石兵 程登慧 康志亮

摘要：設計了一種基于PID速度調節(jié)的自動調平系統(tǒng)，該系統(tǒng)以51單片機為主控制器，通過與傳感檢測模塊的串口通信來實時獲取車身姿態(tài)，以步進電機作為執(zhí)行機構構成的四點式機電調平系統(tǒng)。通過步進電機的位移進行軸方向調平，以履帶式模型車具作為搭載底盤，并應用于丘陵地區(qū)作業(yè)的農機具上。

關鍵詞：機電調平系統(tǒng);軸方向調平;PID控制;山地農機具

中圖分類號：S223.2+5 ? ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2019）23-0207-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.23.051? ? ? ? ? ?開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Design of automatic leveling system for mountain farm implement

SHI Bing1，2，CHEN Deng-hui2，KANG Zhi-liang2

（1.Sichuan Deyang Huangxu Vocational Secondary School，Deyang 618000，Sichuan，China;

2.College of Mechanical and Electrical Engineering，Sichuan Agriculture University，Yaan 625014，Sichuan，China）

Abstract： An automatic leveling system based on PID speed regulation is designed. The system uses 51 MCU as the main controller. Through the serial communication with the sensing detection module， we can obtain the posture in real time. And the four point leveling system of the step motor is composed of the actuator. The platform is leveled by the displacement of the stepper motor， and the crawler-type model vehicle is used as a carrying chassis. The platform is intended to be applied to the farm machinery working in the hilly area.

Key words： electromechanical leveling system; axis leveling; PID control; mountain farm implement

山地多、平地少是中國土地構成的顯著特點，但由于丘陵山地具有地表凹凸不平、田塊小、不規(guī)則、坡陡彎多等特點[1-4]，不利于田間作業(yè)的機械化，且農業(yè)機械在丘陵山區(qū)的行走姿態(tài)調整（即穩(wěn)定性調整）仍然停留于操作人員手動控制的階段，具有很大的隨意性，這樣便存在著安全隱患，使機器在丘陵山地田間工作缺乏安全性和穩(wěn)定性，阻礙了丘陵山區(qū)農業(yè)的機械化發(fā)展。近年來，隨著中國機械化水平在各個領域的普及，農業(yè)機具也在朝著機械化自動化的方向發(fā)展，應用于丘陵山地的拖拉機得到了快速發(fā)展，使農機具適應丘陵山地的工作環(huán)境，因此丘陵農機具的調平成為了當前農業(yè)機械化發(fā)展的必然要求[5-8]。

本研究設計一種自動調平車，并擬應用于中國廣闊的丘陵山地。當調平車在不同角度的坡道上行走時，調平車車身始終保持水平，通過自動控制系統(tǒng)來實時調控小車的行走姿態(tài)（即使車身始終保持水平），使得其穩(wěn)定性好，通過性強;其在起伏路面工作時，質心位置變動?。纯梢欢ǚ秶{節(jié)質心的位置），保持調平車的平穩(wěn)性，從而顯著提高調平車行走時的穩(wěn)定性能及坡地適應性，使小車能在丘陵山地的不同坡道上安全穩(wěn)定的行走。

1? 調平系統(tǒng)設計方案

該設計為應用于山地農具調平的底盤模型設計，調平系統(tǒng)調平的過程即以原動機為能量源，將各種形式的能量轉為機械能做功，達到調平目的。其中，由傳動系統(tǒng)負責能量的轉化并加以控制，在現(xiàn)有的自動調平控制系統(tǒng)中，傳動系統(tǒng)主要有機電系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)兩種。機電式調平的方式最大優(yōu)點在于其抗干擾性強，與液壓式執(zhí)行機構相比操作簡單，易于維護[9-12]。在該系統(tǒng)中設計的模型應對的是復雜的工作環(huán)境，而液壓系統(tǒng)有著更嚴格的工作環(huán)境，且在設計模型時考慮到無其他載重，所以該系統(tǒng)驅動裝置選擇了機電式調平系統(tǒng)。

模型采用如圖1所示的四腿支撐平臺的方式，平臺為剛性，4個支腿的安裝位置即F1、F2、F3、F4，如圖2所示安裝。同一軸的支腿F1、F2圍繞形心上下移動，距離相同，方向相反，直至平臺達到水平狀態(tài)。這種方式的優(yōu)點是控制方式簡單，只用對各個軸相對與水平軸的角度進行控制，且速度較快;缺點是同時對兩個軸調整會使平臺產生形變。

自動調平系統(tǒng)整體采用了負反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)，主要包括主控制器、執(zhí)行機構、檢測變送裝置以及目標平臺等部分組成，輸入信號為誤差，在該設計中表示平臺傾斜角度，通過在主控制器中與給定精度進行比較，通過控制器中的算法程序輸出信號來控制執(zhí)行機構，即電機的運動，從而達到平臺的調平要求。采用閉環(huán)控制可以增加自動調平系統(tǒng)的快速性、準確性，也比開環(huán)控制更加穩(wěn)定[13-15]。如圖2所示為調平系統(tǒng)的控制框圖。

2? 調平裝置設計

2.1? 調平裝置硬件設計

該控制系統(tǒng)的硬件整體結構主要包括主控模塊、紅外遙控模塊、傾角傳感模塊、LCD顯示模塊、執(zhí)行機構模塊。各個模塊連接如圖3所示。

1）傾角信息處理模塊由雙軸式傾角傳感器、A/D轉化電路、LCD傾角顯示電路等組成，雙軸式傾角傳感器檢測行走底盤X、Y雙軸傾斜角度，將角度信號轉化為電壓模擬信號，模擬電壓信號再經A/D轉換后傳輸?shù)絾纹瑱C并同時在LCD顯示器上顯示當前傾斜角度。

