[發明專利]懸掛式農具水平自動控制裝置

在審

• 申請號: 201810801279.1
• 申請日: 2018-07-20
• 公開（公告）號: CN108803644A
• 公開（公告）日: 2018-11-13
• 發明（設計）人: 張方明;李佳明;張歡歡
• 申請（專利權）人: 浙江大學寧波理工學院;寧波市鄞州麥谷農業科技有限公司
• 主分類號: G05D1/08
• 分類號: G05D1/08
• 代理公司: 寧波市鄞州甬致專利代理事務所(普通合伙) 33228
• 代理人: 李迎春

一種懸掛式農具水平自動控制裝置，采用上位機和ECU的體系結構，上位機控制器與ECU之間通過CAN總線電連接，ECU內部包含總線板卡、電磁閥板卡和GPSGYRO板卡，采用衛星定位接收機和傾角傳感器各自測量拖拉機車身的橫滾角。上位機控制器是整套裝置的總控制器，GPSGYRO板卡采集兩種傳感器的橫滾角，電磁閥板卡對懸掛式農具進行直接的測量與控制。傾角傳感器產生的繞Y軸的角速率、橫滾角和衛星接收機產生的橫滾角構成觀測量，車身的繞Y軸的角速率和橫滾角構成狀態量，通過Kalman濾波器的計算，提高當前車身的橫滾角的估計精度，基于此橫滾角和提升油缸的位移測量值對懸掛農具左右兩端的高低差進行間接的估計，由上位機控制電磁閥對懸掛式農具進行水平自動控制。

技術領域

本發明屬于農業裝備自動控制領域，具體涉及懸掛式農具的水平控制。

背景技術

懸掛式農具利用拖拉機提供動力或支撐平臺，在農業生產中被大量使用，例如懸掛式旋耕機、耙平機、根莖收獲機等。在南方水田種植地區，犁底層一般是不平坦的，并且存在一些排水溝，當拖拉機的一側輪胎落入排水溝或低洼點時，懸掛式農具會隨之傾斜，對耙平機而言，就失去了耙平的目的，對旋耕機或根莖收獲機而言，由于單側入土太深，不僅影響了作業的質量和效率，而且使農具的內部構件產生嚴重的受力不均現象，例如根莖收獲機的較深入土側連桿機構中的拉桿受力會嚴重超過設計載荷，極易使該拉桿斷裂而中斷作業，因此有必要為懸掛式農具配備水平自動控制裝置而使它時刻處于水平姿態。

懸掛式農具水平自動控制技術已經有所研究及發明，例如胡煉在《農機具自動水平控制系統設計與試驗》(《農業工程學報》,2015，Vol.31(8):(15～20))利用陀螺儀與位移傳感器獲取信息，通過控制電磁換向閥實現農機具水平控制。再如魏新華在《噴桿式噴霧機噴桿高度及平衡在線調控系統》(農業機械學報，2015，Vol.46(8):(66～71))利用超聲波測距，通過PLC控制比例換向閥組實現噴桿高度及平衡的調節。又例如陳君梅在《水田激光平地機非線性水平控制系統》(《農業機械學報》，2014，Vol.45(7)：(79～84))利用非線性PID控制算法實現機具在非目標位置時的快速反應，同時能減少超調和振蕩，具有快速性和穩定性。上述論文的被控目標自身無振動，姿態測量系統受噪聲或機械振動的干擾少，測量姿態的傳感器直接安裝在農具上，而根莖收獲機是依據鄂式曲柄連桿機構的運動機理，收獲機以5～8Hz的頻率挖掘土壤中的根莖，其振幅為10～20mm，這種強烈的振動使得直接進行機具的姿態測量變得困難。發明專利《前置式拖拉機水平自動控制裝置》(中國專利，201510843200.8)提出了一種間接測量農具姿態的方法，它把傾角傳感器安裝在拖拉機的機體上，再采用角位移傳感器采集傾斜提升油缸的位移量，上位機結合這兩個傳感器估算農具的傾斜而發出信號控制提升油缸動作而使農具保持水平。然而受性價比因素考慮，現有的傾角傳感器一般是基于MEMS陀螺儀、依靠一些姿態估計算法獲得傾角，其橫滾角的靜態測量精度可達0.01°，當拖拉機滿油門作業時，其自身的小幅機械振動仍不可避免，其測量精度可能降低到0.5°，極大地影響水平控制的效果。

采用RTK-GPS的衛星導航系統已經大量地在拖拉機上獲得推廣應用，伴隨我國的北斗導航系統的高速發展，裝備高精度衛星定位系統逐漸將成為農機發展的趨勢之一。近年來利用雙天線構成的衛星定位接收機在駕考領域獲得大量推廣應用，它在厘米級定位的基礎上，能提供精確的航向角和俯仰角，外界的機械振動對這兩個角度值的影響很小。如果把兩只天線一左一右分別擺放在拖拉機駕駛室頂部，衛星定位接收機就能夠實時輸出拖拉機的橫滾角，其精確度達到0.08°/2m，略低于傾角傳感器的靜態輸出精度，但此橫滾角不受機械振動的影響，因此，使用傾角傳感器與衛星導航系統中的衛星定位接收機兩種傳感器，共同測量拖拉機車身的橫滾角，通過多傳感器融合算法，將提高懸掛式農具的姿態估計的精度、水平自動控制的效果。

發明內容

為了解決懸掛式農具的水平自動控制裝置中傾角傳感器受拖拉機自身的機械振動而降低l測量精度的問題，本發明提供一種融合傾角傳感器和衛星定位接收機的懸掛式農具水平自動控制裝置。