薛金林 曹梓建 李雨晴

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 南京 210031)

0 引言

農(nóng)業(yè)拖拉機(jī)在田間工作時(shí)，其工作環(huán)境較為惡劣并且復(fù)雜多變，駕駛員長(zhǎng)期駕駛拖拉機(jī)不僅容易疲勞而且會(huì)導(dǎo)致作業(yè)質(zhì)量下降，甚至有可能發(fā)生意外事故，遙操作系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控，很好地解決了這個(gè)問(wèn)題[1-4]。但由于遙操作駕駛員遠(yuǎn)離拖拉機(jī)，因此對(duì)于路面信息的了解較少，不利于駕駛員對(duì)路面的判斷。因此需要對(duì)遙操作拖拉機(jī)進(jìn)行路感模擬設(shè)計(jì)。

目前對(duì)于路感的設(shè)計(jì)方法主要有3種，即傳感器測(cè)量法[5]、動(dòng)力學(xué)計(jì)算法[6]以及參數(shù)擬合法[7]。BAHAI[8]在轉(zhuǎn)向電機(jī)上安裝電流傳感器，并且通過(guò)算法估計(jì)出方向盤(pán)的阻力矩，通過(guò)路感電機(jī)反饋給駕駛員。從光好[9]建立方向盤(pán)力矩模型，選取路感有關(guān)的變量，擬合出方向盤(pán)力矩。謝有浩等[10]將線(xiàn)控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)轉(zhuǎn)向電機(jī)的轉(zhuǎn)向阻力矩等效為所克服轉(zhuǎn)向負(fù)載的方法，設(shè)計(jì)方向盤(pán)操縱轉(zhuǎn)向阻力矩，使之更接近傳統(tǒng)車(chē)輛的路感。劉彥琳等[11]建立汽車(chē)線(xiàn)控轉(zhuǎn)向動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果表明所提出路感反饋策略能為駕駛員提供合適的路感。趙含雪等[12]通過(guò)線(xiàn)控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)轉(zhuǎn)向電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流對(duì)反饋主力矩進(jìn)行設(shè)計(jì)，結(jié)合參數(shù)擬合法和動(dòng)力學(xué)計(jì)算法，清晰地還原了路感。楊學(xué)平等[13]從路感的影響因素出發(fā)，提出路感模擬的經(jīng)驗(yàn)公式，并采用模糊控制的方法來(lái)研究經(jīng)驗(yàn)公式中各函數(shù)和路感的關(guān)系，結(jié)果表明模擬出的路感提高了駕駛員的舒適性。解后循等[14]對(duì)農(nóng)用車(chē)輛電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)方向盤(pán)反饋力矩?cái)?shù)學(xué)模型進(jìn)行了分析，結(jié)果表明該方法能有效提高方向盤(pán)動(dòng)態(tài)反饋力矩的精度。魏波等[15]通過(guò)控制力矩電機(jī)電流的大小和正負(fù)來(lái)分別控制輸出力矩的大小和方向，結(jié)果表明系統(tǒng)有效可靠。

以上均是對(duì)具備線(xiàn)控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的傳統(tǒng)車(chē)輛進(jìn)行路感的設(shè)計(jì)，而對(duì)于遙操作車(chē)輛的路感研究較少。本文借鑒線(xiàn)控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中路感的研究思路，結(jié)合傳感器測(cè)量法和參數(shù)擬合法，以遙操作拖拉機(jī)為平臺(tái)對(duì)其路感進(jìn)行測(cè)試和模擬，首先提出系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求以及總體設(shè)計(jì)方案，再對(duì)拖拉機(jī)的路感產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行分析，通過(guò)對(duì)現(xiàn)有拖拉機(jī)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行改造以及路感測(cè)試系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)，完成遙操作拖拉機(jī)在不同路面的路感采集反饋實(shí)驗(yàn)，最后通過(guò)羅技轉(zhuǎn)向操縱裝置對(duì)不同路面的路感進(jìn)行模擬，以實(shí)現(xiàn)路感再現(xiàn)。

