引掛接農機具實際作業的質量需求，通過改變原有懸掛結構設置，利用液壓油缸替代原有機械拉桿，配以雙軸角傾角傳感器實時采集數據，控制器融合算法解析，把控制信號輸入到電控液壓閥組，從而控制油缸的伸縮來完成農機具的平衡和實際作業需求。

2 關鍵技術

1）懸掛升降依靠安裝在提升臂的角度傳感器進行監測，并將實時監測位置反饋到MCU，MCU根據監測位置下發控制指令給電控閥，電控閥控制油缸準確升降。

2）左右兩側機械式提升桿總成改用液壓油缸左右控制，在掛接的農機具上安裝雙軸角傾角傳感器監測農機具左右水平位置。通過傳感器監測的左右兩側傾角，實時控制農機具既可以實現仿地形作業，又可以實現平地作業，實現整地平整，播種深度一致。

3）機械式上拉桿總成改用液壓油缸左右控制，兩個油缸的進油方式為：左側油缸有桿腔和右側油缸無桿腔為同一路；左側油缸無桿腔和右側油缸有桿腔為同一路。左側油缸提升時，右側油缸下降，該過程可實現左右平衡，也可實現左側比右側高或右側比左側高，實現仿形作業。

4）在農機上安裝雙軸角傾角傳感器，監測農機具左右、前后位置，使農機具在作業過程中具備地形仿形和平整度作業需求。

3 控制邏輯及實施方案

3.1 控制邏輯

農機具前后、左右控制系統邏輯架構流程（圖1、圖2）。

圖1 農機具前后控制系統邏輯架構流程

圖2 農機具左右兩側控制系統邏輯架構流程

3.2 實施方案

左側升降油缸7、右側升降油缸8，左側平衡油缸5、右側平衡油缸6一端通過銷軸連接到提升擺臂50，左側升降油缸7、右側升降油缸8的另一端連接到拖拉機本體支座上。左側平衡油缸5的另一端連接到左側下拉桿總成2、右側平衡油缸6的另一端連接到右側下拉桿總成3；前后平衡油缸4的一端連接到拖拉機本體，另一端連接到農機具300的上懸掛200上。雙軸角傾角傳感器1安裝到農機具變速箱上表面平整的位置，電控閥組10和MCU11安裝到拖拉機本體上。農機具300上的左支座201通過銷軸100與左側下拉桿總成2連接，右支座202通過銷軸100與右側下拉桿總成3連接，上懸掛200通過銷軸40與前后平衡油缸4連接（圖3、圖4、圖5、圖6）。

圖3 拖拉機懸掛升降自動平衡系統主視圖

圖4 拖拉機懸掛升降自動平衡系統剖視圖

圖5 拖拉機懸掛升降自動平衡系統剖視圖

圖6 拖拉機懸掛升降自動平衡系統等軸測圖

拖拉機牽引農機具300工作時，農機具300作業的高低位置通過安裝在懸掛升降提升擺臂50支承軸400上的角度傳感器60實時監測。當角度傳感器60監測到農機具300位置偏低時，角度傳感器60把監測的角度值通過連接在其上的信號線61輸入到MCU11，MCU11通過融合算法解析，把信號指令發給電控閥組10，閥組10通過連接在其上的油管25和油管28把液壓油從左側升降油缸7的B3，右側升降油缸8的B4進入，有桿腔中的液壓油通過左側升降油缸7的A3、右側升降油缸8的A4回油流進油管27和油管26進入電控閥組，左側升降油缸7和右側升降油缸8活塞桿同時同步收回，從而使農機具300提升。角度傳感器60監測到農機具達到需求后，MCU11停止給電控閥組10下發指令。反之，當角度傳感器60監測到農機具300位置偏高時，角度傳感器60把監測的角度值通過連接在其上的信號線61輸入到MCU11，MCU11通過融合算法解析，把信號指令發給電控閥組10，電控閥組10通過連接在其上的油管26和油管27把液壓油從左側升降油缸7的A3、右側升降油缸8的A4進入，無桿腔中的液壓油通過左側升降油缸7的B3，右側升降油缸8的B4回油流進油管28和油管25進入電控閥組，左側升降油缸7和右側升降油缸8活塞桿同時同步伸出，從而使農機具300降低。角度傳感器60監測到農機具達到需求后，MCU11停止給電控閥組10下發指令。

通過安裝在農機具300上的雙軸角傾角傳感器1在線實時監測農機具300前后、左右的傾角。如果監測到農機具300前面低于后面，雙軸角傾角傳感器1把監測的角度值通過連接在其上的信號線30輸入到MCU11，MCU11通過融合算法解析，把信號指令發給電控閥組10，電控閥組10通過連接在其上的油管21把液壓油從前后平衡油缸4上的B5口進入，有桿腔中的液壓油通過前后平衡油缸4上的A5口回油流進油管22進入電控閥組，前后平衡油缸4的活塞桿伸出，從而使農機具前面升高到與農機具后面水平一致。這時，雙軸角傾角傳感器1可監測到農機具前后水平，MCU11停止給電控閥組10下發指令。反之，如果監測到農機具300后面低于前面，雙軸角傾角傳感器1把監測的角度值通過連接在其上的信號線30輸入到MCU11，控制器通過融合算法解析，把信號指令發給電控閥組10，電控閥組10通過連接在其上的油管22把液壓油從前后平衡油缸4上的A5口進入，無桿腔中的液壓油通過前后平衡油缸4上的B5口回油流進油管21進入電控閥組，前后平衡油缸4的活塞桿收回，從而使農機具后面升高到與農機具前面水平一致。這時，雙軸角傾角傳感器1可監測到農機具前后水平，MCU11停止給電控閥組10下發指令。

