毕业论文-自动驾驶插秧机的结构设计
毕业论文设计说明书题 目 自动驾驶插秧机的结构设计姓 名 学 号 分院（系） 专业班级 指导教师（职称） I摘 要本文设计自动导航插秧机的电控转向机构、油门控制机构与刹车控制机构。电控转向机构由直流减速电机驱动，带动齿轮使方向盘自动转动，转动角度由编码器测出。油门控制机构与刹车控制机构均采用油缸驱动方式。本文对轴、齿轮、离合器和轴承进行了设计与校核，这种装置可以大大提高农业生产率，减少人力资源的消耗，推动了农业高精机械化的发展。关键词： 插秧机；电控机构；自动导航。AbstractThis automatic navigation transplanter designed electronic control steering, throttle and brake control bodies and control institutions. Electronic control steering by the DC gear motor, drive gear to the steering wheel automatic rotation, rotation angle measured by the encoder. Throttle control mechanism and the brake cylinder control device are driven approach. In this paper, shafts, gears, clutches and bearings design and verification, such devices can greatly increase agricultural productivity, reduce the consumption of human resources, promoting agricultural mechanization development of high precision. Keywords: rice transplanter; electronic control agencies; automatic navigation目录摘 要IABSTRACTII第一章 绪 论11.1 课题研究背景11.2 国内外发展状况11.3自动驾驶系统发展的必要性21.4设计的目的31.5自动驾驶系统设计内容31.6 本设计的主要工作3第二章 自动驾驶机构原理、设计方案拟定42.1自动转向系统的选择42.2 自动转向系统的原理42.3 设计准则52.4 设计参数52.5设计任务6第三章 各部件的设计及校核63.1 电机的选择63.1.1电动机类型和结构形式的选择63.1.2确定电动机转速63.1.3传动系统的运动和动力参数73.1.4计算总传动比73.1.5分配传动装置的各级传动比73.2计算传动装置的运动和动力参数73.2.1计算各轴转速73.2.2计算各轴输入功率73.2.3计算各轴输入转矩73.3传动零件的设计计算83.3.1齿轮材料，热处理及精度83.3.2齿轮材料及热处理83.3.3齿轮精度93.3.4初步设计齿轮传动的主要尺寸93.3.5计算93.3.6齿根弯曲疲劳强度设计113.3.7 确定公式内各计算数值113.3.8设计计算123.4 轴、轴承、键的设计及校核计算123.4.1 轴的设计及校核123.4.2 滚动轴承的选用及其校核163.4.3键的强度校核183.4.4离合器的校核19第四章 结 语214.1 研究总结214.2 研究展望22参考文献23致 谢24第一章 绪 论1.1 课题研究背景中国是一个农业大国，用占世界7的耕地解决了世界22的人口温饱问题取得了举世瞩目的成就。目前，我国面对“人多地少，资源短缺，环境恶化，人增地减”的趋势不可逆转。保证21世纪我国16亿人口的食物安全，关键在于推动农业科技的进步。正如江泽民同志所指出的“中国的农业问题，粮食问题要靠中国人自己解决。这就要求我们的农业科技必须要有一个大的发展，必然要进行一次新的农业科技革命”。纵观世界现代农业发展动态，一个新的农业科技革命的序幕已经拉开。以生物技术、信息技术为先导的现代科学技术发展及其在农业上的广泛应用，为世界各国农业发展提供了前所未有的机遇。“精细农业”技术正是在这种环境下应运而生，成为农业信息技术应用的一个重要分支。其核心是用现代高新技术特别是信息技术来改造传统农业，在机械化的基础上，把地理信息系统（GIS）、定位系统（GPS）、决策支持系统、传感技术进行集成，使作物生产更加科学，减少投入，提高产出，实现高效利用各种农业资源，保护生态环境的农业可持续发展目标。1.2 国内外发展状况 在国内，清华大学、吉林工业大学、中国农业大学等近几年也进行了这方面的研究，如清华大学智能技术与国家重点实验室研制成功智能车THMRV，配备了先进的GPS互补定位系统和激光雷达测障系统, 最高时速达到150公里；吉林大学进行了JUTI系列智能车辆的研究，主要采用机器视觉实现导航；据新华社报道中国第一汽车集团公司和国防科技大学联合研制的自主车在高速公路上行驶的最高稳定速度为130km/h，最高峰值速度为170 km/h，并且具有超车功能；交通部交通科学研究院也进行了相关的研究，但这些研究大多是针对汽车的，对于拖拉机自动驾驶、相关的报道较少，南京农业大学的姬长英教授、周俊博士在小四轮拖拉机的基础上设计改装了一种农用轮式移动机器人试验原型，采用视觉作为导航传感器，探讨了基于区域和边缘两种农用轮式移动机器人视觉导航跟踪路径的检测方法，分析了轮式机器人导航系统的行为特点，给出了相应的系统状态方程和系统观测方程等，但其实验是以校园内的人工绿篱作为路标进行的，与实际的农田还是有较大差别的；西安交通大学的杨为民博士、李天石等开发了农业机械机器视觉导航试验系统；其余的研究大多集中在一些农业应用的相关智能化上，（删去换行符）例如，中国农业大学自1999年开始陆续开展了拖拉机作业机组AMT方面的研究 ；西北农林科技大学的杨秦教授领导的基于GPS与GIS控制的可变灌溉系统研究；中国农业大学、华南理工大学分别研究的激光平地机；浙江大学的基于图像边缘检测的（收获季节）导航研究。