1. 绪论
1.1 选题背景
拖拉机是一种提供动力的移动式机械，它最早被生产于 18 世纪，将拖拉机与不同的农业器械配套使用，可以实现耕、耙、播、管、收等多种不同的农田作业以及运输作业。从最早期的蒸汽式拖拉机一直到如今的智能现代化、人性化和舒适化等具有高技术含量的拖拉机，它已经经历了一百多年的蜕变，在这个巨变的过程中，世界上有众多发达国家也随着拖拉机的不断发展从而完成了本国农业的机械化和现代化的进程[1]。
随着农业劳动生产率的不断提高，农用拖拉机逐渐大型化，在西欧和东北地区，这种发展趋势近年来势头也日渐兴盛，但是这也造成了一种结果，就是农户在农业生产过程中过多的依赖于少数的几台大功率的拖拉机，因此人们越来越需要能够最大限度地提高拖拉机的工作效率。
早期的农业机械劳动力成本较高且工作效率低，因此，我国发展现代化农业刻不容缓。随着信息、生命、环境、材料、控制等科学的快速发展和它们在农业范畴中的全面发展，为农业科学技术的进步提供了十分巨大的动力，逐渐地向数字化农业或者“精准农业”的方向发展，世界农业也开始发生庞大的改变，农机自动导航驾驶技术则是现代化农业中不可缺少的一部分，而在拖拉机自动导航技术中，液压转向系统也是其中至关重要的一部分[2,3]。
随着提出“精准农业”的概念，顺应现代农业可持续发展是未来农业发展的需求与趋势，“精准农业”的重点内容是应用现代科学技术对传统农业进行改造，采用地理信息系统（GIS）、全球导航卫星系统（GNSS）、决策支持系统（DSS）、遥感监测系统（RS）等技术，最大效率的合理利用各种农业生产资源，从而达到环境与农业二者之间的协调发展[5]。在着力于发展“精准农业”的过程中，组成现代智能化农业的关键部分之一的农业机械自动导航技术，将传统农业向现代化农业转型发展向前推动。由于现代农田建设规划的标准提高，政府通过对机耕路建设、土地的整治，大大优化了当地的农田结构布局，并且合理规划与适当的合并部分田块，这样既能平整地块，使农田地面坡度降低，还能更为便利的进行现代农业机械作业[4]。相对应的，这对农机工作也提出了更高的要求与标准，要求农业机械在田间工作速度加快、工作幅度加宽、工作质量也要提高，增大了农机的驾驶工作人员的工作负荷，因此人们已经无法满足于使用传统型的人工驾驶农业机械进行工作，必须应用农业机械自动导航技术驾驶工作人员有效地从单一、繁复的农田劳作中解放出来[6]。
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1.2 研究目的及意义
目前为止，我国依然是一个农业大国，农业作是我国的经济支柱之一，同时也是我国人民经济来源的基础[9]。在发展中国现代化农业的发过程中，想要迅速发展农业，就必须要重视农业机械化。因此，我国应将发展的重点放在机械化事业上，不仅要增加农业机械的装备总量，还要运用先进的科学技术水平对农业机械作业以及农业机械化程度进行提高，通过农民的收入与农作物产量的增加来提高整体的经济效益。机械化生产是农业现代化发展的重要标志之一，农业机械化则是现代农业发展强有力的技术后盾，在发展农业现代化的过程中，拖拉机就是其中非常关键的一个动力机械。随着时代的前进，我国在不断的对拖拉机工业进行改革，并且取得了了巨大的进步，对于拖拉机现在的生产能力而言，拖拉机类的农业机械的总产量在 1500 万台以上，其中小型拖拉机产量最高，为 200 万台以上，其次是大中型拖拉机，大概为 80 万台左右。自从我国加入了世纪贸易组织之后，中国市场引进了许多来自其他国家的拖拉机产品，它们与我国的拖拉机相比，具有很强的市场竞争力，在这样的情况下，提高产品的性能和科学技术含量、调整产品结构是我国拖拉机生产的必要环节，只有这样才能使其满足市场需求，使我国的拖拉机具有更强大的市场竞争力[10]。
转向系统作为拖拉机自动驾驶的关键技术之一，其好坏能够直接对拖拉机自动驾驶行驶的好坏进行判定。拖拉机转向系统必须要能够适应农田工作中恶劣的工作环境，不像在平坦路面上行走时一样，影响其的控制因素很少，必须要考虑到工作过程中的侧滑力、速度、转向阻力等因素对其的影响，非线性程度高。目前为止，我国对拖拉机自动驾驶转向控制系统还处于理论研究阶段，还没有成熟的自主产品将其商品化，并且由于现有的拖拉机转向系统在工作时，需要驾驶员手动进行人工驾驶与自动驾驶的切换，使转向工作变得复杂且工作量增大，同时也存在一些安全隐患，因此有研制出一套能够自动切换手动驾驶和自动驾驶模式的自动转向控制系统的必要，使拖拉机自动驾驶技术更加的智能化。
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2 拖拉机自动驾驶液压转向系统的总体设计
2.1 引言
本研究的目的是要求自动驾驶液压转向系统能够快速且精准的按照拖拉机转向指令进行转向。通过对目前为止的已有资料进行查阅，同时对成型产品的调研，得知拖拉机主要有全液压转向系统以及机械助力转向系统两种转向方式[20]。液压泵、传动皮带和压力流量控制阀等元件组成机械助力转向系统，启动车辆之后，无论车辆是否有转向需求，该系统都会保持工作的状态，这就使动力产生了很大的损耗。
转向系统由四部分组成，分别为电子控制单元、方向盘子系统、液压和机械执行部分，方向盘子系统上装有方向盘转角传感器和路感电机，驾驶员的转向意图信号能够通过方向盘上的转角传感器获得，路面行驶状况能够通过路感电机提供的方向盘阻力矩被驾驶员感知[21,23]。采集到的油压信号和方向盘转角信号等在被电子控制单元处理之后，将其输出目标信号给转向执行元件，进而使液压执行部分带动机械执行部分进行转向运动，让拖拉机前轮实现转向运动。