2）控制模塊是系統(tǒng)的核心部分，它負責了自動調平系統(tǒng)和手動調平系統(tǒng)各自的輸出以及兩種調平方式的切換。在接收到紅外信號時進行手動調平，否則執(zhí)行自動調平?？刂颇K最重要的功能是接收信息處理模塊的數(shù)據(jù)后，對數(shù)據(jù)進行分析處理，通過設計調平算法給執(zhí)行機構合適的輸出，從而使平臺實現(xiàn)自動調平。

3）執(zhí)行模塊，接收單片機的控制信號執(zhí)行控制命令，由步進電機驅動驅動器和電機組成。

4）紅外通訊模塊，通過紅外遙控的方式，使平臺可以由操作人員通過手動方式調平，這樣的設計使調平系統(tǒng)達到手自一體的效果，也可以在自動控制系統(tǒng)不運行時作為備用的調平方案。

2.2? 調平裝置軟件設計

車身調平控制系統(tǒng)軟件設計主要是基于雙軸式傾角傳感器的車身自動調平算法。手動調平采用的紅外遙控算法作為輔助算法。整個系統(tǒng)以自動調平算法為主程序，一般情況下調平方式為自動調平，特殊情況下啟動手動調平方式。因此設計標志變量Flag，用于判斷調平方式。

判斷的方式為外部中斷查詢方式，對51單片機的外部中斷口P3.2進行中斷查詢操作，若P3.2電平被拉低，則表示有外部中斷信號，即程序定義中的Flag位被復位，由默認的自動調平切換為手動調平。至此，可以看到整體的手動系統(tǒng)與自動調平系統(tǒng)由軟件結合并實現(xiàn)了切換。

當系統(tǒng)進行自動調平時，控制器通過并行通信接收雙軸式傾角傳感器經過濾波處理的傾角信號，控制器過當前接受數(shù)據(jù)進行自動調平算法處理，做出對應調平措施，最后通過對步進電機驅動器的使能信號，方向信號，脈沖信號進行控制，繼而控制相應的步進電機的動作，使車身進行調平。如圖4所示。

選擇增量式的PID控制算法，在圖4中已經確定了調平方案為支腿繞對應軸轉動的調平方式，將PID控制與自動調平方案相結合實現(xiàn)基于PID速度調節(jié)的自動調平方案[16]。根據(jù)PID控制原理，系統(tǒng)需采樣輸入被控量及實際的y（k）和給定值r（k），計算偏差。編程步驟如圖5所示。

3? 系統(tǒng)測試

如圖6、圖7，丘陵坡地自動調平車的特征是設置車身箱體（12）與調平板（2）固接，調平板（2）分別與4個三頭十字軸（6）的兩個對稱頭相連接，三頭十字軸（6）可相對于調平板（2）旋轉，并可在調平板（2）上的圓頭鍵槽內滑動。設置4個三頭十字軸（6）的單頭分別與4個步進電機絲桿滑臺的滑臺（10）相連，三頭十字軸（6）可相對于滑臺（10）旋轉。設置縱向步進電機絲桿滑臺（5）與橫向步進電機絲桿滑臺（1）分別與底盤（4）固接。底盤（4）上安裝有測量傳感器（9）以檢測底盤的傾斜度。設置單片機控制板（7）與底盤（4）固接并通過電路導線（3）與步進電機及測量傳感器相連通。設置底盤（4）與履帶輪支撐板固接。

農機具的機械化種植應在山區(qū)坡度為15°以下的平耕地（<2°，2°～6°）和緩坡耕地（6°～15°）。因此，分別設置了-15°、-8°、2°、8°、15° 5個傾斜度。在理論上該系統(tǒng)可以檢測并實現(xiàn)0°±90°范圍內的調平，實際上由于機械結構的限制，平臺面與電機的絲桿連接處不可能垂直或平行，且電機的絲桿不可能無限延長，因此應用此調平系統(tǒng)所設計的模型最多可以實現(xiàn)X軸與Y軸兩個方向±30°范圍內的調平。

通過多次測量，對采樣率以及精度等各個參數(shù)進行調整設置。精度的設置是為了避免不必要的頻繁調平操作，調平精度設置為2°。

模型車只在橫坡上行走時，橫坡測試結果如表1所示。

模型車只在縱坡上行走時，橫坡測試結果如表2所示。

模型車在縱坡上行走時轉向橫坡，試驗結果如表3所示。

當精度設置為2°，既可以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，又可以滿足實際的傾斜度要求，一定的誤差范圍保證了調平系統(tǒng)在實際場合的運用。

該系統(tǒng)可較好地應用于模型車上，包括電氣控制與機械設計，調平精度為-2°<α<2°;調平誤差范圍為<1.5%;調平時間為<2 s;凈承重<2.6 kg。

4? 結論

從中國農業(yè)實際狀況出發(fā)，設計了一種丘陵山地農機具的調平系統(tǒng)，并從機械結構上對調平裝置進行了設計。對搭建好的模型設置了不同的坡度，測試模型在行駛中的調平效果，包括手動調平和自動調平兩個部分，得到了一套適用于調平系統(tǒng)的試驗模型機具。該模型機具對山地農機具調平裝置的設計具有重要的參考價值。

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