摘要：

針對(duì)我國高原和丘陵山地果園、茶園等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中，生草制管理所面臨的割草機(jī)械作業(yè)效率低、時(shí)間短及自動(dòng)化程度低的問題，結(jié)合自主設(shè)計(jì)的丘陵山地智能混動(dòng)割草機(jī)，設(shè)計(jì)一種可實(shí)時(shí)識(shí)別工況并自動(dòng)完成能量管理的割草機(jī)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以割草機(jī)實(shí)時(shí)接收的行駛工況識(shí)別信號(hào)為切入點(diǎn)，采用實(shí)時(shí)工況識(shí)別算法程序，依據(jù)不同類別工況的特點(diǎn)采取相應(yīng)的能量管理控制策略。通過搭建控制系統(tǒng)并結(jié)合作業(yè)工況，進(jìn)行該控制系統(tǒng)的性能試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：該控制系統(tǒng)能夠快速、準(zhǔn)確的響應(yīng)割草機(jī)動(dòng)力性與割草性能要求，且相比于同耗油量下無能量管理的油電混合割草機(jī)，其單次作業(yè)時(shí)間約增加18%。同時(shí)驗(yàn)證該工況識(shí)別系統(tǒng)的合理性，工況正確識(shí)別時(shí)長精度達(dá)到90%以上。

關(guān)鍵詞：智能混動(dòng)割草機(jī)；控制系統(tǒng)；實(shí)時(shí)工況識(shí)別；能量管理

中圖分類號(hào)：S817.11+1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-5553 （2024） 04-0123-09

收稿日期：2022年7月3日" 修回日期：2022年10月20日

基金項(xiàng)目：工業(yè)和信息化部2021年產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)再造和制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展重點(diǎn)項(xiàng)目（TC210H02V）

第一作者：趙鵬飛，男，1994年生，陜西渭南人，碩士研究生；研究方向?yàn)橹悄苻r(nóng)機(jī)裝備控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。E-mail： 472437686@qq.com

通訊作者：高巧明，男，1975年生，廣西柳州人，博士，教授級(jí)高級(jí)工程師；研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)機(jī)械化關(guān)鍵技術(shù)與裝備。E-mail： walkergao@163.com

Design of control system for intelligent hybrid lawn mower in hills and mountains

Zhao Pengfei1， Gao Qiaoming1， 2， Zeng Junhao1， Xiang Hao1， Xu Peng1， Wei Zengjian1

（1. School of Mechanical and Automotive Engineering， Guangxi University of Science and Technology， Liuzhou，

545006， China； 2. Huilaibao Machinery Manufacturing Co.， Ltd.， Hepu County， Beihai， 536100， China）

Abstract：

In view of the problems of low operation efficiency， short time and low degree of automation of mowing machinery faced by grass control management in agricultural production activities such as orchards and tea gardens in plateaus and hills in China， based on the self-designed intelligent hybrid lawn mower for hills and mountains， a lawn mower control system that can identify working conditions in real time and automatically complete energy management is designed. The system takes the driving condition identification signal received by the lawn mower in real time as the breakthrough point， adopts the real-time working condition identification algorithm program， and adopts the corresponding energy management control strategy according to the characteristics of different types of working conditions. The performance test of the control system is carried out by building the control system and combining with the working conditions. The test results show that the control system can quickly and accurately respond to the power and mowing performance requirements of the lawn mower， and its single operating time is approximately increased by 18%， compared with the hybrid lawn mower without energy management under the same fuel consumption. At the same time， the rationality of the working condition identification system is verified， and the accuracy of the correct identification duration of working conditions has reached more than 90%.

