一种电液组合自动转向装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及车辆自动控制领域，特别是涉及一种电液组合自动转向装置及其控制方法。

背景技术

随着精准农业与智慧农业的发展，现代化农业技术体系逐渐成熟，农用机械也向无人化、智能化方向发展。同时，农业作业对农用机械的智能性与安全性提出了越来越高的要求，传统的农用机械采用手动操作方式，无法满足精准农业的作业需要。

自动转向是车辆无人驾驶技术中关键技术之一，现有自动转向装置多采用破坏农用车辆原有的转向装置，在其基础上加装额外系统的方式。但农用车辆转向系统构造较为复杂，在改装的同时往往会对农机造成一定程度的损伤，严重时会大幅减少其使用寿命及工作性能。现有自动转向控制方式多为使用PID算法对农机车辆液压系统中的电磁比例换向阀进行控制，转向系统无法得到反馈，会导致其转向精度降低；此外现有的自动转向控制方式通过再次加装额外的电路才可得到反馈，但是加装额外的电路会导致转向装置组成复杂，增加了成本。

发明内容

本发明的目的是提供一种电液组合自动转向装置及其控制方法，以较低成本实现高精度转向。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种电液组合自动转向装置，包括：

角度检测模块，用于检测转向系统在当前时刻的转向角度，获得当前实际偏转角度值；

转向控制器，与所述角度检测模块连接，用于采用PID控制方法，根据所述当前实际偏转角度值和当前时刻的偏转期望角度值生成当前控制信号；所述当前控制信号作为下一时刻的偏转期望角度值；

驱动模块，与所述转向控制器连接，用于根据所述当前控制信号输出当前驱动扭矩；

转向系统，与所述驱动模块连接，用于根据所述当前驱动扭矩进行转向。

可选地，所述转向控制器包括：

单片机，与所述角度检测模块连接，用于接收所述当前实际偏转角度值和当前时刻的偏转期望角度值；

模糊控制器，与所述单片机连接，且内置PID控制模型，用于计算所述当前实际偏转角度值与所述当前时刻的偏转期望角度值的差值，根据所述差值得到反馈信号，以及根据所述反馈信号生成所述当前控制信号；

电机驱动器，与所述模糊控制器连接，用于接收所述当前控制信号并传送所述当前控制信号至所述驱动模块。

可选地，所述单片机，还用于：

在初始时刻时，根据转向角变化曲线确定扭矩的阻值区间，并根据所述阻值区间生成控制指令；所述转向角变化曲线是根据对所述转向系统进行多次转向控制实验得到的多个转向角变化值绘制而成的；

所述模糊控制器还用于：

根据所述控制指令确定所述PID控制模型中的PID参数。

可选地，所述自动转向装置还包括：

扭矩限制器，与所述驱动模块同轴连接，用于对所述驱动扭矩进行限定。

可选地，所述转向系统包括：

转向轴，与所述驱动模块连接，用于传动所述驱动扭矩；所述扭矩限制器套设在所述转向轴上；

转向机，套设在所述转向轴上，用于在所述驱动扭矩的驱动下进行转动；

转向轮，与所述转向机连接，用于在所述转向机的带动下实现转向。

可选地，所述转向轴由上到下依次套设所述驱动模块、所述扭矩限制器和所述转向机。

可选地，所述驱动模块包括直流无刷电机；所述直流无刷电机的输出轴与所述转向轴连接，所述直流无刷电机用于驱动所述转向轴转动。

可选地，还包括：底盘和安装板；所述安装板位于所述底盘的上方，所述安装板与所述底盘之间具有容纳空间；所述转向轴由上到下依次穿设所述安装板和所述底盘；所述驱动模块设置在所述安装板上；所述扭矩限制器设置在所述容纳空间内；所述转向机设置在所述底盘的下表面。