1 總體設(shè)計(jì)方案

所設(shè)計(jì)的遙操作拖拉機(jī)路感模擬系統(tǒng)應(yīng)滿(mǎn)足以下設(shè)計(jì)要求：①駕駛員可以通過(guò)發(fā)送指令遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)控制拖拉機(jī)。②遙操作駕駛員可以通過(guò)攝像頭觀察到路面類(lèi)型以便于路感模擬模式的切換。③駕駛員可以通過(guò)方向盤(pán)式操縱裝置實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向并獲得路感。

遙操作拖拉機(jī)路感模擬系統(tǒng)由遙操作控制端和拖拉機(jī)端組合而成，如圖1所示，兩者通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息傳輸。遙操作駕駛員通過(guò)上位機(jī)下達(dá)加速、剎車(chē)及熄火等指令，轉(zhuǎn)向指令的發(fā)送和路感模擬則是采用Logitech G29方向盤(pán)式轉(zhuǎn)向操縱裝置來(lái)完成，行駛時(shí)通過(guò)攝像頭反饋的路面信息確定路面類(lèi)型，然后通過(guò)按鍵切換來(lái)完成不同路面路感模擬。拖拉機(jī)端的視覺(jué)系統(tǒng)由前置攝像機(jī)和頂置攝像機(jī)組成，分別用來(lái)獲取道路前方以及拖拉機(jī)周邊的環(huán)境信息和路面種類(lèi)，而路感的測(cè)試則是由安裝在方向盤(pán)上的轉(zhuǎn)矩傳感器來(lái)完成。遙操作拖拉機(jī)路感模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路如下：首先通過(guò)加裝在方向盤(pán)上的轉(zhuǎn)矩傳感器測(cè)得拖拉機(jī)在草地、水泥路等幾種典型路面不同方向盤(pán)角度對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)向阻力矩，擬合出遙操作拖拉機(jī)在不同路面上方向盤(pán)角度和轉(zhuǎn)向阻力矩的關(guān)系。然后將前一步中得到的關(guān)系即幾種路面力反饋情況定義在Logitech G29轉(zhuǎn)向操縱裝置的按鍵上，最后行駛時(shí)通過(guò)攝像頭的視覺(jué)反饋確定路況，然后通過(guò)按鍵切換，由此完成路感模擬的模式化設(shè)計(jì)。

圖1 遙操作路感模擬系統(tǒng)框圖Fig.1 Road feel simulation system for teleoperation

2 拖拉機(jī)路感產(chǎn)生機(jī)理分析

路感就是車(chē)輛在直線(xiàn)行駛或轉(zhuǎn)向的過(guò)程中，駕駛員通過(guò)方向盤(pán)感受到的路面?zhèn)鬟f給方向盤(pán)的力矩信息。一般分為3類(lèi)[16]：直線(xiàn)行駛中的路感、回正過(guò)程中的路感和轉(zhuǎn)向過(guò)程中的路感。本文在利用Logitech G29轉(zhuǎn)向操縱裝置對(duì)路感進(jìn)行模擬時(shí)不希望操縱裝置震動(dòng)較大，同時(shí)轉(zhuǎn)向操縱裝置具備良好的回正性能，因此本文僅對(duì)轉(zhuǎn)向過(guò)程中的路感進(jìn)行研究。

方向盤(pán)的轉(zhuǎn)向阻力矩Td主要由理想反饋力矩Tfb、摩擦力矩Tfr、限位控制力矩Tlim、阻尼控制力矩Tdamp組成[16-17]，即

Td=Tfb+Tfr+Tlim+Tdamp

(1)

理想反饋力矩即車(chē)輛在行駛時(shí)反饋給駕駛員的力矩，它反映了車(chē)輛的行駛狀態(tài)、路面的附著情況以及回正力矩的變化等。該力矩是方向盤(pán)轉(zhuǎn)向阻力矩的重要組成部分，很多路感的設(shè)計(jì)都是圍繞該力矩展開(kāi)。

