无人驾驶拖拉机电控液压转向系统的可靠性测试

1、本科毕业设计无人驾驶拖拉机电控液压转向系统的可靠性测试摘 要本文主要针对我校自主研发的无人驾驶拖拉机电控液压转向系统，开展电磁阀可靠性测试，检验电磁阀对长期通电和频繁通断电的耐受性。分析了现有电控液压转向系统的组成，包括有过滤器、定量泵、手动换向阀、转向器、液压泵、压力表、溢流阀、二位三通换向阀、三位四通电磁比例换向阀和油箱等，描述了其基本工作原理。在工作过程中，二位三通换向阀需要频繁通断以实现手动和自动油路的切换，直接关系到系统工作的稳定性和可靠性。因此，本文设计了一套二位三通换向阀的可靠性测试系统。该测试系统包括：基于AT91SAM9263的嵌入式系统开发板、电磁阀驱动放大电路和美国HYDRAFORCE公司生产的SV-10-31N-24VDC电磁阀。基于SBC6330XARM开发板，开发了测试程序。ARM板主控电路产生PWM信号，通过驱动电路放大信号，控制电磁阀油路。本次测试一共进行了4中不同的控制信号测试，分别为周期为2秒、1秒、0.6秒的方波以及持续输出3.3V高电平。2秒、1秒和0.6秒的方波测试时间为30分钟，持续输入高电平的测试时间为60分钟。测试结果表明：ARM主控板和

2、驱动电路控制下有效地工作，电磁阀对长期通电和频繁通断具有较好的耐受性。关键词：SBC6330X 驱动电路 电磁阀Turning to the Reliability of the Testing System of UnmannedTractors HydraulicWu Zhangrong(College of Engineering, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China)Abstract:Thispapermainlyaimatmyschoolunmannedtractorshydraulicsteeringsystem,carryoutthesolenoidvalvesolenoidvalvereliabilitytest,testoftoleranceisenergizedforalongtimeandfrequenton-off.Theanalysisoftheexistingelectrichydraulicsteeringsystemcomposition,comprisingafilt

3、er,thequantitativepump,amanualreversingvalve,steeringgear,hydraulicpump,pressuregauge,pressurereliefvalve,reversingvalve,twothreethreepositionfourwayelectromagneticproportionreversingvalveandthemailbox,thebasicworkingprincipledescribed.Intheworkprocess,twopositionthreewaydirectionalcontrolvalveneedfrequenton-offswitchtorealizemanualandautomaticoil,directlyrelatedtothestabilityandreliabilityofthesystem.Therefore,thispaperdesignedareliabilitytestsystemofasetoftwopositionthreewayreversingvalve.Thet

4、estsystemcomprises:driverdevelopmentboard,AT91SAM9263embeddedsystemSV-10-31N-24VDCsolenoidvalvesolenoidvalveamplificationcircuitandtheUnitedStatesofAmericaHYDRAFORCEcompanyproductionbasedon.BasedontheSBC6330XARMdevelopmentboard,developmenttestprogram.ARMmaincontrolcircuitgeneratesaPWMsignal,throughthedrivecircuitofsignalamplification,electromagneticvalvecontrolcircuit.Thetestswereconductedindifferentcontrolsignaltest4,respectively,aperiodof2seconds,onesecond,0.6secondsofFangBoandcontinuousoutput

5、3.3Vhighlevel.2seconds,onesecondand0.6secondsquarewavetesttimeis30minutes,sustainedhighlevelinputtesttimeis60minutes.Thetestresultsshowthat:ARMmaincontrolboardandadrivingcircuitcontrolworkeffectively,thesolenoidvalveonthelong-termelectricityandfrequenton-offhasbettertolerance.Key words: SBC6330X drive circuit electromagnetic valve目 录1 前言11.1 研究背景11.2 研究目的11.3 研究意义11.4 国内外研究状况12 拖拉机电控液压转向系统原理32.1 拖拉机原有转向系统32.2 拖拉机电控液压转向系统的工作原理52.3 待测试二位三通换向阀的工作特性83 液压转向系统测试电路设计83.1 ARM主控电路93.1.1 SBC6300X开发板CPU规格9