Keywords：

smart hybrid lawn mower； control system； working condition identification； energy management

0 引言

我國高原和丘陵山地面積廣袤，丘陵山地農(nóng)業(yè)資源豐富，但農(nóng)業(yè)機(jī)械化率卻遠(yuǎn)低于平原地區(qū)。且隨著丘陵山地農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們對(duì)果園、茶園等生草制管理要求的不斷提高，割草已成為其中的重要環(huán)節(jié)。目前，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)割草機(jī)及其應(yīng)用已進(jìn)行了一定的研究，如方策［1］針對(duì)河岸坡面草皮修剪工作的難題，研發(fā)出一款適用于河岸坡面的履帶式割草機(jī)，解決了河岸斜坡、陡坡上割草作業(yè)的難題。荊龍龍［2］設(shè)計(jì)了一款電動(dòng)割草機(jī)，并創(chuàng)新性的在割草機(jī)機(jī)身上安裝了一款小型發(fā)動(dòng)機(jī)，為其提供電能，提高了該割草機(jī)的續(xù)航時(shí)間。王軍洋［3］針對(duì)太陽能類型的割草機(jī)進(jìn)行了研究，并設(shè)計(jì)了太陽能割草機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)及光伏發(fā)電系統(tǒng)的控制策略。美國俄亥俄大學(xué)運(yùn)用陀螺儀和導(dǎo)航技術(shù)研發(fā)出了一款智能割草機(jī)，該割草機(jī)可以很好地實(shí)現(xiàn)定位導(dǎo)航和路徑規(guī)劃功能［4］。但目前針對(duì)智能混動(dòng)式割草機(jī)的研究還較少。

國外特殊的城市規(guī)劃環(huán)境及農(nóng)業(yè)地形，大多數(shù)主要以平原為主，割草機(jī)的動(dòng)力性能夠得到保證，故主要針對(duì)割草機(jī)的智能化進(jìn)行了廣泛的研究及應(yīng)用［5， 6］。而我國由于丘陵地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，傳統(tǒng)的燃油手推式割草機(jī)作業(yè)不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大，且有著不確定的危險(xiǎn)性，一般只適用于地面比較平坦和坡度較小的工況。電動(dòng)割草機(jī)受制于動(dòng)力電池技術(shù)，其續(xù)航時(shí)間短、作業(yè)效率低，且在丘陵山地雜草密度大及小型灌木等作業(yè)條件下動(dòng)力性欠缺。太陽能割草機(jī)通過太陽能發(fā)電并結(jié)合動(dòng)力電池來作為能源驅(qū)動(dòng)割草機(jī)工作，其功率較小，對(duì)于坡地和一些復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境動(dòng)力性較差。因此，需開發(fā)適用于丘陵山地作業(yè)的割草機(jī)，本文基于課題組自主研發(fā)的丘陵山地智能混動(dòng)割草機(jī)工作特點(diǎn)，主要針對(duì)該割草機(jī)的動(dòng)力匹配及控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)與試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)割草機(jī)作業(yè)的有效控制。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

丘陵山地智能混動(dòng)割草機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)與傳統(tǒng)類型的電動(dòng)系統(tǒng)不同，它是在割草機(jī)機(jī)身上布置多個(gè)動(dòng)力源，可在割草作業(yè)過程中提供電能補(bǔ)給的混合動(dòng)力割草機(jī)［7， 8］。該機(jī)由履帶機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、動(dòng)力電池、割刀、發(fā)動(dòng)機(jī)及發(fā)電機(jī)等組成，如圖1所示。

割草機(jī)割刀與發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械連接，由動(dòng)力電池與增程裝置為驅(qū)動(dòng)電機(jī)供電，整車控制器與發(fā)動(dòng)機(jī)控制器、發(fā)電機(jī)控制器及動(dòng)力電池管理系統(tǒng)信號(hào)連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的讀寫和控制指令的發(fā)送，來控制增程裝置各部件的執(zhí)行，并實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、動(dòng)力電池、割刀與增程裝置之間的能量分配。