摩擦力矩主要是由轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中各個(gè)機(jī)械部件之間的相互摩擦造成的，該力矩并不能反映出車(chē)輛和路面的相關(guān)信息，不屬于有效的路感信息，可以說(shuō)是有效路感的“噪聲”，但在對(duì)路感模擬要求較高的系統(tǒng)中不可忽視。

車(chē)輛在高速行駛的過(guò)程中，方向盤(pán)較小的轉(zhuǎn)角變化可能就會(huì)使車(chē)輛失去穩(wěn)定性，為了避免這一現(xiàn)象的發(fā)生，在路感力矩中加入了阻尼控制力矩，對(duì)高速行駛中車(chē)輛的轉(zhuǎn)向起阻礙作用。該力矩和方向盤(pán)的角速度和車(chē)速呈正比例關(guān)系，有

Tdamp=Cdamp(v)ω

(2)

其中

(3)

式中Cdamp(v)——與車(chē)速v有關(guān)的函數(shù)

ω——方向盤(pán)角速度v1——臨界車(chē)速

kdamp——與車(chē)速相關(guān)的系數(shù)，用于調(diào)節(jié)阻尼

限位控制指的是轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤(pán)可以達(dá)到的最大角度，在傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，駕駛員和方向盤(pán)直接接觸，因此可以感受到方向盤(pán)的左右極限位置，而在遙操作系統(tǒng)中，限位控制需要重新設(shè)計(jì)，通過(guò)軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)駕駛員對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)左右極限位置的感知。當(dāng)方向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)到左右極限位置時(shí)引入?yún)?shù)Tlim，即

(4)

式中θ1——方向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)角

θlim——方向盤(pán)左右極限位置對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)角

klim——限位控制力矩系數(shù)

由于拖拉機(jī)行駛速度較低，可以不考慮阻尼控制力矩。而對(duì)于限位控制力矩，可以在Logitech G29方向盤(pán)中通過(guò)相關(guān)函數(shù)設(shè)置其左右極限從而使遙操作駕駛員感受到拖拉機(jī)方向盤(pán)的極限位置。因此，本文重點(diǎn)考慮理想反饋力矩和摩擦力矩，它們最終折算到方向盤(pán)上形成方向盤(pán)轉(zhuǎn)向阻力矩，在第4節(jié)對(duì)方向盤(pán)轉(zhuǎn)向阻力矩進(jìn)行實(shí)測(cè)。

3 遙操作拖拉機(jī)路感測(cè)試與模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了測(cè)試拖拉機(jī)在不同路面的路感為路感模擬提供數(shù)據(jù)支持，首先對(duì)現(xiàn)有拖拉機(jī)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行改造，其中包括傳感器與轉(zhuǎn)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)的安裝等，同時(shí)設(shè)計(jì)了路感測(cè)試系統(tǒng)的軟硬件，最后對(duì)Logitech G29方向盤(pán)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)來(lái)實(shí)現(xiàn)路感的模擬。

3.1 拖拉機(jī)轉(zhuǎn)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)改造

原有轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用電機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，并和齒輪系相結(jié)合來(lái)帶動(dòng)方向盤(pán)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向的方式，由于需要測(cè)試方向盤(pán)的轉(zhuǎn)向阻力矩，因此在方向盤(pán)和轉(zhuǎn)向電機(jī)之間安裝扭矩傳感器，如圖2所示，傳感器的下端軸通過(guò)齒輪和電機(jī)的齒輪嚙合，上端軸的齒輪作為主動(dòng)輪和方向盤(pán)上的從動(dòng)輪嚙合，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向以及方向盤(pán)力矩的測(cè)量。

圖2 改造后的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of modified steering system

