拖拉机滑转率无线测试系统的研制

李　导，张志刚，王在满，李　庆

(华南农业大学 工程学院，广州　510642)

0　引言

我国南方水田稻区为重要的产粮地，水稻种植面积超过全国的40%[1]，小型田间拖拉机为其主要动力，在生产中发挥着重要作用。田间拖拉机往往要面对复杂多变的路面工况，有泥泞的水田、松软的土路及较平坦的旱田，当土壤湿度较大时往往导致滑转率过大，甚至使拖拉机原地打滑而不能前进[2]。滑转影响着拖拉机各项性能的发挥[3]，研究表明：拖拉机的传动效率(约为75%～81%)和发动机效率(约为30%～35%)在现有的条件下已经难以提升，而一种有效的办法是提高拖拉机的牵引效率[4]。牵引效率的变化主要取决于滑转效率和滚动效率[5]，通过合理地控制拖拉机滑转率可以改善牵引效率和优化燃油效率，降低拖拉机燃油消耗率，从而显著提高拖拉机燃油经济性[6-7]。我国南方土壤湿度较大，田间耕作效率很低[8]，而拖拉机只有工作在最佳滑转率下才能充分发挥驱动能力，保证较高的牵引效率和工作效率[9]，因此对拖拉机的滑转率进行实时无线测量监控具有重要的意义。

滑转率的测量主要是实际车速的测量和实际轮速的测量，通过对比实际车速及实际轮速的大小得到滑转率。因此，车速和轮速的测量精度将直接决定滑转率的测量精度。车速的测量方法有标杆法、轮速传感器测量法及多普勒雷达测速法等，由于农田作物生长情况及其它种种原因，以上方法的测量误差都较大。近年来，随着GPS技术的发展，科研人员提出将GPS用于农业机械的测速研究[10]。GPS测速大致有3种方法：一是基于GPS高精度定位结果，通过位置差分来获取速度；二是利用GPS原始多普勒观测值直接计算速度；三是利用载波相位中心差分所获得的多普勒观测值来计算速度[11-13]。在实时导航过程中，很难获得连续、可靠、高精度的定位结果，因此第1种测速方法不可靠；而低成本GPS接收机又不能观测得到多普勒频移信息，第2种方法也不可用[14]。轮速主要通过在拖拉机上安装五轮仪或轮速传感器测量，如霍尔轮速传感器、光电转速传感器、编码器等。五轮仪进行车速测量只适合于某一特定工况下的滑转率测试，不适用于实时测量工作于各种工况下的拖拉机车身速度[15]。拖拉机的工作环境较为恶劣、自身振动大且安装空间有限，光电转速传感器和编码器会受到较大影响。综上所述，本文分别采用GPS载波相位中心差分法和霍尔传感器对车速及轮速进行测量，对滑移率进行分析，从而为后续不同工况下滑转率门限、控制策略等研究提供一种无线检测滑移率的方法。

1　测量方法

1.1　轮速的测量法

轮速传感器采用的是ES3144型霍尔传感器。该传感器有3个引脚，分别为正极、信号极、负极，具有无触点、无火花、体积小、结构简单、灵敏度高、无自激震荡、温度性能好及抗污染能力强等特点[16-17]。其接电后用磁铁靠近就能检测到信号变化，通过在车轴安装磁盘，测量在特定时间间隔内脉冲信号个数即可测得轮速。测频率法虽然受传感器输出脉冲的间隔影响较大，但只要提高磁盘磁极数或者加大测量的单位时间，使一次采集的脉冲个数尽可能多，就能得到较高的精度[18]，本文采用24磁极磁盘。

将磁盘和拖拉机4个车轮进行刚性连接，保证轮转盘转。霍尔传感器通过支架引至磁盘处检测信号，通过STC89C52RC采集单位时间内的脉冲信号个数，利用无线串口发送至接受终端，计算得出转速为

其中，Nl为转速；n为脉冲信号个数；p为磁盘磁极数；t为脉冲频率宽度。

轮速计算公式为

Vl=Nl·π·d

其中，Vl为轮速；d为车轮直径。

1.2　车速的测量方法

车速测量采用GPS载波相位中心差分法，选用美国生产的Trimble 5700 L1接收机，定位精度为厘米级。通过GPS的定位数据和已知坐标点的数据解算出差分数据(RTCM)，再通过数据链将误差修正参数实时播发出去，用户端通过数据链接收修正参数并传给GPS，GPS接收修正参数进行修正解算。将5700接收机输出格式设置为NAME1083标准中的VTG格式，VTG语句中包含运动角度、水平运动速度等，通过RS232串口以字符串的形式输入电脑，将其中代表拖拉机水平运动速度的字符串用MatLab提取出来转换为十进制数值，记为VG，则拖拉机的滑转率为