国外在农用车辆自动驾驶方面研究的较早，20世纪70年代，世界各国许多工程师都对农田机械的自动导航进行了研究。1978年一种Claas自动导航系统应用到农业机械，最初是为割草机设计开发的，后来又应用到拖拉机上，它由3部分组成：液压系统、传感系统、控制器，液压系统包括转向阀、转向液压泵、转向切换阀，传感系统包括前车轮转角传感器和安装在拖拉机前面的机械传感器（接触式），控制器通过比较前轮转角传感器的电压与设定电压得到一个电压差值，这一电压差值经过放大（后用于）控制转向液压阀的开闭，从而控制转向轮的转动实现自动驾驶。机械传感器农业机械自动导航并不意味着不需要操作者，因为真正无人操作的农田机械除了要实现自动导航外，还要实现其它工作过程的最优化和自动化，这比仅仅实现自动导航技术更难，成本更高。工程师们解决了有关自动导航的控制问题，还研究出许多自动导航系统，并对其进行了测试，其中一些系统也转化成了商品，但没有一套系统在生产实践中得到推广应用。这些系统中大部分都只能在机器某一特定工作过程中实现自动导航，那些可以适用于所有工作过程的系统则需要操作者在田间或周围地区做大量准备工作，包括安装电缆、信号灯等设备才能正常导航，有的还需要在机器上安装体积庞大、笨重的控制装置。因此，投资、维护成本、劳动力等因素限制了这些导航系统的应用。1.3自动驾驶系统发展的必要性一插秧机自动驾驶能够满足农业作业的精度农田作业按精度，农机手和自动驾驶的精度二插秧机自动驾驶能够提高农业劳动的生产率，从而提升中国农业产业在国际上的竞争力。由于拖拉机在工作方式上与汽车有很大不同，特别是拖拉机的作业环境比较恶劣，作业工况复杂多变，再加上农机操作手技术水平的差异等原因，导致耕作精度低，造成土地资源浪费，并且不能保证拖拉机在作业中的生产效率和燃油经济性。这样即使是拖拉机本身已经具有了较好的设计性能指标，也往往由于使用者的个人经验不足、熟练程度不同而难以完全发挥出来，如何将汽车自动驾驶技术合理应用于插秧机是一项艰巨而意义深远的任务1.4设计的目的为了减少农业人力消耗，增加农业生产率，提高农业机械化程度，设计一方向盘机构可以实现电控，同时可以转换到人工控制。1.5自动驾驶系统设计内容（1）设计一个方向盘代替原来的插秧机方向盘，方向盘用一级齿轮副结构，由2DM直流减速电机驱动，其转过的角度由光电编码器测得。（2）电机上装上离合器，由拨叉拨动控制离合。（3）设计新方向盘箱体外形。（4）设计刹车和油门由单杆活塞式液压缸来推动。1.6 本设计的主要工作本设计的主要工作包括以下几方面：（1）插秧机自动驾驶机构总体装配图设计（2）主要零件的设计（3）撰写说明书第二章 自动驾驶机构原理、设计方案拟定2.1自动转向系统的选择自动转向是智能车辆的一项关键技术,它可以自动地调整智能车辆的横向位置,实现对自动驾驶车辆的横向控制,是实现自动导航控制的基础。智能车辆使用最多的自动转向方式有两种1-4,一种是电液控制转向系统,如美国伊利诺斯州立大学通过对拖拉机转向系统进行改造,设计了一种电液操控系统以实现转向控制,系统主要由液压泵、三位四通电液比例方向控制阀、PWM电液阀驱动器和转向油缸等组成5。另一种是控制电动机带动方向盘转动实现转向操作,如日本岩手大学研制的自动驾驶拖拉机,采用步进电机通过链条传动带动方向盘转动实现转向操作6,中国农业大学魏延富博士研制了一套转向控制系统,由步进电机通过齿轮驱动方向盘实现转向7。2.2 自动转向系统的原理转向控制系统是一个闭环控制系统,系统控制框图如图2所示。其工作原理是:微控制器通过CAN总线从上位机获得拖拉机的目标转角信号,通过A/D模数转化模块获取转向轮实际转角信号,即反馈信号,并将目标转角和实际转角相比较得出转向轮的偏差信号双通道PD控制算法根据偏差信号值计算得到控制步进电机转速的步进脉冲周期,由脉宽调制器(PWM)以计算得到的脉冲周期向步进电机驱动器发送PWM脉冲,控制步进电机的转速,驱动全液压转向器实现转向轮的转向速度控制;双通道PD控制算法通过判断偏差信号的正负得出步进电机转动的方向,由GPIO口输出高、低电平实现步进电机转向的控制;控制器通过控制转向轮转向和转速以减小偏差值。不断重复进行上述过程,从而使拖拉机转向轮快速的跟踪目标转角,实现准确转向控制。2.3 设计准则我们的设计过程中，本着以下几条设计准则a、 创造性的利用所需要的物理性能b、 分析原理和性能c、 判别功能载荷及其意义d、 预测意外载荷e、 创造有利的载荷条件f、 提高合理的应力分布和刚度g、 重量要适宜h、 应用基本公式求相称尺寸和最佳尺寸i、 根据性能组合选择材料j、 零件与整体零件之间精度的进行选择k、 功能设计应适应制造工艺和降低成本的要求2.4 设计参数（1）功率：20-100W（2）扭矩：