該系統(tǒng)測(cè)量方向盤(pán)扭矩的原理為：給系統(tǒng)上電后，當(dāng)轉(zhuǎn)向電機(jī)帶動(dòng)傳感器的軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，傳感器軸上端的主動(dòng)輪帶動(dòng)方向盤(pán)的從動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，由于方向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中受到地面的阻力作用，因此傳感器的軸會(huì)發(fā)生扭變，該傳感器采用應(yīng)變片電測(cè)技術(shù)，當(dāng)傳感器的軸發(fā)生扭變時(shí)應(yīng)變片會(huì)產(chǎn)生電信號(hào)，將測(cè)得的電信號(hào)經(jīng)過(guò)傳感器內(nèi)部電路放大等一系列處理后使之成為便于系統(tǒng)采集的電壓信號(hào)。

原有轉(zhuǎn)向電機(jī)小齒輪齒數(shù)為17，模數(shù)為3.5 mm，方向盤(pán)大齒輪齒數(shù)為73，模數(shù)為3.5 mm。選取最佳安裝位置后，經(jīng)過(guò)測(cè)量，傳感器上端軸與方向盤(pán)轉(zhuǎn)向軸的中心距為165 mm，電機(jī)轉(zhuǎn)軸與傳感器下端軸的中心距為65 mm，根據(jù)

d=mz

(5)

(6)

式中m——齒輪模數(shù)z——齒輪齒數(shù)

z1——齒輪1齒數(shù)z2——齒輪2齒數(shù)

d——分度圓直徑a——中心距

計(jì)算可得傳感器上下軸齒輪齒數(shù)分別為21和20。

為了能夠精確地測(cè)量方向盤(pán)的轉(zhuǎn)向阻力矩，傳感器采用JN-DN型旋轉(zhuǎn)(動(dòng)態(tài))扭矩傳感器，該傳感器多用于電動(dòng)機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)、內(nèi)燃機(jī)等旋轉(zhuǎn)動(dòng)力設(shè)備輸出扭矩及功率的檢測(cè)，具有檢測(cè)精度高、穩(wěn)定性好、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。傳感器量程為-5～5 N·m，經(jīng)過(guò)計(jì)算量程滿(mǎn)足測(cè)量要求，為了便于采集，選用的微型JN-DN型傳感器輸出信號(hào)為1～5 V的模擬電壓，且輸出電壓和力矩線(xiàn)性相關(guān)。

3.2 遙操作拖拉機(jī)路感測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.2.1路感測(cè)試系統(tǒng)硬件優(yōu)化設(shè)計(jì)

原有的車(chē)載控制ECU采用的是基于ATMEGA8處理器的DM368控制板，在發(fā)送指令時(shí)極易出現(xiàn)數(shù)據(jù)擁堵的情況，因此對(duì)其進(jìn)行了更換。替代主板需要滿(mǎn)足的條件：①硬件接口具有至少5路模擬量輸入接口，8路開(kāi)關(guān)量輸出接口，具備RS485通信功能。②軟件運(yùn)行環(huán)境要求可以運(yùn)行Linux操作系統(tǒng)，具備RS485、開(kāi)關(guān)量、模擬量、相應(yīng)的底層API接口、支持多線(xiàn)程程序。為了滿(mǎn)足上述要求，選取樹(shù)莓派4B作為系統(tǒng)的主控制器，相比于之前的處理器，樹(shù)莓派4B的性?xún)r(jià)比較高，同時(shí)具有體積較小、穩(wěn)定高效等優(yōu)點(diǎn)，多用于物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，應(yīng)用領(lǐng)域較為廣泛[18-19]，同時(shí)選取AI擴(kuò)展板、DO擴(kuò)展板以及RS485通信板，可以滿(mǎn)足8路AD采集和開(kāi)關(guān)量控制。車(chē)載控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。遙操作駕駛員通過(guò)NVR(網(wǎng)絡(luò)硬盤(pán)錄像機(jī))回傳的前置攝像機(jī)以及頂置攝像機(jī)的視頻流來(lái)獲取拖拉機(jī)周?chē)沫h(huán)境以及路面的種類(lèi)，同時(shí)通過(guò)遙操作控制臺(tái)發(fā)送指令實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制。樹(shù)莓派控制模塊主要包括樹(shù)莓派主控板、AD采集板以及繼電器開(kāi)關(guān)控制板，實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)輪轉(zhuǎn)角、踏板位移以及方向盤(pán)轉(zhuǎn)向矩信息的采集，并由NVR通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸給遙操作端，其中對(duì)于方向盤(pán)轉(zhuǎn)向阻力矩的采集僅在調(diào)試時(shí)采用樹(shù)莓派，而在實(shí)測(cè)時(shí)采用基于LabVIEW設(shè)計(jì)的傳感器數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)讀取平臺(tái)。

