田勇鵬，陳 軍，王 璐，劉美辰，趙 翔

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

0 引言

拖拉機(jī)按照行駛方式分為輪式拖拉機(jī)和履帶式拖拉機(jī)：履帶式拖拉機(jī)通過性能好，特別是惡劣路況的機(jī)動(dòng)速度和能力較輪式拖拉機(jī)的優(yōu)勢(shì)特別大；輪式拖拉機(jī)在潮濕泥濘或松軟土壤上易打滑，牽引附著性能差。輪式拖拉機(jī)行進(jìn)過程中，當(dāng)車輪滾動(dòng)速度大于實(shí)際前進(jìn)速度時(shí)，車輪處于滑移狀態(tài)；當(dāng)車輪滾動(dòng)速度等于實(shí)際前進(jìn)速度時(shí)，車輪屬于純滾動(dòng)狀態(tài)[1-2]。非正常行駛現(xiàn)象的監(jiān)測(cè)對(duì)于輪式拖拉機(jī)的行進(jìn)性能和工作性能有著重要參考價(jià)值。輪式車輛路面行駛工況有較大的不確定性，就拖拉機(jī)行駛路面而言，有平坦的水泥路和瀝青路，而更多則是復(fù)雜多變的石子路面或軟土路面。合理控制拖拉機(jī)滑移率則可改善拖拉機(jī)牽引效率和優(yōu)化燃油效率，能降低油耗20%～30%，可顯著提高拖拉機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性[3-4]。拖拉機(jī)在不同作業(yè)類型、不同作業(yè)地塊下滑移率是不同的[5]，只有工作在最佳滑移率下才能充分發(fā)揮驅(qū)動(dòng)能力，保證較高的牽引效率和工作效率。為了使駕駛?cè)藛T能夠及時(shí)獲得滑移率信息，以保證拖拉機(jī)工作在最佳滑移率附件，必須對(duì)滑移率進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，而滑移率實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵在于車身速度和驅(qū)動(dòng)輪輪速的實(shí)時(shí)與準(zhǔn)確測(cè)量[6]。車身行駛速度的測(cè)量方法有多種，標(biāo)桿法測(cè)量拖拉機(jī)的平均速度，只能測(cè)量平均滑移率；低速雷達(dá)法利用多普勒原理來測(cè)速，精度較高；GPS法除了可以高精度定位測(cè)量外也可以用來測(cè)量運(yùn)動(dòng)車輛的車身速度[7-10]；輪式車輛驅(qū)動(dòng)輪速度測(cè)量主要選用光電式、霍爾式傳感器或是編碼器[11-13]?；坡蕼y(cè)量的精度高低取決于車身速度和驅(qū)動(dòng)輪輪速的測(cè)量精度。目前，相比于平均滑移率，實(shí)時(shí)滑移率監(jiān)測(cè)研究較少，實(shí)現(xiàn)滑移率的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)需要完整的上位機(jī)和下位機(jī)系統(tǒng)。

為此，設(shè)計(jì)了基于LabVIEW和單片機(jī)的輪式拖拉機(jī)實(shí)時(shí)滑移率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，配套基于硬件電路、單片機(jī)和霍爾傳感器的下位機(jī)系統(tǒng)，以及基于LabVIEW和通訊模塊的上位機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)于輪式拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)輪、車身速度實(shí)時(shí)采集和滑移率的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可以由此判斷出輪式拖拉機(jī)實(shí)時(shí)行駛的滑移及陷車狀態(tài)，同時(shí)基于滑移率實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)輪式拖拉機(jī)有效安全行駛做出警示。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

為最大限度滿足在各類工作情況下實(shí)時(shí)滑移率的監(jiān)測(cè)，采用由霍爾傳感器模塊、單片機(jī)測(cè)速模塊、LCD1602A液晶顯示模塊、下位機(jī)和上位機(jī)通信模塊，以及LabVIEW上位機(jī)處理數(shù)據(jù)顯示實(shí)時(shí)滑移率模塊組成的成套系統(tǒng)。通過霍爾傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)輪和從動(dòng)輪轉(zhuǎn)速，單片機(jī)LCD1602A顯示實(shí)時(shí)輪速和車速，單片機(jī)端通過CH340集成USB轉(zhuǎn)串口芯片實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)串行異步通信，上位機(jī)界面采用LabVIEW圖形化編輯語言G編寫程序，實(shí)現(xiàn)通信數(shù)據(jù)在上位機(jī)界面實(shí)時(shí)顯示，包括車輪實(shí)時(shí)速度與滑移率實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)值。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

