适时全轮驱动的农田电动三轮车控制系统及控制方法

摘要

本发明公开了适时全轮驱动的农田电动三轮车控制系统及控制方法，控制单元根据采集来的速度信号判断是否在设定的偏差范围内，当偏离比例达到设定值时，控制单元控制三轮车前轮开始驱动，增加动力以改善偏离的数值；当进入全轮驱动时，每隔设定的时间检测偏离数值，当偏离数值仍大于设定值时，将再次等待设定的时间后判断，直到信号处理的数据小于设定值即前后轮稳定输出时，控制单元自动放弃前轮驱动，只对三轮车进行后轮驱动，并且根据各位置速度计算出总体移动速度，根据速度计算并执行喷雾或撒肥的用量。自动选择全轮驱动与否，降低功耗、合理分配附属作业功率，提高药肥利用率。

说明书

技术领域

本发明涉及自动化控制领域，尤其涉及一种适时全轮驱动的农田电动三轮车控制系统及控制方法。

背景技术

随着世界经济不断发展，科技与环境的都在不断地改变，人们对环保意识的不断提高，其中在交通运输行业发生了重大的转变，丰田、大众、通用、福特等汽车产业的带头企业先后进行生产产业变更重组，淘汰了曾经高油耗的品牌和产品，把节能与新能源汽车作为企业产品，把节能和新能源汽车作为企业产品研发的重中之重。

电动三轮车产品凭借其节能、实用、环保、便捷、经济的等优越性，在各地区特别是乡镇、农村，以及城乡之间的地区市场迅猛增长，旅游观光车等电动车，也被应用于各个领域，并在我国起着越来越重要的作用，在如今和未来的相当一段时间，人们注重环保、注重节能的理念日益增加，电动三轮车环保、便捷实用的优点日益凸显，在国内市场需求日益高涨。

我国机械化技术刚刚起步，尤其是农业电动机械化，地理环境以及国情等多种原因，我国的农田生产管理仍然以人工管理为主，机械化水平非常落后。真正适合中国地貌的农业机器非常少。一方面我国农作物种植面积划分行距有限，个人作业的土地较多，中大型农业机械无法进行作业。市场上的大中型植保机械品种较多、规格也比较全。但是真正适应目前农业生产的却很少。

但不可否认电动自动化正在从工业进入农业。现在我国田间管理主要以手动喷雾器、手动踏板式和背负式电动喷雾器为主。这种喷雾器劳动强度大、劳动效率低、农药利用率低，农作物生长需要多次打药施肥，而且要在雨后马上喷施，并且要求药液尽可能多的喷洒在作物的叶子上。所以，手工喷雾器劳动强度大，喷出的药液不均匀，弥漫性差，增大了药物残留，直接影响农作物粮食品质和产量，从而影响整个产业的发展，根本无法满足粮食、瓜果产业迅猛发展的需求。

我国是农业大国，技术、经济、文化的现代化进程不断发展，但我国农业大部分还处在小集体甚至个体户生产阶段，在种植、施肥、管理农作物、特别是水田农作物，作业环境艰苦，且效率不高极大地影响着我国生产力的发展。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种适时全轮驱动的农田电动三轮车控制系统及控制方法，实现农田作业中三轮车根据实际工作参数的实时适时的控制和优化，以克服农田中泥泞的道路等外部环境对行走及附属作业的严重影响，自动选择全轮驱动与否，降低功耗、合理分配附属作业功率，提高药肥利用率。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

适时全轮驱动的农田电动三轮车控制方法，包括，

控制单元根据采集来的速度信号判断是否在设定的偏差范围内，当偏离比例达到设定值时，控制单元控制三轮车前轮开始驱动，增加动力以改善偏离的数值；

当进入全轮驱动时，每隔设定的时间检测偏离数值，当偏离数值仍大于设定值时，将再次等待设定的时间后判断，直到信号处理的数据小于设定值即前后轮稳定输出时，控制单元自动放弃前轮驱动，只对三轮车进行后轮驱动，并且根据各位置速度计算出总体移动速度，根据速度计算并执行喷雾或撒肥的用量。