圖3 車(chē)載控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 Structure diagram of on-board control system

3.2.2路感測(cè)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的主程序采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，主程序流程如圖4所示，程序開(kāi)始時(shí)首先進(jìn)行初始化，然后打開(kāi)串口對(duì)串口的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，包括端口號(hào)、波特率、數(shù)據(jù)位等設(shè)置，接著判斷是否關(guān)閉串口，如果是，則關(guān)閉串口，運(yùn)行結(jié)束；如果否，則給樹(shù)莓派上電后，運(yùn)行程序tractor_ctl，與樹(shù)莓派進(jìn)行通信，如果通信成功，則串口調(diào)試助手上顯示“UART OK!”，此時(shí)可以通過(guò)串口發(fā)送相關(guān)操作指令，指令執(zhí)行完成后會(huì)把相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送到樹(shù)莓派顯示器的Linux終端上。

圖4 主程序流程圖Fig.4 Flow chart of main program

本文的路感實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集軟件基于LabVIEW開(kāi)發(fā)，測(cè)試頁(yè)面如圖5所示。

圖5 路感數(shù)據(jù)讀取界面Fig.5 Interface of reading road feeling data

3.3 遙操作拖拉機(jī)路感模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)

文獻(xiàn)[20-23]表明路感力矩與車(chē)速以及方向盤(pán)的轉(zhuǎn)向角相關(guān)，車(chē)速對(duì)于路感力矩的影響相對(duì)于轉(zhuǎn)角較小，由于拖拉機(jī)是中低速行駛的車(chē)輛，因此車(chē)速對(duì)于轉(zhuǎn)向路感的影響更是微乎其微，本文將在第4節(jié)對(duì)遙操作拖拉機(jī)不同車(chē)速下的轉(zhuǎn)向阻力矩進(jìn)行實(shí)測(cè)來(lái)驗(yàn)證這一結(jié)論。以草地路感模擬為例，路感模擬的過(guò)程如圖6所示，首先進(jìn)行程序初始化。然后檢測(cè)草地路感模擬按鈕是否被按下，如果是則調(diào)整路感為草地模式，同時(shí)讀取Logitech G29轉(zhuǎn)向操縱裝置的轉(zhuǎn)向角來(lái)實(shí)現(xiàn)模擬力矩的改變，直到檢測(cè)到草地模擬按鈕被釋放，則結(jié)束該模式下的路感模擬。其他路面路感模擬類(lèi)似。

圖6 草地路感模擬流程圖Fig.6 Simulation flow chart of road sense for grass

Logitech G29轉(zhuǎn)向操縱裝置具備力反饋且反饋力大小可調(diào)的功能，將不同類(lèi)型路面的模擬函數(shù)定義在Logitech G29轉(zhuǎn)向操縱裝置的按鍵上，如圖7所示，行駛時(shí)通過(guò)攝像頭的視覺(jué)反饋確定路面類(lèi)型，然后通過(guò)按鍵切換，實(shí)現(xiàn)路感的“再現(xiàn)”。

圖7 方向盤(pán)按鍵功能制定Fig.7 Steering wheel key function formulation

4 遙操作拖拉機(jī)路感實(shí)測(cè)與路感模擬評(píng)價(jià)

