[发明专利]悬挂式农具水平自动控制装置

说明书

一种悬挂式农具水平自动控制装置，采用上位机和ECU的体系结构，上位机控制器与ECU之间通过CAN总线电连接，ECU内部包含总线板卡、电磁阀板卡和GPSGYRO板卡，采用卫星定位接收机和倾角传感器各自测量拖拉机车身的横滚角。上位机控制器是整套装置的总控制器，GPSGYRO板卡采集两种传感器的横滚角，电磁阀板卡对悬挂式农具进行直接的测量与控制。倾角传感器产生的绕Y轴的角速率、横滚角和卫星接收机产生的横滚角构成观测量，车身的绕Y轴的角速率和横滚角构成状态量，通过Kalman滤波器的计算，提高当前车身的横滚角的估计精度，基于此横滚角和提升油缸的位移测量值对悬挂农具左右两端的高低差进行间接的估计，由上位机控制电磁阀对悬挂式农具进行水平自动控制。

技术领域

本发明属于农业装备自动控制领域，具体涉及悬挂式农具的水平控制。

背景技术

悬挂式农具利用拖拉机提供动力或支撑平台，在农业生产中被大量使用，例如悬挂式旋耕机、耙平机、根茎收获机等。在南方水田种植地区，犁底层一般是不平坦的，并且存在一些排水沟，当拖拉机的一侧轮胎落入排水沟或低洼点时，悬挂式农具会随之倾斜，对耙平机而言，就失去了耙平的目的，对旋耕机或根茎收获机而言，由于单侧入土太深，不仅影响了作业的质量和效率，而且使农具的内部构件产生严重的受力不均现象，例如根茎收获机的较深入土侧连杆机构中的拉杆受力会严重超过设计载荷，极易使该拉杆断裂而中断作业，因此有必要为悬挂式农具配备水平自动控制装置而使它时刻处于水平姿态。

悬挂式农具水平自动控制技术已经有所研究及发明，例如胡炼在《农机具自动水平控制系统设计与试验》(《农业工程学报》,2015，Vol.31(8):(15～20))利用陀螺仪与位移传感器获取信息，通过控制电磁换向阀实现农机具水平控制。再如魏新华在《喷杆式喷雾机喷杆高度及平衡在线调控系统》(农业机械学报，2015，Vol.46(8):(66～71))利用超声波测距，通过PLC控制比例换向阀组实现喷杆高度及平衡的调节。又例如陈君梅在《水田激光平地机非线性水平控制系统》(《农业机械学报》，2014，Vol.45(7)：(79～84))利用非线性PID控制算法实现机具在非目标位置时的快速反应，同时能减少超调和振荡，具有快速性和稳定性。上述论文的被控目标自身无振动，姿态测量系统受噪声或机械振动的干扰少，测量姿态的传感器直接安装在农具上，而根茎收获机是依据鄂式曲柄连杆机构的运动机理，收获机以5～8Hz的频率挖掘土壤中的根茎，其振幅为10～20mm，这种强烈的振动使得直接进行机具的姿态测量变得困难。发明专利《前置式拖拉机水平自动控制装置》(中国专利，201510843200.8)提出了一种间接测量农具姿态的方法，它把倾角传感器安装在拖拉机的机体上，再采用角位移传感器采集倾斜提升油缸的位移量，上位机结合这两个传感器估算农具的倾斜而发出信号控制提升油缸动作而使农具保持水平。然而受性价比因素考虑，现有的倾角传感器一般是基于MEMS陀螺仪、依靠一些姿态估计算法获得倾角，其横滚角的静态测量精度可达0.01°，当拖拉机满油门作业时，其自身的小幅机械振动仍不可避免，其测量精度可能降低到0.5°，极大地影响水平控制的效果。

采用RTK-GPS的卫星导航系统已经大量地在拖拉机上获得推广应用，伴随我国的北斗导航系统的高速发展，装备高精度卫星定位系统逐渐将成为农机发展的趋势之一。近年来利用双天线构成的卫星定位接收机在驾考领域获得大量推广应用，它在厘米级定位的基础上，能提供精确的航向角和俯仰角，外界的机械振动对这两个角度值的影响很小。如果把两只天线一左一右分别摆放在拖拉机驾驶室顶部，卫星定位接收机就能够实时输出拖拉机的横滚角，其精确度达到0.08°/2m，略低于倾角传感器的静态输出精度，但此横滚角不受机械振动的影响，因此，使用倾角传感器与卫星导航系统中的卫星定位接收机两种传感器，共同测量拖拉机车身的横滚角，通过多传感器融合算法，将提高悬挂式农具的姿态估计的精度、水平自动控制的效果。

发明内容

为了解决悬挂式农具的水平自动控制装置中倾角传感器受拖拉机自身的机械振动而降低l测量精度的问题，本发明提供一种融合倾角传感器和卫星定位接收机的悬挂式农具水平自动控制装置。