童 钦，孟广耀，黄居鑫，刘 鹏

TONG Qin, MENG Guang-yao, HUANG Ju-xin, LIU Peng

(青岛理工大学 机械工程学院，青岛 266033)

0 引言

植保机械的普及是一个国家实现农业现代化的标志之一。在发达国家，农作物病虫防治已基本实现了现代化。我国是一个农业大国，粮食作物种植面积广，植保机械的广泛使用，对于降低劳动强度，提高劳动效率提供了有利的条件[1]。我国植保机械的主要机型是手动式喷药机和背负式喷药机，这些喷药机结构简单，工作效率低，不适用于大面积农作物的药物喷洒。因此，大型自走式喷药机的引进与开发显得尤为重要。本论文为了满足大型喷药机的实际使用性能，对自走式喷药机四轮转向控制系统进行研究，研究设计了一种电控液压式的四轮转向控制系统。

1 四轮转向系统概述

目前，植保机械的转向分为两轮转向（2WS）和四轮转向（4WS）两种[2]。四轮转向(4WS,4 Wheel Steering)除了传统的以前轮为转向轮，后两轮也是转向轮，即四轮转向。根据本论文研究的大型自走式喷药机的实际转向要求，选择四轮转向进行研究。由于该喷药机要求四轮驱动并且轮距可以调节，所以其四轮直接使用四个液压缸进行控制转向。因此，对喷药机转向系统的控制就归结于对四个液压缸的伸缩进行控制。

2 喷药机4WS控制研究

2.1 转向控制系统整体研究

文中的大型自走式喷药机由纯液压驱动转向，因此对其转向控制的核心主要在于对其四轮转向驱动液压缸的控制上。通过中央控制器来控制液压缸的伸缩，从而保证喷药机转向的准确性和实时性。

根据不同的行驶条件，四轮转向分为两种：逆相位转向和同向位转向。在低速行驶或方向盘转角较大时，前、后轮实现逆向位转向，即后轮的偏转方向与前轮的偏转方向相反。在中、高速行驶或方向盘转角较小时，前、后轮实现同相位转向，即后轮的偏转方向与前轮的偏转方向相同[3]。本论文中的喷药机属于低速车辆（最高设计车速小于或等于70km/h），所以对其只需要采用逆向位转向即可。

喷药机的四轮转向可实现如图1所示的三种行车方式：前轮转向、四轮转向和原地绕车。四轮转向整体控制系统框图如图2所示，中央控制器接收来自四个按钮、转角传感器、位置传感器和方向盘的输入信号，通过事先编辑好的程序按逻辑进行相应的输出。转角、位置传感器实时的采集四个车轮的转角以及左右车轮的轮距。

图1 三种行车方式

图2 转向整体控制系统框图

2.2 前轮转向系统

2.2.1 前轮阿克曼转向原理

轮式车辆前轮转向时，为了防止侧滑，两前轮转角必须满足阿克曼转向原理。理论上要使各车轮都只滚动不滑动，各车轮必须围绕同一个中心点O转动，如图3所示。显然，这个中心点要落在非转向轮中心轴线的延长线上，并且两轮转向也必须以这个中心点为圆心而转动。两转向轮的偏转角满足如下关系[4]：

式中：α、β分别为左、右前轮偏转角；

B为左右车轮轮距；

L为前后车轮轴距。

图3 前轮转向时各车轮运动关系简图

2.2.2 转向控制系统

前轮转向控制系统框图如图4所示，当操作人员按下前轮转向按钮，操作台上前轮转向提示灯亮，同时在液压缸的作用下两后轮转角归零，并且始终保持这种状态。若喷药机左转，左前轮为基准轮，基准轮转角由方向盘控制，中央控制器通过角度传感器和位置传感器实时的采集基准轮转角α和左右轮距B（L为固定已知量），并根据阿克曼原理计算出右前轮转角β，最后将β值输出，经过数模转换器和放大器后，利用电液比例方向阀控制液压缸伸缩，达到实时调节右前轮转角的目的。

2.3 四轮转向系统

2.3.1 四轮阿克曼转向原理

图4 前轮转向控制系统框图

四轮转向时，为了防止侧滑，减少行驶阻力和轮胎磨损，要求四个轮子最好能做纯滚动，即要满足四轮阿克曼原理[5]，如图5所示。图中左侧前后轮偏转角相等为β，右侧前后轮偏转角相等为α，所以只标注出了左右前轮的偏转角。两偏转角满足如下关系式：

式中：α、β分别为左、右前轮偏转角；

B为左右车轮轮距；

L为前后车轮轴距。

图5 四轮转向时各车轮运动关系简图

2.3.2 转向控制系统

四轮转向控制系统框图如图6所示。若喷药机左转，左前轮和左后轮为基准角，方向盘控制两个基准轮的转角，传感器分别实时的采集基准轮转角以及左右轮距B，中央控制器通过依据四轮转向阿克曼原理所编写的控制程序实时的调节右侧前、后轮的转角，已达到四轮转向的目的。

2.4 原地绕车

2.4.1 数学模型

原地绕车时，各轮的位置关系如图7所示，四个车轮应该转动到一个圆的切线位置上，此时启动行走液压缸，喷药机才会围绕圆心原地绕车[6]。因为∠η+∠θ=π/2，∠δ+∠θ=π/2，所以∠η=∠δ。由图可知，tanη=L/B，所以tanδ=L/B，即δ=arctan（L/B）。

图6 四轮转向控制系统框图

图7 原地绕车时各车轮运动关系简图

2.4.2 控制系统

原地绕车控制系统框图如图8所示，在操作人员选择原地绕车按钮时，位置传感器实时的采集左右轮距B，中央控制器通过上述数学模型计算出相应的偏转角δ值，再通过电液比例方向阀控制液压缸的伸缩，从而控制四个车轮的偏转角，保证各轮的旋转中心为喷药机的几何中心。

图8 原地绕车控制系统框图

3 结论

依据上述四轮转向控制系统的研究，该系统可以实现轮距可调的四轮驱动的自走式喷药机的转向系统的控制。若是在转向时进行轮距调节，根据本论文所研究的控制系统也可以实时的根据轮距调整车轮的偏转角，保证转向与轮距调节可以同时进行。因此，本论文所研究的大型自走式喷药机的四轮转向控制系统是比较合理可靠的。

[1]倪静.高地隙四轮液压驱动喷雾机电液防滑控制系统设计及试验[D].江苏大学,2011.

[2]王志新.汽车四轮转向系统[J].公路与汽车,2006(1):5-8.

[3]李松龄.汽车构造[M].知识产权出版社,2010.

[4]刘惟信.汽车设计[M].清华大学出版社,2001.

[5]曾锦锋,陈晨,杨蒙爱.基于阿克曼转向原理的四轮转向机构设计[J].轻工机械,2013,31(3):13-19.

[6]王百超,郝博.四轮转向同步控制系统的研究与电子设计[J].电子元器件应用,2007,9(12):47-50.