選擇轉(zhuǎn)角作為路感力矩的影響因素，對(duì)拖拉機(jī)不同路面不同轉(zhuǎn)角下的路感力矩進(jìn)行實(shí)測(cè)，并將實(shí)測(cè)的轉(zhuǎn)向阻力矩?cái)?shù)據(jù)和轉(zhuǎn)角的關(guān)系進(jìn)行擬合，作為路感模擬的參考依據(jù)以便于Logitech G29方向盤(pán)進(jìn)行路感的模式化設(shè)計(jì)。

4.1 遙操作拖拉機(jī)路感測(cè)試

4.1.1實(shí)驗(yàn)方法

當(dāng)拖拉機(jī)前輪與后輪平行時(shí)，此時(shí)方向盤(pán)轉(zhuǎn)角為0°，右轉(zhuǎn)方向盤(pán)時(shí)所測(cè)轉(zhuǎn)向阻力矩為正，左轉(zhuǎn)方向盤(pán)所測(cè)力矩為負(fù)，發(fā)送轉(zhuǎn)向指令使方向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)一周，便可以得到轉(zhuǎn)向阻力矩隨時(shí)間的變化關(guān)系，轉(zhuǎn)向電機(jī)帶動(dòng)方向盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)為勻速圓周運(yùn)動(dòng)，方向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)一周為360°，因此可以將轉(zhuǎn)向阻力矩隨時(shí)間的變化關(guān)系看作是轉(zhuǎn)向阻力矩隨角度的變化關(guān)系，通過(guò)LabVIEW將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)出，并通過(guò)Matlab擬合出方向盤(pán)轉(zhuǎn)角-轉(zhuǎn)向阻力矩的關(guān)系曲線(xiàn)作為路感模擬的參考。

由于傳感器和方向盤(pán)之間采用齒輪傳動(dòng)，因此傳感器測(cè)量的轉(zhuǎn)矩并非方向盤(pán)的轉(zhuǎn)向阻力矩，方向盤(pán)轉(zhuǎn)向阻力矩計(jì)算示意圖如圖8所示，其中1、2為傳感器齒輪，齒數(shù)分別為20和21，3、4分別為轉(zhuǎn)向電機(jī)齒輪和方向盤(pán)齒輪，齒數(shù)為17和73，方向盤(pán)轉(zhuǎn)向阻力矩和傳感器所測(cè)轉(zhuǎn)矩的關(guān)系為

圖8 方向盤(pán)轉(zhuǎn)向阻力矩計(jì)算示意圖Fig.8 Diagram of steering wheel torque calculation diagram

(7)

式中Td——方向盤(pán)轉(zhuǎn)向阻力矩

Tse——傳感器所測(cè)力矩

zst——方向盤(pán)齒輪齒數(shù)

zse——傳感器齒輪齒數(shù)

η——齒輪傳動(dòng)效率，通常取0.98

為了測(cè)試系統(tǒng)的性能，進(jìn)行實(shí)車(chē)測(cè)試之前在南京農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)機(jī)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)拖拉機(jī)原地轉(zhuǎn)向的力矩進(jìn)行了實(shí)測(cè)，結(jié)果如圖9所示。由圖9可知，轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)向阻力矩的關(guān)系較為復(fù)雜，且曲線(xiàn)波動(dòng)較大，因此在實(shí)車(chē)實(shí)驗(yàn)時(shí)為了觀察轉(zhuǎn)向阻力矩的變化趨勢(shì)需對(duì)力矩曲線(xiàn)進(jìn)行平滑處理。

圖9 室內(nèi)原地轉(zhuǎn)向阻力矩曲線(xiàn)Fig.9 Curve of in-situ steering torque in laboratory

由文獻(xiàn)[24]可知，拖拉機(jī)在作業(yè)環(huán)境下速度通常為2～10 km/h，而在非作業(yè)環(huán)境下速度為10～25 km/h。本文將水泥和石子路面作為遙操作拖拉機(jī)在非作業(yè)模式下路感模擬的參照，將草地和土路面作為遙操作拖拉機(jī)在作業(yè)模式下路感模擬的參照。

