四轮驱动四轮转向自动驾驶底盘的电控系统设计

李玫瑾，魏新华

(江苏大学 现代农业装备与技术教育部重点实验室，江苏 镇江　212013)



四轮驱动四轮转向自动驾驶底盘的电控系统设计

李玫瑾，魏新华

(江苏大学 现代农业装备与技术教育部重点实验室，江苏 镇江212013)

摘要：为了提高植保机械作业精度、降低驾驶员操作难度，设计了一种高地隙全液压四轮驱动四轮转向自动驾驶底盘。本文介绍了底盘的整体结构，重点阐述了电控系统的结构与工作原理。该电控系统以EPCS-8980为上位机、DSP56F805信号控制器为核心、基于CAN总线进行通讯，行车状态参数采集器接收各传感器采集的行车参数信息，并通过CAN总线发送到车载电脑和行车控制器，行车控制器根据车载电脑指令和各传感器参数，按照行车控制模型生成控制指令，并通过各电磁阀独立控制4个液压马达和4个转向油缸，实现底盘的行车控制。同时，对电控系统进行了测试，测试结果表明：该电控系统实现了对液压元器件的控制，保证了其运行的可靠性，可满足实际作业要求，同时该电控系统也可用于通用自主移动平台上。

关键词：自动驾驶底盘；四轮驱动；四轮转向；液压系统；CAN总线；拖拉机

0引言

目前，随着农田经营规模逐渐扩大，地块面积越来越大，对农机作业质量要求越来越高，驾驶员操作难度也越来越大，迫切需要一种高地隙自动驾驶底盘。自动驾驶技术的使用可保证植保机械的精确作业，降低人工技术要求，为精准农业的发展奠定基础[1]。近年来，农机科技人员在自动驾驶技术开发方面做了一定的努力和探索。左志宇等(2010)设计了一种高地隙四轮液压驱动底盘滑转率控制系统，通过实时获取的角位移和转速信号，利用FUZZ-PID算法实现底盘的打滑判断和调控[2]。吴鹏等(2009)以东方红-X804型拖拉机为平台，改造原拖拉机的油路，使用电控比例液压阀，并设计电控单元，组成了自动转向控制系统[3]。雷小龙等(2011)设计了一种植保机械底盘控制系统，硬件以AT89SC52单片机为核心，应用C语言编程将测速模块、电源、键盘、显示模块和直流电机驱动模块有机结合起来，控制植保机械的前进和转向[4]。目前，国内现有研究虽然能够实现底盘的驱动和转向，但是没有实现底盘的自动驾驶，自动驾驶技术水平仍然需要进一步提高[5-10]。因此，本文设计了一种基于CAN总线通讯的高地隙四轮驱动及四轮转向自动驾驶底盘，可以实现底盘的四轮驱动及四轮转向，从而实现底盘的自动驾驶。

1系统构成

高地隙全液压四轮驱动四轮转向自动驾驶底盘总体布置示意图，如图1所示。

图1　底盘总体布置示意图

其主要由行驶系统、转向系统、液压系统、电控系统和车架组成。行驶系统主要包括车轮、液压马达和减速机。每个车轮配置一个变量插入式液压马达，实现四轮驱动。转向系统主要由4套转向机构和转向油缸组成。转向油缸一端铰接在车架上，另一端连接转向摇臂，可推动车轮围绕转向节竖直轴线旋转，从而实现四轮独立偏转。液压系统主要由行走闭式回路和转向开式回路组成。液压泵选用串联的通轴三联泵，前两泵对液压马达供油,定量齿轮泵通过控制电液比例换向阀驱动转向油缸，实现车轮独立转向。电控系统主要包括车载电脑、行车控制器、液压控制元件、数据采集器及传感器等。通过电控系统控制各个液压元件，实现底盘的前进、倒退及转向等功能。车架系统主要包括车架、轮距调整机构和地隙调整机构。轮距调整机构通过伸缩轴架在伸缩壳体内的水平滑移，调整两侧轮胎的中心距。地隙调整机构通过伸缩轴架在转向架上的竖直移动，调整两侧轮胎的中心距。

2液压系统

底盘的液压系统主要由行走闭式回路和转向开式回路组成。

2.1行走驱动回路

行走驱动包括双联轴向柱塞变量泵、液压马达及比例电磁阀等。双联轴向柱塞变量泵直接对4个液压马达供油，通过一个比例电磁阀调节变量泵出油量的大小和方向，可以控制各液压马达的正反转，并对马达的转速大小进行粗调。每个液压马达单独和一个比例电磁阀相连，通过各比例电磁阀控制各液压马达的进油量，对各液压马达的转速进行微调。液压马达转速方向和大小的变化，可以实现车轮的前进、后退和转速变化的功能，从而实现底盘的四轮驱动，并进行差速转向或防打滑控制。

