大型牵引式农机具柔性调偏装置及控制系统

本发明专利属于农业机械，特别涉及一种大型牵引式农机具柔性调偏装置及控制系统。

背景技术：

1、玉米免耕播种是新疆维吾尔自治区滴灌区实施保护性耕作的关键技术之一，主要将保护性耕作技术和宽窄行种植模式相结合，在秸秆覆盖地表进行免耕播种，可以实现节本增效。大型牵引式玉米免耕播种机作为新疆维吾尔自治区土地连片集中区域大规模作业的主要机具，得到了广泛的推广和应用。但是新疆维吾尔自治区滴灌区玉米收获后，玉米根茬留存高，秸秆覆盖量大，地表起伏不平，拖拉机无法精确约束大型牵引式播种机行走路径，易导致播种机偏离行间播种路径，发生横向和航向偏差，入土开沟播种部件触碰玉米根茬，进而导致播种质量下降。因此，在不改变拖拉机前进方向前提下，为降低大型牵引式玉米免耕播种机与拖拉机之间灵活性，通过在拖拉机与播种机之间加装一种柔性调偏装置，用于约束播种机的播种路径，进而补偿播种机横向和航向偏差。

2、传统大型牵引式玉米免耕播种机的偏差补偿主要由自身重量较大的拖拉机带动播种机完成，尚不能完全满足精准约束播种机灵活性、精准调节播种路径。虽然现阶段存在一些机具路径调偏装置，但是仍存在以下问题：

3、（1）在适配大型牵引式农机具方面，现有调偏装置大多数适用于中小型悬挂播种机，且多采用刚性调节，无法实现柔性调节补偿播种机的横向和航向偏差，造成动力消耗大、效率低等；专利申请“主动导航转向可调平通用悬挂装置”（专利号：cn 111226524 b）、“免耕作业机前后同步转向主动对行及姿态调整装置”（专利号：cn 112154749 b），后端挂接中小型悬挂式机具，并采用刚性调节，液压执行装置瞬间施加拉拽力，使开沟入土播种部件直接触碰土壤，造成机具开沟部件极易损坏等问题，上述专利装置不适用大型牵引式播种机作业，影响播种效率和质量。（2）在大型牵引式农机具调偏装置自动控制方面，现有装置自动控制精度低，由于田间地表起伏不平时大多凭借驾驶员的经验对横向和航向偏差进行大致调节，调节精度和响应时间均不高；专利申请“多信息融合导航的牵引式农机具路径跟踪装置及控制方法（专利号：cn115792999a）”，该装置采用单点牵引，结构简单，移动范围较小，控制系统缺少相关算法优化机具横向和航向误差，无法保证大型牵引式农机具调节误差范围和实际精度。 此外，现有装置结构设计存在不合理之处，未考虑机具挂接方便、电线油管布置、装置自身零部件载重以及装置拆卸、卫生清理等问题，仍需进一步完善。因此，为满足大型牵引式农机具精准行间调偏作业的实际需求，亟需开发一种大型牵引式农机具柔性调偏装置及控制系统。。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明提供一种大型牵引式农机具柔性调偏装置及控制系统，该柔性调偏装置安装在拖拉机与机具之间，能够左右偏转带动机具，补偿机具横向与航向偏差，使偏转后的牵引式机具快速回归设定的播种作业路径。并搭建基于bp-pid算法的横向偏差控制系统，实现大型牵引式机具进行精准调偏控制，保证大型牵引式农机具调偏播种性能，提高农机具调偏免耕播种质量。

2、为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

3、一种大型牵引式农机具柔性调偏装置，其特征在于，所述大型牵引式农机具柔性调偏装置包括悬挂-牵引承载连接机构1、多层推-拉偏差调节机构2、双点快速挂接平衡机构3、分布式控制系统4；所述农机具包括拖拉机5、机具6。

4、所述多层推-拉偏差调节机构2和分布式控制系统4分别与悬挂-牵引承载连接机构1配合安装，双点快速挂接平衡机构3由多层推-拉偏差调节机构2夹持固定，安装在悬挂-牵引承载连接机构1正后方。所述柔性调偏装置前端与拖拉机5三点悬挂连接，后端通过双点快速挂接平衡机构3与机具6牵引式连接。

5、所述悬挂-牵引承载连接机构1包括左挂接轴1-1、左侧板1-2、上挂接轴1-3、“v”字型上顶板1-4、右侧板1-5、右挂接轴1-6、下底板1-7。

6、所述“v”字型上顶板1-4外形呈“v”字型，左侧板1-2、右侧板1-5分别位于“v”字型上顶板1-4、下底板1-7左右两侧，左侧板1-2、右侧板1-5通过焊接固定支撑“v”字型上顶板1-4、下底板1-7，提高悬挂-牵引承载连接机构1稳定能力。