1.2 工作原理

丘陵山地智能混動(dòng)割草機(jī)根據(jù)作業(yè)對(duì)象及工況的不同，通過設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)識(shí)別工況，依據(jù)不同類別工況的特點(diǎn)采取相應(yīng)的能量管理控制策略。工作原理主要分為4種工作模式，如圖2所示。純電動(dòng)模式下僅由動(dòng)力電池為驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供能量，發(fā)動(dòng)機(jī)僅為割刀提供所需的切割功率。電量保持模式下，發(fā)動(dòng)機(jī)在為割刀提供所需切割功率的同時(shí)，還帶動(dòng)發(fā)電機(jī)為動(dòng)力電池充能及為驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供所需能量。增程補(bǔ)償模式下由動(dòng)力電池和增程裝置共同為驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供所需的功率。再生制動(dòng)模式下部分機(jī)械能會(huì)經(jīng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)為電能儲(chǔ)存在動(dòng)力電池中。

2 動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配

動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)的合理匹配直接關(guān)系到整機(jī)的動(dòng)力性及控制性能，匹配出合理的整機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)是整機(jī)工況識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)及控制策略設(shè)計(jì)的前提。丘陵山地智能混動(dòng)割草機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)配置包括：驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇、動(dòng)力電池組的選擇、增程裝置的選擇與匹配［9］。

2.1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)配置

驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇需要考慮驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定功率和峰值功率，驅(qū)動(dòng)電機(jī)峰值功率需滿足行駛工況下最大需求功率。丘陵山地智能混動(dòng)割草機(jī)的極限工況為爬坡和原地轉(zhuǎn)彎，本文綜合兩種極限工況并結(jié)合實(shí)際將極限工況確定為草地作業(yè)時(shí)的原地轉(zhuǎn)彎工況，按式（1）～式（5）采取直接相加的方法確定最大牽引力。

3 工況識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)

丘陵山地果園、茶園等作業(yè)條件較為復(fù)雜，為提高割草機(jī)作業(yè)時(shí)間及降低油耗，需要割草機(jī)能夠依據(jù)不同作業(yè)對(duì)象及工況的特點(diǎn)，在作業(yè)過程中實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、動(dòng)力電池、割刀與增程裝置之間的能量合理分配。因此工況識(shí)別系統(tǒng)是丘陵山地智能混動(dòng)割草機(jī)控制系統(tǒng)研發(fā)的基礎(chǔ)［11］。

3.1 作業(yè)對(duì)象及工況分析

割草機(jī)在丘陵山地果園、茶園等實(shí)際作業(yè)中，作業(yè)對(duì)象主要分為兩類，其中一類是稀疏或局部密集型草本植物，另一類是以小型灌木為主。草本植物根莖細(xì)小，只需保證割刀具有足夠的切割速度即可；與草本植物相比，小型灌木植物根莖粗、韌性低，這就要求在保證割刀具有足夠切割速度的同時(shí)，割草機(jī)本身能夠提供一定的切割力度。同時(shí)丘陵山地果園、茶園等主要是平地與斜坡相結(jié)合的復(fù)合作業(yè)地形，其坡度主要為25°以下的緩坡和小于40°的陡坡。故本文將主要研究稀疏草地和密集草地/小型灌木下的平地和小于40°的坡地，兩種作業(yè)環(huán)境下的平地作業(yè)、縱坡作業(yè)、橫坡作業(yè)三類典型工況如圖3所示。同時(shí)選取割草機(jī)辨識(shí)度最高的最高速度vmax、最低速度vmin、俯仰角γ、偏航角ψ、橫滾角θ工況特征參數(shù)，結(jié)合設(shè)計(jì)及作業(yè)要求得出本機(jī)各工況類別的特征參數(shù)范圍如表2所示。