可选地，还包括连接柱和连接件；

所述连接柱的一端通过所述连接件固定所述安装板；所述连接柱的另一端通过所述连接件固定所述底盘；所述安装板与所述底盘平行。

本发明还提供了一种电液组合自动转向控制方法，所述控制方法用于对上述所述的电液组合自动转向装置进行控制，所述控制方法，包括：

获取转向系统在当前时刻的转向角度，得到当前实际偏转角度值；

采用PID控制方法，根据所述当前实际偏转角度值和当前时刻的偏转期望角度值生成当前控制信号；所述当前控制信号作为下一时刻的偏转期望角度值；所述当前控制信号用于使所述驱动模块向所述转向系统输出当前驱动扭矩，以使得所述转向系统进行转向。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

通过驱动模块接收转向控制器的当前控制信号，输出当前驱动扭矩，转向模块根据当前驱动扭矩进行转向，然后通过角度检测模块获得当前实际偏转角度值，转向控制器根据当前实际偏转角度和当前偏转期望角度生成当前控制信号；当前控制信号作为下一时刻的偏转期望角度值；通过转向控制器和驱动模块直接相连接，无需安装额外的电路，即可将控制信号传输至转向系统使其进行转向，简化了转向装置的结构，降低了成本；此外通过角度检测模块将当前实际偏转角度值传送至转向控制器，转向控制器根据当前实际偏转角度和当前偏转期望角度生成当前控制信号；当前控制信号作为下一时刻的偏转期望角度值，能够实现转向系统的反馈，以实现高精度转向的需求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的电液组合自动转向装置的结构图；

图2为本发明实施例提供的电液组合自动转向装置的示意图；

图3为本发明实施例提供的电液组合自动转向控制方法的流程图；

图4为本发明实施例提供的电液组合自动转向装置的转向机结构图。

符号说明：

角度检测模块-1、转向控制器-2、驱动模块-3、转向系统-4、单片机-5、模糊控制器-6、电机驱动器-7、扭矩限制器-8、转向轴-9、转向机-10、转向轮-11、底盘-12、安装板-13、直流无刷电机-14、连接柱-15、连接件-16。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种电液组合自动转向装置及其控制方法，通过驱动模块接收转向控制器的当前控制信号，输出当前驱动扭矩，转向模块根据当前驱动扭矩进行转向，然后通过角度检测模块获得当前实际偏转角度值，转向控制器根据当前实际偏转角度和当前偏转期望角度生成当前控制信号；当前控制信号作为下一时刻的偏转期望角度值；通过转向控制器和驱动模块直接相连接，无需安装额外的电路，即可将控制信号传输至转向系统使其进行转向，简化了转向装置的结构，降低了成本；此外通过角度检测模块将当前实际偏转角度值传送至转向控制器，转向控制器根据当前实际偏转角度和当前偏转期望角度生成当前控制信号；当前控制信号作为下一时刻的偏转期望角度值，能够实现转向系统的反馈，以实现高精度转向的需求。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1

如图1所示，本实施例的自动转向装置包括：角度检测模块1、转向控制器2、驱动模块3和转向系统4；转向控制器2与角度检测模块1连接，驱动模块3与转向控制器2连接，转向系统4与驱动模块3连接。

角度检测模块1用于检测转向系统4在当前时刻的转向角度，获得当前实际偏转角度值；角度检测模块1选用非接触式角度测量装置，输出模拟电压信号的范围是0-5V，角度测量范围0-180°

转向控制器2用于采用PID控制方法，根据当前实际偏转角度值和当前时刻的偏转期望角度值生成当前控制信号；当前控制信号作为下一时刻的偏转期望角度值；驱动模块3用于根据当前控制信号输出当前驱动扭矩；转向系统4用于根据当前驱动扭矩进行转向。

具体地，转向系统4包括：转向轴9、转向机10和转向轮11；转向轴9与驱动模块3连接，转向机10套设在转向轴9上，转向轮11与转向机10连接。

转向轴9用于传动驱动扭矩，扭矩限制器8套设在转向轴9上；转向机10用于在驱动扭矩的驱动下进行转动；转向轮11用于在转向机10的带动下实现转向。转向轴9由上到下依次套设驱动模块3、扭矩限制器8和转向机10。转向机10为四孔全液压转向机。