如果雙軸角傾角傳感器1監測到農機具300左側低于右側，雙軸角傾角傳感器1通過連接在其上的信號線30把監測角度值輸入到MCU11，控制器通過融合算法解析，把信號指令發給電控閥組10，電控閥組10通過連接在其上的油管23把液壓油從右側平衡油缸6上的A2口進入，無桿腔中的液壓油通過右側平衡油缸6上的B2口流進油管24進入電控閥組，右側平衡油缸6的活塞桿收回，同時油管23把液壓油通過油管30從左側平衡油缸5上的B1口進入，有桿腔中的液壓油通過左側平衡油缸5上的A1口通過油管29和油管24進入電控閥組，左側平衡油缸6的活塞桿伸出，從而使農機具左側升高直到與農機具右側水平。這時，雙軸角傾角傳感器1可監測到農機具左右水平，MCU11停止給電控閥組10下發指令。反之，如果雙軸角傾角傳感器1監測到農機具300右側低于左側，雙軸角傾角傳感器1通過連接在其上的信號線30把監測角度值輸入到MCU11，控制器通過融合算法解析，把信號指令發給電控閥組10，電控閥組10通過連接在其上的油管24把液壓油從右側平衡油缸6上的B2口進入，有桿腔中的液壓油通過右側平衡油缸6上的A2口流進油管23進入電控閥組，右側平衡油缸6的活塞桿伸出，同時油管24把液壓油通過油管29從左側平衡油缸5上的A1口進入，無桿腔中的液壓油通過左側平衡油缸5上的B1口流進油管30和油管23進入電控閥組，左側平衡油缸6的活塞桿收回，從而使農機具右側升高直到與農機具左側水平。這時，雙軸角傾角傳感器1可監測到農機具左右水平，MCU11停止給電控閥組10下發指令。

如果需要農機具300左側低于右側，雙軸角傾角傳感器1通過連接在其上的信號線30把監測角度值輸入到MCU11，根據左側與右側形成的角度需要，MCU11通過融合算法解析，把信號指令發給電控閥組10，電控閥組10通過連接在其上的油管23把液壓油從右側平衡油缸6上的B2口進入，無桿腔中的液壓油通過右側平衡油缸6上的A2口流進油管24進入電控閥組，右側平衡油缸6的活塞桿伸出，同時油管23把液壓油通過油管30從左側平衡油缸5上的A1口進入，有桿腔中的液壓油通過左側平衡油缸5上的B1口通過油管29和油管24進入電控閥組，左側平衡油缸6的活塞桿收回，從而使農機具左側降低，右側升高，直到農機具左側與右側形成的傾角滿足需求。這時，雙軸角傾角傳感器1可監測到農機具左右傾角，MCU11停止給電控閥組10下發指令。反之，如果需要農機具300左側高于右側，雙軸角傾角傳感器1通過連接在其上的信號線30把監測角度值輸入到MCU11，根據左側與右側形成的角度需要，MCU11通過融合算法解析，把信號指令發給電控閥組10，電控閥組10通過連接在其上的油管23把液壓油從右側平衡油缸6上的A2口進入，無桿腔中的液壓油通過右側平衡油缸6上的B2口流進油管24進入電控閥組，右側平衡油缸6的活塞桿收回，同時油管23把液壓油通過油管30從左側平衡油缸5上的B1口進入，有桿腔中的液壓油通過左側平衡油缸5上的A1口通過油管29和油管24進入電控閥組，左側平衡油缸6的活塞桿伸出，從而使農機具左側升高，右側降低，直到農機具左側與右側形成的傾角滿足需求。這時，雙軸角傾角傳感器1可監測到農機具左右傾角，MCU11停止給電控閥組10下發指令。

4 結語

通過懸掛升降自動平衡系統及其控制方法的開發與應用，不僅實現了拖拉機在牽引農機具作業過程中的仿形功能，還可以實現平整作業的功能需求。在耕整地環節，能夠實現土地表面平整度一致、耕深一致、開溝一致，特別是需要進行起壟種植模式的玉米，通過該套系統可以實現壟面的平整度。在播種環節，既可實現地形仿形播種，還可實現播深一致的功能。農業環節中耕整地的質量直接影響著種子的出苗率、后期的生長率和產量。該平衡系統及控制方法的開發和實際生產中的應用，極大地提高了農機的作業效率，促進了農機作業標準化、智能化以及智慧農業的發展。