本實用新型涉及自動化控制領(lǐng)域，尤其涉及一種適時全輪驅(qū)動的農(nóng)田電動三輪車控制系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著世界經(jīng)濟不斷發(fā)展，科技與環(huán)境的都在不斷地改變，人們對環(huán)保意識的不斷提高，其中在交通運輸行業(yè)發(fā)生了重大的轉(zhuǎn)變，豐田、大眾、通用、福特等汽車產(chǎn)業(yè)的帶頭企業(yè)先后進(jìn)行生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)變更重組，淘汰了曾經(jīng)高油耗的品牌和產(chǎn)品，把節(jié)能與新能源汽車作為企業(yè)產(chǎn)品，把節(jié)能和新能源汽車作為企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)的重中之重。

電動三輪車產(chǎn)品憑借其節(jié)能、實用、環(huán)保、便捷、經(jīng)濟的等優(yōu)越性，在各地區(qū)特別是鄉(xiāng)鎮(zhèn)、農(nóng)村，以及城鄉(xiāng)之間的地區(qū)市場迅猛增長，旅游觀光車等電動車，也被應(yīng)用于各個領(lǐng)域，并在我國起著越來越重要的作用，在如今和未來的相當(dāng)一段時間，人們注重環(huán)保、注重節(jié)能的理念日益增加，電動三輪車環(huán)保、便捷實用的優(yōu)點日益凸顯，在國內(nèi)市場需求日益高漲。

我國機械化技術(shù)剛剛起步，尤其是農(nóng)業(yè)電動機械化，地理環(huán)境以及國情等多種原因，我國的農(nóng)田生產(chǎn)管理仍然以人工管理為主，機械化水平非常落后。真正適合中國地貌的農(nóng)業(yè)機器非常少。一方面我國農(nóng)作物種植面積劃分行距有限，個人作業(yè)的土地較多，中大型農(nóng)業(yè)機械無法進(jìn)行作業(yè)。市場上的大中型植保機械品種較多、規(guī)格也比較全。但是真正適應(yīng)目前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的卻很少。

但不可否認(rèn)電動自動化正在從工業(yè)進(jìn)入農(nóng)業(yè)?，F(xiàn)在我國田間管理主要以手動噴霧器、手動踏板式和背負(fù)式電動噴霧器為主。這種噴霧器勞動強度大、勞動效率低、農(nóng)藥利用率低，農(nóng)作物生長需要多次打藥施肥，而且要在雨后馬上噴施，并且要求藥液盡可能多的噴灑在作物的葉子上。所以，手工噴霧器勞動強度大，噴出的藥液不均勻，彌漫性差，增大了藥物殘留，直接影響農(nóng)作物糧食品質(zhì)和產(chǎn)量，從而影響整個產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，根本無法滿足糧食、瓜果產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展的需求。

我國是農(nóng)業(yè)大國，技術(shù)、經(jīng)濟、文化的現(xiàn)代化進(jìn)程不斷發(fā)展，但我國農(nóng)業(yè)大部分還處在小集體甚至個體戶生產(chǎn)階段，在種植、施肥、管理農(nóng)作物、特別是水田農(nóng)作物，作業(yè)環(huán)境艱苦，且效率不高極大地影響著我國生產(chǎn)力的發(fā)展。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的就是為了解決上述問題，提供一種適時全輪驅(qū)動的農(nóng)田電動三輪車控制系統(tǒng)，實現(xiàn)農(nóng)田作業(yè)中三輪車根據(jù)實際工作參數(shù)的實時適時的控制和優(yōu)化，以克服農(nóng)田中泥濘的道路等外部環(huán)境對行走及附屬作業(yè)的嚴(yán)重影響，自動選擇全輪驅(qū)動與否，降低功耗、合理分配附屬作業(yè)功率，提高藥肥利用率。

為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用如下技術(shù)方案：

適時全輪驅(qū)動的農(nóng)田電動三輪車控制系統(tǒng)，包括控制單元，信號采集單元與控制單元的輸入端連接，控制單元的輸出端連接前輪隔離器和數(shù)模轉(zhuǎn)換單元后連接前輪驅(qū)動器，前輪驅(qū)動器與前輪電機連接，控制單元的輸出端還連接后輪隔離器和數(shù)模轉(zhuǎn)換單元后連接后輪驅(qū)動器，后輪驅(qū)動器與后輪電機連接；

所述控制單元還與存儲器連接；動力電池的輸出經(jīng)過穩(wěn)壓模塊后為系統(tǒng)供電。

所述信號采集單元包括前輪轉(zhuǎn)速傳感器、后輪左轉(zhuǎn)速傳感器、后輪右轉(zhuǎn)速傳感器、轉(zhuǎn)把霍爾傳感器、轉(zhuǎn)向編碼器、剎車傳感器。