具体地，驱动模块3包括直流无刷电机14；直流无刷电机14的输出轴与转向轴9连接，直流无刷电机14用于驱动转向轴9转动，驱动模块3的构件还包括L型减速器。电机驱动器7由24V、200W的直流无刷电机14和减速比为40的减速机也就是减速器组成，其额定输出扭矩和转速分别为18N·m和100r/min。

在一种实施例中，如图1所示，转向控制器2包括：单片机5、模糊控制器6和电机驱动器7，单片机5与角度检测模块1连接，模糊控制器6与单片机5连接，电机驱动器7与模糊控制器6连接。此外，转向控制器2上还设有CAN总线接口，通过连接单片机5和电机驱动器7，CAN总线用于将偏转期望角度值传送至单片机5，使得单片机5获取到偏转期望角度值。单片机5可选用PIC18F258型号的芯片。

单片机5与角度检测模块1连接，单片机5用于接收当前实际偏转角度值和当前时刻的偏转期望角度值；模糊控制器6与单片机5连接，且内置PID控制模型，模糊控制器6用于计算当前实际偏转角度值与当前时刻的偏转期望角度值的差值，根据差值得到反馈信号；根据差值得到反馈信号的具体过程如下：

当差值大于0时，驱动模块3朝某一方向旋转，使差值减小至0；当差值小于0时，驱动模块3朝相反方向旋转，使差值减小至0；当差值等于0时，驱动模块3停止。

模糊控制器6根据反馈信号生成当前控制信号，使其作用于电机驱动器7；该控制信号是发送至电机驱动器7的使能端、正反转控制端F/R和转速控制端Speed；电机驱动器7进一步驱动直流无刷电机14进行相应动作，直流无刷电机14通过转向轴9带动转向机10工作，转向系统4循环进行上述过程。

模糊控制器6采用PID控制方法控制驱动模块3的旋转方向与转速。

驱动模块3正反转控制方式为：用当前实际偏转角度值和当前时刻的偏转期望角度值做差，得到差值，通过判断差值的大小来控制；该差值用e

当e

模糊控制器6采用PID控制方法控制驱动模块3运转，其算法采用增量型PID控制算法：

u

其中，e为转向控制器2的输入信号，即偏转期望角度值

电机驱动器7与模糊控制器6连接，电机驱动器7用于接收当前控制信号并传送所述当前控制信号至驱动模块3。此时，角度检测模块1对下一时刻的的转向角度进行检测，从而进行下一次转向控制。直流无刷电机14的驱动器，其型号为BLD5-A-S。

具体地，现有自动转向系统多采用传统PID控制方法，转向系统中的PID参数固定，只适用于较少数的农用车辆，存在较大的局限性。因此，本实施例在转向控制之前，首先通过单片机确定适用于转向系统的PID控制模型中的PID参数，即对于不同的转向系统，可以灵活设置PID参数，使得PID控制模型与转型系统相匹配。本实施例提供的自动转向装置，能够适用多种不同的车辆，很好的解决了当前现有技术存在局限性的问题。

设置PID参数的过程：单片机5还用于在初始时刻时，根据转向角变化曲线确定扭矩的阻值区间，并根据阻值区间生成控制指令；转向角变化曲线是根据对转向系统4进行多次转向控制实验得到的多个转向角变化值绘制而成的；根据转向角变化曲线进而推算出转向装置所连接的转向机10的扭矩阻值区间。

扭矩是使机械构件产生转动效应并伴随扭转变形的力偶或者力矩，扭矩就是指驱动模块3输出的力矩，在功率固定的条件下，它与驱动模块3转速成反比关系，转速越快扭矩越小，反之越大。模糊控制器6还用于根据控制指令确定PID控制模型中的PID参数。即采用基于模糊控制的方法进行PID参数的整定，并进一步的采用PID控制方法控制直流无刷电机14的旋转方向和转速。

在一种实施例中，如图2所示，自动转向装置还包括扭矩限制器8，扭矩限制器8与驱动模块3同轴连接；扭矩限制器8用于对驱动扭矩进行限定。在扭矩超过设定值时，限制转向轴9所传动的扭力，也就是限制驱动模块3输出的驱动扭矩的扭力。扭矩限制器8选用动态扭矩限制器RTL65-2-20，限制扭矩范围为13.7-53.9Nm。

