履帶式聯合收割機的自動駕駛系統及其控制方法
【技術領域】
[0001 ] 本發明屬于農業自動控制領域，具體涉及收割機的自動控制系統。
【背景技術】
[0002] 谷物聯合收割機的機械構造技術已經非常成熟，因其優良的綜合性能和極高的工 效，得到普及推廣，其中，履帶式收割機因其轉彎半徑小、能適應較陷的水田環境，在我國南 方，甚至北方地區具有很大的市場占有率。然而，駕駛收割機作業，一方面，不僅枯燥、乏味， 而且由于受水稻或小麥長勢的影響，為了使機械化收割作業的損失率最小，駕駛員需不斷 調整車速和改變行駛方向；另一方面，稻麥收割時，地塊一般已處于非常干燥狀態，為了提 高作業效率，駕駛員通常高速行駛作業，他們需忍受強烈的顛簸，勞動強度極大。市場迫切 需求收割機增加自動駕駛功能，使駕駛員只需集中精力于機器工況的監視。
[0003] 在履帶式車輛的自動駕駛控制方面已經有所研宄及發明。例如吳紹斌等在《遙控 履帶車輛的轉向控制方法》（《北京理工大學學報》，2007,Vol. 27(8) : (680~683))提出 了一種遙控的履帶轉向控制系統，遙控器發出駕駛指令控制轉向拉桿伸縮實現調整軌跡的 目的。該作者構建了轉向操縱閉環系統模型，針對遙控信息的時間滯后，設計了預測和斷 續轉向控制方法。也有人對輪式農機的自動導航駕駛進行了研宄，例如羅錫文等在《東方 紅X-804拖拉機的RTK-GPS自動導航控制系統》（農業工程學報，2009,Vol. 25 (11) : 139~ 146)提出的一種基于RTK-RTK-GPS的自動導航系統，能很好的實現拖拉機的自動導航控 制。前者采用遙控方式，當機器距離控制人較遠時，較難觀察軌跡的偏差，控制精度必然下 降，而且他必須時刻監視并控制機車，勞動強度仍然很大；后者實現了自動導航駕駛控制， 但是四輪行走系與履帶行走系在調整車身姿態方面存在較大的差異，其轉向控制方式完全 不同，因此有必要發明履帶式聯合收割機的自動導航駕駛系統。
【發明內容】
[0004] 為了克服現有履帶式收割機在駕駛裝置自動化、智能化方面的不足，本發明提供 了一種履帶式收割機的自動導航駕駛系統，它可代替人工駕駛任務：控制轉向、控制車速、 控制割臺，駕駛員僅需監視機車的工況，工作強度大幅降低。
[0005] 本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：在駕駛員座位的左側、收割機縱軸 線上，安裝一支高約〇. 6米的GPS支架，其上方固定一臺RTK-GPS接收機和移動站電臺的天 線；在駕駛員座位左側的調速面板上，以搖桿電子調速手柄代替機械式調速手柄，其下方的 HST變速箱的伸出軸端加裝電控HST調速機構，它們之間不再存在機械式的鉸鏈聯接，而以 信號線代替；以電子轉向手柄代替原機械連桿式手柄，以電磁轉向液壓閥代替原集成手動 轉向液壓閥，它們之間同樣不再存在機械式的鉸鏈聯接；駕駛儀表板的正上方是傾斜安裝 的導航控制器，在駕駛儀表板的正下方固定ECU插件箱和RTK-GPS接收機；在車載蓄電池的 底部增加阻尼器以減弱電池表面的振動，該電池的上方固定是姿態ECU。
[0006] 各部件的結構是：
