专利名称：适用于开沟作业拖拉机的自动走直控制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及开沟作业的设备，尤其涉及一种适用于开沟作业拖拉机的自动走直控制系统。
背景技术：
开沟设备主要用来满足基础建设施工开沟、光缆、电缆、管道铺设以及农田栽植开沟等。开沟设备在作业时一般采用农用拖拉机作为牵引设备，为了保证开沟的直线性，传统的方法为拉绳法，即，在开沟作业时，拖拉机牵引开沟设备沿绳子方向前进来保证开沟的直线性。对于拉绳法辅助开沟走直而言，具有以下局限性:(1)准备时间长，作业效率低；
(2)拉绳法受人为操作因素影响较大，开沟直线性差，不能满足直线性要求较高开沟作业需求；(3)对驾驶人员操作熟练程度要求较高，机手不易掌握；(4)此外，拉绳法为辅助导航作业，操作控制仍需要驾驶人员完成，驾驶人员劳动强度较大。另，目前,基于GNSS(Global Navigation Satellite System,全球卫星导航系统)的农机自动导航系统，由于以下原因，不能应用于开沟作业拖拉机:(1)基于GNSS的拖拉机自动导航的成本高，难以推广应用；(2)开沟作业速度一般为0.3-0.8km/h，而现有拖拉机自动导航系统进行导航作业时要求拖拉机行驶速度高于1.0km/h，无法应用于开沟作业。
发明内容
(一)要解决的技术问题本发明专利的目的是为了解决现有开沟走直作业操控难度大、精度低等技术问题。(二)技术方案为解决上述技术问题，本发明提供了一种适用于开沟作业拖拉机的自动走直控制系统，该系统包括:激光定位系统，所述激光定位系统用于发射激光扫平面，所发射的激光扫平面呈竖直状，且与预开沟轨迹重合；和走直控制系统，所述走直控制系统用于接收所述激光定位系统发出的激光扫平面信号，并据此控制拖拉机沿激光扫平面所标记的轨迹前行。优选的，所述激光定位系统包括激光扫平仪和三角支架，所述激光扫平仪活动安装在三角支架上，且激光扫平仪的位置和偏转角度可调整。优选的，所述走直控制系统包括激光接收器、控制器、电液比例方向阀、用于驱动拖拉机转向轮的转向油缸和用于测量转向轮转角的角位移传感器，所述激光接收器和角位移传感器接入控制器的输入端，所述控制器的输出端连接电液比例方向阀，所述电液比例方向阀驱动转向油缸。优选的，所述控制器依据所述激光接收器接收到的激光扫平面信号计算出当前运行位置与预开沟轨迹的横向偏差，并依据该横向偏差运算出目标转角，将该目标转角与角位移传感器实时检测到的当前偏转角度相比较，依据比较结果制定相应的动作指令，并以PWM功率信号的形式将所述的动作指令发送给电液比例方向阀。优选的，所述控制器的目标转角的运算方法采用导航控制算法，所述控制器的动作指令的运算方法采用转角控制算法。优选的，所述激光接收器包括位于同一水平面的前置接收器和后置接收器。优选的，所述前置接收器具有排布成一水平直线的若干光电池，所述若干光电池排布成的直线垂直于预开沟轨迹。优选的，所述后置接收器具有若干排布成一水平直线的若干光电池，该直线与所述前置接收器的光电池排布成的直线相平行且位于同一水平面，所述后置接收器的光电池与所述前置接收器的光电池沿着预开沟轨迹的方向前后一一对应设置，且，所述前置接收器的中心光电池与所述后置接收器的中心光电池的分别位于预开沟轨迹的正上方。优选的，所述走直控制系统还包括:用于驱动转向油缸的液压转向器，用于实现手动操控的所述液压转向器与用于实现自动操控的所述电液比例方向阀相并联；和用于控制切换液压转向器和电液比例方向阀的切换开关，所述切换开关连接控制器。优选的，该系统还包括控制面板，所述控制面板上排布有前置接收器和后置接收器的若干指示灯，该指示灯通过控制器连接激光接收器，用于大致标识当前开沟位置；所述控制面板上还设有切换按钮以及相应的指示灯，所述切换按钮连接切换开关，按下切换按钮即自动切换至手动操控状态；所述控制面板上还设有电源和应急按钮，所述应急按钮连接急停开关，按下应急按钮即自动走直控制系统失效。(三)有益效果本发明提供的适用于开沟作业拖拉机的自动走直控制系统，填补了激光开沟作业领域的空白，开创了将激光定位、电液比例控制等技术相结合用于开沟作业的先河，使开沟作业能够实现智能化走直的目的，且具有直线精度高和劳动强度低的特点，并有效降低了开沟作业智能化走直系统的成本。