履带式自动辅助驾驶半喂入收获机底盘驱动系统关键技术介绍

王廷恩，金诚谦，2

（1.山东理工大学农业工程与食品科学学院，山东淄博 255000；2.农业农村部南京农业机械化研究所，江苏南京 210014）

0 引言

在水稻收获机里，履带式半喂入水稻联合收获机由于作业负荷轻，脱粒效果好，最适合搞跨区作业，近几年需求量和社会保有量逐渐增长，受到国内外品牌的厂家的高度关注，同时也是国内农业机械厂家竞争激烈的一个细分子行业。从2010年前的清一色进口品牌，行业充分竞争，到2012年，国产品牌（碧浪、沃得、星光）的强势进入，行业竞争白热化，图1为各品牌厂商2012年市场占有率。再到2016年进口品牌（久保田、洋马、井关）的强势崛起，行业竞争格局发生巨变。目前，行业集中度高，寡头垄断明显，行业竞争智能化技术是发展关键[1]。

图1 各品牌厂商2012年履带式半喂入联合收获机市场占有率

目前，北斗导航系统在履带式收获机上推广应用效果较好，大部分半喂入履带式收获机可以升级具有自动辅助驾驶功能。然而目前的履带式收获机普遍采用手动调节HST斜盘角度进行速度大小改变和行走方向改变。转向系统普遍采用电磁换向阀控制转向油缸单边制动转向。在使用过程中由于各个地方的土壤条件不同，存在作业路径调节不准确、地头转弯半径、地头行走换向困难等问题。在日本、韩国等国家，目前自动驾驶的履带式收获机在变速箱内部转向结构和底盘驱动机构与中国存在一定的差异。首先变速的转向部分采用多种转向形式组合，在自动驾驶过程中可以根据作业情况进行功能选择。其次底盘本身设计有自动水平系统，整机在复杂工况下不会产生信号偏差。他们的自动辅助驾驶精度和驾驶操控便利性比国产品牌要相对较好。

本文主要分析了目前我国市场上的履带式半喂入水稻联合收获机的关键技术和发展现状，重点对履带式自动辅助驾驶半喂入联合收获机在行走驱动部分的关键技术优化和下一步的发展进行了归纳和建议，为下一步的发展和装备优化提出了建议和发展方向。

1 高效的驱动技术和精准的转向系统

1.1 方向盘+“FDS”变速箱的驱动操控系统

目前市场上的洋马系列履带式收获机大部分采用了方向盘+“FDS”变速箱的驱动操控系统。（FDS指的是全时驱动转向系统）。驱动系统内部机械变速箱设计有“行走、标准、低速”三个档位。操作方面洋马品牌收获机采用的是方向盘式的操作，如图2所示，使用自动导航转向电动方向盘，较好的对方向盘进行控制。

图2 洋马外部操作图

在转向操作的过程中方向盘左/右转向“6点位控”，分别是左转差速、左转单边制动、左转差逆，右转差速、右转单边制动、右转差逆。多点位的全时驱动使得整机操控流畅、平稳转向。利用电动方向盘进行操作，通过多点位的控制可以使导航系统中控制更加细化，与传统的单边制动相比，转向系统将调节的更加精确[2]。对应的转向过程中的履带运动形式如图3所示。

该种转向形式在变速箱内部的设计方面与传统的变速箱不同，主要原理是该种变速箱采用双HST，一个是直行用HST，一个是转向用HST，通过方向盘的左/右转向“6点位控”，如图4所示使得两个HST根据信号协同作用，让底部履带实现左右履带驱动速度差的差速转向、一侧履带停止的垂直转向、两侧履带逆转的调头转向。

图4 方向盘+“FDS”变速箱的驱动操控系统工作原理示意图

1.2 sst差逆驱动转向系统

在目前久保田和井关系列收获机的转向系统方面，基本上都采用差逆转向（sst）的变速箱结构[3]。可以通过作业工况需求和转弯半径要求，适时的选择切边转向、单边制动转向和差逆转向。对比传统的单一功能的单边制动转向，尤其收获机在土质黏重的水稻田间作业时，制动侧履带带来的土壤雍积更加严重，转向阻力急剧增加，极易造成转弯半径控制不准确，增加了转向时间和操作强度，且转向占用面积较大。另一方面，履带式收获机在实际的作业过程中，也需要通过频繁的制动对行进方向进行微调，这对制动摩擦片也带来损害，影响了作业的流畅性，同时在车速较高的情况下极易造成车体振动。因此，要实现履带收获机的自动驾驶，单边制动转向方式无法满足转向机械部分的要求，差逆转向是必选。

当中央差速器齿圈不受力时，两侧两股动力流是互相独立的，中央差速器中的行星齿轮类似于等臂杠杆，一旦中央差速器齿圈被抱死，差速器齿轮上的行星轮就会起作用，此时切断一侧动力，另一侧动力流经过行星齿轮的作用反向加载回去，使得左右两侧实现等速反向的差逆运转。在工作过程中，先控制拨叉实现转向内侧动力切断，再配合相应的液压摩擦片式制动器的操作，制动动力输出齿轮可实现单边制动转向，不制动动力输出齿轮，利用地面阻力，可实现切边转向；同理，制动中央齿圈可利用差速原理实现两侧履带输出等速反向转速的差逆转向（理论上转向半径R=0）。在控制的转向的过程中，根据作业工况的需求，通过手柄上的角度传感器感知操作信号，对切边转向、单边制动转向和差逆转向进行选择，进而实现理想的转弯半径[4-5]。

2 高效准确的自身路径修复系统

目前国内农机市场上应用的北斗导航系统基本的误差是3 cm以内。半喂入水稻收获机基本上是采用的对行收获，对行不当极易造成漏割或者喂入不均匀，市场上大部分的水稻半喂入收获机为4行、5行和6行。作业过程中水稻收获机的分禾器是插入到两行中间的。由于水稻的行距大部分为25～30 cm，因此，在收获过程中利用自动辅助驾驶技术显得尤为关键。然而在作业过程中，导航定位系统存在一定的精度误差，极易造成整机在直线行走时造成作业效果差和调节节点不适时，对此问题，一般进口机具普遍设计有对行功能，如图5所示。

图5 对行功能

在分禾器左右两侧设计有多点位的行程开关，当分禾器穿插于水稻两行正中间时，分禾器不会产生模拟信号；当收获机左右偏移时，分禾器上的行程开关会采集到不同的信号，信号传递给控制器后会根据信号自动选择各个点位的转向形式，自身准确修正作业路线。从而有效地避免因导航信号的误差造成整机的作业效果差。

3 可靠的底盘水平系统

目前，国外的履带收获机底盘均配有升降和水平系统。当土壤水分较低，土壤硬度高，底盘较低整机作业过程中的稳定性较高，适宜高速作业。反之，当土壤水分较高，土壤硬度低，底盘较高整机作业过程中的稳定性较高。但是目前国内的水稻收获机底盘普遍采用刚性底盘，在田间极易导致因天线位置误差而造成路径规划的误差。因此，采用高度可调、自动水平底盘对于整机自动导航设计显得尤为重要，整机推广也有较好的前景，如图6。

图6 底盘升降与水平调节

4 结语

以上几项技术在履带式自动辅助驾驶半喂入水稻联合收获机的推广开发种植领域有较大的应用价值，其中驱动方式、转向系统和控制系统相比于国内的机型都是领先的，具有精准性、稳定性等特点，在实际应用中能体现出自动驾驶技术的优势。在减轻驾驶员劳动强度的同时，还能保证作业效率和质量，实现智能高效。