3.2 工況特征參數(shù)的提取與識(shí)別

本設(shè)計(jì)基于以上工況分類，搭建實(shí)時(shí)工況數(shù)據(jù)采集及工況識(shí)別系統(tǒng)如圖4所示，該系統(tǒng)由整車控制器、無線遙控器及九軸高精度陀螺儀HWT901B-TTL模塊組成。為實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)工況識(shí)別，需實(shí)時(shí)采集無線遙控器及九軸高精度陀螺儀HWT901B-TTL模塊數(shù)據(jù)，并按一定的時(shí)間周期反饋至整車控制器，解算實(shí)時(shí)工況特征參數(shù)并判別工況。特征參數(shù)的提取周期應(yīng)主要考慮兩方面，一方面是提取周期不應(yīng)過短，以消除割草機(jī)跨越臺(tái)階、壕溝等少數(shù)階躍變化時(shí)對(duì)工況識(shí)別的影響；另一方面提取周期過長將滯后割草機(jī)的工況識(shí)別。

vmax、vmin的特征參數(shù)可由無線遙控器端提取。本文以某款遙控器按鍵值（圖5）與割草機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)預(yù)先在程序中一一對(duì)應(yīng)的設(shè)定好，按鍵值64511、61439、63487、57343、65527、65533、65534、65531分別對(duì)應(yīng)前進(jìn)、后退、差速左轉(zhuǎn)、差速右轉(zhuǎn)、最高速度vmax、最低速度vmin、原地左轉(zhuǎn)、原地右轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。整車控制器接收到遙控端發(fā)來的信號(hào)后，按預(yù)先寫入的程序處理讀取到的數(shù)據(jù)，由按鍵值65527、65533即可對(duì)應(yīng)出最高速度vmax、最低速度vmin的特征參數(shù)。

圖5 遙控器按鍵值圖

Fig. 5 Remote control key value map

γ、ψ、θ三個(gè)特征參數(shù)（圖6）計(jì)算的快速性和精確性，對(duì)于制定本機(jī)的工況識(shí)別系統(tǒng)控制策略非常重要［12， 13］。整車控制器通過九軸高精度陀螺儀HWT901B-TTL模塊采集到加速度計(jì)的X軸分量ACC_X，Y軸分量ACC_Y，Z軸分量ACC_Z，以及分別繞X，Y，Z軸旋轉(zhuǎn)的角速度GYR_X，GYR_Y，GYR_Z的6個(gè)原始數(shù)據(jù)后通過模塊四元數(shù)算法解算后可得到四元數(shù)q0，q1，q2，q3。取計(jì)算姿態(tài)矩陣的旋轉(zhuǎn)順序?yàn)閆-Y-X，則姿態(tài)角的求解可按式（15）～式（17）確定。

γ=-sin-12（q1q3-q0q2）

（15）

θ=tan-12（q2q3+q0q1）q02-q12-q22+q32

（16）

ψ=tan-12（q1q2+q0q3）q02+q12-q22-q32

（17）

將提取到的工況特征參數(shù)與表2的特征區(qū)間匹配，判斷丘陵山地智能混動(dòng)割草機(jī)行駛的工況類別并輸出其代號(hào)。整車控制器基于表2特征參數(shù)區(qū)間值，每隔2s與提取的5個(gè)特征參數(shù)相匹配，判斷割草機(jī)所處的工況類別：當(dāng)特征參數(shù)處于平地作業(yè)的特征參數(shù)區(qū)間，則輸出平地作業(yè)的工況類別代號(hào)1；當(dāng)特征參數(shù)處于縱坡作業(yè)的特征參數(shù)區(qū)間，則輸出縱坡作業(yè)的工況類別代號(hào)2，當(dāng)特征參數(shù)處于橫坡作業(yè)的特征參數(shù)區(qū)間，則輸出橫坡作業(yè)的工況類別代號(hào)3，否則將保持輸出上一個(gè)工況類別代號(hào)。

3.3 工況識(shí)別系統(tǒng)控制策略設(shè)計(jì)

工況識(shí)別系統(tǒng)控制策略是整機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的中心環(huán)節(jié)，具體控制策略是：由工況識(shí)別系統(tǒng)進(jìn)行工況特征參數(shù)的提取與識(shí)別后，根據(jù)作業(yè)工況類別代號(hào)，執(zhí)行相應(yīng)工況的控制策略，將整車動(dòng)力電池和增程裝置提供的功率合理分配給驅(qū)動(dòng)電機(jī)和割刀。通常情況下，割草機(jī)作業(yè)開始前動(dòng)力電池組已充滿電，其SOC值較高，故設(shè)定割草機(jī)運(yùn)行初始狀態(tài)為低速平地作業(yè)工況。丘陵山地智能混動(dòng)割草機(jī)的工況識(shí)別系統(tǒng)控制策略如圖7所示。