7、所述多层推-拉偏差调节机构2包括“鱼尾”型多层支撑板2-1、柔性牵引驱动机构2-2、平行四杆夹持机构2-3。

8、所述“鱼尾”型多层支撑板2-1包括顶层支撑板2-1-1、中层支撑板2-1-2、底层支撑板2-1-3。所述柔性牵引驱动机构2-2、平行四杆夹持机构2-3依次安装于底层支撑板2-1-3、中层支撑板2-1-2上端面。

9、所述顶层支撑板2-1-1包括顶板螺纹孔2-1-1-1、油管连通凹槽2-1-1-2、电线2-1-1-3、电线连通凹槽2-1-1-4、油管2-1-1-5。所述中层支撑板2-1-2包括中层板螺纹孔2-1-2-1、左摇杆连接孔2-1-2-2、旋转臂角度传感器连接孔2-1-2-3、右摇杆连接孔2-1-2-4、中层板螺纹孔2-1-2-5。所述底层支撑板2-1-3包括右牵引油缸连接孔2-1-3-1、左牵引油缸连接孔2-1-3-2、底板螺纹孔2-1-3-3。

10、所述柔性牵引驱动机构2-2通过支撑轴承安装在底层支撑板2-1-3上端面，底层支撑板2-1-3通过底板螺纹孔2-1-3-3与下底板1-7固定螺钉连接。所述平行四杆夹持机构2-3对称安装于“鱼尾”型中层支撑板2-1-2左右两侧，通过左摇杆连接孔2-1-2-2、右摇杆连接孔2-1-2-4进行固定螺钉连接，“鱼尾”型中层支撑板2-1-2通过中层板螺纹孔2-1-2-1与“鱼尾”型底层支撑板2-1-3固定螺钉连接。所述“鱼尾”型顶层支撑板2-1-1通过顶板螺纹孔2-1-1-1与“鱼尾”型中层支撑板2-1-2固定螺钉连接。

11、所述柔性牵引驱动机构2-2包括柔性支撑旋转臂2-2-1、圆形石棉填充垫片2-2-2、尼龙减阻垫片2-2-3、右纠偏牵引油缸2-2-4、支撑轴连接孔2-2-5、进出油路传输管2-2-6、左纠偏牵引油缸2-2-7、“u”字型夹持块2-2-8、连接吊耳2-2-9。

12、所述右纠偏牵引油缸2-2-4、左纠偏牵引油缸2-2-7采用左右对称设置，分别通过连接吊耳2-2-9固接至柔性支撑旋转臂2-2-1中前端1/3处，“u”字型夹持块2-2-8通过螺钉固接至柔性支撑旋转臂2-2-1前端。进出油路传输管2-2-6分别通过螺纹连接至左纠偏牵引油缸2-2-7、右纠偏牵引油缸2-2-4后端中部。所述尼龙减阻垫片2-2-3位于柔性支撑旋转臂2-2-1下端面。所述圆形石棉填充垫片2-2-2位于“u”字型夹持块2-2-8上端面。

13、所述平行四杆夹持机构2-3包括右连杆夹持机构2-3-1、左连杆夹持机构2-3-2。所述右连杆夹持机构2-3-1、左连杆夹持机构2-3-2具有相同结构，均包括夹持连接头2-3-1-1、螺纹连接套筒2-3-1-2、转向连接拉杆2-3-1-3和紧固连接轴2-3-1-4。

14、所述夹持连接头2-3-1-1利用螺纹连接套筒2-3-1-2与转向连接拉杆2-3-1-3螺纹连接，右连杆夹持机构2-3-1、左连杆夹持机构2-3-2分别通过紧固连接轴紧固连接轴2-3-1-4与“鱼尾”型底层支撑板2-3连接轴固接。

15、所述双点快速挂接平衡机构3包括“凹”字型双层挂接板3-1、连接通孔3-2、快速夹持组件3-4。所述快速夹持组件3-4包括前操纵杆3-4-1、后摇杆3-4-2。

16、所述双点快速挂接平衡机构3通过连接通孔3-2与右连杆夹持机构2-3-1、柔性牵引驱动机构2-2、左连杆夹持机构2-3-2进行销轴固接。所述“凹”字型双层挂接板3-1通过焊接固定在悬挂横梁3-3左右两端。所述摇杆3-4-1、后操作杆3-4-2通过螺钉固接在“凹”字型双层挂接板3-1内部。

