CN103900496B - 连杆式农机车轮转角测量机构及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明解决的技术问题在于为农机自动导航控制***提供一种结构简单、易于安装的高精度车轮转角测量装置及测量方法。测量装置包括：连杆机构、采集模块和角度传感器。连杆机构与农机转向机构连接，将农机转向油缸的直线运动转换成角度传感器转动，或将农机转向臂的摆动转换成角度传感器转动；采集模块以32位嵌入式处理器为核心，具有多种角度传感器数据采集接口。测量方法根据车轮转角和角度传感器输出值之间的关系模型，把角度传感器的原始数据转换为车轮转角值。车轮转角测量装置及测量方法实现了机构、测量一体化设计，为农机自动导航控制***提供新的车轮转角测量装置与测量方法。

Description

连杆式农机车轮转角测量机构及测量方法

技术领域

本发明涉及车轮转角测量技术，具体地说是一种用于农机自动导航的车轮转角测量装置及测量方法。

背景技术

农机自动导航技术是现代农机装备的重要支持技术之一。实现农机的智能化导航，可以有效减少驾驶员的劳动强度，提高农田作业质量，具有重要的理论研究意义和实际应用价值。

在农机自动导航控制***中，车轮转角测量精度是影响导航控制精度的重要因素之一。现有测量农机车轮转角的传感器主要有电子尺、磁敏电阻式角度传感器和角度编码器。角度编码器需要一套连杆机构与其配合测量车轮转角，最常用的连杆机构是平行四杆机构。平行四杆机构的作用把车轮转角等量地转换到角度编码器上。

采用电子尺测量车轮转角需要高精度车轮转角仪对车轮转角标定，这无疑增加了成本；磁敏电阻式角度传感器对安装精度有较高的要求，需要角度传感器的旋转中心与主销中心同轴；采用平行四杆机构这种方法简单实用，但农机前桥结构复杂，建立平行四杆机构比较困难，不易于广泛推广。因此，针对农机自动导航中车轮转角测量存在的问题，研制开发一个经济、简单实用和能够广泛推广的车轮转角测量机构是很有必要的。

发明内容

针对上述问题，本发明解决的技术问题在于为农机自动导航控制***提供一种结构简单、易于安装的高精度车轮转角测量装置及测量方法。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种连杆式农机车轮转角测量机构及测量方法，包括连杆机构、角度传感器、转向油缸、主销及转向臂，其中连杆机构的一端与农机的前桥连接，另一端与转向油缸输出端连接，所述转向臂的一端与转动安装于农机前桥上的主销连接，另一端与转向油缸输出端 连接，所述角度传感器设置于连杆机构的一端，所述转向油缸驱动转向臂和连杆机构转动。

所述连杆机构包括连接架、底架、上架、角度传感器支架、从动摆杆及主动杆，其中连接架的下端与转向油缸的输出端连接，上端与主动杆的一端铰接，所述主动杆的另一端与从动摆杆的一端铰接，所述底架和上架固接于农机前桥上，所述角度传感器支架安装于上架上，所述角度传感器设置于角度传感器支架上，所述从动摆杆的另一端与角度传感器连接。

所述角度传感器支架上设有用于保护传感器旋转轴的盖板。

所述从动摆杆的另一端通过顶丝与角度传感器的旋转轴连接。

所述主动杆包括拉杆、旋紧螺母、球头轴承、弹簧垫片及双紧固螺母，其中球头轴承包括球头杆和球头座，所述拉杆的两端为螺杆、并与球头轴承的球头座螺孔配合，所述旋紧螺母设置于拉杆两端，所述球头杆通过簧垫片及双紧固螺母与从动摆杆的一端连接。

所述角度传感器支架呈倒L型，角度传感器支架平行于地面的一侧为方形法兰，所述方形法兰上设有角度传感器定位孔和盖板定位孔，角度传感器支架垂直于地面的一侧设有用于与上架连接的定位孔。

