拖拉机极限态回稳与作业态补偿陀螺主动控制系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及拖拉机主动安全技术领域，尤其涉及基于双框架控制力矩陀螺主动调控的丘陵山地拖拉机极限态回稳与作业态补偿控制系统及方法。通过电机驱动陀螺转子高速旋转产生角动量，并在拖拉机失稳工况时，由力矩电机动作产生相应的外力矩改变高速陀螺转子的角动量方向，使高速陀螺转子进动产生供拖拉机回稳的反力矩，并经框架伺服机构及箱体传递至拖拉机主机体，以改善拖拉机失稳趋势，缓解机体横向偏载状态，确保驾驶员生命和农机装备安全，同时系统可通过高速旋转的陀螺转子减速释放能量，在整机牵引负载过大时进行功率补偿，保障丘陵山地拖拉机高质、高效作业。高效作业。高效作业。

【技术实现步骤摘要】
拖拉机极限态回稳与作业态补偿陀螺主动控制系统及方法


[0001]本专利技术属于拖拉机主动安全技术和能量控制领域，尤其涉及一种基于双框架控制力矩陀螺主动调控的面向丘陵山地的拖拉机极限态回稳与作业态补偿陀螺主动控制系统及方法。

技术介绍

[0002]拖拉机以牵引作业为核心功能，是农业生产活动中最常用的动力机械，在耕、耙、播、收、运等关键环节发挥着重要作用。在其诸多性能指标中，行驶安全性是保障农业生产顺利实施和驾驶员生命财产安全的基本条件。然而，在广泛分布的丘陵山地耕作区，其地表特征普遍表现为地块分散、地表崎岖、坡度交错、土质不一，复杂的生产环境和农艺标准要求拖拉机具有较高的离地间隙，使得整机在复杂路况和交变载荷的共同作用下易发生安全失稳。除由于机体迅速侧倾导致侧翻以外，当作业于横向斜坡的拖拉机处于大角度、缓慢侧倾态，或遇附着条件恶化时，往往先发生轮胎侧滑，由此衍生的整机单轴侧滑―横摆、双轴不等速侧滑―横摆、侧滑绊翻等耦合失稳现象对驾驶员人身安全亦构成极大威胁。由此可见，由拖拉机侧翻、侧滑及其衍生的侧滑绊翻和非意向横摆等行驶安全性问题已成为普遍性、长期性的世界难题，同时是阻碍丘陵山区农业生产机械化进程的瓶颈问题，尚未得到根本性解决。
[0003]拖拉机在丘陵山地环境下沿横向斜坡等高线作业过程中，整机处于侧倾常态，坡下侧轮胎的纵、侧、垂向受力恒大于坡上侧轮，导致整机牵引合力作用线相对机体纵向对称面向坡下侧偏置，在拖拉机重心处产生附加横摆力矩。驾驶员为保证直线行驶作业，需维持前轮保持向坡上侧的一定转角以平衡该力矩，因此前轮始终处于滑转―滑移耦合状态。此侧倾偏载作业常态使得拖拉机前后及两侧轮胎磨损异步，转向机构持续承载，且坡下侧轮辙处土壤剪切与压实效应严重，最终产生整机零件磨损加剧、操纵稳定性恶化、土壤结构破坏等不良效应。另一方面，在局部粘性土壤、板结土壤、石块及障碍物等突变环境载荷的干扰下，整机牵引阻力激增，小型拖拉机往往处于欠功率驱动状态，其峰值输出功率较难克服激增阻力而出现降速、停车等现象，需中断作业进行路径调整或寻求援助，导致作业效率下降、总成本升高。因此，除行驶安全性外的整机侧倾偏载和欠功率驱动等典型作业平稳性问题是并行影响丘陵山区耕地土壤环境、装备使用寿命及农业生产效能的重要因素。
