农用拖拉机自动转弯路径与执行机构研究

摘要

拖拉机作为田间作业的主要农业机械，其无人驾驶技术是目前研究的热点。其中，拖拉机自动驾驶路径的规划对作业的质量和效率有着重要影响，是研究的重点。目前，田间试作业的无人驾驶拖拉机在地头自动转弯技术方面还有所欠缺，仍需要人为操作换向，直线作业时操作人员也要在拖拉机上，以便到达地头需要转弯时进行人工和自动驾驶的切换，由人工操作完成拖拉机的换行转弯。研究拖拉机在地头自动转弯的路径规划算法和执行机构可以为自动转向驾驶提供设计基础，提高田间作业的自动化、智能化，进一步提高田间作业精度，降低操作人员的劳动强度。 本文对农用拖拉机的转弯原理和转弯策略进行了分析，综合考虑拖拉机转弯半径、作业幅宽和地头转弯空间，提出了经过多次前进-后退来完成指定作业幅宽掉头的转弯策略。把农用拖拉机简化成具有阿克曼转向原理的矩形模型，在不忽略车身结构尺寸的前提下，针对前轮导向和后轮导向，分别建立基于后轮轴中心点和基于前轮轴中心点的转弯运动学模型。 依据农用拖拉机地头转弯策略及运动学模型，根据在有限的空间内完成指定作业幅宽的掉头目标要求，以前进-后退交替次数和作业幅宽误差作为寻找较优路径的判断条件，利用MATLAB设计了农用拖拉机在地头的转弯路径算法，该算法包括搜寻、前进-后退计算、寻优和生成轨迹图。利用MATLAB软件对设计的地头转弯路径规划算法进行了仿真分析，其结果表 明能对不同的作业情况完成最优转弯路径的寻找，可以为无人驾驶农用拖拉机地头自动转弯路径规划提供设计基础。为了直观的输出算法程序运行结果，利用GUI模块设计了地头转弯路径寻优界面。 为了能够按照规划路径转弯，在对博马-1104的原转向系统和现用自动转向执行机构研究的基础上，提出了两种自动转向执行机构的设计方案，通过分析，选择了并联液压转向器方案。通过对PID控制、比例控制和PD控制的分析，确定PD控制作为自动转向的控制方法，并进行了仿真分析，结果表明PD控制可以更快的达到平稳，超调量较小。 为了方便拖拉机转弯，减小转弯时的转动幅度，设计了一种转向辅助装置，以实现拖拉机的原地转向。通过计算和应力分析确定其结构，利用ADAMS软件分别对升降和转向运动进行了运动学分析，结果表明机构运行比较平稳，在转向时并不是以一个固定的转向中心进行转向的。利用ANSYS Workbench进行了应力分析，结果显示杆机构所受应力在其许用应力范围内，表明设计的机构在结构上基本合理。

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