4.1.2草地路感實(shí)測(cè)

拖拉機(jī)在作業(yè)環(huán)境下通常處于直線(xiàn)行駛狀態(tài)并且車(chē)速較低，而轉(zhuǎn)向一般發(fā)生在地頭，可以看作是原地轉(zhuǎn)向。本文對(duì)拖拉機(jī)在草地上原地轉(zhuǎn)向和行駛過(guò)程中的轉(zhuǎn)向路感進(jìn)行了實(shí)測(cè)，其中在對(duì)行駛中的拖拉機(jī)進(jìn)行路感實(shí)測(cè)時(shí)，車(chē)速取為5、8、10 km/h，實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景如圖10所示，選取長(zhǎng)度約為100 m的草坪作為實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地來(lái)完成測(cè)試。

圖10 草地路感實(shí)測(cè)場(chǎng)地Fig.10 Site of measuring grassland road feeling

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后利用Matlab對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并采用Curve Fitting工具對(duì)關(guān)系曲線(xiàn)進(jìn)行擬合，結(jié)果如圖11所示。由圖11可知，拖拉機(jī)在草地上原地轉(zhuǎn)向和行駛轉(zhuǎn)向時(shí)最大轉(zhuǎn)向阻力矩分別為1.95 N·m和1.67 N·m，無(wú)論是左轉(zhuǎn)或者是右轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)向阻力矩都隨著轉(zhuǎn)角的增大而增大，但是都在方向盤(pán)處于100°～120°時(shí)開(kāi)始回落且在200°時(shí)有小幅度的上升，同時(shí)不同車(chē)速下轉(zhuǎn)向阻力矩相差不大，拖拉機(jī)行駛轉(zhuǎn)向時(shí)的轉(zhuǎn)向阻力矩比原地轉(zhuǎn)向時(shí)略小。

圖11 草地原地及行駛轉(zhuǎn)向阻力矩曲線(xiàn)Fig.11 Curves of in-situ and running steering torque on grass

4.1.3水泥路面路感實(shí)測(cè)

拖拉機(jī)在非作業(yè)環(huán)境下行駛時(shí)車(chē)速一般較高，因此在進(jìn)行拖拉機(jī)行駛轉(zhuǎn)向路感測(cè)量時(shí)拖拉機(jī)的行駛速度分別選取10、15、20、25 km/h，用石灰粉標(biāo)記轉(zhuǎn)向的地方，如圖12所示，當(dāng)拖拉機(jī)到達(dá)參考線(xiàn)時(shí)完成轉(zhuǎn)向操作。

圖12 水泥路面路感實(shí)測(cè)場(chǎng)地Fig.12 Site of measuring cement road feeling

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖13所示。由圖13可得，拖拉機(jī)在水泥路面原地轉(zhuǎn)向和行駛轉(zhuǎn)向最大轉(zhuǎn)向阻力矩分別為3.97 N·m和2.71 N·m，與草地上轉(zhuǎn)向阻力矩的變化趨勢(shì)相同，轉(zhuǎn)向阻力矩都隨著轉(zhuǎn)角的增大而增大，并在方向盤(pán)轉(zhuǎn)角處于100°～120°時(shí)開(kāi)始有所回落且在200°時(shí)有小幅度的上升，而行駛狀態(tài)下的轉(zhuǎn)向阻力矩明顯小于原地轉(zhuǎn)向。由圖13b可得，車(chē)速對(duì)轉(zhuǎn)向阻力矩的影響較小，最大相差0.5 N·m。通過(guò)比較水泥路面和草地的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可知，水泥路面所測(cè)得的轉(zhuǎn)向阻力矩明顯大于草地。

圖13 水泥路面原地及行駛轉(zhuǎn)向阻力矩曲線(xiàn)Fig.13 Curves of in-situ and running steering torque on cement road

4.2 遙操作拖拉機(jī)路感模擬與評(píng)價(jià)