17、所述分布式控制系统4包括bp-pid控制器4-1、信号接收机4-2、电液比例阀4-3、旋转臂角度传感器4-4、拖拉机卫星天线4-5、机具卫星天线4-6。

18、所述bp-pid控制器4-1、信号接收机4-2分别通过焊接固接至“鱼尾”型顶层支撑板2-1-1上端面。旋转臂角度传感器4-4用于检测柔性支撑旋转臂2-2-1的摆动角，旋转臂角度传感器4-4的安装座与“鱼尾”型中层支撑板2-1-2通过螺栓固定，旋转臂角度传感器4-4的内轴心通过联轴器与柔性支撑旋转臂2-2-1的安装轴连接，柔性支撑旋转臂2-2-1的左右摆动带动其以安装轴为中心摆动，从而带动旋转臂角度传感器4-4的摆动，以此实现柔性牵引驱动机构摆动距离的检测。所述拖拉机卫星天线4-5、机具卫星天线4-6分别安装在拖拉机5、机具6顶端中心处。

19、所述上顶板1-3采用“v”字型铸造设计结构，使装置重心后移、避免与拖拉机触碰。所述上顶板1-3弯曲角度为 α1，弯曲角度 α1范围为120°~150°。

20、所述“鱼尾”型多层支撑板2-1整体为叠加结构，依次叠加并通过螺钉固定连接；所述“鱼尾”型支撑板2-1采用“鱼尾型”结构设计，左、右后端设有油管连通凹槽2-1-1-2，正后端设有电线连通凹槽2-1-1-4。

21、所述油管连通凹槽2-1-1-2半径为r1，油管2-1-1-5半径为r4，电线连通凹槽2-1-1-4半径为r2，电线2-1-1-3半径为r3；所述油管连通凹槽2-1-1-2半径r1为油管半径r4的2~3倍，电线连通凹槽半径r2为电线半径r3的5~6倍；所述电线连通凹槽半径r1、油管连通凹槽半径r4设定为不同尺寸。

22、所述柔性牵引驱动机构2-2通过左右对称放置左纠偏牵引油缸2-2-7、右纠偏牵引油缸2-2-4固接至“鱼尾”型底层支撑板2-1-3上端面，可沿着以支撑轴连接孔2-2-5为中心左右转动。

23、根据权利要求1所述大型牵引式农机具柔性调偏装置，其特征在于，所述柔性牵引驱动机构（2-2）通过左右对称放置左纠偏牵引油缸（2-2-7）、右纠偏牵引油缸（2-2-4）固接至“鱼尾”型底层支撑板（2-1-3）上端面，可沿着以支撑轴连接孔（2-2-5）为中心左右转动；

24、所述柔性支撑旋转臂支撑轴连接孔（2-2-5）圆心至石棉填充垫片（2-2-2）圆心距离为 l10，柔性牵引驱动机构（2-2）摆动角度为 α3，由公式1可得柔性牵引驱动机构（2-2）摆动距离 l11为：

25、                              公式1

26、所述摆动角度转动角度 α3转动范围为0 ~60°，摇杆夹持机构摆动距离 l11范围为0~ 640 mm。

27、根据权利要求1所述大型牵引式农机具柔性调偏装置，其特征在于，所述右连杆夹持机构（2-3-1）、左连杆夹持机构（2-3-2）组成平行四边形双连杆结构，可沿中层支撑板（2-1-2）上端面转动；

28、所述右连杆夹持机构（2-3-1）、左连杆夹持机构（2-3-2）转动角度为 α2，平行四杆夹持机构的长度为 l3，由公式2可得平行四杆夹持机构的摆动距离 l2为：

29、               公式2

30、所述转动角度 α2转动范围为0 ~65°，平行四杆夹持机构摆动距离 l2范围为0 mm ~650 mm。

31、根据权利要求1所述大型牵引式农机具柔性调偏装置，其特征在于，所述尼龙减阻垫片（2-2-3）位于柔性支撑旋转臂（2-2-1）下端面，用于减小柔性牵引驱动机构（2-2）转动摩擦力；所述圆形石棉填充垫片（2-2-2）位于柔性支撑旋转臂（2-2-1）前端，增大双点快速挂接平衡机构（3）夹持摩擦力；