[0007] 自動導航電子系統采用分布式體系結構，由導航控制器、履帶E⑶卡、HST-E⑶卡、 GPS-E⑶卡和姿態E⑶組成。導航控制器是系統的總控中心，它與4個E⑶之間通過掛燈 籠式CAN網絡傳輸信息。導航控制器具有接收GPS的經煒度定位信息、估計收割機當前的 姿態、規劃作業路徑、控制行車的偏差量、調節速度等功能，GPS-ECU卡接收移動站RTK-GPS 的定位數據，通過CAN網絡發送數據給導航控制器；姿態ECU發送橫滾角、航向角到CAN網 絡上由導航控制器接收處理；HST-ECU卡接收導航控制器的指令或搖桿電子調速手柄的開 關信息控制收割機的運動速度；履帶ECU卡接收導航控制器的指令或電子轉向手柄的開關 信息控制收割機向左或向右調整姿態，或控制割臺提升、降落。
[0008]ECU插件箱把上述的除姿態ECU以外的其他三塊板卡集成在一個箱體內，其內部 還包括一塊總線底板，各塊插卡通過插件箱內的上、下槽和總線底板固定在箱體內。總線底 板主要是CAN總線，外部的開關信號、傳感器信號和RS232串口信號被相應的E⑶卡處理， 通過總線底板上傳信息給導航控制器，導航控制器發出的指令也通過總線底板傳達到各 ECU卡。如果未來需要繼續增加控制對象，例如撥禾輪、卸糧口等，則只需增加插件卡，使得 測控系統具有極大的擴容能力。
[0009] 電子轉向手柄采用球鉸式構造，在手柄箱體中，球鉸座固定在箱體的底部，手柄與 球鉸座之間球鉸聯接，并由兩對彈簧促使手柄在常態下處于正中的位置，十字形凸輪穿過 手柄并固定在其上，十字形凸輪的四個突出部位的下邊是四只輕觸開關。當電子轉向手柄 向左擺動時，它帶動十字形凸輪繞縱向軸轉動，旋轉到最大角度時壓住左邊的輕觸開關的 懸臂，使其常開接點閉合，通過信號線該開關信號被履帶ECU卡采集，由它控制收割機向左 轉向；當電子轉向手柄向右擺動時，它帶動十字形凸輪繞縱向軸轉動，旋轉到最大角度壓住 右邊的輕觸開關的懸臂，使其常開接點閉合，通過信號線該開關信號被履帶ECU卡采集，由 它控制收割機向右轉向；當電子轉向手柄向前擺動時，十字形凸輪壓住前部的輕觸開關的 懸臂，使其常開接點閉合，通過信號線該開關信號被履帶ECU卡采集，由它控制提升割臺； 當電子轉向手柄向后擺動時，十字形凸輪壓住后部的輕觸開關的懸臂，使其常開接點閉合， 通過信號線該開關信號被履帶ECU卡采集，由它控制下落割臺。
[0010] 產生履帶差速的電磁液壓控制系統工作原理是：電磁轉向液壓閥內部包含了多只 液壓閥，包括2只溢流閥（用于轉向、割臺油路各1只）、1只雙向電磁閥、1只割臺提升電磁 閥、1只割臺下降電磁閥、1只手動節流閥和一只單向閥等。初始條件下，油液流向是：液壓 泵_>電磁閥I的右位_>電磁閥II的中位_>回油箱，即電磁閥I的P口與B口聯通，該B 口又與電磁閥II的P口聯通，而此時電磁閥II處于中位，屬于H型油路，壓力油直接回油 箱泄壓，集成轉向油缸的左、右油缸受內部彈簧的推力作用，保持縮回狀態；當電磁閥II的 左電磁鐵得電，油液流向是：液壓泵_>電磁閥I的右位_>電磁閥II的左位_>集成轉向 油缸的左油缸大腔，即電磁閥II的P口與A聯通，集成轉向油缸的左油缸大腔進油，推桿外 伸，約推送一半行程時，出油口與進油口聯通，傳遞履帶動力的左離合器脫開，此時，如果節 流閥的推桿已被壓到底部，該閥完全切斷了左油缸回油的油路，集成轉向油缸的左推桿繼 續推送，直到滿行程，此時左側的制動器動作，履帶被制動，實現了向左大轉彎的效果；當該 電磁閥的左電磁鐵失電，電磁閥處于中位，壓力油從電磁閥II的中位泄壓回油箱，集成轉 向油缸的左推桿縮回，左側履帶的制動器被脫開，離合器閉合，履帶重新獲得動力，使可繼 續滾動；當節流閥的推桿沒有被壓到底時，獲得節流效果，集成轉向油缸的左推桿伸出速度 減慢，而且平移一半行程后，該油缸的進油口與回油口聯通，在大腔油壓和小腔彈簧力的 作用下，推桿維持在此位置，僅使傳遞動力的離合器脫開，而制動器的狀態沒有改變，無法 起到制動的作用，履帶依靠慣性繼續滾動，實現了向左的小轉彎效果。