具体的:1、本发明的自动走直控制系统使得拖拉机走直控制功能能够实现数字化控制，是拖拉机走直导航、提高开沟质量、减轻驾驶员作业劳动强度的保证；比传统拉绳法等辅助导航控制方法更加精准，且不受农田作业环境限制；比基于GNSS的拖拉机自动导航成本更低，降低了推广门槛；2、本发明的自动走直控制系统使拖拉机转向的手动、自动操作间的切换灵活，提高了系统可靠性与易操作性；在自动走直控制系统出现异常状况时按急停按钮，走直控制系统断电失效，切换到人工驾驶状态，保证了拖拉机自动走直系统的安全性。3、本发明的自动走直控制系统能在不破坏拖拉机现有转向功能如提下，有效提闻系统的安装和使用的简便性，减小了本方法和装置推广应用过程中对拖拉机装备的依赖性。
图1是本发明的俯视示意图；图2是本发明的主视示意图；图3是本发明的原理框图；图4是本发明的结构示意图；图5是本发明的接收器光电池排布示意图；图6是本发明的主控面板实施例示意图；图7是本发明的控制方法流程图；其中:100、激光定位系统，101、激光扫平仪，102、三角支架，200、走直控制系统，201、激光接收器，202、控制器，203、电液比例方向阀，204、转向油缸，205、角位移传感器，206、液压转向器，207、切换开关，208、急停开关，209、蓄电池，210、接线盒。
具体实施例方式下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式
作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。如图1所示，一种适用于开沟作业拖拉机的自动走直控制系统，该系统包括激光定位系统100和走直控制系统200，其中的激光定位系统100用于发射激光扫平面，所发射的激光扫平面呈竖直状，且与预开沟轨迹重合；走直控制系统200用于接收激光定位系统100发出的激光扫平面信号，并据此控制拖拉机的前行方向，使其沿激光扫平面所标记的轨迹前行。该技术方案填补了激光开沟作业领域的空白，开创了将激光定位、电液比例控制等技术相结合用于开沟作业的先河，使开沟作业能够实现智能化走直的目的，且具有直线精度高和劳动强度低的特点，并有效降低了开沟作业智能化走直系统的成本。如图2所示，激光定位系统100优选设置为由激光扫平仪101和三角支架102等构成，激光扫平仪101以铰接等方式活动安装在三角支架102上，以提高其灵活性，使用时，将三角支架102固定于地面上，调整激光扫平仪101的位置和偏转角度，使激光扫平仪101发射的激光扫平面呈竖直状态，且与预开沟轨迹重合，进而提高走直的准确度。如图3、4和5所示，走直控制系统200主要由激光接收器201、控制器202、电液比例方向阀203、转向油缸204和角位移传感器205等构成，激光接收器201和角位移传感器205接入控制器202的输入端，控制器202的输出端连接电液比例方向阀203，电液比例方向阀203连接转向油缸204 ;此外，该系统还包括如蓄电池209和接线盒210等部件，接线盒210连接在控制器202和各设备之间，用于优化连接线路，蓄电池209连接控制器202等，以供给电源。该系统利用电液比例控制技术与激光定位技术相结合，实现了开沟作业的智能化，并且该系统的结构简单，较之GNSS定位的开沟走直系统，该系统的成本低，尤其是不受限于0.3-0.8km/h的开沟速度，更有利于推广应用。首先，激光接收器201接收到的激光信号输入控制器202，控制器202依据激光信号计算出当前开沟位置与预开沟轨迹之间的横向偏差，并依据该横向偏差运算出目标转角，具体的:如图2和5所示，激光接收器201优选设置为包括位于同一水平面的前置接收器和后置接收器，前置接收器和后置接收器分别包括若干接收激光信号的光电池，前置接收器的若干光电池呈水平直线状排布，且该直线垂直于拖拉机前行方向，即垂直于预开沟轨迹；后置接收器的光电池排布成一水平直线，且该水平直线与后置接收器的光电池所排布成的直线相平行且位于同一水平面，并且，后置接收器的各光电池与前置接收器的光电池沿着预开沟轨迹方向一一对应；尤其是，前置接收器和后置接收器位于中心的光电池都位于预开沟轨迹的正上方，当前置接收器和后置接收器的中心光电池所连成的直线与激光扫平仪101所发射的激光扫平面重合时，即表明拖拉机开沟位