对采集来的前轮转向角度设置偏离区间，采集数据在偏离区间内变化时，同时采集三个轮的瞬时速度，折算出当前车轮线速度，两后轮瞬时的平均速度等于前轮的瞬时速度与前轮实际转向角度β的余弦值的乘积，前轮转向角度越大后轮平均速度就越小。

偏离区间为，两后轮瞬时的平均速度在前轮向前分速度的二分之一和二分之三之间。

当检测到各轮的速度不在偏离区间时，在间隔设定的一段时间后再次判定防止信号抖动的误差，若还是不在偏离区间内，将会自动的对前轮进行驱动，在等待设定时间后再次判定车轮速度的偏离状态，直到在偏离区间内时只驱动后轮。

在采集来给定的霍尔信号急速上升或者急速下降时，输出速度信号不能立即随霍尔信号变化，设定采集的霍尔信号为目标值，判定当前值与目标值大小，当目标值大时就输出当前的速度加上某额定数值，反之输出当前的速度减去这个额定数值，返回主程序，主程序会自动循环，进入下一次判定、输出，这就完成了控制信号的梯形加速。

控制单元检测到任何的刹车信号时，停止一切驱动信号的输出，并点亮刹车灯。

采用所述适时全轮驱动的农田电动三轮车控制方法的控制系统，包括控制单元，信号采集单元与控制单元的输入端连接，控制单元的输出端连接前轮隔离器和数模转换单元后连接前轮驱动器，前轮驱动器与前轮电机连接，控制单元的输出端还连接后轮隔离器和数模转换单元后连接后轮驱动器，后轮驱动器与后轮电机连接；

所述控制单元还与存储器连接；动力电池的输出经过稳压模块后为系统供电。

所述信号采集单元包括前轮转速传感器、后轮左转速传感器、后轮右转速传感器、转把霍尔传感器、转向编码器、刹车传感器。

所述信号采集单元连接模数转换模块后连接控制单元的输入端。

前轮隔离器和后轮隔离器包括单路π型滤波光耦接口电路，包括端口I+和I-，端口I+和光电耦合器的一输入端之间串联电阻R3，端口I-与光电耦合器的另一输入端连接，端口I+和I-之间串联电阻R4和发光二极管D3，所述光电耦合器的一输出端同时连接电阻R5的一端和发光二极管D2的负极，电阻R5的另一端同时接电阻R6的一端和电容C1的一端，电阻R6的另一端留有输出端O1，同时R6的另一端接电容C2后接地，电容C1的另一端接地；发光二极管D2的负极串接电阻R2后接电源。

本发明的有益效果：

实现农田作业中三轮车根据实际工作参数的实时适时的控制和优化，以克服农田中泥泞的道路等外部环境对行走及附属作业的严重影响，自动选择全轮驱动与否，降低功耗、合理分配附属作业功率，提高药肥利用率。

适时全轮驱动农田电动三轮车综合自动化、高动力、清洁能源等优点，提高了农业现代化，给农民省力，给国家节省不可再生的资源，同时也降低了农民的实用成本，也将促进我国机械加工业、农业自动化的发展。

附图说明

图1为本发明所提供的单路π型滤波光耦接口电路设计原理图；

图2为本发明所提供的主控单元的基本测控框图；

图3为本发明所提供的三轮运动分析速度矢量图；

图4为本发明所提供的三轮车基本的自动控制流程图；

图5为本发明所提供的梯形加速程序的控制分析曲线；

图6为本发明所提供的适时全轮驱动电动三轮车行走功能结构简图。

其中，1.霍尔信号，2.输出PWM的占空比。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图2和图6所示，适时全轮驱动的农田电动三轮车控制系统，包括控制单元，信号采集单元与控制单元的输入端连接，控制单元的输出端连接前轮隔离器和数模转换单元后连接前轮驱动器，前轮驱动器与前轮电机连接，控制单元的输出端还连接后轮隔离器和数模转换单元后连接后轮驱动器，后轮驱动器与后轮电机连接；控制单元的输出端还连接撒肥电机驱动和喷药泵电机驱动；