所述信號采集單元連接模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊后連接控制單元的輸入端。

前輪隔離器和后輪隔離器包括單路π型濾波光耦接口電路，包括端口I+和I-，端口I+和光電耦合器的一輸入端之間串聯(lián)電阻R3，端口I-與光電耦合器的另一輸入端連接，端口I+和I-之間串聯(lián)電阻R4和發(fā)光二極管D3，所述光電耦合器的一輸出端同時連接電阻R5的一端和發(fā)光二極管D2的負(fù)極，電阻R5的另一端同時接電阻R6的一端和電容C1的一端，電阻R6的另一端留有輸出端O1，同時R6的另一端接電容C2后接地，電容C1的另一端接地；發(fā)光二極管D2的負(fù)極串接電阻R2后接電源。

本實用新型的有益效果：

實現(xiàn)農(nóng)田作業(yè)中三輪車根據(jù)實際傳感器的采集的數(shù)據(jù)實時適時的控制和優(yōu)化，以克服農(nóng)田中泥濘的道路等外部環(huán)境對行走及附屬作業(yè)的嚴(yán)重影響，自動選擇全輪驅(qū)動與否，降低功耗、合理分配附屬作業(yè)功率，提高藥肥利用率。

適時全輪驅(qū)動農(nóng)田電動三輪車綜合自動化、高動力、清潔能源等優(yōu)點，提高了農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化，給農(nóng)民省力，給國家節(jié)省不可再生的資源，同時也降低了農(nóng)民的實用成本，也將促進(jìn)我國機械加工業(yè)、農(nóng)業(yè)自動化的發(fā)展。

附圖說明

圖1為本實用新型所提供的單路π型濾波光耦接口電路設(shè)計原理圖；

圖2為本實用新型所提供的主控單元的基本測控框圖；

圖3為本實用新型所提供的三輪運動分析速度矢量圖；

圖4為本實用新型所提供的三輪車基本的自動控制流程圖；

圖5為本實用新型所提供的梯形加速程序的控制分析曲線；

圖6為本實用新型所提供的適時全輪驅(qū)動電動三輪車行走功能結(jié)構(gòu)簡圖。

其中，1.霍爾信號，2.輸出PWM的占空比。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖與實施例對本實用新型作進(jìn)一步說明。

如圖2和圖6所示，適時全輪驅(qū)動的農(nóng)田電動三輪車控制系統(tǒng)，包括控制單元，信號采集單元與控制單元的輸入端連接，控制單元的輸出端連接前輪隔離器和數(shù)模轉(zhuǎn)換單元后連接前輪驅(qū)動器，前輪驅(qū)動器與前輪電機連接，控制單元的輸出端還連接后輪隔離器和數(shù)模轉(zhuǎn)換單元后連接后輪驅(qū)動器，后輪驅(qū)動器與后輪電機連接；控制單元的輸出端還連接撒肥電機驅(qū)動和噴藥泵電機驅(qū)動；

所述控制單元還與存儲器連接；動力電池的輸出經(jīng)過穩(wěn)壓模塊后為系統(tǒng)供電。

所述信號采集單元包括前輪轉(zhuǎn)速傳感器、后輪左轉(zhuǎn)速傳感器、后輪右轉(zhuǎn)速傳感器、轉(zhuǎn)把霍爾傳感器、轉(zhuǎn)向編碼器、剎車傳感器。

所述信號采集單元連接模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊后連接控制單元的輸入端。

如圖1所示為單路π型濾波光耦接口電路設(shè)計原理圖，包括端口I+和I-，端口I+和光電耦合器的一輸入端之間串聯(lián)電阻R3，端口I-與光電耦合器的另一輸入端連接，端口I+和I-之間串聯(lián)電阻R4和發(fā)光二極管D3，所述光電耦合器的一輸出端同時連接電阻R5的一端和發(fā)光二極管D2的負(fù)極，電阻R5的另一端同時接電阻R6的一端和電容C1的一端，電阻R6的另一端留有輸出端O1，同時R6的另一端接電容C2后接地，電容C1的另一端接地；發(fā)光二極管D2的負(fù)極串接電阻R2后接電源。