所述从动摆杆的一端设有角度传感器旋转轴固定孔和顶丝孔，另一端沿长度方向设有多个通孔。

所述连接架上沿高度方向设有多个连接孔。

所述上架的形状与农机前桥的截面轮廓相对应，上架的一端设有螺孔，另一端设有固定板，所述固定板与角度传感器支架连接。

所述固定板上设有椭圆孔，在该椭圆孔处将固定板与角度传感器支架连接、并通过椭圆孔调节角度传感器支架的高度。

一种连杆式农机车轮转角测量方法，包括以下步骤：

采集角度传感器的输出值；

通过下式计算农机车轮转角α₂：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_1={\mathrm{\α}}_1+{\mathrm{\θ}}_1\\ {\mathrm{\ψ}}_2={\mathrm{\α}}_2+{\mathrm{\θ}}_2\\ A\cos {\mathrm{\θ}}_2+B\sin {\mathrm{\θ}}_2+C=0\end{array}\right.$

系数：A=2L₃L₄-2L₁L₃cosθ₁；

B=-2L₁L₃sinθ₁-2L₃L₅；

$C=L_1^2+L_3^2+L_4^2+L_5^2+2L_1{L}_5\sin {\mathrm{\θ}}_1-L_2^2-2L_1{L}_4\cos {\mathrm{\θ}}_1;$

式中：ψ₁为连杆机构在初始位置时，从动摆杆与水平方向的夹角；

ψ₂为连杆机构在初始位置时，主销轴中心和主动杆端点连线与水平方向的夹角；

α₁为角度传感器转角，角度传感器的输出值；

θ₁为连杆机构的输入角；

θ₂为连杆机构的输出角；

L₁为从动摆杆的长度；

L₂为主动杆长度；

L₃为主销轴中心到主动杆端点的长度；

L₄为主销轴中心与角度传感器旋转轴中心在水平方向上的距离；

L₅为主销轴中心与角度传感器旋转轴中心在垂直方向上的距离。

本发明具有以下优点及有益效果：

1.本发明结构简单、易于安装。

2.本发明实现了机构、测量一体化设计。

3.本发明的测量方法是从测量机构的精确机理模型推导得出，具有较高的精度度；同时，因为不需要对安装后的转角检测装置进行模型辨识，所以通用性较强。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明中连杆机构的机构示意图；

图3是本发明中主动杆的结构示意图；

图4是本发明中角度传感器支架的结构示意图；

图5是本发明中从动摆杆的结构示意图；

图6是本发明中上架的结构示意图。

图7是本发明中测量装置的测量原理示意图；

图8是本发明中采集模块的硬件结构图。

其中：1为连杆机构，2为角度传感器，3为转向油缸，4为转向臂，5为主销，6为前桥，7为连接架，8为底架，9为上架，9a为螺孔，9b为椭圆孔，9c为固定板，10为盖板，11为角度传感器支架，11a为定位孔，11b为盖板定位孔，11c固定板，12为从动摆杆，12a为角度传感器旋转轴固定孔，12b为顶丝孔，12c为通孔，13为主动杆，13a为拉杆，13b为旋紧螺母，13c为球头轴承，13d为弹簧垫圈，13e为双紧固螺母，A为主销旋转中心，E为角度传感器旋转中心，B、F为球头轴承的两个铰接点。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示，本发明包括连杆机构1、角度传感器2、转向油缸3、主销5及转向臂4，其中连杆机构1的一端与农机的前桥6连接，另一端与转向油缸3输出端连接。转向臂4的一端与转动安装于农机前桥6上的主销5连接，另一端与转向油缸3输出端连接，角度传感器2设置于连杆机构1的一端，主销旋转中心A、角度传感器旋转中心E和球头轴承的两个铰接点B、F构成任意四边形。转向油缸3驱动转向臂4和连杆机构1转动。

如图2所示，连杆机构1包括连接架7、底架8、上架9、角度传感器支架11、从动摆杆12、盖板10及主动杆13，其中连接架7的下端通过螺栓与转向油缸3的输出端连接，上端与主动杆13的一端铰接，主动杆13的另一端与从动摆杆12的一端铰接，底架8和上架9通过螺栓固接于农机前桥6上，角度传感器支架11安装于上架9上，角度传感器2设置于角度传感器支架11上，从 动摆杆12的另一端与通过顶丝与角度传感器2的旋转轴连接。角度传感器支架11上设有用于保护传感器旋转轴的盖板10。

