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CN106740090A - 一种四轮驱动四轮转向自动驾驶底盘的电控系统 - Google Patents

一种四轮驱动四轮转向自动驾驶底盘的电控系统 Download PDF

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  • Mechanical Engineering (AREA)
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Abstract

本发明公开了一种四轮驱动四轮转向自动驾驶底盘的电控系统，重点阐述了电控系统的结构与工作原理。该电控系统以EPCS-8980为上位机、DSP56F805信号控制器为核心、基于CAN总线进行通讯，行车状态参数采集器接收各传感器采集的行车参数信息，并通过CAN总线发送到车载电脑和行车控制器，行车控制器根据车载电脑指令和各传感器参数，按照行车控制模型生成控制指令，并通过各电磁阀独立控制4个液压马达和4个转向油缸，实现底盘的行车控制。同时，对电控系统进行了测试，测试结果表明:该电控系统实现了对液压元器件的控制，保证了其运行的可靠性，可满足实际作业要求，同时该电控系统也可用于通用自主移动平台上。

Description

一种四轮驱动四轮转向自动驾驶底盘的电控系统
技术领域
本发明涉及一种电控系统，尤其涉及一种四轮驱动四轮转向自动驾驶底盘的电控系统。
背景技术
目前，随着农田经营规模逐渐扩大，地块面积越来越大，对农机作业质量要求越来越高，驾驶员操作难度也越来越大，迫切需要一种高地隙自动驾驶底盘。自动驾驶技术的使用可保证植保机械的精确作业，降低人工技术要求，为精准农业的发展奠定基础。
近年来，农机科技人员在自动驾驶技术开发方面做了一定的努力和探索。左志宇等(2010)设计了一种高地隙四轮液压驱动底盘滑转率控制系统，通过实时获取的角位移和转速信号，利用FUZZ-PID 算法实现底盘的打滑判断和调控。吴鹏等(2009)以东方红-X804型拖拉机为平台，改造原拖拉机的油路，使用电控比例液压阀，并设计电控单元，组成了自动转向控制系统。雷小龙等(2011)设计了一种植保机械底盘控制系统，硬件以AT89SC52单片机为核心，应用C 语言编程将测速模块、电源、键盘、显示模块和直流电机驱动模块有机结合起来，控制植保机械的前进和转向。目前，国内现有研究虽然能够实现底盘的驱动和转向，但是没有实现底盘的自动驾驶，自动驾驶技术水平仍然需要进一步提高。
发明内容
本发明的目的是为了提高植保机械作业精度、降低驾驶员操作难度，设计了一种高地隙全液压四轮驱动四轮转向自动驾驶底盘。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
四轮驱动四轮转向自动驾驶底盘的电控系统主要由行驶系统、转向系统、液压系统、电控系统和车架组成。行驶系统主要包括车轮、液压马达和减速机组成。
所述的底盘的液压系统主要由行走闭式回路和转向开式回路组成。
所述的行走驱动包括双联轴向柱塞变量泵、液压马达及比例电磁阀等。
所述的转向控制回路由定量齿轮泵、电液比例换向阀和4个转向油缸组成，由定量齿轮泵直接对4个转向油缸供油。
所述的电控系统由车载电脑、行车控制器、行车状态参数采集器、传感器等组成。
所述的车载电脑选用EPCS-8980型ARM工控机(广州致远电子有限公司)，具有5路USB接口、2路CAN接口和3个RS-232接口，即具有较强的数据处理能力，又具有丰富的外围扩展接口。
所述的行车控制器的主芯片采用DSP56F805。该芯片结合数字信号处理器(DSP)的处理能力与MCU功能，它还集成了8路12位精度的A/D转换模块，支持CAN2.0B协议的控制器模块。
所述的行车状态参数采集器采用广州致远电子有限公司的iCAN-4017模块、iCAN-7202模块和iCAN-4400模块。iCAN-4017模块用于采集模拟量输入信号，具有8路模拟量输入通道， 模拟量信号的分辨率为16位，可采集转向角传感器、水平倾角传感器及横摆角速度传感器的信息。
所述的角速度传感器选用TRD-J1000-RZ速度编码器(北塘区神港机电商行)，工作电压4.75~30VDC，可实现每转1000个脉冲。转向角传感器选用TMCW6V-90角度传感器(青岛泰润电子科技有限公司)，工作电压10~30VDC，输出信号1~5V，量程0°~90°，精度±0.04°。水平倾角传感器选用YC-T350D-H 倾角传感器(上海钰诚电子有限公司)，工作电压为9~15VDC，量程为±5°~±30°，输出信号为0.5~4.5V，精度为0.01°。横摆角速度传感器选用微型陀螺测量系统MIN-900-2(陕西航天长城测控有限公司)，工作电压为9VDC，方向量程为0°~360°，角速度量程为-300~300°/s，精度为±5°。
