本發明涉及拖拉機自動導航領域，具體地講，涉及一種拖拉機導航用液壓轉向控制系統及控制方法。

背景技術：

農機自動導航技術是精細農業的一項重要技術，拖拉機自動導航是農業現代化的重要基礎，實現拖拉機自動導航可以讓農業作業者降低工作強度，避免繁重的駕駛勞動，并且能顯著地提高農機的作業精度，提高農田的土地利用率，降低生產成本，提高產量。

目前,國內外關于農用拖拉機自動導航技術的研究較多,但研究熱點大多集中在定位方法和導航控制方法上。如授權號101833334A的發明專利公開了一種拖拉機自動導航控制系統及其方法，申請號為104656647A的發明專利公開了一種低矮作物田間自走拖拉機導航控制系統，申請號為201210379655.5的發明專利公開了一種機動車轉向控制裝置及方法，通過轉向連桿和電機實現轉向控制。但是，對實現拖拉機自動導航的液壓轉向系統的研究則相對較少。因拖拉機液壓轉向系統是拖拉機自動導航的關鍵技術之一，它對拖拉機實現精確的路徑跟蹤效果會產生重大的影響，并且液壓轉向系統的性能及對液壓系統的控制方法將直接關系拖拉機自動轉向的穩定性和可靠性。

現有的拖拉機自動導航液壓轉向系統多采用PWM脈沖控制或電壓控制，但往往都是開環控制，沒有對輸出脈沖或電壓進行檢測，導致輸出失控的現象發生。另外，液壓閥存在向左向右的最大行程，當液壓閥運行至最大行程時不加以控制，則會損壞閥體。同時，拖拉機液壓轉向系統和車輪容易受到工作環境的影響，采用常規控制方法和PID方法抗干擾能力低，轉向系統在受到干擾后容易產生振蕩和發散現象。

技術實現要素：

本發明要解決的技術問題是提供一種拖拉機導航用液壓轉向控制系統及控制方法，實現液壓轉向系統良好的伺服跟蹤能力和抗干擾能力。

本發明采用如下技術方案實現發明目的：

一種拖拉機導航用液壓轉向控制系統，包括轉向控制器，其特征在于：所述轉向控制器分別連接轉角檢測模塊、電源模塊、輸出控制模塊、電壓檢測模塊、報警及緊急處理模塊和串口通信模塊；輸出控制模塊連接電源模塊、電壓檢測模塊和電磁比例換向閥；電壓檢測模塊分別與輸出控制模塊和轉向控制器電連接。

本技術方案設有電壓檢測模塊，轉向控制器會實時對輸出電壓進行檢測，不會出現輸出失控現象，并且能夠將測得的輸出電壓用作反饋信號，提高控制效果；另外，本技術方案還設有報警及緊急處理模塊，能夠在液壓閥運行至最大位置時發出報警信息并啟動相應的緊急響應動作，使換向閥回歸中心位置，避免當液壓閥運行至最大行程處而不加以控制仍然加同向的控制信號則容易損壞液壓閥體。

作為對本技術方案的進一步限定：

報警及緊急處理模塊與轉向控制器電連接。

轉向控制器采用飛思卡爾單片機MC9S12XS128MAL。

轉角檢測模塊由線位移傳感器HPS-M1和信號調理電路組成。

電源模塊由產生24V電壓芯片LT4356IS、產生5V電壓芯片LM7805、產生正負15電壓芯片MD20-12D15、產生10V電壓芯片AD581及外圍電路組成。