2.1 霍爾傳感器模塊

所選霍爾傳感器為邁得豪實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)的CHE 12·10NA·H710型號(hào)霍爾傳感器，標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)距離為10mm，產(chǎn)品外形為金屬圓柱形，總長(zhǎng)37mm,外形直徑12mm，螺紋長(zhǎng)度32mm,頻率320kHz,輸出為NPN常開型，輸入電壓為DC5-30V,輸出最大電流為150mA?；魻杺鞲衅魇且环N磁傳感器，用它可以檢測(cè)磁場(chǎng)及其變化，可在各種與磁場(chǎng)有關(guān)的場(chǎng)合中使用。其具有電流上升率大、響應(yīng)速度快、過載能力強(qiáng)、體積小、質(zhì)量輕及安裝簡(jiǎn)單方便的優(yōu)點(diǎn)。設(shè)計(jì)的霍爾傳感器安裝結(jié)構(gòu)如圖2所示。該安裝機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)巧妙，可適用于不同型號(hào)車輪的輪速采集。

2.2 單片機(jī)測(cè)速模塊

STC89C52芯片作為測(cè)速的核心模塊，外部中斷用來檢測(cè)霍爾傳感器的脈沖，定時(shí)/計(jì)數(shù)器T0用來定時(shí)。測(cè)速原理是在單位時(shí)間內(nèi)累計(jì)脈沖個(gè)數(shù)或在相鄰脈沖間累計(jì)時(shí)間，然后換算轉(zhuǎn)速。當(dāng)需要實(shí)時(shí)檢測(cè)外部IO口的信號(hào)時(shí)，需要用到外部中斷，普通IO口狀態(tài)檢測(cè)是通過程序循環(huán)掃描完成的，但不能保證實(shí)時(shí)性(如測(cè)量外部脈沖的觸發(fā)時(shí)間和寬度)，就必須用到外部中斷，STC89C52的外部中斷在P3^2和P3^3，中斷可以通過程序配置優(yōu)先級(jí)，默認(rèn)P3^2最高優(yōu)先級(jí)。定時(shí)/計(jì)數(shù)器的實(shí)質(zhì)是加1計(jì)數(shù)器(16位)，由高8位和低8位兩個(gè)寄存器組成。

1.軸承套 2.軸承 3.底座 4.強(qiáng)力磁鋼 5.板件 6.鎖緊裝置 7.傳感器模塊 8.霍爾傳感器探頭 9.傳感器安裝支架

2.3 LCD1602A液晶顯示模塊

為了便于在系統(tǒng)上、下位機(jī)通信過程中及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，保證通信正常，在下位機(jī)中添加可視化的數(shù)據(jù)顯示模塊，本系統(tǒng)選用的是液晶顯示器。該SMC1602A LCM型 LCD1602A液晶顯示器由長(zhǎng)沙太陽人電子有限公司生產(chǎn)，顯示容量16×2個(gè)字符，芯片工作電壓4.5～5.5V，工作電流2.0mA，模塊最佳工作電壓5.0V，字符尺寸2.95×4.35(WXH)mm?，F(xiàn)將字符串定義為字符數(shù)組，利用循環(huán)程序重復(fù)調(diào)用字符顯示程序。LCD 1602A可以采用兩種方式與單片機(jī)連接，一種是采用8位數(shù)據(jù)總線D0～D7和RS、R/W、EN3個(gè)控制端口；另一種是只用D4～D7作為4位數(shù)據(jù)分兩次傳送。

2.4 下位機(jī)和上位機(jī)通信模塊

下位機(jī)與上位機(jī)之間通過CH340集成USB轉(zhuǎn)串口芯片實(shí)現(xiàn)串口串行通信，單片機(jī)端與PC機(jī)用USB電纜連接，PC機(jī)需要安裝驅(qū)動(dòng)程序。在數(shù)據(jù)通信中，按每次傳送的數(shù)據(jù)位數(shù)，通信方式可分為并行通信和串行通信。如果一組數(shù)據(jù)的各數(shù)據(jù)位在多條線上同時(shí)被傳輸，這種傳輸方式稱為并行通信。串行通信是使用一條數(shù)據(jù)線，將數(shù)據(jù)一位一位地依次傳輸，每一位數(shù)據(jù)占據(jù)一個(gè)固定的時(shí)間長(zhǎng)度。在串行通訊中，根據(jù)時(shí)鐘控制數(shù)據(jù)發(fā)送和接收的方式，串行通訊又分為同步串行通信和異步串行通信。異步串行通信在發(fā)送端和接收端不需要保持嚴(yán)格的頻率一致，允許有時(shí)間的延遲，即收、發(fā)兩端的頻率差在10%以內(nèi)，都是可以保證正常通信的。因此，本系統(tǒng)使用串行異步通信，可滿足下位機(jī)與上位機(jī)的較長(zhǎng)距離數(shù)據(jù)傳輸。為了保證能夠成功地進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，在使用異步串行通信實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)必須指定4個(gè)參數(shù)，即傳輸?shù)牟ㄌ芈?、?duì)字符編碼的數(shù)據(jù)位數(shù)、奇偶校驗(yàn)位和停止位數(shù)。