[0004]以上在丘陵山区使用场景下的拖拉机行驶安全性和作业平稳性相关问题可归结为两类，即由环境路况对机体造成的力矩干扰和由小型拖拉机功率限制导致的瞬时动力欠缺。目前，针对丘陵山地拖拉机的安全行驶和高效作业目标，前人研究多集中在ROPS侧翻安全保护和底盘差高调平等方面。前者从被动安全角度出发，仅可为驾驶员提供整机侧翻后的生存空间，无法从本质上实时、有效地解决拖拉机侧翻问题。后者则以调平机身姿态为目标，根据操控实时性可分为主、被动两类。其中，机械式差高系统要求拖拉机在作业前即完成机身调平步骤并锁死系统，电控式(包括电动缸和液压缸驱动等型式)虽可通过全时姿态调整显著提高拖拉机的地形适应性，但对整机驱动系统结构改动较大，且较高的能耗需求
进一步影响小型拖拉机的有效作业输出功率，在很大程度上限制了其驱动及牵引性能的发挥。因此，为拖拉机适时提供姿态纠正及偏载补偿力矩，并在整机牵引负载过大时进行功率补偿，是现阶段丘陵山地拖拉机高质、高效作业亟需突破的技术瓶颈。

技术实现思路

[0005]本专利技术立足丘陵山区农业生产对小型智能拖拉机的迫切需求，针对复杂环境路况和交变作业载荷叠加效应下的整机横向失稳、侧倾偏载作业和瞬时动力欠缺等突出问题，围绕拖拉机行驶安全性及作业平稳性提升的主要目标，构建了面向电动拖拉机载体的低功耗、多功能陀螺惯性调控系统。
[0006]本专利技术的第一个目的在于提供一种面向丘陵山地的拖拉机极限态回稳与作业态补偿陀螺主动控制系统，通过电机驱动陀螺转子高速旋转产生角动量，并在拖拉机失稳工况时，由力矩电机动作产生相应的外力矩改变高速陀螺转子的角动量方向，使高速陀螺转子进动产生供拖拉机回稳的反力矩，并经框架伺服机构及箱体传递至拖拉机主机体，以改善拖拉机失稳趋势，缓解机体横向偏载状态，确保驾驶员生命和农机装备安全，同时系统可通过高速旋转的陀螺转子减速释放能量，在整机牵引负载过大时进行功率补偿，保障丘陵山地拖拉机高质、高效作业。
[0007]本专利技术的第二个目的在于提供一种面向丘陵山地拖拉机极限态回稳与作业态补偿的陀螺主动控制方法，通过控制陀螺转子自旋速度、框架进动方向和角速度，充分利用陀螺进动效应和惯性储能潜力，实时、主动调控拖拉机的极限姿态和偏载状态，并适时、定量补偿整机峰值负载功率，可实现面向电动拖拉机极限态回稳和作业态补偿的低功耗与多功能目标。
[0008]为了实现上述目的，本专利技术提供了如下技术方案：
[0009]一种拖拉机极限态回稳与作业态补偿陀螺主动控制系统，包括陀螺转子装置I、传感器单元、电路组件12和控制单元11；所述陀螺转子装置I安装于拖拉机前端配重处。
[0010]所述陀螺转子装置I包括箱体6，以及设置在箱体6内部的框架伺服机构和高速转子机构。
[0011]所述高速转子机构包括陀螺房1、陀螺转子4和陀螺电机8；所述陀螺转子4呈圆盘状，圆心设有转轴，陀螺转子4的转轴通过转子支承轴承安装在陀螺房1上；所述陀螺电机8固接在陀螺房1上，陀螺电机8的动力输出轴与陀螺转子4的转轴固接；当陀螺转子4位于初始位置时，陀螺转子4的转轴的轴线与拖拉机的驱动轮的轴线平行；所述陀螺房1为密闭真空环境。
[0012]所述框架伺服机构包括内框架组件和外框架组件；所述内框架组件包括内框架2、内框架力矩电机5和内框架轴光电编码器10；所述外框架组件包括外框架9、外框架力矩电机7和外框架轴光电编码器3。
[0013]所述高速转子机构的陀螺房1固接在内框架2上；所述内框架2为一圆环，其环体上设有一对内框架轴，所述一对内框架轴位于第一轴线上，所述第一轴线过内框架环体圆心、且与陀螺转子4的转轴的轴线垂直；所述内框架2的内框架轴通过内框架支撑轴承安装在外框架9上；所述外框架9为一圆环，其环体上设有一对外框架轴，所述一对外框架轴位于第二轴线上，所述第二轴线过外框架环体圆心、且与陀螺转子4的转轴的轴线以及第一轴线垂