輸出控制模塊由D/A轉換芯片DAC0832、運算放大器LM358N及外圍電路組成。

電壓檢測模塊由運算放大器AD741和外圍電路組成。

通過設計電壓檢測模塊，能夠對換向閥控制模塊的輸出電壓實施閉環控制，通過實時檢測輸出電壓，避免輸出電壓失控現象發生。

報警及緊急處理模塊由喇叭、發光燈、光耦和繼電器等組成。報警和緊急處理模塊能夠在液壓閥運行至最大位置時發出報警信息并啟動相應的緊急響應動作。

串口通信模塊由串口通信芯片MAX232芯片及其外圍電路組成。

轉向控制系統采用改進史密斯預估控制方法進行設計，由輸出控制電壓設定值U(S)、電壓設定值濾波器L(S)、電壓伺服控制器C(S)、轉向系統G(S)、車輪轉角反饋A(S)、抗擾動控制器D(S)和轉向系統辨識模型的非延遲環節G₀(S)和轉向系統辨識模型的延遲環節E(S)組成。其中輸出控制電壓設定值U(S)與電壓設定值濾波器L(S)的輸入端連接,電壓設定值濾波器L(S)的輸出端與電壓伺服控制器C(S)的正向輸入端連接，電壓伺服控制器C(S)的輸出端與轉向系統G(S)的正向輸入端連接，轉向系統G(S)的輸出端與車輪轉角反饋A(S)的輸入端連接，車輪轉角反饋A(S)的輸出端與抗擾動控制器D(S)的正向輸入端連接,抗擾動控制器D(S)的輸出端與轉向系統G(S)的反向輸入端連接；同時，電壓伺服控制器C(S)的輸出端與轉向系統辨識模型的非延遲環節G₀(S)的輸入端連接，轉向系統辨識模型的非延遲環節G₀(S)的輸出端與轉向系統辨識模型的延遲環節E(S)的輸入端連接，轉向系統辨識模型的延遲環節E(S)的輸出端與抗擾動控制器D(S)的反向輸入端連接，轉向系統辨識模型的非延遲環節G₀(S)的輸出端與電壓伺服控制器C(S)的反向輸入端連接。

作為對本技術方案的進一步限定，所述轉向系統辨識模型的非延遲環節G₀(S)＝k/s(τs+1)，其中k為轉向系統辨識模型的增益，k＝22.7，τ為轉向系統辨識模型時間常數，τ＝0.05；所述轉向系統辨識模型的延遲環節E(S)＝e^-θs，θ為轉向系統辨識模型的延遲時間，θ＝0.12。

作為對本技術方案的進一步限定，所述電壓伺服控制器C(S)設計為PID形式其中C_k為電壓伺服控制器的比例項系數，C_τi為電壓伺服控制器的積分項系數，C_τd為電壓伺服控制器的微分項系數；所述抗擾動控制器D(S)設計為串聯一濾波器的PID形式其中D_k為抗擾動控制器的比例項系數，D_τi為抗擾動控制器的積分項系數，D_τd為抗擾動控制器的微分項系數，a，b為所述超前滯后濾波器參數；所述電壓設定值濾波器L(S)設計形式為L(S)＝1/(l₂s²+l₁s+1)，其中l₂，l₁為電壓設定值濾波器參數。

本發明技術方案的有益效果：

1、電壓檢測模塊，使轉向控制器會實時對輸出電壓進行檢測，不會出現輸出失控現象，并且能夠將測得的輸出電壓用作反饋信號，提高控制效果。

2、通過設有電壓檢測模塊和轉角檢測模塊，分別對轉向控制器的輸出電壓和車輪轉角進行檢測，實現閉環控制，提高跟蹤性能。

3、從控制方法上：采用改進史密斯預估控制方法設計電壓伺服控制器和抗擾動控制器，在液壓轉向系統和車輪受到干擾時，能使干擾對設定值的影響降到最小，并且在干擾消除后系統能迅速跟蹤設定值，而不會出現發散和失控現象。