所述控制单元还与存储器连接；动力电池的输出经过稳压模块后为系统供电。

所述信号采集单元包括前轮转速传感器、后轮左转速传感器、后轮右转速传感器、转把霍尔传感器、转向编码器、刹车传感器。

所述信号采集单元连接模数转换模块后连接控制单元的输入端。

如图1所示为单路π型滤波光耦接口电路设计原理图，包括端口I+和I-，端口I+和光电耦合器的一输入端之间串联电阻R3，端口I-与光电耦合器的另一输入端连接，端口I+和I-之间串联电阻R4和发光二极管D3，所述光电耦合器的一输出端同时连接电阻R5的一端和发光二极管D2的负极，电阻R5的另一端同时接电阻R6的一端和电容C1的一端，电阻R6的另一端留有输出端O1，同时R6的另一端接电容C2后接地，电容C1的另一端接地；发光二极管D2的负极串接电阻R2后接电源。

当前直流无刷电机驱动器速度信号多采用模拟信号给定(模拟信号具有连续直观且容易实现等优点)，而控制单元自己只有两个DAC(数模转换输出)，对于多信号模拟电路控制就需要其他形式输出并转化为模拟信号，而最常见的是利用控制单元输出较多的PWM信号。PWM信号是一种具有固定周期(T)不定占空比(τ)的数字信号。如果PWM信号的占空比随时间变化，通过滤波之后的输出信号将是幅值变化的模拟信号。因此通过控制PWM信号的占空比，就可以产生不同的模拟信号，即DAC输出。信号输出PWM数字信号要通过接口电路进行π型隔离滤波放大等作用后利用稳定的模拟信号才能驱动各个电机平稳稳定运转。所以要设计合适的接口电路来实现主控制器和驱动器电器隔离，只进行信号之间的传递。

如图2所示主控单元是实现电控产品的主要核心单元，相当于人体的大脑；采集信号就相当于人的眼、鼻、耳等感知部位；驱动的设计则表示着给电控产品安装上双手双脚等。主控单元主要完成各项任务则需要对采集来的信号计算、处理之后并输出相应的控制信号，进而控制整个系统。

本发明包括：采集信号的计算处理部分和控制处理信号的输出控制部分。

采集信号的计算处理部分包括霍尔转把信号的实时监测和计算处理、前轮转向系统的监测和计算处理、前轮及后轮电机霍尔信号监测和计算处理、刹车信号监测和处理等。

其中电门信号就可用常见所示的霍尔脚踏板，角度不同会输出不同的地电门信号，经过连接程序中对应的引脚进入主控单元的AD采集模块，进入后经一定比例做出响应控制。

前轮转向轴与编码器通过同步轮同步带的啮合，利用编码器可对车把转动角位移或当前位置信息精确的转变为电脉冲信号，用电信号传递到控制器，在控制器的编写对应接收程序，完成前轮速度方向信息的采集。

目前采集前后轮最简单有效的方法是截取电机与电机驱动器之间的通信的交互信号进行测定当前电机转速。三轮车在运行时，用户如遇到路障或其他需求需要停下时，操作者会踩下刹车，采用刹车断电开关，刹车开关为动合触点，不论在何种情况下对三轮车进行刹车时，刹车开关的触点被释放，刹车开关闭合，在刹车时控制器的感应脚被拉低，控制器(主控模块)得知刹车信号，并停止一切驱动信号输出，减少刹车时能量的损失甚至事故的发生；同时刹车灯两端出现电压差，刹车灯也被点亮。