32、所述支撑轴（2-2-5）的凸出距离为 l6，尼龙减阻垫片（2-2-3）的高度为 l7，柔性支撑旋转臂（2-2-1）的宽度为 l8，尼龙减阻垫片（2-2-3）的宽度为 l9；所述尼龙减阻垫片（2-2-3）的高度 l7为支撑轴（2-2-5）的凸出距离 l6的1.1~1.2倍，尼龙减阻垫片（2-2-3）的宽度 l9为柔性支撑旋转臂（2-2-1）的宽度 l8的1.3~1.5倍。

33、根据权利要求1所述大型牵引式农机具柔性调偏装置，其特征在于，所述双点快速挂接平衡机构（3）由多层推-拉偏差调节机构（2）夹持固定，安装在悬挂-牵引承载连接机构（1）正后方；

34、所述平行四杆夹持机构夹持连接头（2-3-1-1）夹持范围为 l1，“u”字型夹持块（2-2-8）最大夹持距离为 l4，“u”字型夹持块（2-2-8）最小夹持距离为 l5，悬挂横梁（3-3）高度为 l12；所述“u”字型夹持块（2-2-8）最大夹持距离 l4为“u”字型夹持块（2-2-8）最小夹持距离 l5的1.3~1.5倍，平行四杆夹持机构夹持连接头（2-3-1-1）夹持范围 l1、“u”字型夹持块（2-2-8）最小夹持距离 l5为悬挂横梁（3-3）高度 l12的1.2~1.4倍。

35、根据权利要求1所述大型牵引式农机具柔性调偏装置，其特征在于，所述“凹”字型双层挂接板（3-1）整体成挂钩形状，所述“凹”字型双层挂接板（3-1）的凹槽直径 d1能够完全配合机具挂接轴的直径 d2；

36、所述“凹”字型双层挂接板（3-1）的凹槽直径 d1设为机具挂接轴直径 d2的1.2~1.5倍。

37、一种利用权利要求1-8任意一项所述大型牵引式农机具柔性调偏装置的控制系统，其特征在于，所述分布式控制系统（4）将信息采集、处理、执行等模块进行分层布置，搭建bp-pid控制器（4-1），增强分布式控制系统（4）可靠性与精准性；所述bp神经网络的结构包括输入层、隐含层和输出层，当输出层没有输出目标位置时，则进行反向传播，将误差信号返回通路，通过修改各层神经元的连接权值使得最终实际输出与目标输出位置之间的误差最小，进而确定bp-pid控制器（4-1）比例系数k p、积分系数k i、微分系数k d三个主要参数，实时调整横向调偏值 δl以适应田间环境；由公式3可得神经网络输人层输出选定为：

38、

39、                               公式3

40、其中：为输入层的输出；

41、由公式4可得神经网络隐含层输入、输出分别为：

42、

43、

44、                                  公式4

45、其中：为隐含层输入；为隐含层输出；为隐含层激活函数；

46、由公式5可得神经网络输出层输入、输出分别为：

47、

48、       公式5

49、其中：为神经网络输出层输入；神经网络输出层输出；为隐含层权值系数；为输出层权值系数；

50、 

51、 k p、 k i、 k d即为bp-pid控制器（4-1）的3个可调参数，进而确定bp-pid控制器（4-1）主要参数，优化横向调偏值。

52、一种大型牵引式农机具柔性调偏装置的控制系统工作过程，包括以下步骤：

53、s1、柔性调偏装置偏移信息获取；分布式控制系统4程序初始化，电液比例阀4-3、旋转臂角度传感器4-4、拖拉机卫星天线4-5、机具卫星天线4-6与bp-pid控制器4-1进行通讯连接，设定卫星定位天线安装位置，导航路径ab线，整机开始作业；信号接收机4-2获得所述拖拉机卫星天线4-5、机具卫星天线4-6接收的差分信号。

54、s2、柔性调偏装置动作调节；由所述bp-pid控制器4-1对所述信号进行处理以提取所述机具卫星天线4-6到设有的目标位置的差值，获得作业过程中机具实时横向调偏值 δ l；当机具的横向偏差 δl不等于目标值时，分布式控制系统4通过电液比例阀4-3控制右纠偏牵引油缸2-5-4和左纠偏牵引油缸2-5-7伸缩，双点快速挂接平衡机构3开始偏转，进而带动机具左右移动；同时旋转臂角度传感器4-4实时检测并反馈柔性调偏装置实际偏转角度，形成闭环信息反馈，调节机具的调偏播种作业路径。此时，柔性调偏装置动作调节存在3种状态：