4、報警和緊急處理模塊能夠在液壓閥運行至最大或當曲線路徑彎度過大時發出報警信息并啟動相應的緊急響應動作，確保液壓閥不受損，提高拖拉機作業安全性能。

附圖說明

圖1為本發明的原理框圖。

圖2為本發明所采用的控制方法結構示意圖。

圖3為本發明的電壓檢測模塊的電路原理圖。

圖4為本發明的轉角檢測模塊的電路原理圖。

圖5為本發明的輸出控制模塊的電路原理圖。

圖6為本發明的車輪轉角與設定電壓的伺服性能仿真效果圖。

圖7為本發明的車輪轉角與設定電壓的抗擾動性能仿真效果圖。

附圖標記說明：1－轉角檢測模塊；2－報警及緊急處理模塊；3－轉向控制器；4－電源模塊；5－串口通信模塊；6－輸出控制模塊；7－電磁比例換向閥；8－電壓檢測模塊。

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。本發明涵蓋任何由權利要求定義的在本發明的精髓和范圍上做的替代、修改、等效方法及方案。為了使公眾對本發明有更好的了解，在具體實施方式中對本發明的細節描述中，詳盡描述了一些特定的細節部分，對于未描述的部分，均為本領域技術的常規技術。

本發明實施例提供了一種拖拉機導航用液壓轉向控制系統，參考圖1－圖7。拖拉機導航用液壓轉向控制系統，參見圖1，圖3－圖5，包括轉向控制器3，所述轉向控制器3分別連接轉角檢測模塊1、電源模塊4、輸出控制模塊6、電壓檢測模塊8、報警及緊急處理模塊2和串口通信模塊5，所述輸出控制模塊6還與電源模塊4、電壓檢測模塊8和電磁比例換向閥7連接。

轉向控制器3采用16位飛思卡爾單片機MC9S12XS128MAL，能夠根據接收的上位機信息確定車輪轉角大小，并通過輸出電壓精確控制轉角量，是液壓轉向控制系統核心。

電壓檢測模塊8分別與輸出控制模塊6和轉向控制器3電連接，用于對輸出控制電壓進行檢測，可避免輸出電壓失控現象發生。參見圖3，輸出控制電壓經電阻R27后接入放大器U7的反向端，U7的正向輸入端接地，U7的輸出端經電阻R28連接U7的反向輸入端形成負反饋，同時U7的輸出端經電阻R29接入放大器U8的反向輸入端，2.5V的電壓經過R31與R32分壓后與放大器U8的正向輸入端相連接，放大器U8的輸出端經電阻R30后連接U8的反向輸入端形成負反饋，同時，放大器U8的輸出與轉向控制器3的模擬量輸入口PA3相連接。

轉角檢測模塊1與轉向控制器3電連接，能夠完成對車輪轉角的實時檢測，檢測數據經過RC濾波和放大后接入導航控制器。參見圖4，選用HPS-M1型線位移傳感器將車輪轉角信號轉換成電壓信號后經過電阻R13和電容C11濾波后進入放大器U12的反向輸入端，放大器U12的正向輸入端經電阻R15接地，U12的輸出端經電阻R14后接入其反向輸入端，同時U12的輸出端經電阻R16后接入放大器U13的反向輸入端，放大器U13的同向輸入端經電阻R18后接地，U13的輸出端經電阻R17后接入其反向輸入端，同時與導航控制器的模擬量輸入口PA5相接。

報警及緊急處理模塊2與轉向控制器3電連接，由喇叭、發光燈、光耦和繼電器等組成。用于在液壓閥運行至最大位置時，轉向控制器3可以控制其與喇叭和發光燈相連的引腳為高電平發出報警信息，并且控制輸出電壓為零使液壓閥回歸中心位置。

電源模塊4與轉向控制器3和輸出控制模塊6電連接，由車載蓄電池供電，分別經過LT4356IS電路和LM7805電路產生24V防浪涌電壓和5V電壓，經過MD20-12D15模塊產生正負15的電壓，經過AD581產生10V的基準電壓，為保證導航控制器的供電電壓不至于過高或過低，設計了電源監控保護電路。

輸出控制模塊6與電源模塊4、電壓檢測模塊8和電磁比例換向閥7相連接，參見圖5，選用D/A轉換芯片DAC0832輸出0-255的數字量，該數字量經過放大器U18-U21產生正10V至負10V范圍內的電壓用于控制轉向電磁閥。