置的横向偏差为零，即开沟轨迹与预开沟轨迹重合，此时，只要保持前置接收器的中心光电池与激光扫平面一直处于垂直状态即可保证开沟轨迹准确，实现了在正常作业时，采用单台激光接收器信号即能进行自动走直控制，提高了控制效率；当前置接收器和后置接收器的非中心位置的光电池所连成的直线与激光扫平仪101所发射的激光扫平面重合时，表明拖拉机开沟位置与预开沟轨迹有一定的偏差，即横向偏差，该横向偏差由控制器202按照所接收到的前置接收器和后置接收器的激光信号通过导航控制算法运算得出，并进一步的通过导航控制算法运算出目标转角，该目标转角是指消除该横向偏角理论上所需要偏转的角度。同时，角位移传感器205实时检测到的拖拉机转向轮的偏转角度信息输入控制器202，控制器202将前述的目标转角与角位移传感器205实时检测到的当前偏转状态相对应，同多目标转角与偏转角度相比较，采用转角控制算法计算出转向轮实际需转动的角度，依据该运算结果以PWM功率信号的形式发送动作指令给电液比例方向阀203。然后，由电液比例方向阀203驱使转向油缸204动作，进而改变拖拉机转向轮(前轮)的转角，令其及时复位至正确的开沟轨迹上。藉此，本发明的控制系统的精度高，经试验，本发明的实际开沟轨迹与预开沟轨迹的偏差可保持在5cm以内。另，如图3和4所示，本发明为进一步降低设备的安装应用成本，提高使用的灵活性，达到智能化操控系统不影响现有的手动操控系统的目的，走直控制系统200还包括液压转向器206、切换开关207和急停开关208，切换开关207接入控制器202，急停开关208接入控制器202，用于实现手动操控的液压转向器206和用于实现智能化自动操控的电液比例方向阀203相并联，切换开关207用于控制二者的切换，急停开关208用于系统发生故障或紧急情况时自动走直控制系统断电失效。本发明保留了原有的手动操控系统，并可实现手动和自动操控状态的自由切换，更加实用。如图6和7所示，为更充分的实现操控的智能化，本发明还公开了上述实施例的具体操控方法:如图6的控制面板，该面板上排布有前置接收器和后置接收器的若干指示灯，该指示灯通过控制器连接激光接收器，用于大致标识当前的开沟位置，以帮助手动操控开沟时对于开沟位置的把握，如标记为“中”的两个指示灯同时亮，表示此时横向偏差为零，即开沟轨迹与预开沟轨迹重合，若亮起的两个指示灯中只有一个或者零个“中”指示灯，则表示由一定的偏转角度，需要手动或者自动调整；所述控制面板上还设有切换按钮以及相应的指示灯，切换按钮连接切换开关207，按下切换按钮即自动切换至手动操控状态；该面板上还有电源和应急按钮，应急按钮连接急停开关208，当遇到突发状态可按下应急按钮，走直控制系统断电失效。如图7，具体操控的步骤包括:步骤1、对控制器控制周期、输入输出、导航控制参数、转向控制参数、状态变量进行初始化，包括工作模式标志位置为手动模式和手动指示灯点亮。步骤2、判断手动/自动按键是否按下:若手动/自动按键按下,判断工作模式标志位是否为自动模式:若为自动模式，则切换按钮工作模式标志位置为手动模式，自动模式指示灯熄灭，手动模式指示灯点亮；若非自动模式，则工作模式标志位置为自动模式，手动模式指示灯熄灭，自动模式指示灯点亮。步骤3、读取前置接收器状态，对应指示灯点亮，其他4盏指示灯熄灭；读取后置接收器状态，对应指示灯点亮，其他4盏指示灯熄灭；步骤4、判断工作模式标志位是否为自动模式:若非自动模式，PWM功率信号的占空比置为0，跳转到步骤2 ；步骤5、基于前置接收器和后置接收器的状态计算横向偏差，采用导航控制算法计算导向轮目标转角；读取角位移传感器测量值，计算导向轮当前转角与角速度，导向轮目标转角与测量转角进行比较，采用转向控制算法计算并输出PWM功率信号。步骤6、跳转到步骤2。综上，本发明相对于拉绳法辅助导航而言，本发明使得开沟作业直线精度达到厘米级，作业过程不需要人工控制转向操作，从而最大限度提高开沟直线性，提高作业质量，同时有效减轻驾驶人员劳动强度；还可以有效解决拉绳法适应性差、开沟直线性差的问题，提高开沟作业过程的直线跟踪控制精度，提高开沟效率与开沟作业质量。尤其是，突破了基于GNSS的拖拉机自动导航系统在开沟作业中的速度限制，且充分降低了成本，使得本发明的智能化开沟作业设备具有更高了推广价值。最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应当涵盖在本发明的权利要求范围当中。