本发明的有益效果是：
四轮驱动四轮转向自动驾驶底盘的电控系统实现了对液压元器件的控制，保证了其运行的可靠性，可满足实际作业要求，同时该电控系统也可用于通用自主移动平台上。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是底盘总体布置示意图。
图2是电控系统结构图。
其中，1-消声器，2-空滤器，3-前轮罩，4-散热器，5-照明灯，6-保险杠，7-动力罩（内有发动机、泵阀等），8-电气控制箱，9-后轮罩，10-轮胎，11-燃油箱、液压箱，12-蓄电池，13-车架，14-行走驱动机构，15-轮辋，16-伸缩机构。
具体实施方式
如图1所示，四轮驱动四轮转向自动驾驶底盘的电控系统由主要由行驶系统、转向系统、液压系统、电控系统和车架组成。行驶系统主要包括车轮、液压马达和减速机。每个车轮配置一个变量插入式液压马达，实现四轮驱动。转向系统主要由4 套转向机构和转向油缸组成。转向油缸一端铰接在车架上，另一端连接转向摇臂，可推动车轮围绕转向节竖直轴线旋转，从而实现四轮独立偏转。液压系统主要由行走闭式回路和转向开式回路组成。液压泵选用串联的通轴三联泵，前两泵对液压马达供油，定量齿轮泵通过控制电液比例换向阀驱动转向油缸，实现车轮独立转向。电控系统主要包括车载电脑、行车控制器、液压控制元件、数据采集器及传感器等。通过电控系统控制各个液压元件，实现底盘的前进、倒退及转向等功能。车架系统主要包括车架、轮距调整机构和地隙调整机构。轮距调整机构通过伸缩轴架在伸缩壳体内的水平滑移，调整两侧轮胎的中心距。地隙调整机构通过伸缩轴架在转向架上的竖直移动，调整两侧轮胎的中心距。底盘的液压系统主要由行走闭式回路和转向开式回路组成。行走驱动包括双联轴向柱塞变量泵、液压马达及比例电磁阀等。双联轴向柱塞变量泵直接对4个液压马达供油，通过一个比例电磁阀调节变量泵出油量的大小和方向，可以控制各液压马达的正反转，并对马达的转速大小进行粗调。每个液压马达单独和一个比例电磁阀相连，通过各比例电磁阀控制各液压马达的进油量，对各液压马达的转速进行微调。液压马达转速方向和大小的变化，可以实现车轮的前进、后退和转速变化的功能，从而实现底盘的四轮驱动，并进行差速转向或防打滑控制。转向控制回路由定量齿轮泵、电液比例换向阀和4个转向油缸组成，由定量齿轮泵直接对4个转向油缸供油。当行车控制器发送电流信号给每路电液比例换向阀时，电液比例换向阀进行换向，进而每个车轮的转向油缸伸缩变化，由转向油缸推动转向摇臂，从而推动车轮围绕转向节竖直轴旋转，实现每个车轮的独立转向角控制。
如图2所示，电控系统由编码器采集各个车轮的转速，由转向角传感器采集各个车轮的偏转角，水平倾角传感器采集底盘的纵横向倾角，横摆角速度采集底盘的横摆角速度。行车状态参数采集器接收各个传感器信号，并通过CAN总线发送到车载电脑和行车控制器。行车控制器根据车载电脑指令和各个传感器参数，按照行车控制模型生成控制指令，发送到各个液压控制阀来控制各个液压控制元件，实现底盘的前进、倒退及转向等功能。车载电脑是整个电控系统的信处理中心和人机对话中心，需要和行车控制器、行车状态参数采集器等进行信息传输和数据交互，必须具有CAN接口等丰富的通讯接口。行车控制器作为整个电控系统的测控中心，需有较高的运算速度和较强的计算能力并具备CAN总线接口，以实现与车载电脑和行车状态参数采集器之间的通讯。行车状态参数采集器采用广州致远电子有限公司的iCAN-4017模块、iCAN-7202模块和iCAN-4400模块。iCAN-4017 模块用于采集模拟量输入信号，具有8 路模拟量输入通道， 模拟量信号的分辨率为16位，可采集转向角传感器、水平倾角传感器及横摆角速度传感器的信息。iCAN-7202 模块用于对工业现场的脉冲信号计数或测频，具有2路32位可级联正脉冲加/减计数器、可编程数字滤波器，能够有效滤出高频脉冲干扰，可采集角速度传感器的信息。iCAN-4400模块用于提供电流或者电压输出信号，具有4路模拟量输出通道，可输出1~5V电压或者4~20mA电流信号，可对各比例电磁阀进行控制。底盘最高行驶速度7.5km/h，轮胎行驶半径为650mm，最大角速度为3.2rad/s底盘最大转向角不超过45°。