直；所述第二轴线与拖拉机的前进方向平行；外框架9的外框架轴通过外框架支承轴承与所述箱体6连接。
[0014]所述内框架力矩电机5和内框架轴光电编码器10固接在外框架9上，并分别与内框架2的内框架轴连接；所述外框架力矩电机7和外框架轴光电编码器3固接在箱体6上，并分别与外框架9的外框架轴连接；所述内框架轴光电编码器10用于检测内框架轴相对于外框架9的角位置和角速度；所述外框架轴光电编码器3用于检测外框架轴相对于箱体6的角位置和角速度。
[0015]所述电路组件12包括能量转换电路、框架系统驱动电路和转子系统驱动电路；能量转换电路、框架系统驱动电路和转子系统驱动电路由拖拉机车载蓄电池13或外置辅助电源供电。
[0016]所述能量转换电路分别与控制单元11和陀螺电机8连接；根本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种拖拉机极限态回稳与作业态补偿陀螺主动控制系统，其特征在于，所述陀螺主动控制系统包括陀螺转子装置(I)、传感器单元、电路组件(12)和控制单元(11)；所述陀螺转子装置(I)安装于拖拉机前端配重处；所述陀螺转子装置(I)包括箱体(6)，以及设置在箱体(6)内部的框架伺服机构和高速转子机构；所述高速转子机构包括陀螺房(1)、陀螺转子(4)和陀螺电机(8)；所述陀螺转子(4)呈圆盘状，圆心设有转轴，陀螺转子(4)的转轴通过转子支承轴承安装在陀螺房(1)上；所述陀螺电机(8)固接在陀螺房(1)上，陀螺电机(8)的动力输出轴与陀螺转子(4)的转轴固接；当陀螺转子(4)位于初始位置时，陀螺转子(4)的转轴的轴线与拖拉机的驱动轮的轴线平行；所述陀螺房(1)为密闭真空环境；所述框架伺服机构包括内框架组件和外框架组件；所述内框架组件包括内框架(2)、内框架力矩电机(5)和内框架轴光电编码器(10)；所述外框架组件包括外框架(9)、外框架力矩电机(7)和外框架轴光电编码器(3)；所述高速转子机构的陀螺房(1)固接在内框架(2)上；所述内框架(2)为一圆环，其环体上设有一对内框架轴，所述一对内框架轴位于第一轴线上，所述第一轴线过内框架环体圆心、且与陀螺转子(4)的转轴的轴线垂直；所述内框架(2)的内框架轴通过内框架支撑轴承安装在外框架(9)上；所述外框架(9)为一圆环，其环体上设有一对外框架轴，所述一对外框架轴位于第二轴线上，所述第二轴线过外框架环体圆心、且与陀螺转子(4)的转轴的轴线以及第一轴线垂直；所述第二轴线与拖拉机的前进方向平行；外框架(9)的外框架轴通过外框架支承轴承与所述箱体(6)连接；所述内框架力矩电机(5)和内框架轴光电编码器(10)固接在外框架(9)上，并分别与内框架(2)的内框架轴连接；所述外框架力矩电机(7)和外框架轴光电编码器(3)固接在箱体(6)上，并分别与外框架(9)的外框架轴连接；所述内框架轴光电编码器(10)用于检测内框架轴相对于外框架(9)的角位置和角速度；所述外框架轴光电编码器(3)用于检测外框架轴相对于箱体(6)的角位置和角速度；所述电路组件(12)包括能量转换电路、框架系统驱动电路和转子系统驱动电路；能量转换电路、框架系统驱动电路和转子系统驱动电路由拖拉机车载蓄电池(13)或外置辅助电源供电；所述能量转换电路分别与控制单元(11)和陀螺电机(8)连接；根据控制单元(11)的信号，切换陀螺主动控制