圖7中，SOCmin_P，SOCmin_H，SOCmin_Z分別為平地作業(yè)工況、橫坡作業(yè)工況與縱坡作業(yè)工況下設(shè)定的動(dòng)力電池組SOC下限值；Pbat_lim為電池的最大持續(xù)放電功率；Pgen為選取的發(fā)電機(jī)定點(diǎn)工作功率；Preq為割草機(jī)的需求功率，計(jì)算如式（18）所示。

Preq=TMotωMot

（18）

式中：

TMot——驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩；

ωMot——驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速。

4 整機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

丘陵山地智能混動(dòng)割草機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖8所示?？刂葡到y(tǒng)主要包括24V、48V高電壓總線、5V低電壓總線、輸入信號(hào)線、控制信號(hào)線以及主控制處理器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、直線推桿電機(jī)、直線推桿電機(jī)驅(qū)動(dòng)板、DC-DC升壓模塊、8路繼電器模塊、九軸高精度陀螺儀模塊、無線接收模塊、BMS模塊、多路電源模塊、動(dòng)力電池組、其他輔助件等部分。24V、48V高電壓總線通過配電盒將增程裝置和動(dòng)力電池組能量進(jìn)行分配，保證整機(jī)運(yùn)動(dòng)控制部件的能量供應(yīng)，驅(qū)動(dòng)整機(jī)工作。5V低電壓總線保證各控制器、檢測模塊及收發(fā)模塊的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。輸入信號(hào)線和控制信號(hào)線主要完成對(duì)割草機(jī)數(shù)據(jù)信息的讀寫和控制指令的發(fā)送，實(shí)現(xiàn)割草機(jī)各部分功能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

控制系統(tǒng)硬件［14］組成如圖9所示。整機(jī)控制系統(tǒng)以STM32F407ZGT6主控制器為處理核心，進(jìn)行HW901B-TTL陀螺儀傳感器、HC-12 SI4463無線接收模塊等輸入信號(hào)的實(shí)時(shí)檢測、處理，完成割草機(jī)的工況識(shí)別與運(yùn)動(dòng)控制［15-17］。由STM32F103C8T6控制板K1控制發(fā)電機(jī)的工作狀態(tài)、STM32F103C8T6控制板K2控制發(fā)動(dòng)機(jī)油門大小、BMS集成模塊實(shí)時(shí)監(jiān)測動(dòng)力電池組的狀態(tài)，三者與主控制器實(shí)時(shí)進(jìn)行信號(hào)反饋與處理，采用實(shí)時(shí)工況識(shí)別算法程序共同完成整機(jī)的能量管理。

此外，主控制器還輸出控制信號(hào)完成驅(qū)動(dòng)電機(jī)、刀盤升降及其他輔件的控制。

4.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.2.1 控制系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)

割草機(jī)正常工作時(shí)運(yùn)行的主程序流程如圖10所示。當(dāng)處于開始位置時(shí)，整機(jī)控制系統(tǒng)5V上電，各控制器進(jìn)行初始化操作，包括I/O端口、系統(tǒng)時(shí)鐘、定時(shí)器、系統(tǒng)中斷等，之后系統(tǒng)執(zhí)行自檢程序進(jìn)行整機(jī)狀態(tài)的檢測，若系統(tǒng)異常，則表示啟動(dòng)失敗并報(bào)警提示［18］。若系統(tǒng)正常，則給整機(jī)24V、48V部件上電，上電完成后程序進(jìn)入循環(huán)體，開始不斷進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理，同時(shí)如果檢測到有故障信號(hào)，則運(yùn)行故障處理子程序，若無故障則輸出控制信息，以驅(qū)動(dòng)割草機(jī)執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作。

