在农业生产的运输、旋耕和犁耕等作业过程中，农用拖拉机会存在较大的滑行和运动阻力，导致农用拖拉机出现较大的能量损耗，不利于农业生产种植。为了获得高效的农用拖拉机性能，必须改善和优化牵引性能和滑行距离。为此，笔者设计了一套基于嵌入式的农用拖拉机自动滑行系统，可以自动控制滑行距离在安全距离以内。
1农用拖拉机动力学分析
1.1农用拖拉机结构简化农用拖拉机是一个庞大复杂的机器，其款式和大小差别很大，但是核心组件均包括发动机、底盘、提升悬挂机构和电动设备。其中，提升悬挂机构是个多自由度结构，可以挂载农具进行旋耕、除草、起垄、埋沟、犁耕、播种等作业。考虑到悬挂农具的提升过程是一个纵面回转运动，需要对提升过程进行运动学分析。农用拖拉机结构简化后如图1所示。
1.2农用拖拉机动力学分析
四驱农用拖拉机在前行过程中，前后两个轴心的前进速度是一致的，但由于前轮相对后轮半径小很多，所以前后轮胎和地面接触点的线速度相差较大，进而会导致变速箱输出到车轮的动力存在差异，而前后轮收到地面的阻力也存在很大的差别。四驱农用拖拉机作业如图2所示。轮式农用拖拉机的行驶阻力包括车轮压在农田土壤造成的行驶阻力Fn、车轮推土阻力Fb、路面的拖滞阻力Fv及农具受到的阻力Fm。农田作业过程中，由于地面比较松软，农用拖拉机会出现下陷的情况，在受力分析时将其近似认为是均匀受力的。按照贝克理论，农用拖拉机轮胎接地比压为其中，b为后轮轮胎宽度;n为轮胎沉陷指数;kc和kφ分别为农田土壤的粘附系数和摩擦因数;Z和P分别为轮胎沉陷量和接地比压。在压-陷理论中，农用拖拉机犁耕作业和空载过程可以近似看作线性函数，即P=Pn-knzn(-z)(2)其中，P和Pn分别为犁耕作业和空载时的压力;z和zn分别为犁耕作业和空载时的沉陷量;kn为犁耕作业时的平均斜度。农用拖拉机压实土壤的行驶阻力为Fn=2b∫z00Pdz(3)农用拖拉机总的行驶阻力表达式为Ff=Fn+Fm+Fb+Fv(4)农用拖拉机耕犁阻力与犁具结构、土壤松软条件、耕作速度等有关，本文采用郭略契金表达式，即FL=F1+F2+F3(5)其中，FL为平均牵引阻力;F1、F2和F3分别为犁具摩擦阻力、土垡变形阻力和翻垡阻力。农用拖拉机耕犁时牵引阻力PX的表达方程式为PX=ZXbnh0k0(6)其中，ZX、bn、h0和k0分别为犁具刀组数、单刀厚度、耕深和土壤比阻。农用拖拉机的动力学方程为Ft=Teizη0r-∑F(7)其中，Ft为农用拖拉机总的牵引力;Te为农用拖拉机发动机输出扭矩;iz为农用拖拉机传动系统总的传动比;η0为传动系效率;r为农用拖拉机后轮半径;∑F为农用拖拉机的总阻力，包括空气、摩擦、坡度和犁具等所有阻力。农用拖拉机的牵引效率ηT表达式为ηT=PTPe(8)其中，PT和Pe分别为牵引功率和发送机输出功率。
2农用拖拉机自动滑行系统
2.1自动滑行传感单元设计
滑行距离是系统根据农用拖拉机前后轮的速度差计算出来的。农用拖拉机前进的实际速度是由前轮转速获得的，而理论计算的是农用拖拉机后轮速度。农用拖拉机前后轮的速度采用霍尔传感器ES3144进行量测，磁铁金属盘被安装在农用拖拉机的前轮和后轮上，当ES3144靠近磁体的位置时磁场会发生变化，从而ES3144输出管导通，输出低电平，形成轮胎转速的脉冲信号。ES3144的转速信号脉冲会被嵌入式芯片采集到，并根据转速信号量计算出农用拖拉机实际和理论速度。农用拖拉机自动滑行系统传感器安装如图3所示。农用拖拉机实际速度(前轮速度)计算公式为Va=2π×rf(×H)f×1000t(9)农用拖拉机理论速度(后轮速度)的计算公式为Vtr=2π×rrr(×H)rr×1000t(10)Vtl=2π×rrl(×H)rl×1000t(11)Vt=Vtr(+V)tlt(12)农用拖拉机车轮打滑的计算公式为S=1-VaV()t(13)其中，Hf为前轮的脉冲数(t/ms);Hrr和Hrl分别为右后轮和左后轮的脉冲数(t/ms);rf为前轮滚动半径(m);rrr和rrl分别为右后轮和左后轮的滚动半径(m);t为刷新时间(ms);Va和Vt分别为实际速度和平均理论速度(ms);S为车轮打滑值。