适时全轮驱动的农田电动三轮车控制方法，对于完成以上适时全轮驱动的三轮车来说，让控制器知道什么时候采取全轮驱动，这就要用到各信号的采集来的输入信号，控制单元对不同位置采集来的信号数据与实际理想运作状况结合分析对照，通常选定某信号数据处理后与理想数值之间的偏离的数值，当偏离的数值比例达到一设定值时，由控制器控制三轮车前轮开始驱动，增加动力以改善偏离的数值，当进入全轮驱动时，每隔一可设定的时间就会检测偏离数值当偏离值仍然大于设定值，将再次等待设定的时间后判断，直到信号处理的数据小于设定值即前后轮稳定输出时，控制器自动放弃前轮驱动，从而只对三轮车进行后轮驱动，减少在平坦路面上运行时电机损耗。并且根据各位置速度计算出总体移动速度，根据速度计算并执行喷雾和撒肥的用量。

如图3所示，在实际控制中利用不同位置的速度信号采集的数据在控制器中进行以下数据处理，并与实际结合分析。对于转向信号数据对应出实际转向角度β，由于车轮在转向时两后轮平均速度始终垂直于两轮旋转中心的半径。再由对采集来的前轮转向角度可设置合理区间，采集数据在合理区间内变化时，同时采集三个轮的实时的瞬时速度，折算出当前车轮线速度，前轮的转向信号采集的数据对应不同的角度信息，前轮转角越大后轮平均速度就要相对越小，理论上有图可得出以下公式

其中β实际转向角度V_平均是运行时的瞬时的两后轮平均速度，也就是后轮电机减速后的速度。V_前是前轮的瞬时速度。V₁是前轮的相对车体正向前方瞬时分速度。V₂、V₃分别是后轮左边与后轮右边的瞬时速度。

三轮车的各个轮转速的检测信号往往与理论数据存在差值，可通过以上公式建立联系并设置偏差范围，实际运行的偏差超出合理范围，控制器在短时间内感知并快速反应，控制驱动前轮输出。同样以V₁、V₂、V₃分别表示前轮向前的速度分量、左后轮、右后轮转动的瞬时速度，T1、T2为可调定时时间。三轮车采集来的速度信号经过处理即可判定偏离数值，若以三轮车前轮向前的分速度与后轮平均速度差值占向前分速度的50％时，也就是后轮的平均速度在向前分速度的二分之一和二分之三之间。即:

$>\frac{V_1}{2}<\frac{V_2+V_3}{2}<\frac{3V_1}{2}$>

化简后为:V₁＜V₂+V₃＜3V₁

在三轮车行走过程中，一般电门控制信号会直接驱动后桥电机，开始行走，信号采集来的数据可以处理计算出当前的各轮速度，当检测到各轮速度不符合以上公式时，会在间隔很小一段时间再次判定速度防止信号抖动的误差，若还是不符合上式，将会自动的对前轮进行驱动，在等待一段时间后再次判定车轮速度的偏离状态。自动控制判别的流程如图4所示。而当在接收到刹车信号时，控制器快速响应，停止一切驱动信号的输出(也可根据前后轮速度适当给与当前转速相反的电信号驱动以加快制动速度)。

在采集来给定的霍尔信号急速上升或者急速下降时，输出速度信号不可立即随霍尔信号变化，可设定采集的霍尔信号为目标值，判定当前值与目标值大小，当目标值大时就输出当前的速度加上某额定数值，反之输出当前的速度减去这个额定数值，返回主程序，主程序会自动循环，进入下一次判定、输出。这就完成了控制信号的梯形加速。提醒加速分析图如图5所示，其中1线代表的是霍尔信号，2指的线代表输出PWM的占空比。

只有经过控制系统处理和输出这个中间环节系统才能正常运行。主控部分将车中各部分模块密切联系起来，从各模块获取信息或是对各模块进行控制。去感知需要有大脑的处理，才能有机械部分的支撑、执行。所以控制系统程序设计任务是三轮车能自动适时全轮驱动设计的核心。根据整车电力信号的控制流程绘出的适时全轮驱动电动三轮车行走功能结构简图如6所示。只有建立一个处理性能优越，相应敏捷，动作准确的控制系统，才能从“眼、鼻、耳”传递到“大脑”并用手脚回应的完整而稳定的控制系统。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。