4.2.2 控制系統(tǒng)關(guān)鍵子程序設(shè)計(jì)

割草機(jī)的子程序工況識(shí)別控制流程如圖11所示，其主要完成割草機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制和工況識(shí)別判斷并按對(duì)應(yīng)的控制策略輸出相應(yīng)的控制信息。

各子程序在被主程序調(diào)用運(yùn)行完后，返回主程序。

在設(shè)定的定時(shí)計(jì)算周期滿足后，通過提取控制信息，將控制信息中的運(yùn)動(dòng)指令解析出來，判斷運(yùn)動(dòng)模式并輸出運(yùn)動(dòng)控制信號(hào)。同時(shí)從控制信息中提取5個(gè)工況特征參數(shù)，進(jìn)行特征參數(shù)區(qū)間匹配及判別工況，并根據(jù)工況類別執(zhí)行相應(yīng)的控制策略，輸出工況控制信號(hào)。圖12為割草機(jī)的故障處理子程序控制流程圖，其主要是在割草機(jī)發(fā)生相應(yīng)的故障時(shí)，能夠根據(jù)不同的故障代碼完成相應(yīng)的故障處理，以保證割草機(jī)作業(yè)時(shí)的有效性和安全性?？刂破髟诮邮盏焦收闲畔⒑螅M(jìn)行故障代碼的解析，若為信號(hào)接收故障，則進(jìn)行緊急制動(dòng)。若為電機(jī)控制器故障和BMS故障則進(jìn)行相應(yīng)的故障處理。

5 樣機(jī)與試驗(yàn)

為驗(yàn)證該控制系統(tǒng)的實(shí)際效果，本文以課題組自主研發(fā)的丘陵山地智能混動(dòng)割草機(jī)（圖13）為試驗(yàn)平臺(tái)，在廣西柳州市廣西科技大學(xué)內(nèi)經(jīng)考查與實(shí)測，選取了一塊與丘陵山地果樹園、茶園等地形環(huán)境較相仿的復(fù)合作業(yè)試驗(yàn)環(huán)境，經(jīng)評(píng)估其可以作為試驗(yàn)場所進(jìn)行該割草機(jī)控制系統(tǒng)部分的驗(yàn)證。并于2022年6月9—10日完成了典型工況的試驗(yàn)測試，主要進(jìn)行了該割草機(jī)控制系統(tǒng)的動(dòng)力性、作業(yè)時(shí)間及工況識(shí)別測試。

動(dòng)力性是實(shí)現(xiàn)該割草機(jī)良好控制的一項(xiàng)重要指標(biāo)。根據(jù)整機(jī)總體試驗(yàn)要求，通過在40°坡地上、作業(yè)速度為3～5km/h情況下進(jìn)行最極限的縱向坡面原地轉(zhuǎn)向測試來反映整機(jī)動(dòng)力性。該試驗(yàn)重復(fù)5次，平均每次原地轉(zhuǎn)30s，記錄每次30s內(nèi)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最大輸出功率結(jié)果如表3所示。

由表3可知，驅(qū)動(dòng)電機(jī)極限需求功率小于動(dòng)力系統(tǒng)配置的發(fā)電機(jī)最大輸出功率與動(dòng)力電池組最大持續(xù)放電功率之和，說明該割草機(jī)動(dòng)力性能滿足實(shí)際需求。

由于該割草機(jī)是在丘陵山地復(fù)雜環(huán)境下作業(yè)，因此作業(yè)時(shí)間是非常重要的指標(biāo)。試驗(yàn)時(shí)，在40°坡地和平地復(fù)合作業(yè)環(huán)境下、動(dòng)力電池滿電、發(fā)動(dòng)機(jī)滿油、作業(yè)速度為3～5km/h情況下，重復(fù)5次試驗(yàn)，記錄該割草機(jī)常規(guī)油電控制方式和智能混動(dòng)控制方式下的作業(yè)時(shí)間數(shù)據(jù)，如表4所示。

