專利名稱：拖拉機自動導航實驗臺的制作方法
技術領域：
本發明涉及農機領域，尤其涉及一種可實現自動轉向功能的拖拉機自動導航實驗臺。
背景技術：
目前，市場上沒有拖拉機GPS自動導航系統實驗臺，大都是教學用的汽車轉向實驗臺和實訓臺，其中包括液壓助力轉向實驗臺、電動助力轉向實驗臺、電控液壓助力轉向實驗臺等。現有實驗臺只能簡單模擬汽車轉向功能，演示汽車轉向的基本原理，但是不能進行轉向有關的實驗和測試，也不具備拖拉機自動轉向功能。其次，現有實驗臺沒有GPS模擬信號，不能實現拖拉機自動導航路徑的模擬演示，也不能進行自動導航有關的實驗和測試。還有，現有實驗臺不能實時進行姿態調整實現拖拉機姿態模擬。最后，現有實驗臺將所有系統放在一起，不便于分類講述，也沒有專門的操控平臺，操作演示不方便。

發明內容
(一)要解決的技術問題本發明要解決的技術問題是提供一種可實現自動轉向功能的拖拉機自動導航實驗臺，其進一步地解決了不能實現拖拉機自動導航路徑模擬演示的問題。( 二)技術方案為達上述目的，本發明提供一種拖拉機自動導航實驗臺，包括車體轉向裝置、驅動裝置和控制系統，所述車體轉向裝置與驅動裝置連接，所述驅動裝置與控制系統連接，所述控制系統包括轉向控制器，所述轉向控制器控制驅動裝置使車體轉向裝置進行自動轉向。優選的，所述控制系統還包括自動導航操作終端，所述自動導航操作終端與所述轉向控制器連接。優選的，所述控制系統還包括方向盤，所述方向盤控制驅動裝置使車體轉向裝置進行手動轉向。優選的，所述驅動裝置包括依次連接的液壓泵、液壓閥組、液壓轉向器和液壓油缸；所述液壓轉向器與所述方向盤連接；所述液壓閥組與所述轉向控制器連接。優選的，所述方向盤上設有轉速測量光電編碼器，所述轉速測量光電編碼器將轉速信號傳遞給所述轉向控制器。優選的，所述車體轉向裝置包括轉向底盤架、轉向橋、導向輪和輪胎托盤；所述方向盤、液壓轉向器、轉向橋和輪胎托盤安裝于所述轉向底盤架上；所述導向輪固定安裝于所述轉向橋且放置于輪胎托盤上；所述導向輪與所述液壓油缸連接。優選的，所述導向輪上設有轉向角傳感器，所述轉向角傳感器將轉向角信號傳遞給所述轉向控制器。優選的，所述液壓閥組、轉向控制器和自動導航操作終端安裝于操作平臺上；所述控制系統還包括設置于操作平臺上的操作按鈕、指示燈、指示儀表、GPS天線。
優選的，所述液壓泵設置于泵站底盤架上，所述泵站底盤架上設有與所述液壓泵連接的液壓油箱和電機；所述液壓油箱下方設有固定于泵站底盤架的接油盤。優選的,所述自動導航操作終端包括參數初始化模塊、自動導航控制模塊、拖拉機運動仿真模塊和拖拉機姿態仿真模塊；所述自動導航控制模塊用于實現拖拉機自動導航路徑模擬演示；所述拖拉機運動仿真模塊用于無GPS模擬信號時進行拖拉機自動導航模擬演示；拖拉機姿態仿真模塊用于實時調整試驗臺姿態進行拖拉機姿態模擬。(三)有益效果本發明采用上述技術方案提供的拖拉機自動導航實驗臺，通過轉向控制器控制驅動裝置使車體轉向裝置進行自動轉向，實現了實驗臺的自動轉向功能；進一步地，轉向控制器與自動導航操作終端連接，實現拖拉機自動導航路徑模擬演示；另外，本發明還可以進行自動導航系統以及關鍵零部件的檢驗測試。本發明具有操作簡單、演示便捷、安全、環保等優點；整體安裝簡單，移動方便，清潔環保，外表美觀；元器件外置，既便于元器件更換，也利于演示和教學，以及拖拉機導航新產品的展覽與演示。其中，拖拉機自動導航系統是一套農機駕駛輔助系統，它的應用不但減輕了駕駛員的勞動強度，更主要的是提高了農機作業質量和效率，可以說拖拉機自動導航技術在現代精準農業的發展中起到了至關重要的作用。自動導航系統性能的好壞直接影響到農機作業的質量和效率，建立一套拖拉機自動導航實驗臺對研究和測試拖拉機自動導航系統的性能參數具有非常重要的意義。