2.5 LabVIEW上位機(jī)處理數(shù)據(jù)模塊

上位機(jī)界面采用LabVIEW圖形化編輯語言G編寫程序，實(shí)現(xiàn)通信數(shù)據(jù)在上位機(jī)界面實(shí)時(shí)顯示，同時(shí)計(jì)算并顯示實(shí)時(shí)滑移率。該系統(tǒng)LabVIEW串行通信中用到的函數(shù)節(jié)點(diǎn)為VISA配置串口、VISA寫入、VISA讀取、VISA關(guān)閉和VISA串口字節(jié)數(shù)。上位機(jī)界面顯示如圖3所示。前面板是圖形化的用戶界面，用于設(shè)置輸入數(shù)值和觀察輸出量，是人機(jī)交互的窗口，實(shí)現(xiàn)該功能使用到的LabVIEW函數(shù)庫包括數(shù)據(jù)采集、串口控制及數(shù)據(jù)顯示等。用戶界面包括顯示區(qū)域、讀取狀態(tài)和操作控制等。

圖3 上位機(jī)界面

3 實(shí)時(shí)滑移率計(jì)算及系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 實(shí)時(shí)滑移率計(jì)算

該系統(tǒng)對(duì)車身速度和驅(qū)動(dòng)輪輪速的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，結(jié)合現(xiàn)有對(duì)于滑移率的計(jì)算公式，編寫適用于滑移率計(jì)算的算法程序。式(1)是基于速度計(jì)算，所得結(jié)果是瞬時(shí)滑移率；式(2)是基于位移計(jì)算，所得結(jié)果是平均滑移率，即

(1)

(2)

式中μ—滑移率；

VW—驅(qū)動(dòng)輪輪速(km/h)；

V—車身實(shí)際速度(km/h)；

S1—驅(qū)動(dòng)輪實(shí)際行駛位移(m)；

S2—車身實(shí)際行駛位移(m)。

本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用式(1)計(jì)算實(shí)時(shí)滑移率。由于車輛行駛過程中從動(dòng)輪為純滾動(dòng)，因此式(1)中車身實(shí)際速度V由從動(dòng)輪輪速近似代替。根據(jù)計(jì)算原理的不同，輪速測(cè)定方法分為T法測(cè)速和M法測(cè)速，分別如式(3)和式(4)所示。

(3)

(4)

式中D—車輪直徑；

m—車輪一圈磁性材料個(gè)數(shù)；

T1—霍爾傳感器檢測(cè)到相鄰脈沖所間隔的時(shí)間(s)；

T2—單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)/計(jì)時(shí)器設(shè)定固定時(shí)間間隔(s)；

n—霍爾傳感器檢測(cè)在單位時(shí)間內(nèi)檢測(cè)到的脈沖個(gè)數(shù)。

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上電后霍爾傳感器開始工作，在車輪輻板處均布n塊直徑12mm的磁性材料，霍爾傳感器在檢測(cè)到磁性材料時(shí)TTL電平為0V等價(jià)于邏輯“0”；否則，霍爾傳感器TTL電平為+5V等價(jià)于邏輯“1”。該信號(hào)經(jīng)過P3^2口輸入到單片機(jī)中，下位機(jī)和上位機(jī)之間通過CH340集成USB轉(zhuǎn)串口芯片實(shí)現(xiàn)串口并行通信，上位機(jī)計(jì)算并顯示實(shí)時(shí)滑移率。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)程序流程如圖4所示。

圖4 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)程序流程圖

4 系統(tǒng)功能測(cè)試

為了檢驗(yàn)系統(tǒng)的性能，選用某型號(hào)后驅(qū)拖拉機(jī)作為試驗(yàn)平臺(tái)。經(jīng)試驗(yàn)得知：該車正常行駛最大速度48km/h，選取試驗(yàn)路面長(zhǎng)100m。