串口通信模塊5與導航控制器3相連接，采用MAX232芯片及外圍電路，MAX232的10、9引腳分別與導航控制器的TX、RX引腳相連接，通過串口通信模塊5可完成液壓轉向系統和上位機的數據交換。

本發明液壓轉向控制方法如下：

轉向控制系統采用改進史密斯預估控制方法進行設計，由輸出控制電壓設定值U(S)、電壓設定值濾波器L(S)、電壓伺服控制器C(S)、轉向系統G(S)、車輪轉角反饋A(S)、抗擾動控制器D(S)和轉向系統辨識模型的非延遲環節G₀(S)和轉向系統辨識模型的延遲環節E(S)組成。其中輸出控制電壓設定值U(S)與電壓設定值濾波器L(S)的輸入端連接,電壓設定值濾波器L(S)的輸出端與電壓伺服控制器C(S)的正向輸入端連接，電壓伺服控制器C(S)的輸出端與轉向系統G(S)的正向輸入端連接，轉向系統G(S)的輸出端與車輪轉角反饋A(S)的輸入端連接，車輪轉角反饋A(S)的輸出端與抗擾動控制器D(S)的正向輸入端連接,抗擾動控制器D(S)的輸出端與轉向系統G(S)的反向輸入端連接；同時，電壓伺服控制器C(S)的輸出端與轉向系統辨識模型的非延遲環節G₀(S)的輸入端連接，轉向系統辨識模型的非延遲環節G₀(S)的輸出端與轉向系統辨識模型的延遲環節E(S)的輸入端連接，轉向系統辨識模型的延遲環節E(S)的輸出端與抗擾動控制器D(S)的反向輸入端連接，轉向系統辨識模型的非延遲環節G₀(S)的輸出端與電壓伺服控制器C(S)的反向輸入端連接。

所述轉向系統辨識模型的非延遲環節G₀(S)＝k/s(τs+1)，其中k為轉向系統辨識模型的增益，k＝22.7，τ為轉向系統辨識模型時間常數，τ＝0.05；所述轉向系統辨識模型的延遲環節E(S)＝e^-θs，θ為轉向系統辨識模型的延遲時間，θ＝0.12。

所述電壓伺服控制器C(S)設計為PID形式其中C_k為電壓伺服控制器的比例項系數，C_τi為電壓伺服控制器的積分項系數，C_τd為電壓伺服控制器的微分項系數；所述抗擾動控制器D(S)設計為串聯一濾波器的PID形式其中D_k為抗擾動控制器的比例項系數，D_τi為抗擾動控制器的積分項系數，D_τd為抗擾動控制器的微分項系數，a，b為所述超前滯后濾波器參數；所述電壓設定值濾波器L(S)設計形式為L(S)＝1/(l₂s²+l₁s+1)，其中l₂，l₁為電壓設定值濾波器參數。

對采用以上方法設計的控制系統通過MATLAB軟件中的SIMULINKL組件進行仿真實驗，在輸出控制電壓設定值處加上一單位階躍信號，5秒時在轉向系統加一幅值為0.1的反向單位階躍信號，得到車輪轉角控制效果如圖6所示。由圖6可以看出，本發明給出的控制方法能夠使車輪轉角平穩、沒有超調地跟蹤輸出控制電壓。當假設轉向系統的延遲時間增加20％時，得到受擾動轉向系統的車輪轉角響應效果如圖7所示，系統在開始響應時出現的超調比較小，并且在受到單位階躍信號擾動后，出現微小的波動后迅速跟蹤電壓設定值，沒有出現發散的現象，可以看出，本發明給出的控制方法具有很好的抗擾動性能。

最后應說明的是：以上所述僅為本發明的優選實施例而已，并不用于限制本發明，盡管參照前述實施例對本發明進行了詳細的說明，對于本領域的技術人員來說，其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特征進行等同替換。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。