圖1是本發明拖拉機自動導航實驗臺的俯視圖；圖2是本發明拖拉機自動導航實驗臺的主視圖；圖3是本發明拖拉機自動導航實驗臺的車體轉向裝置的結構圖；圖4是本發明拖拉機自動導航實驗臺的泵站的結構圖；圖5是本發明拖拉機自動導航實驗臺的操作平臺的結構圖；圖6是本發明的自動導航實驗臺原理圖；圖7是本發明的自動導航場景模擬流程框圖。圖中，2:轉向底盤架；3:轉向橋；4:導向輪；5:轉向油缸；6:液壓轉向器；7:方向盤；8:輪胎托盤；9:油管；10:第一支撐螺栓；11:第一手推桿；12:泵站底盤架；13:液壓油箱；14:液壓泵；15:電機；16:第二手推桿；17:接油盤；18:第二支撐螺栓；19:操作平臺；20:液壓閥組；21:轉向控制器；22:自動導航操作終端；23 =GPS天線；24:操作按鈕；25:指示燈；26:指示儀表；27:自動導航實驗臺原理圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明的拖拉機自動導航實驗臺作進一步詳細說明。以下實施例用于說明本發明，但不用來限制本發明的范圍。如圖1至圖5所示，本發明的拖拉機自動導航實驗臺包括車體轉向裝置、驅動裝置和控制系統。其中，驅動裝置為液壓系統驅動，從圖6可知，液壓系統包括依次通過油管快速接頭和油管9連接的液壓泵14、液壓閥組20、 液壓轉向器6和液壓油缸5。液壓泵14由電機15提供動力源。另外，驅動裝置還可以由伺服電機與傳動部件組成等，伺服電機與控制系統配合以實現對車體轉向裝置的控制和實時監測。 控制系統包括轉向控制器21和自動導航操作終端22，而構成的電控自動轉向系統，另外，控制系統還包括方向盤7，該方向盤跟驅動裝置連接。具體地，方向盤7與液壓轉向器6連接，液壓閥組20與所述轉向控制器21連接。通過方向盤7可實現車體轉向裝置的手動轉向操作，通過轉向控制器21和自動導航操作終端22可實現車體轉向裝置的電控及液控的自動轉向操作。車體轉向裝置包括轉向底盤架2、轉向橋3、導向輪4和輪胎托盤8，方向盤7、液壓轉向器6、轉向橋3和輪胎托盤8安裝于轉向底盤架2上,導向輪4固定安裝于轉向橋3且放置于輪胎托盤8上，導向輪4與液壓油缸5連接，液壓油缸帶動轉向輪轉動，實現轉向。轉向底盤架2的底部還設有多個第一支撐螺栓10和多個滾輪，且第一支撐螺栓10的高度可調，滾輪用于移動轉向底盤架2，第一支撐螺栓10用于將轉向底盤架2固定于地面。另外，轉向底盤架2上還設有插拔式連接的第一手推桿11，用于推動轉向底盤架2。導向輪4上設有轉向角傳感器，轉向角傳感器將轉向角信號傳遞給轉向控制器21，方向盤7上設有轉速測量光電編碼器，所述轉速測量光電編碼器將轉速信號傳遞給轉向控制器21，轉向控制 器21將接收到的轉速信號和轉向角信號進行數據處理，并與自動導航操作終端22中設置的目標轉向角度進行比對后，將比對結果傳遞給轉向控制器21，轉向控制器21根據比對結果控制驅動裝置使轉向裝置進行相應的轉向，從而實現轉向控制器21對車體轉向裝置的轉速、轉向角的精確控制和實時監測。在本實施例中，液壓閥組20、轉向控制器21和自動導航操作終端22安裝于操作平臺19上。控制系統還包括設置于操作平臺19上的操作按鈕24、指示燈25、指示儀表26、GPS天線23。