2.2转向控制回路

转向控制回路由定量齿轮泵、电液比例换向阀和4个转向油缸组成，由定量齿轮泵直接对4个转向油缸供油。当行车控制器发送电流信号给每路电液比例换向阀时，电液比例换向阀进行换向，进而每个车轮的转向油缸伸缩变化，由转向油缸推动转向摇臂，从而推动车轮围绕转向节竖直轴旋转，实现每个车轮的独立转向角控制。

3电控系统的结构和工作原理

3.1电控系统的工作原理

电控系统的工作原理如图2所示。电控系统由编码器采集各个车轮的转速，由转向角传感器采集各个车轮的偏转角，水平倾角传感器采集底盘的纵横向倾角，横摆角速度采集底盘的横摆角速度。行车状态参数采集器接收各个传感器信号，并通过CAN总线发送到车载电脑和行车控制器。行车控制器根据车载电脑指令和各个传感器参数，按照行车控制模型生成控制指令，发送到各个液压控制阀来控制各个液压控制元件，实现底盘的前进、倒退及转向等功能。

图2　电控系统结构图

3.2电控系统的主要硬件选型

3.2.1车载电脑

车载电脑是整个电控系统的信息处理中心和人机对话中心，需要和行车控制器、行车状态参数采集器等进行信息传输和数据交互，必须具有CAN 接口等丰富的通讯接口。为此，选用EPCS-8980型ARM工控机(广州致远电子有限公司)，具有5路USB接口、2路CAN接口和3个 RS-232接口，即具有较强的数据处理能力，又具有丰富的外围扩展接口。

3.2.2行车控制器

行车控制器作为整个电控系统的测控中心，需有较高的运算速度和较强的计算能力并具备CAN总线接口，以实现与车载电脑和行车状态参数采集器之间的通讯。为此，行车控制器的主芯片采用DSP56F805。该芯片结合数字信号处理器(DSP)的处理能力与MCU功能，它还集成了8路12位精度的A/D转换模块，支持CAN2.0B协议的控制器模块[11]。

3.2.3行车状态参数采集器

行车状态参数采集器采用广州致远电子有限公司的iCAN-4017模块、iCAN-7202模块和iCAN-4400模块。

iCAN-4017模块用于采集模拟量输入信号，具有8 路模拟量输入通道，模拟量信号的分辨率为16 位[12]，可采集转向角传感器、水平倾角传感器及横摆角速度传感器的信息。

iCAN-7202模块用于对工业现场的脉冲信号计数或测频，具有2路32位可级联正脉冲加/减计数器、可编程数字滤波器，能够有效滤出高频脉冲干扰，可采集角速度传感器的信息。

iCAN-4400模块用于提供电流或者电压输出信号，具有4路模拟量输出通道，可输出1～5V电压或者4～20mA电流信号，可对各比例电磁阀进行控制。

3.2.4传感器

底盘最高行驶速度为7.5km/h，轮胎行驶半径为650mm ，最大角速度为3.2rad/s。因此，角速度传感器选用TRD-J1000-RZ速度编码器(北塘区神港机电商行)，工作电压4.75～30VDC，可实现每转1 000个脉冲。

底盘最大转向角不超过45°。因此，转向角传感器选用TMCW6V-90角度传感器(青岛泰润电子科技有限公司)，工作电压10～30VDC，输出信号1～5V，量程0°～90°，精度±0.04°。

底盘最大爬坡度为15°。因此，水平倾角传感器选用YC-T350D-H倾角传感器(上海钰诚电子有限公司)，工作电压为9～15VDC，量程为±5°～±30°，输出信号为0.5～4.5V，精度为0.01°。

横摆角速度传感器选用微型陀螺测量系统MIN-900-2(陕西航天长城测控有限公司)，工作电压为9VDC，方向量程为0°～360°，角速度量程为-300 ～300°/s，精度为±5°。