系统的工作状态，配合陀螺电机(8)执行充电储能或放电释能工作；所述框架系统驱动电路分别与控制单元(11)、内框架力矩电机(5)和外框架力矩电机(7)连接；根据控制单元(11)的信号，通过驱动内框架(2)和外框架(9)运动，对陀螺转子(4)的进动角速度或力矩进行主动调控；所述转子系统驱动电路分别与控制单元(11)和陀螺电机(8)连接，根据控制单元(11)的信号，对陀螺转子(4)的自旋速度进行主动调控；所述传感器单元与控制单元(11)连接，传感器单元包括转速传感器、GPS定位仪和车轮六分力传感器；其中，所述转速传感器安装于陀螺房(1)与陀螺转子(4)的转轴连接处，用于检测陀螺转子(4)的转轴的转速；所述GPS定位仪安装于拖拉机主机体上，用于检测拖拉机实时车速；所述车轮六分力传感器安装于拖拉机各车轮上，用于检测车轮所受垂向力和侧
向力。2.根据权利要求1所述的陀螺主动控制系统，其特征在于，所述传感器单元内所有传感器电信号传输为有线和无线传输中的至少一种。3.根据权利要求1所述的陀螺主动控制系统，其特征在于，所述陀螺电机(8)为电动
‑
发电集成电机，能够用于驱动所述陀螺转子(4)将电能转换为转子高速运动的机械能，亦能够用于将所述陀螺转子(4)高速运动的机械能转换为电能输出。4.根据权利要求1所述的陀螺主动控制系统，其特征在于，所述陀螺房(1)为分离式壳体结构，通过螺栓和密封圈紧固，并通过真空组件将其内部抽至一定真空度后密封。5.根据权利要求1所述的陀螺主动控制系统，其特征在于，所述转子支承轴承为合金轴承、陶瓷轴承或磁悬浮轴承。6.根据权利要求1所述的陀螺主动控制系统，其特征在于，所述内框架支承轴承和外框架支承轴承均为调心滚子轴承。7.一种利用权利要求1
‑
6所述的陀螺主动控制系统的拖拉机极限态回稳与作业态补偿的陀螺主动控制方法，对拖拉机进行机体紧急纠姿、偏载力矩补偿和调峰动力补偿主动控制，其特征在于，包括以下步骤：S0、建立转子坐标系OXYZ和拖拉机坐标系O
’
X
’
Y
’
Z
’
：以陀螺转子(4)中心为转子坐标系坐标原点O，以拖拉机质心为拖拉机坐标系坐标原点O
’
，以拖拉机前进方向为转子坐标系X轴和拖拉机坐标系X
’
轴正方向；以拖拉机前进方向左侧为转子坐标系Y轴和拖拉机坐标系Y
’
轴正方向，Y轴与陀螺转子(4)的转轴的轴线重合；以转子坐标系Z轴与X、Y轴组成右手直角坐标系并始终垂直于XOY平面，以拖拉机坐标系Z
’
轴与X
’
、Y
’
轴组成右手直角坐标系并始终垂直于X
’
O
’
Y
’
平面；S1、拖拉机处于正常行驶状态时，无需陀螺主动控制系统介入；陀螺转子(4)处于浮动状态，箱体(6)随拖拉机同步运动，陀螺电机(8)带动陀螺转子(4)达到并保持额定转速，框架伺服机构不工作，传感器单元将实时采集的数据传输到控制单元(11)；其中，所述内框架轴光电编码器(10)检测内框架轴相对于外框架(9)的角位置和角速度；所述外框架轴光电编码器(3)检测外框架轴相对于箱体(6)的角位置和角速度；所述转速传感器检测陀螺转子(4)的转轴速度；所述GPS定位仪检测拖拉机实时车速；所述车轮六分力传感器检测各车轮所受垂向力和侧向力；S2、所述控制单元(11)根据步骤S1获得的拖拉机实时车速和各车轮所受垂向力和侧向力判定拖拉机状态；所述拖拉机状态包括正常行驶状态、侧翻边界状态、侧滑横摆耦合状态、高强度侧倾偏载作业状态和严重欠功率驱动作业状态；当拖拉机处于侧翻边界状态时，执行步骤S3；当拖拉机处于侧滑横摆耦合状态时，执行步骤S4；当拖拉机处于高强度侧倾偏载作业状态时，执行步骤S5；当拖拉机处于严重欠功率驱动作业状态时，执行步骤S6；当拖拉机处于正常行驶状态时，执行步骤S1；拖拉机状态判定过程如下：S2.1、当侧翻评价指标i