當(dāng)前直流無刷電機驅(qū)動器速度信號多采用模擬信號給定(模擬信號具有連續(xù)直觀且容易實現(xiàn)等優(yōu)點)，而控制單元自己只有兩個DAC(數(shù)模轉(zhuǎn)換輸出)，對于多信號模擬電路控制就需要其他形式輸出并轉(zhuǎn)化為模擬信號，而最常見的是利用控制單元輸出較多的PWM信號。PWM信號是一種具有固定周期(T)不定占空比(τ)的數(shù)字信號。如果PWM信號的占空比隨時間變化，通過濾波之后的輸出信號將是幅值變化的模擬信號。因此通過控制PWM信號的占空比，就可以產(chǎn)生不同的模擬信號，即DAC輸出。信號輸出PWM數(shù)字信號要通過接口電路進(jìn)行π型隔離濾波放大等作用后利用穩(wěn)定的模擬信號才能驅(qū)動各個電機平穩(wěn)穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。所以要設(shè)計合適的接口電路來實現(xiàn)主控制器和驅(qū)動器電器隔離，只進(jìn)行信號之間的傳遞。

如圖2所示主控單元是實現(xiàn)電控產(chǎn)品的主要核心單元，相當(dāng)于人體的大腦；采集信號就相當(dāng)于人的眼、鼻、耳等感知部位；驅(qū)動的設(shè)計則表示著給電控產(chǎn)品安裝上雙手雙腳等。主控單元主要完成各項任務(wù)則需要對采集來的信號計算、處理之后并輸出相應(yīng)的控制信號，進(jìn)而控制整個系統(tǒng)。

本實用新型包括：采集信號的計算處理部分和控制處理信號的輸出控制部分。

采集信號的計算處理部分包括霍爾轉(zhuǎn)把信號的實時監(jiān)測和計算處理、前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的監(jiān)測和計算處理、前輪及后輪電機霍爾信號監(jiān)測和計算處理、剎車信號監(jiān)測和處理等。

其中電門信號就可用常見所示的霍爾腳踏板，角度不同會輸出不同的地電門信號，經(jīng)過連接程序中對應(yīng)的引腳進(jìn)入主控單元的AD采集模塊，進(jìn)入后經(jīng)一定比例做出響應(yīng)控制。

前輪轉(zhuǎn)向軸與編碼器通過同步輪同步帶的嚙合，利用編碼器可對車把轉(zhuǎn)動角位移或當(dāng)前位置信息精確的轉(zhuǎn)變?yōu)殡娒}沖信號，用電信號傳遞到控制器，在控制器的編寫對應(yīng)接收程序，完成前輪速度方向信息的采集。

目前采集前后輪最簡單有效的方法是截取電機與電機驅(qū)動器之間的通信的交互信號進(jìn)行測定當(dāng)前電機轉(zhuǎn)速。三輪車在運行時，用戶如遇到路障或其他需求需要停下時，操作者會踩下剎車，采用剎車斷電開關(guān)，剎車開關(guān)為動合觸點，不論在何種情況下對三輪車進(jìn)行剎車時，剎車開關(guān)的觸點被釋放，剎車開關(guān)閉合，在剎車時控制器的感應(yīng)腳被拉低，控制器(主控模塊)得知剎車信號，并停止一切驅(qū)動信號輸出，減少剎車時能量的損失甚至事故的發(fā)生；同時剎車燈兩端出現(xiàn)電壓差，剎車燈也被點亮。

適時全輪驅(qū)動的農(nóng)田電動三輪車控制方法，對于完成以上適時全輪驅(qū)動的三輪車來說，讓控制器知道什么時候采取全輪驅(qū)動，這就要用到各信號的采集來的輸入信號，控制單元對不同位置采集來的信號數(shù)據(jù)與實際理想運作狀況結(jié)合分析對照，通常選定某信號數(shù)據(jù)處理后與理想數(shù)值之間的偏離的數(shù)值，當(dāng)偏離的數(shù)值比例達(dá)到一設(shè)定值時，由控制器控制三輪車前輪開始驅(qū)動，增加動力以改善偏離的數(shù)值，當(dāng)進(jìn)入全輪驅(qū)動時，每隔一可設(shè)定的時間就會檢測偏離數(shù)值當(dāng)偏離值仍然大于設(shè)定值，將再次等待設(shè)定的時間后判斷，直到信號處理的數(shù)據(jù)小于設(shè)定值即前后輪穩(wěn)定輸出時，控制器自動放棄前輪驅(qū)動，從而只對三輪車進(jìn)行后輪驅(qū)動，減少在平坦路面上運行時電機損耗。并且根據(jù)各位置速度計算出總體移動速度，根據(jù)速度計算并執(zhí)行噴霧和撒肥的用量。