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2.2 液压转向系统设计原则
拖拉机在进行田间作业的时候，由于其工作环境比较恶劣，要使自动转向系统实现迅速、准确、高精度的运行得到保障，就必须在转向系统设计原则之下进行方案设计，其设计原则如下：
（1）必须具有可靠性。由于是在原车的转向系统的基础之下对自动驾驶液压控制转向系统进行改造，拖拉机若因转向系统改造不当而发生事故的话，拖拉机将会直接失去控制，造成器具损坏甚至使工作人员受伤，所以要求系统必须安全可靠；
（2）要求原车基本不受系统改造的影响。在进行系统改造时，应该保证车内的其他部件基本不用改动，最大程度的减少对原车进行其他不必要的改动。除此之外，改造中增加的机构应该尽量简单、紧凑，减少空间占用，这样便于系统的安装布置；
（3）应在保留人工驾驶模式的基础上进行对系统的自动转向控制改造。转向系统改造完成之后，不仅可以通过计算机控制完成自动路线跟踪行驶等操作，还应保留人工驾驶模式，这样驾驶员在实际的生产工作当中，能够根据不同的工作需求选择相应的驾驶方式；
（4）响应速度快。转向系统响应速度和控制精度之间具有密切的关系，因此，要使拖拉机自动转向能够被实时控制，系统的响应速度和灵敏度必须要高；
（5）可以控制转向方向及速度。转向功能作为拖拉机的基本功能之一，对转向系统进行改造后必须要能够使控制转向轮的工作得到有效保障。除此之外，转向控制方式在改造之后应该尽量的简单化，方便操作；
（6）转向精度高。由于拖拉机的行走精度会受到转向精度的影响，而精准农业的基本要求之一就是高精度作业，因此，必须保证转向系统的作业精度高，从而使土地以及耕种资源的浪费减少；
（7）改造后系统具有可移植性。系统在改造之后应该能在不同的品牌以及型号的拖拉机上设置安装，并且自动驾驶液压转向工作能够可靠完成[25]。
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3.1 集成阀块设计要点...................................... 14
3.2 集成阀块理论模型的建立......................... 14
4 自动转向系统的仿真分析.................................... 28
4.1 AMESim 软件介绍........................................... 28
4.1.1 AMESim 软件概述................................. 28
4.1.2 AMESim 仿真平台的应用..................................... 29
5. 拖拉机自动驾驶转向系统的台架试验................................... 41
5.1 试验台架的设计............................................... 41
5.1.1 转向阻力加载系统设计......................................... 42
5.1.2 试验台架的搭建...........................43
5 拖拉机自动驾驶转向系统的台架试验
5.1 试验台架的设计
如图 5-1 所示，试验台架主要是由三部分组成，分别为方向盘子系统、转向液压子系统与阻力加载子系统。试验台架工作原理为，当启动转向系统，进入自动驾驶模式，液压泵站向系统供油，液压油经过转向阀块供给到液压缸，使活塞移动，转向轮转动，通过控制子系统控制电磁比例换向阀的电压大小，控制阀口的开度大小，从而使转向轮成不同角度进行转向；当用手转动方向盘时，自动切换到手动驾驶模式。
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6. 总结与展望
6.1 结论
本研究设计了一套中型拖拉机中的自动转向液压系统，该系统能够实现拖拉机手动驾驶与自动驾驶的自动切换和拖拉机的理想转向，并且结构简化、转向精度高，并对该系统进行台架试验。通过研究得出以下结论：
（1）对拖拉机自动驾驶液压转向系统进行了整体设计。根据拖拉机的工作性能参数，针对拖拉机传统全液压转向系统的不足，选择合理的液压元件，进而设计出能够实现自动驾驶与手动驾驶自动切换的液压转向系统。
（2）考虑到拖拉机的布置空间问题，本研究把液压锁、梭阀、三位四通电磁比例换向阀、溢流阀、逻辑阀集成布置，这样安装的系统所需空间较小，易于安装拆卸及维护。
（3）使用 AMESim 软件对该自动转向液压系统进行了建模与仿真分析，详细地分析了该转向系统的转向性能以及稳定性。通过仿真分析，验证该转向系统能够达到预期的设计目标，根据仿真结果表明，仿真模型接近实际情况。
（4）对拖拉机自动驾驶液压转向系统进行台架试验，设计了试验台架，分别进行了转向系统的转向验证试验和响应性试验，通过试验验证了该液压系统的稳定性与仿真结果一致，可以看出转向系统的可靠性，虽然存在一定的误差，总体而言能够满足自动驾驶的需求。
参考文献（略）