操作平臺19上還設有自動導航實驗臺原理圖(圖5中的27)。操作按鈕24包括“啟動”和“停止”按鈕。指示燈25、指示儀表26、操作按鈕24并不是服務于單一元器件，不同顏色的指示燈25可以顯示不同工作單元(車體轉向裝置、驅動裝置、控制系統、自動導航操作終端)的工作狀態；指示儀表26可以顯示轉向壓力、系統壓力等參數；操作按鈕24可以控制不同工作單元的運行。更進一步地，液壓泵14設置于泵站底盤架12上，泵站底盤架12上設有與液壓泵14連接的液壓油箱13和電機15 ;所述液壓油箱13下方設有固定于泵站底盤架12的接油盤17。泵站底盤架12、液壓泵14、液壓油箱13、電機15和接油盤17組成可移動的泵站，使實驗臺使用過程更方便。泵站底盤架12的底部還設有多個第二支撐螺栓18和多個滾輪，其用于移動和固定泵站底盤架12，作用方式與轉向底盤架2底部的第一支撐螺栓10和滾輪相同。另外，泵站底盤架12上還設有插拔式連接的第二手推桿16，用于推動泵站底盤架
12。本發明的拖拉機自動導航實驗臺如此使各部件外置，可方便教學演示。在進行自動導航演示時，先后對電機15、轉向控制器21、自動導航操作終端22進行加電，運行自動導航操作終端22的自動導航演示軟件，可以模擬自動導航、手動轉向、自動/手動切換等場景。自動導航演示軟件包含參數初始化模塊、自動導航控制模塊、拖拉機運動仿真模塊、拖拉機姿態仿真模塊等組成。拖拉機運動仿真模塊根據導向輪實際轉角信息、拖拉機航向、拖拉機物理參數、拖拉機位置坐標、拖拉機速度等參數，結合拖拉機運動學模型，計算拖拉機實時位置坐標與實時航向，實現拖拉機位置實時模擬，解決室內無GPS模擬信號無法進行拖拉機自動導航模擬演示問題；拖拉機姿態仿真模塊依據拖拉機位置坐標與航向等信息、拖拉機物理參數，結合地面模型計算拖拉機實時姿態信息，解決實驗臺姿態不能實時調整無法進行拖拉機姿態模擬的問題。以模擬自動導航場景為例進行說明(圖7):I)用戶點擊“啟動”按鈕，自動導航演示軟件依次啟動參數初始化模塊、自動導航控制模塊、拖拉機運動仿真模塊、拖拉機姿態仿真模塊:1.1)啟動參數初始化模塊,人工輸入/導入目標路線、拖拉機初始航向、拖拉機物理參數、拖拉機初始位置坐標、拖拉機初始速度、地面模型等參數信息；1.2)啟動自動導航控制模塊,從參數初始化模塊獲取拖拉機物理參數、目標路線
等信息； 1.3)啟動拖拉機運動仿真模塊,從參數初始化模塊獲取拖拉機初始航向、拖拉機物理參數、拖拉機初始位置坐標、拖拉機初始速度等信息；

1.4)啟動拖拉機姿態仿真模塊,從參數初始化模塊獲取拖拉機物理參數、地面模
型等信息。2)自動導航演示軟件初始化完成后，進入自動導航演示流程:2.1)自動導航控制模塊從轉向控制器21獲取導向輪4實際轉角信息；2.2)拖拉機運動仿真模塊從導航控制模塊實時獲取導向輪4實際轉角信息，依據拖拉機航向、拖拉機物理參數、拖拉機位置坐標、拖拉機速度等參數，結合拖拉機運動學模型，計算拖拉機實時位置坐標與實時航向；2.3)拖拉機姿態仿真模塊從拖拉機運動仿真模塊實時獲取拖拉機位置坐標與航向等信息，依據拖拉機物理參數，結合地面模型，計算拖拉機實時姿態信息；2.4)拖拉機運動仿真模塊從拖拉機姿態仿真模塊實時獲取拖拉機姿態信息，依據拖拉機物理參數、拖拉機位置坐標，對拖拉機實時位置進行校準；2.5)自動導航控制模塊從拖拉機運動仿真模塊實時獲取拖拉機行駛速度、拖拉機姿態、校準后的實時位置坐標等信息，計算與目標曲線的偏差(橫向偏差)；自動導航控制算法依據橫向偏差，結合拖拉機物理參數，計算導向輪4的目標轉角，并將導向輪4的目標轉角信息發送給轉向控制器21 ；2.6)轉向控制器21從自動導航控制模塊獲取到導向輪4的目標轉角信息，從轉向角傳感器獲取導向輪4的實際目標轉角信息，采用轉向控制算法計算控制量控制，通過液壓系統驅動導向輪4的偏轉到目標轉角；同時轉向控制器21通過轉向角傳感器實時獲得導向輪4的實際轉角信息，并將導向輪4的實際轉角信息發送給自動導航控制模塊；2.7)判斷“停止”按鈕是否按下:2.7.1)若按下，程序停止運行；2.7.2)若未按下，程序跳轉到2.1)。本發明的拖拉機自動導航實驗臺設計了適用于電液控制的轉向控制器21，能夠實現拖拉機自動轉向功能，可進行手動/自動轉向相關的試驗和測試，以及產品的演示與教學示范。具體試驗方法如下:a.液壓轉向器測試試驗在對轉向器性能進行測試時，用被測液壓轉向器替換實驗臺現有的液壓轉向器6，在方向盤7上安裝有轉速測量光電編碼器，先后對電機15、轉向控制器21、自動導航操作終端22進行加電。運行自動導航操作終端22的轉向器測試軟件，手動旋轉方向盤7對被測液壓轉向器能進行測試。轉向器測試軟件記錄方向盤7的轉速、導向輪4的偏移角度、測試日期、測試時間等。b.自動轉向液壓系統測試試驗在進行自動轉向液壓系統測試試驗時，將被測液壓閥組(比例換向閥、優先閥)替換實驗臺現有的液壓閥組20，先后對電機15、轉向控制器21、自動導航操作終端22進行加電。運行自動導航操作終端22的自動轉向液壓系統測試軟件，對自動轉向液壓系統進行測試。自動轉向液壓系統測試軟件記錄系統比例閥、方向閥的電流、導向輪4的偏移角度、測試日期、測試時間等。c.自動轉向電控測試試驗在進行自動轉向電控系統測試試驗時，將被測轉向控制器替換現有轉向控制器21，先后對電機15、轉向控制器21、自動導航操作終端22進行加電。運行自動導航操作終端22的自動轉向電控系統測試軟件，對自動轉向電控系統進行測試。自動轉向電控系統測試軟件可以對電控系統進行開環、閉環測試，同時記錄測試結果。d.自動導航演示在進行自動導航演示時，先后對電機15、轉向控制器21、自動導航操作終端22進行加電。運行自動導航操作終端22的自動導航演示軟件，可以模擬自動導航、手動轉向、自動/手動切換等場景，進行教學與演示。本發明集成多種功能于一體，可實現拖拉機手動、自動轉向試驗；拖拉機自動導航試驗；自動導航系統以及關鍵零部件的檢驗測試；拖拉機轉向及導航的教學與示范；拖拉機導航新產品的展覽與演示等功能。其中，拖拉機自動導航系統是一套農機駕駛輔助系統，它的應用不但減輕了駕駛員的勞動強度，更主要的是提高了農機作業質量和效率，可以說拖拉機自動導航技術在現代精準農業的發展中起到了至關重要的作用。自動導航系統性能的好壞直接影響到農機作業的質量和效率，建立一套拖拉機自動導航實驗臺對研究和測試拖拉機自動導航系統的性能參數具有非常重要的意義。以上實施方式僅用于說明本發明，而并非對本發明的限制，有關技術領域的普通技術人員，在不脫 離本發明的精神和范圍的情況下，還可以做出各種變化和變型，因此所有等同的技術方案也屬于本發明的范疇。
權利要求
1.一種拖拉機自動導航實驗臺，其特征在于:包括車體轉向裝置、驅動裝置和控制系統，所述車體轉向裝置與驅動裝置連接，所述驅動裝置與控制系統連接，所述控制系統包括轉向控制器(21 )，所述轉向控制器(21)控制驅動裝置使車體轉向裝置進行自動轉向。