如圖3所示，在實際控制中利用不同位置的速度信號采集的數(shù)據(jù)在控制器中進(jìn)行以下數(shù)據(jù)處理，并與實際結(jié)合分析。對于轉(zhuǎn)向信號數(shù)據(jù)對應(yīng)出實際轉(zhuǎn)向角度β，由于車輪在轉(zhuǎn)向時兩后輪平均速度始終垂直于兩輪旋轉(zhuǎn)中心的半徑。再由對采集來的前輪轉(zhuǎn)向角度可設(shè)置合理區(qū)間，采集數(shù)據(jù)在合理區(qū)間內(nèi)變化時，同時采集三個輪的實時的瞬時速度，折算出當(dāng)前車輪線速度，前輪的轉(zhuǎn)向信號采集的數(shù)據(jù)對應(yīng)不同的角度信息，前輪轉(zhuǎn)角越大后輪平均速度就要相對越小，理論上有圖可得出以下公式

其中β實際轉(zhuǎn)向角度V_平均是運行時的瞬時的兩后輪平均速度，也就是后輪電機減速后的速度。V_前是前輪的瞬時速度。V₁是前輪的相對車體正向前方瞬時分速度。V₂、V₃分別是后輪左邊與后輪右邊的瞬時速度。

三輪車的各個輪轉(zhuǎn)速的檢測信號往往與理論數(shù)據(jù)存在差值，可通過以上公式建立聯(lián)系并設(shè)置偏差范圍，實際運行的偏差超出合理范圍，控制器在短時間內(nèi)感知并快速反應(yīng)，控制驅(qū)動前輪輸出。同樣以V₁、V₂、V₃分別表示前輪向前的速度分量、左后輪、右后輪轉(zhuǎn)動的瞬時速度，T1、T2為可調(diào)定時時間。三輪車采集來的速度信號經(jīng)過處理即可判定偏離數(shù)值，若以三輪車前輪向前的分速度與后輪平均速度差值占向前分速度的50％時，也就是后輪的平均速度在向前分速度的二分之一和二分之三之間。即:

$\frac{V_1}{2}\<\frac{V_2+V_3}{2}\<\frac{3V_1}{2}$

化簡后為:V₁＜V₂+V₃＜3V₁

在三輪車行走過程中，一般電門控制信號會直接驅(qū)動后橋電機，開始行走，信號采集來的數(shù)據(jù)可以處理計算出當(dāng)前的各輪速度，當(dāng)檢測到各輪速度不符合以上公式時，會在間隔很小一段時間再次判定速度防止信號抖動的誤差，若還是不符合上式，將會自動的對前輪進(jìn)行驅(qū)動，在等待一段時間后再次判定車輪速度的偏離狀態(tài)。自動控制判別的流程如圖4所示。而當(dāng)在接收到剎車信號時，控制器快速響應(yīng)，停止一切驅(qū)動信號的輸出(也可根據(jù)前后輪速度適當(dāng)給與當(dāng)前轉(zhuǎn)速相反的電信號驅(qū)動以加快制動速度)。

在采集來給定的霍爾信號急速上升或者急速下降時，輸出速度信號不可立即隨霍爾信號變化，可設(shè)定采集的霍爾信號為目標(biāo)值，判定當(dāng)前值與目標(biāo)值大小，當(dāng)目標(biāo)值大時就輸出當(dāng)前的速度加上某額定數(shù)值，反之輸出當(dāng)前的速度減去這個額定數(shù)值，返回主程序，主程序會自動循環(huán)，進(jìn)入下一次判定、輸出。這就完成了控制信號的梯形加速。提醒加速分析圖如圖5所示，其中1線代表的是霍爾信號，2指的線代表輸出PWM的占空比。

只有經(jīng)過控制系統(tǒng)處理和輸出這個中間環(huán)節(jié)系統(tǒng)才能正常運行。主控部分將車中各部分模塊密切聯(lián)系起來，從各模塊獲取信息或是對各模塊進(jìn)行控制。去感知需要有大腦的處理，才能有機械部分的支撐、執(zhí)行。所以控制系統(tǒng)程序設(shè)計任務(wù)是三輪車能自動適時全輪驅(qū)動設(shè)計的核心。根據(jù)整車電力信號的控制流程繪出的適時全輪驅(qū)動電動三輪車行走功能結(jié)構(gòu)簡圖如6所示。只有建立一個處理性能優(yōu)越，相應(yīng)敏捷，動作準(zhǔn)確的控制系統(tǒng)，才能從“眼、鼻、耳”傳遞到“大腦”并用手腳回應(yīng)的完整而穩(wěn)定的控制系統(tǒng)。

上述雖然結(jié)合附圖對本實用新型的具體實施方式進(jìn)行了描述，但并非對本實用新型保護范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本實用新型的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本實用新型的保護范圍以內(nèi)。