拖拉机自动驾驶变速机构控制器的研制

拖拉机自动驾驶变速机构控制器的研制1

祝仕平，毛恩荣

中国农业大学 100083

E-mail：lusonly@

摘要：本文简要介绍了国内外拖拉机自动驾驶技术的研究现状，论述了拖拉机自动驾驶系统的关键技术、拖拉机自动驾驶变速系统的组成部分以及变速机构控制器的控制对象。针对铁牛654拖拉机，提出了变速机构控制器的系统结构、控制原理以及软件设计方案。

关键词：拖拉机自动驾驶，变速机构控制器，ARM

1 引言

随着计算机技术、全球卫星定位技术、地理信息技术的发展以及精细农业的兴起，国内外许多研究机构开始围绕拖拉机自动驾驶技术展开研究工作。国外在农用车辆自动驾驶方面的研究进行得较早，20世纪70年代，世界各国许多工程师都对农田机械的自动导航进行了研究【1】。20世纪80年代末以来，随着传感器性能和性价比不断地提高，工程师们又研究出以机器视觉传感器和全球定位为核心的农田机械自动导航系统。1999年，法国雷诺拖拉机公司与法国Cemagref研究中心和法国巴斯卡尔（Pascal）大学电子自动化科研实验室合作，经过两年多的研制和实验，研制成功首台通过GPS操作的无人驾驶（自动）农用拖拉机。GPS 系统以及用于定位的传感器的最新发展，使农用拖拉机无人驾驶的研究出现繁荣景象，美国、日本、英国、丹麦、德国以及荷兰等国开始围绕拖拉机自动驾驶展开研究，并取得了一些成果【2】【3】【4】。在国内，针对拖拉机自动驾驶的研究较少，目前主要有：南京农业大学、西安交通科技大学对拖拉机视觉导航的研究以及中国农业大学对触觉式秸秆导向的研究【5】【6】。

拖拉机自动驾驶系统主要包括导航控制、路径规划、自动转向、自动变速等关键技术。其中，自动变速系统的ECU控制对象除了自动变速器中的选档机构、换档机构、离合机构，还包括油门机构、制动机构。本文所研究的变速控制器控制对象为制动机构、离合机构、油门机构，旨在实现拖拉机自动起步、加速、恒速、减速以及停车等功能。

2 系统结构

本项研究采用AMR7系列LPC2292芯片作为控制器ECU【7】【8】，如图1所示，控制器主要分为以下四个模块：

⑴A/D采集模块

对车速传感器、制动压力传感器、离合位置传感器的信号进行A/D转换和数据采集。

⑵GPIO输出模块

1本科题资金来源：“中国农业大学211工程”重点学科建设项目。

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通过GPIO输出控制继电器的导通和截止，控制离合和制动系统中的电磁换向阀。

⑶PWM输出模块

通过单边沿PWM输出，控制步进电机驱动器，驱动油门步进电机。

⑷CAN通讯模块

通过CAN总线与上位机进行通讯，接收上位机的目标控制信号。

图1 控制器系统结构图

3 控制原理

3.1 制动器控制

铁牛654上的制动器为盘式制动器，因此对制动器进行压力控制就可实现制动控制，其控制原理图如图2所示。其中，ECU接收制动压力传感器的反馈信号，与制动目标压力进行比较，得到制动器加压（减压）信号，从而通过继电器控制进油阀（放油阀）打开和放油阀（进油阀）关闭。

图2 制动器控制原理图

3.2 离合器控制

⑴分离过程：迅速分离

⑵接合过程：快速动作至开始结合位置－慢速接合－自由行程快速复位。

图3 离合器控制原理图

由此可知，对离合器的控制可通过位置传感器反馈实现不同位置的不同接合速度，其控制原理图如图3所示。其中，ECU接收离合器位置传感器的反馈信息，通过继电器控制电

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磁阀的通断，改变流量，实现离合缸的阶段性速度变化。

3.3 油门控制

当拖拉机在固定档位行驶时，主要通过油门控制来保持发动机的转速恒定，从而保持车辆行驶速度恒定，如图4所示。其中，ECU接收发动机转速传感器的反馈信号，通过步进电机驱动器驱动步进电机，调节油门开度，从而控制发动机转速稳定在所需转速，实现车辆以目标速度行驶。

图4 油门控制原理图

4 控制系统软件设计

本项研究中软件编程语言为标准C语言，以模块化思想进行程序设计，程序模块主要包括主程序模块、制动器控制模块、离合器控制模块、油门控制模块、目标信号CAN通讯模块以及传感器信号AD采集模块。

4.1 制动器控制

该模块通过调用CAN通讯模块接收上位机的制动器目标压力信号，并对目标压力进行合理性判断和处理，调用AD采集模块采集制动器当前压力，将目标压力和当前压力相减得到相对压力，通过相对压力的误差允许和正负判断，控制制动执行机构调节制动压力，并通过主程序的循环调用，实现对制动器制动压力的闭环控制。制动器控制子程序流程图如图5所示。

4.2 离合器控制

该模块通过调用CAN通讯模块接收上位机的离合器目标位置信号（0代表接合，1代表分离），调用AD采集模块采集离合器当前位置，进行目标位置判断，选择分离（或接合），通过当前位置与标定的彻底分离位置（或与标定的开始接合位置和完全接合位置）比较判断，控制离合执行机构的运动速度和位置，并通过主程序的循环调用，实现对离合器执行机构位置的闭环控制。离合器控制子程序流程图如图6所示。

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图5 制动器控制流程图

图6 离合器控制流程图

4.3 油门控制

该模块通过调用CAN通讯模块接收上位机的发动机目标转速信号，并对目标转速进行合理性判断和处理，通过调用AD采集模块得到发动机当前转速，将目标转速和当前转速相减得到相对转速，通过对相对转速的绝对值的误差允许判断，控制PWM的输出（或者停止输出），并通过相对转速的正负判断，控制步进电机驱动器的DIR电平高或低，控制步进电机正转或反转，调节油门开度，通过主程序的循环调用，实现对发动机转速的闭环控制。油门控制子程序流程图如图7所示。

图7 油门控制流程图

5 结语

本文针对铁牛654拖拉机，论述了拖拉机自动驾驶变速系统的组成部分，进行了变速机构控制器模块划分，提出了变速机构控制器的系统结构以及离合器、制动器和油门机构的控

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