6、3.1.2 SBC6300X开发板主板功能接口103.1.3 SBC6300X开发板核心板功能113.2 驱动电路113.2.1 IRFR9540芯片简介124 ARM主控板控制程序设计134.1 开发板硬件环境初始化134.2 利用定时器实现IO引脚的PWM信号输出135 可靠性测试流程及结果145.1 可靠性测试流程145.2 可靠性测试结果15参考文献16附录17致谢21华南农业大学本科生毕业设计成绩评定表 1 前言 1.1 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，环境恶化，人增地减”的趋势不可逆转。保证21世纪我国13亿人口的食物安全，关键在于推动农业科技的进步。目前，农业机械智能导航技术在欧美发达国家已经得到深入的研究，其产品在实际农业生产中也得到了广泛的应用并取得的显著的生产效益。在我国，农业机械化研究和应用已经有了长足的发展，但是在农业机械装备的信息化和智能化等技术方面的研究和应用还是明显不足，远落后于西方发达国家，在实际生产应用中的例子更是很少。农业机械智能导航的自动化、信息化和智

7、能化是现代化农业发展的重要技术基础。其为精准农业的实践和推广支持，加快实现我国农业现代化。1.2 研究目的本文的研究主要有三个方面的目的：第一，通过对无人驾驶拖拉机电控液压转向系统的了解，得知系统的组成、结构和工作原理。第二，根据测试所需用ARM板及驱动电路板设计制作控制信号。第三，通过电磁阀的可靠性测试，检验电磁阀对长期通电和频繁通断电的耐受性。1.3 研究意义自动转向控制技术是实现智能农业机械自主导航行走的关键技术之一。在复杂的农田生产环境下，农业机械转向控制器的设计不同于公路行走车辆，因为其面对的工作环境是变化的，不可预知的地形，行走的地表有硬有软，具有高度的非线性性（Q. Zhang，2002）。因此农业机械转向控制器要求能适应不同车辆状态和行驶速度等车辆动态参数，根据不同工况采取不同策略，要求执行敏捷，控制精确。最优的农业机械转向控制器对于智能农业机械来说无疑是有力的技术基础。因此，开展农业机械转向控制技术的研究对于智能农业机械的发展，对于精确农业的最终实现，促进农业生产的可持续化发展具有现实而重要的意义。1.4 国内外研究状况现代农业机械自动转向控制系统可以分为转向机构和转

8、向控制两部分（田海清，2005），转向机构的作用是直接控制农业机械的实际角位移，使农业机械不断调整位置和方向从而实现沿预定路径运动。转向控制系统包括导航控制器和转向操纵控制器，导航控制器的作用是根据农业机械模型，设计最优的导航控制算法，将GPS、陀螺仪、电子罗盘、视觉传感器等多源传感器信息融合，计算分析最终决策出农业机械转向控制量。而转向机构目前可以大致的分为两种液压驱动和电机驱动两种方式。在国外，液压驱动方式方面，J.A. Marchant 等人（J.A. Marchant，1996）对一台人工操作的汽油机车辆进行改装，并结合里程表、视觉传感器，通过Kalman滤波器融合处理实现了车辆自动转向控制。电机驱动方面，Noboru Noguchi（Noboru Noguchi，1997）等人对传统的小型后轮驱动汽油拖拉机改装，采用步进电机驱动方向盘，磁阻航向传感器实时采集车辆航向信号，转向角通过电位计获得，后轮旋转角则通过旋转编码器获取。在我国，对于农业机械自动转向控制技术方面研究起步相对较晚(ToruT，2000)，而且大部分技术以国外相对成熟技术为基础，并多数处于实验室研发阶段，科研成

9、果也主要集中在高校的课题科研成果的层面上，离实际运用还有一段距离。在国内，液压驱动方式方面，魏延富等设计了基于电液伺服及反馈系统的拖拉机转向控制系统（魏延富，2006），该系统是由力传动装置控制方向盘，从而控制油路液压驱动轮子转动。严格来讲，该系统使用的不是电控液压系统，且其反馈回路反馈的是车轮0位置的信号，不能解决车轮转向任意角度（允许范围内）的转动。中国农业大学工学院陈文良等人（陈文良，2005）设计了一种用于拖拉机自动驾驶的电控液压动力转向系统，该系统具有自动和人工转向两种转向模式，在保证原有转向系统机械结构基本不变的情况下，加装了全液压转向器、步进电机驱动器以及电磁换向阀和液压连接部件，系统通过步进电机驱动全液压转向器转向，将油泵中的油液在转向器作用下定向、定量推动转向油缸，推动导向轮实行动力转向，以实现拖拉机的自动转向功能。而人工与自动转向模式切换则通过电磁换向阀控制液压油流经原有转向器或改装转向器中流向实现。电机驱动方面，华南农业大学工程学院李俊岭（李俊岭，2005）、林卫平（林卫平，2007）等以日本久保田SPU60型水稻插秧机为研究对象，在转向机构改造过程中，以不破坏原机

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