其中，Vl为拖拉机轮速；VG为GPS测得的车速。

霍尔传感器将检测到的信号直接送往单片机，由单片机4个I/O口负责脉冲信号的采集，并每隔1.5 s由无线发送模块发送数据；在接收端，单片机通过无线接收模块接收数据，并将数据进行处理后用液晶显示模块进行显示。

2　试验设计与测试

2.1　测试条件

本试验选用井关PG-6乘坐式水稻插秧机，是南方水稻主产区大面积作业机械，四轮驱动，选用插秧挡位分别对拖拉机低中高速时滑转率进行测量。试验田选择华南农业大学教学科研基地试验田，路面情况选择拖拉机常走的松软旱田。

2.2　传感器及GPS的安装

试验中需要分别对拖拉机的四轮进行转速测量，因此需要安装4个霍尔传感器及磁盘。需要注意的是：磁盘和车轮要中心对齐，传感器支架采取3点固定，以减少拖拉机行走时产生的振动。

GPS系统的搭建要将1台Trimble 5700接收机用三角支架水平固定在田边充当基站，另将一台Trimble 5700接收机和天线固定在拖拉机上充当差分移动站。

2.3　测试系统的组成

STC89C52RC芯片通过霍尔传感器采集4个轮子的转速，将轮速信息通过无线串口传输给LCD进行动态显示并保存数据。

GPS系统通过载波相位中心差分法测量车速，基站上的接收机为参考站，对卫星进行连续观测，并将其观测数据和测站信息通过无线电传输设备，实时地发送给流动站，流动站GPS接收机在接收GPS卫星信号的同时，通过无线接收设备，接收基准站传输的数据；然后，根据相对定位的原理，实时算出RTCM数据格式，通过RS232串口将数据实时输入PC端并保存数据，如图1所示。

利用MatLab对轮速及车速数据进行同步计算、显示及保存。

1.GPS天线　2.卫星　3.PC　4.LCD显示端5.磁盘　6.传感器　7.GPS接收机

3　结果与分析

在工作挡位不同速度下测量的滑转率结果如图2所示。拖拉机在软泥土路面分别以低速(约3.7km/h)、中速(约5km/h)、高速(约6.5km/h)行走时，其左前、右前、左后、右后轮的滑转率如表1所示。

由图2、表1可知：拖拉机在松软旱田行走时，特定条件下速度越快滑转率越低。在低速挡时，拖拉机前后轮滑转率分别在13.68%～19.15%和8.05%～16.58%之间变化，平均滑转率分别为15.99%和13.28%；但在高速挡时，拖拉机前后轮滑转率分别在7.08%～12.68%和4.48%～10.23%之间变化，平均滑转率分别为9.39%和7.96%。原因是：拖拉机在低速挡时速度慢、转矩大容易发生空转现象，驱动力过剩，此时应该加快速度或者增大负载。由表1可知：在特定条件下，拖拉机后轮的滑转率总是低于前轮的滑转率。原因是：在松软泥土路面下，后轮的负重大于前轮，后轮跟地面接触地更紧实，导致后轮的摩擦力更大，因此较不易发生打滑现象。

图2　不同档位下拖拉机的滑转率

速度档位置滑转率12345678910平均滑转率低速前轮左18.7216.3717.8414.3618.7615.7414.3913.6815.1713.7315.88右17.8616.4116.8716.7719.1514.0713.8115.6716.0215.3216.20后轮左15.4612.7314.9213.8816.1414.4312.5612.3211.2810.6413.44右16.5811.4316.3413.4915.4113.2713.4410.4212.638.0513.11中速前轮左11.4710.3715.4013.0412.529.3814.0212.3310.4914.7012.37右9.8011.3614.5416.7511.3911.7216.3411.479.7912.4312.56后轮左8.348.879.7412.719.668.7012.209.2510.1711.1610.10右7.699.488.3611.4910.828.1310.4110.579.1911.919.81高速前轮左9.828.419.868.4911.278.337.549.1212.688.559.41右8.619.788.1210.3012.417.7010.488.0711.147.069.37后轮左6.158.538.144.489.798.437.418.4210.238.768.03右5.469.348.456.468.319.676.487.138.449.237.90

4　结论

结合GPS测速技术，研制了一种拖拉机四轮滑转率无线实时监测系统。初步试验表明：本文研制的系统测试精度较高，能够为后续研究打下基础，具有一定的应用价值。