r
＝0时，判定拖拉机处于侧翻边界状态；所述拖拉机侧翻评价指标i
r
的计算公式为：
式中，拖拉机侧翻评价指标i
r
的取值范围为[0，+∞)，i
r
趋近于0时，表示当前轮胎所受载荷逐渐减小，i
r
＝0时轮胎开始远离地面，拖拉机处于侧翻边界状态；F
zi
为车轮六分力传感器检测的车轮实时垂向力，单位为N；F
s_zi
为拖拉机正常行驶时车轮六分力传感器检测的车轮垂向力，单位为N；F
s_zi
在陀螺主动控制系统初次安装时检测并设定；F
zi
和F
s_zi
中下角标i为车轮编号，i＝1时表示左前轮，i＝2时表示右前轮，i＝3时表示左后轮，i＝4时表示右后轮；S2.2、当侧滑横摆耦合状态评价指标i
s
＝0时，判定拖拉机处于侧滑横摆耦合状态；所述侧滑横摆耦合状态评价指标i
s
的计算公式为：前轴横摆：或后轴横摆：式中，i
s
的取值范围为[0，1]，i
s
趋近于0时轮胎所受侧向力逐渐增大，i
s
＝0时轮胎开始侧向滑动，拖拉机处于侧滑横摆耦合边界状态；F
y_f
为车轮六分力传感器检测的两前轮实时侧向力之和，单位为N；F
y_r
为车轮六分力传感器检测的两后轮实时侧向力之和，单位为N；f
y_f
为地面作用在拖拉机两前轮上的侧向最大静摩擦力之和，单位为N；f
y_r
为地面作用在拖拉机两后轮上的侧向最大静摩擦力之和，单位为N；地面作用在拖拉机前轮和后轮上的最大静摩擦力计算公式为：式中，F
z1
为车轮六分力传感器检测的左前轮实时垂向力，单位为N；F
z2
为车轮六分力传感器检测的右前轮实时垂向力，单位为N；F
z3
为车轮六分力传感器检测的左后轮实时垂向力，单位为N；F
z4
为车轮六分力传感器检测的右后轮实时垂向力，单位为N；μ为轮胎与地面之间的最大静摩擦系数；μ由拖拉机所在作业地区典型作业工况决定，在陀螺主动控制系统初次安装时设定；S2.3、当侧倾偏载作业状态评价指标i
u
处于[
‑
0.5，0]范围内时，判定拖拉机处于高强度侧倾偏载作业状态；所述侧倾偏载作业状态评价指标i
u
的计算公式为：式中，F
l
为车轮六分力传感器检测的左前轮和左后轮实时垂向力之和，单位为N；F
r
为车轮六分力传感器检测的右前轮和右后轮实时垂向力之和，单位为N；S2.4、当峰值动力欠缺状态评价指标i
p
处于(0.5，1]范围内时，判定拖拉机处于严重欠功率驱动作业状态；所述峰值动力欠缺状态评价指标i
p
的计算公式为：
式中，V
x
为拖拉机实时车速，由GPS定位仪实时测量，单位为m/s；V
d
为拖拉机目标车速，由电动拖拉机自身控制单元信号实时获取，单位为m/s；S2.5、当i
r
≠0、i
s
≠0、0＜i
u
≤0.5、0≤i
p
≤0.5同时满足时，拖拉机处于正常行驶状态；S3、当拖拉机处于侧翻边界状态时，当F
z2
＝0或F
z4
＝0，控制单元(11)判断拖拉机处于向左侧翻边界状态，控制单元(11)控制内框架力矩电机(5)驱动内框架(2)...

【专利技术属性】
技术研发人员：李臻，王龙龙，何志祝，杨敏丽，陈度，朱忠祥，谢斌，杜岳峰，宋正河，
申请(专利权)人：中国农业大学，
类型：发明
国别省市：