如图3所示，主动杆13包括拉杆13a、旋紧螺母13b、球头轴承13c、弹簧垫片13d及双紧固螺母13e，其中球头轴承13c包括球头杆和球头座，拉杆13a的两端为螺杆、并与球头轴承13c的球头座螺孔配合。旋紧螺母13b设置于拉杆13a两端，球头杆通过簧垫片13d及双紧固螺母13e与从动摆杆12的一端连接。球头杆在一定角度范围内作倾斜运动，当主动杆13不平行与地面时，连杆机构1仍能正常工作。调整拉杆13a两端的螺杆与球头座螺孔的旋合长度进而调整主动杆13的长度，拉杆13a两端的螺杆上配有旋紧螺母13b，起紧固作用。弹簧垫圈13d和双紧固螺母13e起到防止松动的作用。

如图4所示，角度传感器支架11呈倒L型，角度传感器支架11平行于地面的一侧为方形法兰，方形法兰上设有两种定位孔，第一种是角度传感器定位孔11a，方形法兰中间是一大孔，大孔周围设有三个呈120°分布的小孔，用来安装固定角度传感器2；另一种是盖板定位孔11b，分布在方形法兰的四周，使角度传感器支架11与盖板10之间呈0°、90°、180°或270°固定。角度传感器支架11垂直于地面的一侧设有两个用于与上架9连接的定位孔。

如图5所示，从动摆杆12的一端设有角度传感器旋转轴固定孔12a和顶丝孔12b，另一端沿长度方向设有五个通孔12c。角度传感器2的旋转轴与角度传感器旋转轴固定孔12a为间隙配合，利用顶丝穿过顶丝孔12b，使从动摆杆12固定在角度传感器旋转轴上。球头轴承13c的球头杆穿过通孔12c，并采用弹簧垫圈13d、双紧固螺母13e紧固。五个通孔12c可以调整主动杆13在一侧的位置，连接架7上沿高度方向设有的四个通孔也具有相同的作用。

如图6所示，上架9的形状与农机前桥6的截面轮廓相对应，其形状更利于固定。上架9的一端设有两个螺孔9a,螺孔9a的作用是可以利用顶丝穿过螺孔9a使上架9顶在农机前桥6上。上架9的另一端焊接有固定板9c，固定板9c上设有两个椭圆孔9b，在两个椭圆孔9b处将固定板9c与角度传感器支架11连 接，通过两个椭圆孔9b可以调整角度传感器2的高度，进而调整从动摆杆12的高度，最终使主动杆13与地面平行。

图7是测量装置的测量原理示意图。图7所示Y轴与地面平行指向拖拉机正前方且与从动摆杆重合，X轴与主销轴垂直。图7（a）为连杆机构的初始位置，即车轮方向为正前方。图7（b）为车轮转动一定角度后的简图。

A、B分别为主动杆的两个铰接点，E点为角度传感器旋转轴中心，F点为主销中心。规定从动摆杆在Y轴的右侧时，α₁、 为负；从动摆杆在在Y轴的左侧时，α₁、 为正。根据测量原理示意图可以推出车轮转角与角度传感器转角如下关系：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_1={\mathrm{\α}}_1+{\mathrm{\θ}}_1\\ {\mathrm{\ψ}}_2={\mathrm{\α}}_2+{\mathrm{\θ}}_2\\ A\cos {\mathrm{\θ}}_2+B\sin {\mathrm{\θ}}_2+C=0\end{array}\right.$

系数：A＝2L₃L₄-2L₁L₃cosθ₁

B＝-2L₁L₃sinθ₁-2L₃L₅

$C=L_1^2+L_3^2+L_4^2+L_5^2+2L_1{L}_5\sin {\mathrm{\θ}}_1-L_2^2-2L_1{L}_4\cos {\mathrm{\θ}}_1;$