通過表4可以看出，同耗油量下該割草機(jī)智能混動(dòng)控制方式相比于常規(guī)無能量管理的油電控制方式，其單次作業(yè)時(shí)間約增加了18%，即智能混動(dòng)控制方式下的割草機(jī)油耗低于常規(guī)油電控制方式下的割草機(jī)。

丘陵山地智能混動(dòng)割草機(jī)在果園、茶園等行間作業(yè)時(shí)，工況識(shí)別的正確性與直線偏移率是反映整機(jī)控制系統(tǒng)性能的關(guān)鍵指標(biāo)。工況識(shí)別試驗(yàn)時(shí)，在40°坡地和平地復(fù)合作業(yè)環(huán)境、作業(yè)速度為3～5km/h下讓該割草機(jī)在94s內(nèi)連續(xù)通過平地、縱坡、橫坡三類典型作業(yè)工況并記錄了俯仰角γ和橫滾角θ，如圖14所示。

直線偏移率試驗(yàn)時(shí)，讓割草機(jī)分別在平地、縱坡、橫坡三類典型作業(yè)工況預(yù)定的路線上，以3km/h低速行駛作業(yè)50m，進(jìn)行3次試驗(yàn)，并記錄偏航角ψ如圖15所示。

由圖15可知，該割草機(jī)在三類作業(yè)工況下，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)閉環(huán)程序調(diào)節(jié)后的最大航向偏駛角度小于3°，平均偏角小于2°，但該偏差不會(huì)對(duì)行間作業(yè)產(chǎn)生重要影響。分析該割草機(jī)直線跑偏的主要原因是兩側(cè)履帶機(jī)構(gòu)因生產(chǎn)加工和裝配導(dǎo)致其內(nèi)部運(yùn)行工況有差異以及特征參數(shù)ψ提取計(jì)算具有周期性。

控制器以圖14的數(shù)據(jù)輸出了工況類別代號(hào)，并結(jié)合實(shí)際作業(yè)工況得到該割草機(jī)的工況識(shí)別測試結(jié)果如圖16所示。

由圖16可以看出，工況識(shí)別系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)作業(yè)工況的實(shí)時(shí)識(shí)別，當(dāng)割草機(jī)平地行駛作業(yè)時(shí)，控制器輸出平地工況狀態(tài)；當(dāng)割草機(jī)橫坡行駛作業(yè)時(shí)，控制器輸出橫坡工況狀態(tài)，當(dāng)割草機(jī)縱坡行駛作業(yè)時(shí)，控制器輸出縱坡工況狀態(tài)，但由于行駛作業(yè)工況的特征參數(shù)提取計(jì)算的周期性，工況識(shí)別有一定的延遲，導(dǎo)致部分識(shí)別結(jié)果與實(shí)際不符，但總體滿足設(shè)計(jì)要求。其工況正確識(shí)別時(shí)長精度達(dá)到了90%以上。

6 結(jié)論

1） 設(shè)計(jì)丘陵山地智能混動(dòng)割草機(jī)的整機(jī)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)該割草機(jī)的整機(jī)控制。該控制系統(tǒng)能夠滿足該割草機(jī)的各項(xiàng)動(dòng)力性要求。且智能混動(dòng)控制方式下的作業(yè)時(shí)間相比于常規(guī)無能量管理的油電控制方式，單次作業(yè)時(shí)間約增加18%，減小使用周期內(nèi)的燃油消耗量。

2） 設(shè)計(jì)一種可實(shí)時(shí)周期性工況識(shí)別并自動(dòng)完成能量管理的工況識(shí)別系統(tǒng)，通過制定的能量管理策略實(shí)現(xiàn)該割草機(jī)在不同工況下的能量差異化管理，試驗(yàn)表明該工況識(shí)別系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確識(shí)別該割草機(jī)的不同作業(yè)工況，其工況正確識(shí)別時(shí)長精度達(dá)到90%以上。該系統(tǒng)也為多動(dòng)力源系統(tǒng)在割草機(jī)上的智能化應(yīng)用提供一種新的思路和手段。

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