同理，如果電磁閥II 的右電磁鐵得電，可實現向右大轉彎或右小轉彎的效果。如果電磁閥I的電磁鐵得電，油液 流向是：液壓泵-> 電磁閥I的左位-> 內部單向閥-> 內部過濾器-> 割臺油缸的大腔，即電 磁閥I的P口與A口聯通，壓力油經單向閥、內部過濾器進入割臺油缸的大腔，割臺被舉升； 如果螺紋式電磁閥的電磁鐵得電，油液流向是：割臺油缸的大腔_>內部過濾器_>內部阻尼 孔_>螺紋式電磁閥右位_>回油管，即割臺油缸的大腔的液壓油經內部阻尼孔接通了回油 泄壓管路，割臺被下降。
[0011] 電控節流閥機構的結構是：滾輪通過滾輪軸、滾輪支架的支撐，與節流閥伸出的推 桿同步左右移動，滾輪的右側緊貼直流減速電機驅動的凸輪。該機構的作用是控制收割機 轉彎的幅度：當凸輪處于初始釋放節流閥推桿的位置時，節流閥的推桿伸出最大長度，此 時，無論電磁轉向液壓閥的電磁閥II處于左位或右位，集成轉向油缸的推桿伸出一半行程 后，其大腔通過節流閥的右位與回油管接通，該推桿不再向外伸出，僅使行走牙嵌離合器脫 開，一側履帶失去動力源，但仍可依賴慣性向前滾動，另一側履帶仍然全速滾動，收割機實 現小轉彎動作；當凸輪旋轉180°時，節流閥的推桿被壓縮到底，此時，無論電磁轉向液壓 閥的電磁閥II無論處于左位或右位，集成轉向油缸大腔的回油油路被節流閥截斷，該油缸 的推桿一直被壓力油推到底，不僅使行走牙嵌離合器脫開，而且某一側履帶的制動器抱緊 履帶輪，該履帶被完全制動，另一側履帶仍然全速滾動，實現大轉彎動作；當凸輪旋轉角度 處于0~180°時，節流閥處于節流工況，集成轉向油缸的推桿的伸出速度減慢，收割機的 處于一種反應較慢的大轉彎模式。
[0012] 履帶E⑶卡采用PIC18F248單片機采集電子轉向手柄的位置信號、控制電磁轉向 液壓閥的繼電器及電控節流閥的工作方式。由電子轉向手柄傳來的位置信號通過光電隔 離，把信號與單片機的PORTA引腳連接；單片機的P0RTC引腳同樣通過光電隔離，把控制信 號加到功率三極Q1管端的基極，該三極管Q1相當于一只電子開關，可使電磁轉向液壓閥的 某一個繼電器線圈得電而使電磁閥的閥芯產生移位，從而達到控制向左，或向右轉彎等效 果；單片機的CCP1引腳輸出PWM脈沖波，同樣通過光電隔離，把PWM波加到開關三極管Q2 的基極，其集電極作為PWM信號的輸出引腳連接到電控節流閥的電機驅動器的PWM輸入引 腳；而單片機P0RTC的RC3引腳輸出電平信號，經光耦的隔離、三極管Q3的信號整形后，連 接到直流減速電機驅動器的DIR引腳，設置直流減速電機的旋轉方向，達到控制電控節流 閥伸縮的目的；單片機的又通過CAN接口與總線底板上的CAN總線連通。至此，即可實現由 電子轉向手柄手動控制收割機轉向、升降割臺的目的，也可由導航控制器控制的目的。
[0013] 上述硬件電路的軟件控制方法是：初始化模塊對單片機U2的RA、RB、RC端口、CAN 通訊控制寄存器、PWM寄存器和定時器TMER0作出設置，清空CAN通訊的自定義接收、發送 緩存，開啟定