式中：

ψ₁为连杆机构在初始位置时，摆杆与水平方向的夹角。

ψ₂为连杆机构在初始位置时，主销轴中心和主动杆端点连线与水平方向的夹角。

α₁为角度传感器转角。

α₂为车轮转角。

θ₁为连杆机构的输入角。

θ₂为连杆机构的输出角。

L₁为摆杆的长度。

L₂为主动杆长度。

L₃为主销轴中心到主动杆端点的长度。

L₄为主销轴中心与角度传感器旋转轴中心在水平方向上的距离。

L₅为主销轴中心与角度传感器旋转轴中心在垂直方向上的距离。

上式中需要测量的参数有ψ₁、ψ₂、α₁、L₁、L₂、L₃、L₄、L₅。

图8是采集模块的硬件结构图。采集模块由六部分组成，主要有最小单片机***、电源模块、模拟量调理电路、CAN驱动器、RS232驱动器、RS485驱动器。

单片机最小***由单片机芯片、电源***和晶振等组成，是模型的运算平台。采集模块中选用的单片机内部带有足够使用的RAM和Flash，并带有控制器局部网（CAN）控制器、模拟/数字转换器（ADC）、通用异步收发器（UART），这样可以简化硬件设计，提高硬件***的稳定性。

电源模块一款PWM控制模式的异步DC-DC降压型稳压器。电源模块提供的4.5V-29V的宽范围输入电压，使其同时能够适用于12V和24V的应用场合。

模拟量调理电路能增大电压信号的输入阻抗，将采样电阻的影响去除，并可以起到对电压信号进行缓冲、隔离的作用。

采集模块中采用CAN通信作为对外通信接口，连接在CAN总线上。CAN是一种支持实时分布式控制的串行通信网络，数据通信可靠性高、实时性强，能够满足本测量装置对通信的需求。由于采集模块选用的单片机内部带有CAN控制器，所以CAN通信接口模块主要由CAN驱动器构成，主要功能是将CAN控制器的逻辑电平转换为CAN总线的差分电平，并且具有DC 2500V的隔离功能。

本发明中选用的角度传感器为RS485输出的单圈绝对值光电编码器，所以角传感器输入接是RS485驱动器，主要功能是将角度传感器3输出的RS485差分电平信号，转换成TTL逻辑电平信号，并发送给单片机的UART接口，由单片机中的UART中断服务程序进行处理，计算当前农机车轮转角的值。

农机车轮转角测量方法，它通过建立车轮转角和角度传感器之间的线性关系模型，测量角度传感器的输出值来计算车轮转角值，其特征在于，具体步骤 包括：

S1：测量装置建模，根据测量装置的实际安装位置参数，采用解析法建立车轮转角和角度传感器输出值之间的关系模型。

S2：测量装置初始校准，将农机沿直线行驶10m，记录行驶过程中角度传感器的输出值，计算平均值作为测量装置的零点；

S3：车轮转角测量，采集模块获取角度传感器的输出值，利用步骤S1所建立的模型计算车轮转角，并发送到CAN总线上。

Claims (10)

1.一种连杆式农机车轮转角测量机构，其特征在于：包括连杆机构(1)、角度传感器(2)、转向油缸(3)、主销(5)及转向臂(4)，其中连杆机构(1)的一端与农机的前桥(6)连接，另一端与转向油缸(3)输出端连接，所述转向臂(4)的一端与转动安装于农机前桥(6)上的主销(5)连接，另一端与转向油缸(3)输出端连接，所述角度传感器(2)设置于连杆机构(1)的一端，所述转向油缸(3)驱动转向臂(4)和连杆机构(1)转动；

所述连杆机构(1)包括连接架(7)、底架(8)、上架(9)、角度传感器支架(11)、从动摆杆(12)及主动杆(13)，其中连接架(7)的下端与转向油缸(3)的输出端连接，上端与主动杆(13)的一端铰接，所述主动杆(13)的另一端与从动摆杆(12)的一端铰接，所述底架(8)和上架(9)固接于农机前桥(6)上，所述角度传感器支架(11)安装于上架(9)上，所述角度传感器(2)设置于角度传感器支架(11)上，所述从动摆杆(12)的另一端与角度传感器(2)连接。