2.根據權利要求1所述的拖拉機自動導航實驗臺，其特征在于:所述控制系統還包括自動導航操作終端(22)，所述自動導航操作終端(22)與所述轉向控制器(21)連接。
3.根據權利要求2所述的拖拉機自動導航實驗臺，其特征在于:所述控制系統還包括方向盤(7 )，所述方向盤控制驅動裝置使車體轉向裝置進行手動轉向。
4.根據權利要求3所述的拖拉機自動導航實驗臺，其特征在于:所述驅動裝置包括依次連接的液壓泵(14)、液壓閥組(20)、液壓轉向器(6)和液壓油缸(5);所述液壓轉向器(6)與所述方向盤(7)連接；所述液壓閥組(20)與所述轉向控制器(21)連接。
5.根據權利要求4所述的拖拉機自動導航實驗臺，其特征在于:所述方向盤(7)上設有轉速測量光電編碼器，所述轉速測量光電編碼器將轉速信號傳遞給所述轉向控制器(21)。
6.根據權利要求5所述的拖拉機自動導航實驗臺，其特征在于:所述車體轉向裝置包括轉向底盤架(2)、轉向橋(3)、導向輪(4)和輪胎托盤(8);所述方向盤(7)、液壓轉向器(6)、轉向橋(3)和輪胎托盤(8)安裝于所述轉向底盤架(2)上；所述導向輪(4)固定安裝于所述轉向橋(3)且放置于輪胎托盤(8)上；所述導向輪(4)與所述液壓油缸(5)連接。
7.根據權利要求6所述的拖拉機自動導航實驗臺，其特征在于:所述導向輪(4)上設有轉向角傳感器，所述轉向角傳感器將轉向角信號傳遞給所述轉向控制器(21)。
8.根據權利要求4所述的拖拉機自動導航實驗臺，其特征在于:所述液壓閥組(20)、轉向控制器(21)和自動導航操作終端(22)安裝于操作平臺(19)上；所述控制系統還包括設置于操作平臺(19)上的操作按鈕(24)、指示燈(25)、指示儀表(26)、GPS天線(23)。
9.根據權利要求4所述的拖拉機自動導航實驗臺，其特征在于:所述液壓泵(14)設置于泵站底盤架(12)上，所述泵站底盤架(12)上設有與所述液壓泵(14)連接的液壓油箱(13)和電機(15);所述液壓油箱(13)下方設有固定于泵站底盤架(12)的接油盤(17)。
10.根據權利要求2-9任一項所述的拖拉機自動導航實驗臺，其特征在于:所述自動導航操作終端(22)包括參數初始化模塊、自動導航控制模塊、拖拉機運動仿真模塊和拖拉機姿態仿真模塊； 所述自動導航控制模塊用于實現拖拉機自動導航路徑模擬演示； 所述拖拉 機運動仿真模塊用于無GPS模擬信號時進行拖拉機自動導航模擬演示； 拖拉機姿態仿真模塊用于實時調整試驗臺姿態進行拖拉機姿態模擬。
全文摘要
本發明涉及農機領域，尤其涉及一種可實現自動轉向功能的拖拉機自動導航實驗臺，其包括車體轉向裝置、驅動裝置和控制系統，所述車體轉向裝置與驅動裝置連接，所述驅動裝置與控制系統連接，所述控制系統包括轉向控制器(21)，所述轉向控制器(21)控制驅動裝置使車體轉向裝置進行自動轉向。所述控制系統還包括與所述轉向控制器(21)連接的自動導航操作終端(22)。采用上述技術方案提供的拖拉機自動導航實驗臺，可實現車體轉向裝置的自動轉向和拖拉機自動導航路徑的模擬演示功能，還可以進行自動導航系統以及關鍵零部件的檢驗測試。
文檔編號G09B25/02GK103247213SQ201310080288
公開日2013年8月14日 申請日期2013年3月13日 優先權日2013年3月13日
發明者董建軍, 付衛強, 孟志軍, 武廣偉, 叢岳, 王沛東, 羅長海, 李由 申請人:北京農業智能裝備技術研究中心, 北京農業信息技術研究中心