3.3电控系统的工作流程

测控系统工作流程和车载电脑工作流程如图3所示，中断流程如图4所示。

图3　测控系统及车载电脑工作流程图

图4　中断程序流程图

测控系统上电复位后，首先进行系统初始化，然后检查系统各环节是否正常；进入测控循环内后，完成读入设定机组前进速度和转向角、检测到当前各马达转速和各车轮偏转角、按照车辆动力学模型计算出各马达转速和各转向油缸工作行程及发送指令到各个电磁阀等功能。车载电脑启动后首先对处方图进行解译、规划好行驶路径，进入循环后完成读取导航定位信息、按照车辆动力学模型计算出各轮转速和转向角、发送指令到行车控制器、接收行车控制器信息和更新界面显示等功能。通过CAN通讯中断接收新的工作参数或指令，上报系统状态，通过键盘中断结束作业或暂停作业并人工输入新的工作参数。

4控制试验

试验选在江苏大学工程训练中心(工业中心)液压传动实验室进行。电控系统实物连接，如图5所示；软件测试如图6所示。预先设定好每个车轮马达的转速，经过电控系统调控后，用转速表测量每个车轮马达的实际转速，将实际值和设定值作对比，试验结果对比，如表1所示。各马达转速误差在-2.58%～2.67%范围之间。预先设定好每个车轮的转向油缸行程，经过电控系统调控后，用尺子测量每个车轮的转向油缸的实际行程，将实际值和设定值作对比，试验结果对比，如表2所示。各转向油缸行程误差在-2.72%～2.41%之间。

图5　测控系统实物图

图6　测控系统软件测试图

r/min

表2　各车轮转向油缸长度设置值与实测值对比　mm

5结论

本文中的电控系统实现了对液压元器件的控制，在一定误差范围 (马达误差：-2.58%～2.67%，转向油缸误差：-2.72%～2.41%)内，保证了该电控系统运行可靠性，可满足实际作业要求，该电控系统也可用于通用自主移动平台上。

参考文献：

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[2]左志宇，张晓东，倪静，等.农用四轮液压驱动底盘的防滑控制系统总体设计[J].中国农机化，2010(5)：68-71.

[3]吴晓鹏，赵祚喜，张智刚，等. 东方红拖拉机自动转向控制系统设计[J].农业机械学报,2009,40(S1)：1-5.

[4]雷小龙，马荣朝，关安禄. 自控式植保喷雾机械底盘控制系统的设计[J].中国农机化，2011(5)：71-75.

[5]聂海强，张陌阳，李正仁.国内水田机械研究现状[J].现代化农业，2011(1)：7-9.

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[9]何卿，高焕文，李洪文，等.基于DSP的拖拉机电液转向控制系统[J].农业机械学报，2007(5)：1-5,10.

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Abstract ID:1003-188X(2016)03-0115-EA

Design of the Automatic Four-wheel Driving and Four-wheel Steering Chassis’s Electric Control System

Li Meijin, Wei Xinhua

(Key Laboratory of Modern Agricultural Equipment and Technology, Ministry of Education, Jiangsu University, Zhenjiang 212013，China)

Abstract：In order to improve the accuracy of plant protection machinery operations, and reduce the difficulty of driver’s operations, this paper presents a high clearance full hydraulic and automatic four-wheel driving and four-wheel steering chassis.The overall structure of the chassis was produced, and also the electric control system was mainly presented.The electric control system was designed with its vehicular computer EPCS-8980,core part DSP56F805, communication via CAN-bus.The driving parameters were collected by each sensor, and each sensor signals collected by the driving data collector transmitted to the vehicular computer and the driving controller via CAN-bus.According to instructions of the vehicular computer and the parameters of the sensors, the driving controller generated the controlling instruction under the traffic controlling model, the four hydraulic motors and the four steering cylinders were controlled by each electromagnetic valve, and thus the chassis could be controlled to drive and steer.The tests of the electric control system were carried out,and tests showed that the electric control system achieved to control the hydraulic components,ensured its operational reliability,met the practical operational requirements,and the electric control system also could be used for general-purpose autonomous mobile platform.

Key words：automatic driving chassis； four-wheel driving； four-wheel steering； hydraulic system； CAN-bus； tractor

文章编号：1003-188X(2016)03-0115-04

中图分类号：S219.032

文献标识码：A

作者简介：李玫瑾(1988-)，女，安徽宿州人，硕士研究生，(E-mail)1773431128@qq.com。通讯作者：魏新华(1972-)，男，山东滨州人，研究员，博士，博士生导师，(E-mail)18361810295@163.com。

基金项目：国家“863计划” 项目(2013AA102307)；江苏省农业科技支撑计划重点项目(BE2013401 )；江苏高校优势学科建设工程资助项目(苏政办[2014]37号)

收稿日期：2015-03-05