另外，自动转向装置采用的是车辆的原有液压发生系统。

在一种实施例中，如图2所示，自动转向装置还包括底盘12和安装板13；安装板13位于底盘12的上方，安装板13与底盘12之间具有容纳空间；转向轴9由上到下依次穿设安装板13和底盘12；驱动模块3设置在安装板13上；扭矩限制器8设置在容纳空间内；转向机10设置在底盘12的下表面。

具体地，自动转向装置还包括连接柱15和连接件16；连接柱15的一端通过连接件16固定安装板13；连接柱15的另一端通过连接件16固定底盘12；安装板13与底盘12平行。驱动模块3通过螺栓连接的方式连接安装板13，并进一步固定在车辆底盘12上，从而带动转向系统4工作。

本发明提供的自动转向装置的具体工作过程如下：

单片机5接收CAN总线上的期望偏转角度值、角度检测模块1测取到的转向轮11的实际偏转角度值；转向控制器2先根据初始PID参数控制转向系统4执行工作，进而推算出转向系统4所连接的转向机10的扭矩阻值区间，也就是驱动模块3输出的驱动扭矩的扭矩阻值区间。模糊控制器6并根据扭矩阻值区间，采用基于模糊控制的方法进行PID参数整定，并将控制信号发送至电机驱动器7，电机驱动器7驱动直流无刷电机14进行相应动作，驱动模块3也就是直流无刷电机14提供驱动扭矩，通过转向轴9带动转向机10工作，转向机10进而通过车辆原有液压系统带动转向轮11根据偏转期望角度进行偏转，角度检测模块1测取转向轮11的实际偏转角度值并将测取结果反馈输送至转向控制器2。转向系统4循环进行上述过程，其采用基于模糊控制的方法进行PID参数整定时，在确保系统反应时间的同时，尽可能的减少转向角的超调量，不断缩小输出PID区间的范围，直至达到转向过程达到最优效果，得出一组具体的PID参数。

如图4所示，转向机10的P口连接油泵，T口连接液压油箱，A口与B口分别与液压油缸的左腔与右腔连接，液压油缸的活塞杆通过羊角轴连接转向轮，进而通过活塞杆的往复运动带动转向轮11偏转相应角度。角度检测模块1通过U型螺栓、安装板13、摆臂以及球头连杆与转向轮11连接，来测取转向轮11的实际偏转角度值，并将角度值以模拟电压的形式反馈至转向控制器2。自动转向系统重复上述过程，直至角度检测模块1测取的转向轮11的实际偏转角度值与CAN总线上的期望角度值相同时，系统完成转向。

实施例2

如图3所示，本实施例的电液组合自动转向控制方法，用于对实施例1中的电液组合自动转向装置进行控制，控制方法包括：

获取转向系统在当前时刻的转向角度，得到当前实际偏转角度值。

采用PID控制方法，根据当前实际偏转角度值和当前时刻的偏转期望角度值生成当前控制信号；当前控制信号作为下一时刻的偏转期望角度值；当前控制信号用于使驱动模块3向转向系统4输出当前驱动扭矩，以使得转向系统4进行转向。

在初始时刻时，根据转向角变化曲线确定扭矩的阻值区间，并根据阻值区间生成控制指令；转向角变化曲线是根据对转向系统进行多次转向控制实验得到的多个转向角变化值绘制而成的；然后根据转向角变化曲线推算出扭矩的阻值区间，基于模糊控制的方法确定PID控制模型中的PID参数，即k

本发明的优点及有益效果如下：

本发明充分利用车辆原有的液压发生系统，制作成本较低，降低了车辆自动控制系统的整体成本；采用模糊控制，适用于绝大多数采用液压转向的农用车辆；转向系统4中加入了扭矩限制器8，降低了系统风险；转向控制器2上设有CAN总线通讯接口，易于接入无人驾驶控制系统。采用单片机5连接电机驱动器7控制直流无刷电机14的旋转方向与旋转速度，可以调整转向轮11的偏转角度范围。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。