2.按权利要求1所述的连杆式农机车轮转角测量机构，其特征在于：所述角度传感器支架(11)上设有用于保护传感器旋转轴的盖板(10)。

3.按权利要求1所述的连杆式农机车轮转角测量机构，其特征在于：所述从动摆杆(12)的另一端通过顶丝与角度传感器(2)的旋转轴连接。

4.按权利要求1所述的连杆式农机车轮转角测量机构，其特征在于：所述主动杆(13)包括拉杆(13a)、旋紧螺母(13b)、球头轴承(13c)、弹簧垫圈(13d)及双紧固螺母(13e)，其中球头轴承(13c)包括球头杆和球头座，所述拉杆(13a)的两端为螺杆、并与球头轴承(13c)的球头座螺孔配合，所述旋紧螺母(13b)设置于拉杆(13a)两端，所述球头杆通过弹簧垫圈(13d)及双紧固螺母(13e)与从动摆杆(12)的一端连接。

5.按权利要求1所述的连杆式农机车轮转角测量机构，其特征在于：所述角度传感器支架(11)呈倒L型，角度传感器支架(11)平行于地面的一侧为方形法兰，所述方形法兰上设有角度传感器定位孔(11a)和盖板定位孔(11b)，角度传感器支架(11)垂直于地面的一侧设有用于与上架(9)连接的定位孔。

6.按权利要求1所述的连杆式农机车轮转角测量机构，其特征在于：所述从动摆杆(12)的一端设有角度传感器旋转轴固定孔(12a)和顶丝孔(12b)，另一端沿长度方向设有多个通孔(12c)。

7.按权利要求1所述的连杆式农机车轮转角测量机构，其特征在于：所述连接架(7)上沿高度方向设有多个连接孔。

8.按权利要求1所述的连杆式农机车轮转角测量机构，其特征在于：所述上架(9)的形状与农机前桥(6)的截面轮廓相对应，上架(9)的一端设有螺孔(9a),另一端设有固定板(9c)，所述固定板(9c)与角度传感器支架(11)连接。

9.按权利要求8所述的连杆式农机车轮转角测量机构，其特征在于：所述固定板(9c)上设有椭圆孔(9b)，在该椭圆孔(9b)处将固定板(9c)与角度传感器支架(11)连接、并通过椭圆孔(9b)调节角度传感器支架(11)的高度。

10.按权利要求1所述的连杆式农机车轮转角测量机构的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

采集角度传感器(2)的输出值；

通过下式计算农机车轮转角α₂：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_1={\mathrm{\α}}_1+{\mathrm{\θ}}_1\\ {\mathrm{\ψ}}_2={\mathrm{\α}}_2+{\mathrm{\θ}}_2\\ A{\mathrm{cos\θ}}_2+B{\mathrm{sin\θ}}_2+C=0\end{array}\right.$

系数：A＝2L₃L₄-2L₁L₃cosθ₁；

B＝-2L₁L₃sinθ₁-2L₃L₅；

$C=L_1^2+L_3^2+L_4^2+L_5^2+2L_1{L}_5{\mathrm{sin\θ}}_1-L_2^2-2L_1{L}_4{\mathrm{cos\θ}}_1;$

式中：ψ₁为连杆机构(1)在初始位置时，从动摆杆(12)与水平方向的夹角；

ψ₂为连杆机构(1)在初始位置时，主销轴中心和主动杆(13)端点连线与水平方向的夹角；

α₁为角度传感器转角，角度传感器(2)的输出值；

θ₁为连杆机构(1)的输入角；

θ₂为连杆机构(1)的输出角；

L₁为从动摆杆(12)的长度；

L₂为主动杆(13)长度；

L₃为主销轴中心到主动杆(13)端点的长度；

L₄为主销轴中心与角度传感器旋转轴中心(E)在水平方向上的距离；

L₅为主销轴中心与角度传感器旋转轴中心(E)在垂直方向上的距离。