2.2牵引力传感单元设计
牵引力传感单元采用三点联动测力计，主要用于测量不同耕犁深度时农用拖拉机对耕具的牵引力。三点联动测力计是一种通用的测力计，其采用可拆卸的框架，被安装在农用拖拉机和耕犁之间，安装方式是前端安装在农用拖拉机上、后端安装在耕犁上。三点联动测力计采用3个拉伸-压缩型称重传感器来感测和测量耕犁的耕地深度。牵引力计算公式为Fdraft=LLLF+RLLF-TLF(14)其中，LLLF为左下部连杆的拉力(kg);RLLF为右下连杆的拉力(kg);TLF为上连杆的拉力(kg)。2.3耕犁深度测量单元设计为了计算犁耕的工作深度，在农业拖拉机液压系统的摇臂上安装了1个旋转传感器。犁耕深度与摇臂旋转角度有关，摇臂旋转运动信号被旋转传感器采集到，输出的电压与摇臂旋转位置相关。通过计算和校准，通过摇臂的旋转信号便可以计算出犁耕的工作深度。为了获得精准的耕犁深度值，采用5次重复测量进行校准，并将获得的电位计读数与手动测量值进行比较。验证校准结果表明:线性犁耕深度与摇臂旋转角度相关(R2=0.99)。犁耕深度校准曲线如图4所示。2.4滑行和牵引力控制系统滑行和牵引力控制系统起反馈作用，主要是采集三点联动测力计的犁耕深度和霍尔传感器的车速，对滑行值和犁耕深度进行计算，并根据牵伸和滑移最佳值进行控制。滑行和牵引力控制系统流程如图5所示。图5中，微处理器将测得的滑行值与设定滑移范围的上限(UL)和下限(LL)进行比较。若获得的滑行值超过上限(UL)，则驱动步进电机沿顺时针方向调节深度控制杆(加大犁耕深度);反之，若在下限(LL)内，则驱动步进电机沿逆时针方向调节深度控制杆(减小耕犁深度);若滑行值在LL和UL范围内，则步进电机保持静止。
3自动滑行系统嵌入式模块设计
自动滑行系统嵌入式硬件主要包括AT91SAM9261嵌入式芯片、深度测力计、霍尔传感、ADC模数转换模块、人机交互界面、电压检测、电机驱动和报警电路等，如图6所示。嵌入式控制模块的核心任务是完成数据采集和控制驱动电机的指令。嵌入式控制模块获取三点联动测力计、犁耕深度和霍尔传感器信号，AT91SAM9261通过内置比例控制算法进行分析，驱动相应的电机，控制耕具的深度和农用拖拉机的滑行距离。嵌入式控制模块原理示意如图7所示。
4试验测试与结果分析
为了验证基于嵌入式的农用拖拉机自动滑行系统的实际性能，进行了实际的犁地作业。试验中，农用拖拉机操作人员只控制车辆前进方向，车辆行驶速度和犁具深度均由自动滑行系统根据实际滑行距离进行自动调节。试验结果如图8所示。由图8可以看出:在犁地前5s，滑行距离为7.5～12m，大于最大滑行距离10m;此时，由于土壤硬度较大，耕具牵引力为7.84～10.78kN，操作速度由1.05降低到0.89m/s。在5-10s内，自动滑行系统将犁耕深度由172.5mm降低到165.8mm，使得滑行距离调整为10m安全距离内。在14-19s、34-39s和46-50s期间，当滑行距离超过设定安全距离的上限(10m)时，自动滑行系统也达到了操作要求，使得滑行距离保持在设定的安全范围内。
5结论
针对农用拖拉机滑行距离不稳定的特点，以农用拖拉机为研究对象，设计了一种基于嵌入式的农用拖拉机自动滑行系统，可以根据农用拖拉机滑行距离和牵引力大小自动调节耕犁深度，将滑行距离控制在安全范围内，减少了操作人员的干预。试验结果表明:自动滑行系统表现优越，使得滑行距离保持在设定的安全范围内，可保证操作人员人身安全。
《基于嵌入式模块的拖拉机自动滑行系统研究》来源：《农机化研究》，作者:梁硕 魏纯