參考不同路面的力矩曲線(xiàn)，將不同路面轉(zhuǎn)角-轉(zhuǎn)向阻力矩變化關(guān)系寫(xiě)入轉(zhuǎn)向操縱裝置后，定義各個(gè)路面的模式切換按鈕，對(duì)草地和水泥路面的路感模擬展開(kāi)評(píng)價(jià)，實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景如圖14所示。

圖14 路感模擬實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景Fig.14 Scene of road feel simulation test

分別在草地和水泥路面進(jìn)行地頭轉(zhuǎn)向?qū)嶒?yàn)和直角轉(zhuǎn)彎實(shí)驗(yàn)，拖拉機(jī)行駛軌跡如圖15所示。

圖15 拖拉機(jī)行駛軌跡Fig.15 Movement track of tractor

路感的評(píng)價(jià)方法包括客觀評(píng)價(jià)和主觀評(píng)價(jià)兩種常見(jiàn)的評(píng)價(jià)方法。客觀評(píng)價(jià)是將一些參數(shù)作為路感評(píng)價(jià)的參考指標(biāo)，為路感評(píng)價(jià)提供數(shù)據(jù)支持。一般將中心操縱、反饋力矩水平和梯度、力反饋表現(xiàn)等參數(shù)作為評(píng)價(jià)路感的指標(biāo)[25]，只需將各個(gè)參數(shù)控制在一定的范圍內(nèi)，駕駛員就可以獲得理想的路感。由于客觀評(píng)價(jià)中部分參數(shù)的測(cè)量有一定困難，因此本文采取主觀評(píng)價(jià)的方法對(duì)基于Logitech G29方向盤(pán)模擬的路感展開(kāi)評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)指標(biāo)如表1所示。

表1 主觀評(píng)價(jià)指標(biāo)Tab.1 Subjective evaluation indexes

具體評(píng)價(jià)方法如下：選取從未接觸過(guò)遙操作系統(tǒng)的駕駛員6名，年齡20～30歲之間，其中女性1名，每個(gè)人都通過(guò)Logitech G29轉(zhuǎn)向操縱裝置遠(yuǎn)程操控完成左右轉(zhuǎn)彎3次，針對(duì)路感模擬的輕重、轉(zhuǎn)矩剛度以及平穩(wěn)性展開(kāi)評(píng)價(jià)，滿(mǎn)分10分，取每個(gè)人3次評(píng)價(jià)得分的平均值作為此駕駛員的評(píng)分，再求6個(gè)人每一項(xiàng)的評(píng)分均值作為該項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的得分。由于Logitech G29轉(zhuǎn)向操縱裝置本身具備良好的回正性能，因此對(duì)于轉(zhuǎn)向的回正性無(wú)需評(píng)價(jià)。輕便性、轉(zhuǎn)矩剛度、平穩(wěn)性、真實(shí)度得分分別為8.5、7.1、6.3、6.7。通過(guò)Logitech G29轉(zhuǎn)向操縱裝置模擬出的路感評(píng)分均在6.3～8.5分之間，驗(yàn)證了該方法模擬路感的可行性。

5 結(jié)論

(1)基于一臺(tái)已經(jīng)搭建完成的遙操作拖拉機(jī)進(jìn)行了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)改造，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)向路感的測(cè)試，并采用Logitech G29方向盤(pán)式轉(zhuǎn)向操縱裝置對(duì)路感進(jìn)行設(shè)計(jì)，完成了路感的模擬。

(2)對(duì)拖拉機(jī)在不同路面的路感進(jìn)行實(shí)測(cè)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，轉(zhuǎn)向阻力矩隨著轉(zhuǎn)角的增大而增大，并在方向盤(pán)轉(zhuǎn)角處于100°～120°時(shí)開(kāi)始回落且在轉(zhuǎn)角在200°左右有小幅度的上升。通過(guò)Logitech G29轉(zhuǎn)向操縱裝置對(duì)遙操作拖拉機(jī)路感展開(kāi)模擬，各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)得分均在6.3～8.5分之間，表明了該方法模擬路感的可行性。