4.1 驅(qū)動(dòng)輪空轉(zhuǎn)時(shí)的測(cè)速精度試驗(yàn)

圖5為初次測(cè)速上位機(jī)記錄實(shí)時(shí)輪速圖。本次試驗(yàn)采用的測(cè)速方法為T法測(cè)速，上位機(jī)記錄的實(shí)時(shí)輪速有幾次較大波動(dòng)。經(jīng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)：由霍爾傳感器信號(hào)輸出線隨車身抖動(dòng)引起霍爾傳感器抖動(dòng)，后續(xù)試驗(yàn)加固了傳感器信號(hào)輸出線，防止其帶動(dòng)霍爾傳感器抖動(dòng)影響磁性脈沖檢測(cè)。圖6為調(diào)整后上位機(jī)記錄實(shí)時(shí)輪速圖。這次試驗(yàn)采用的測(cè)速方法為M法測(cè)速，試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的測(cè)速穩(wěn)定性。

圖5 初次測(cè)速上位機(jī)記錄實(shí)時(shí)輪速

圖6 調(diào)整后上位機(jī)記錄實(shí)時(shí)輪速

4.2 水平路面行駛時(shí)的測(cè)速精度試驗(yàn)

這次試驗(yàn)過程中，拖拉機(jī)采用電子擋位控制車速，分別選取從1.3到max的9個(gè)擋位。拖拉機(jī)在進(jìn)入試驗(yàn)路面之前開始一段穩(wěn)定調(diào)速過程，到達(dá)100m試驗(yàn)路面后可近似視作勻速行駛，且在這段距離行車中車輛輪胎與地面摩擦力足夠大，采集的從動(dòng)輪速度即為車身速度。測(cè)速精度試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。由表1可知：該系統(tǒng)測(cè)速誤差率最大為8.7%，最小值為0.09%，平均值為1.61%，可以滿足監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)高精度數(shù)據(jù)獲取的要求。

4.3 模擬完全陷車狀態(tài)下實(shí)時(shí)滑移率監(jiān)測(cè)試驗(yàn)

為了初步檢驗(yàn)輪式拖拉機(jī)滑移率實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，進(jìn)行了模擬完全陷車狀態(tài)下的試驗(yàn)。完全陷車狀態(tài)時(shí)，拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從動(dòng)輪不轉(zhuǎn)動(dòng)。由于在實(shí)際行車過程中輪式拖拉機(jī)的從動(dòng)輪運(yùn)動(dòng)近似為純滾動(dòng)，因此可將從動(dòng)輪前進(jìn)速度視作車身速度。試驗(yàn)中，分別采集從動(dòng)輪速度和驅(qū)動(dòng)輪速度作為滑移率計(jì)算的數(shù)據(jù)來源。試驗(yàn)時(shí)，霍爾傳感器安裝在驅(qū)動(dòng)輪和從動(dòng)輪輪軸上，拖拉機(jī)后橋用1對(duì)千斤頂支起，數(shù)顯可調(diào)開關(guān)電源調(diào)至不同檔位，驅(qū)動(dòng)輪空轉(zhuǎn)。上位機(jī)顯示界面如圖7所示。由圖7可知：驅(qū)動(dòng)輪速度為12.71km/h、車身速度為0km/h時(shí)，讀取數(shù)據(jù)狀態(tài)欄顯示正常，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定正常。

表1 測(cè)速精度試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖7 上位機(jī)界面顯示

5 結(jié)論

1)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基于LabVIEW和單片機(jī)的上位機(jī)配套基于霍爾傳感器的下位機(jī)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了拖拉機(jī)在行進(jìn)過程中瞬時(shí)滑移率的監(jiān)測(cè)，可為無人駕駛的拖拉機(jī)行車控制系統(tǒng)提供可靠的輪速、車速和滑移率信息，為無人駕駛農(nóng)用車輛在復(fù)雜工作環(huán)境中實(shí)現(xiàn)可靠反饋調(diào)整提供數(shù)據(jù)來源。

2)試驗(yàn)表明：輪式拖拉機(jī)行進(jìn)速度在48km/h以內(nèi)時(shí)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的測(cè)速誤差率最大為8.7%，最小值為0.09%，平均值為1.61%，可以滿足監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)高精度數(shù)據(jù)獲取的要求。