权利要求
1.一种适用于开沟作业拖拉机的自动走直控制系统，其特征在于，该系统包括: 激光定位系统，所述激光定位系统用于发射激光扫平面，所发射的激光扫平面呈竖直状，且与预开沟轨迹重合； 和走直控制系统，所述走直控制系统用于接收所述激光定位系统发出的激光扫平面信号，并据此控制拖拉机沿激光扫平面所标记的轨迹前行。
2.根据权利要求1所述的适用于开沟作业拖拉机的自动走直控制系统，其特征在于:所述激光定位系统包括激光扫平仪和三角支架，所述激光扫平仪活动安装在三角支架上，且激光扫平仪的位置和偏转角度可调整。
3.根据权利要求1所述的适用于开沟作业拖拉机的自动走直控制系统，其特征在于:所述走直控制系统包括激光接收器、控制器、电液比例方向阀、用于驱动拖拉机转向轮的转向油缸和用于测量转向轮转角的角位移传感器，所述激光接收器和角位移传感器接入控制器的输入端，所述控制器的输出端连接电液比例方向阀，所述电液比例方向阀驱动转向油缸。
4.根据权利要求3所述的适用于开沟作业拖拉机的自动走直控制系统，其特征在于:所述控制器依据所述激光接收器接收到的激光扫平面信号计算出当前运行位置与预开沟轨迹的横向偏差，并依据该横向偏差运算出目标转角，将该目标转角与角位移传感器实时检测到的当前偏转角度相比较，依据比较结果制定相应的动作指令，并以PWM功率信号的形式将所述的动作指令发送给电液比例方向阀。
5.根据权利要求4所述的适用于开沟作业拖拉机的自动走直控制系统，其特征在于:所述控制器的目标转角的运算方法采用导航控制算法，所述控制器的动作指令的运算方法采用转角控制算法。
6.根据权利要求3所述的适用于开沟作业拖拉机的自动走直控制系统，其特征在于:所述激光接收器包括位于同一水平面的前置接收器和后置接收器。
7.根据权利要求6所述的适用于开沟作业拖拉机的自动走直控制系统，其特征在于:所述前置接收器具有排布成一水平直线的若干光电池，所述若干光电池排布成的直线垂直于预开沟轨迹。
8.根据权利要求7所述的适用于开沟作业拖拉机的自动走直控制系统，其特征在于:所述后置接收器具有若干排布成一水平直线的若干光电池，该直线与所述前置接收器的光电池排布成的直线相平行且位于同一水平面，所述后置接收器的光电池与所述前置接收器的光电池沿着预开沟轨迹的方向前后一一对应设置，且，所述前置接收器的中心光电池与所述后置接收器的中心光电池的分别位于预开沟轨迹的正上方。
9.根据权利要求8所述的适用于开沟作业拖拉机的自动走直控制系统，其特征在于，所述走直控制系统还包括: 用于驱动转向油缸的液压转向器，用于实现手动操控的所述液压转向器与用于实现自动操控的所述电液比例方向阀相并联； 和用于控制切换液压转向器和电液比例方向阀的切换开关，所述切换开关连接控制器。
10.根据权利要求9所述的适用于开沟作业拖拉机的自动走直控制系统，其特征在于:该系统还包括控制面板，所述控制面板上排布有前置接收器和后置接收器的若干指示灯，该指示灯通过控制器连接激光接收器，用于大致标识当前开沟位置； 所述控制面板上还设有切换按钮以及相应的指示灯，所述切换按钮连接切换开关，按下切换按钮即自动切换至手动操控状态； 所述控制面板上还设有电源和应急按钮，所述应急按钮连接急停开关，按下应急按钮即自动走直控 制系统失效。
全文摘要
本发明提供了一种适用于开沟作业拖拉机的自动走直控制系统，该系统包括激光定位系统，所述激光定位系统用于发射激光扫平面，所发射的激光扫平面呈竖直状，且与预开沟轨迹重合；和走直控制系统，所述走直控制系统用于接收所述激光定位系统发出的激光扫平面信号，并据此控制拖拉机沿激光扫平面所标记的轨迹前行；本发明提供的适用于开沟作业拖拉机的自动走直控制系统，填补了激光开沟作业领域的空白，使开沟作业能够实现智能化走直的目的，且具有直线精度高和劳动强度低的特点，并有效降低了开沟作业智能化走直系统的成本。
文档编号B60W30/10GK103171556SQ20131008707
公开日2013年6月26日 申请日期2013年3月19日 优先权日2013年3月19日
发明者付卫强, 孟志军, 武广伟, 丛岳, 董建军, 王沛东, 张瑞瑞, 罗长海, 李由 申请人:北京农业智能装备技术研究中心