Claims (9)

1.一种四轮驱动四轮转向自动驾驶底盘的电控系统，主要由行驶系统、转向系统、液压系统、电控系统和车架组成；行驶系统主要包括车轮、液压马达和减速机组成。
2.根据权利要求1所述的四轮驱动四轮转向自动驾驶底盘的电控系统，其特征是所述的底盘的液压系统主要由行走闭式回路和转向开式回路组成。
3.根据权利要求1所述的四轮驱动四轮转向自动驾驶底盘的电控系统，其特征是所述的行走驱动包括双联轴向柱塞变量泵、液压马达及比例电磁阀等。
4.根据权利要求1所述的四轮驱动四轮转向自动驾驶底盘的电控系统，其特征是所述的转向控制回路由定量齿轮泵、电液比例换向阀和4个转向油缸组成，由定量齿轮泵直接对4个转向油缸供油。
5.根据权利要求1所述的四轮驱动四轮转向自动驾驶底盘的电控系统，其特征是所述的电控系统由车载电脑、行车控制器、行车状态参数采集器、传感器等组成。
6.根据权利要求1所述的四轮驱动四轮转向自动驾驶底盘的电控系统，其特征是所述的车载电脑选用EPCS-8980型ARM工控机(广州致远电子有限公司)，具有5路USB接口、2路CAN接口和3个RS-232接口，即具有较强的数据处理能力，又具有丰富的外围扩展接口。
7.根据权利要求1所述的四轮驱动四轮转向自动驾驶底盘的电控系统，其特征是所述的行车控制器的主芯片采用DSP56F805；该芯片结合数字信号处理器(DSP)的处理能力与MCU功能，它还集成了8路12位精度的A/D转换模块，支持CAN2.0B协议的控制器模块。
8.根据权利要求1所述的四轮驱动四轮转向自动驾驶底盘的电控系统，其特征是所述的行车状态参数采集器采用广州致远电子有限公司的iCAN-4017模块、iCAN-7202模块和iCAN-4400模块；iCAN-4017模块用于采集模拟量输入信号，具有8路模拟量输入通道， 模拟量信号的分辨率为16位，可采集转向角传感器、水平倾角传感器及横摆角速度传感器的信息。
9.根据权利要求1所述的四轮驱动四轮转向自动驾驶底盘的电控系统，其特征是所述的角速度传感器选用TRD-J1000-RZ速度编码器(北塘区神港机电商行)，工作电压4.75~30VDC，可实现每转1000个脉冲；转向角传感器选用TMCW6V-90角度传感器(青岛泰润电子科技有限公司)，工作电压10~30VDC，输出信号1~5V，量程0°~90°，精度±0.04°；水平倾角传感器选用YC-T350D-H 倾角传感器(上海钰诚电子有限公司)，工作电压为9~15VDC，量程为±5°~±30°，输出信号为0.5~4.5V，精度为0.01°；横摆角速度传感器选用微型陀螺测量系统MIN-900-2(陕西航天长城测控有限公司)，工作电压为9VDC，方向量程为0°~360°，角速度量程为-300~300°/s，精度为±5°。
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