55、状态1： δl大于0，bp-pid控制器4-1发送调偏指令给电液比例阀4-3，右纠偏牵引油缸2-5-4收缩和左纠偏牵引油缸2-5-7伸出，柔性牵引驱动机构2-2带动双点快速挂接平衡机构3朝右横移，旋转臂角度传感器4-4反馈横移信息。

56、状态2： δl小于0，bp-pid控制器4-1发送调偏指令给电液比例阀4-3，右纠偏牵引油缸2-5-4伸出和左纠偏牵引油缸2-5-7收缩，柔性牵引驱动机构2-2带动双点快速挂接平衡机构3朝左横移，旋转臂角度传感器4-4反馈横移信息。

57、状态3： δl等于0，bp-pid控制器4-1停止发送指令，电液比例阀4-3阀口关闭，右纠偏牵引油缸2-5-4、左纠偏牵引油缸2-5-7停止伸缩，柔性调偏装置结束作业。

58、s3、柔性调偏装置作业结束：信号接收机（4-2）获得所述拖拉机卫星天线（4-5）、机具卫星天线（4-6）接收的差分信号，获取玉米免耕播种机实时运动状态，判断拖拉机（5）、机具（6）是否处于同一直线，重复步骤s1~s2，直至机具（6）避开玉米根茬，bp-pid控制器（4-1）和电液比例阀（4-3）停止工作，柔性调偏装置作业任务完成。

59、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

60、1、针对现有调偏装置不适用于大型牵引式农机具，造成效率低下的问题，本装置悬挂-牵引承载连接机构改变拖拉机与机具连接方式，保留三点悬挂式精准连接特点，发挥牵引式连接承载较大牵引力的优势。柔性调偏装置前端通过左挂接轴、上挂接轴、右挂接轴与拖拉机三点悬挂连接，后端通过双点快速挂接平衡机构与机具牵引式连接；在不改变拖拉机前进方向前提下，柔性调偏装置可以牵引机具进行左右偏移，快速补偿机具横向和航向偏差。

61、2、针对现有大型牵引式农机具刚性调节补偿机具的横向和航向偏差，执行装置瞬间施加拉拽力，致使机具开沟入土播种部件损坏，造成动力消耗增大。本装置采用柔性牵引驱动机构进行双缸动力输出，右纠偏牵引油缸、左纠偏牵引油缸以60°夹角对称安装在柔性支撑旋转臂左右两侧，作业时精确调整双缸伸缩距离，驱动柔性牵引驱动机构左右扭转带动机具，缓慢增加机具入土开沟部件拉拽力，进而补偿机具的横向和航向偏差，解决了刚性拉拽导致的机具开沟入土播种部件易损坏的问题，达到增加机具使用寿命的目的。

62、3、针对目前大型牵引式农机具出现横向和航向偏差时需要进行频繁调节，进而造成调节精度和响应时间较低的问题，本装置搭建分布式控制系统，将信息采集、处理、执行等模块进行分层布置，bp-pid控制器根据导航定位传送的横向偏差信息，采用bp-pid控制算法，优化主要参数，制定调偏控制策略，实时自动补偿播种机横向和航向偏差，提高调节精度和响应时间。分布式控制系统根据导航确定拖拉机和播种机之间的相对位置信息，当播种机偏离导航线时，系统控制纠偏牵引油缸进行伸缩，从而带动调节机构开始偏转，补偿播种机横向和航向偏差，保证了良好的播种效果和效率。

63、4、针对现有调偏装置未考虑机具挂接方便、电线油管布置、装置自身零部件载重以及装置拆卸难度等造成机具调偏作业效率低下的问题，本装置的“鱼尾”型多层支撑板采用分层承重结构，合理布置各机构安装位置，节省空间，防止互相挤压，确保装置稳定运行，提高调偏准确性。分布式控制系统、平行四杆夹持机构、柔性牵引驱动机构依次安装在顶层、中层、底层支撑板之上，相对于单层结构设计，运动空间增大，分散装置重量，使装置更加安全。支撑板前端设有六个通孔，且后端设计为“鱼尾”型凹槽结构，节省安装空间，避免作业时油管、电线与农机具碰撞，降低装置拆卸难度。

64、5、针对现有装置与机具连接机构装配误差较大，造成机具稳定性下降影响调节精度的问题，本装置平行四杆夹持机构各平行杆件受力相对均匀，能够提供平滑的运动轨迹和动力传递，减小各杆件振动和摆动的幅度，提高了柔性调偏装置的运动精度。在左右调偏过程中，右连杆夹持机构和左连杆夹持机构始终保持平行，从而使安装在多层推-拉偏差调节机构上的双点快速挂接平衡机构在工作过程中的水平方向恒定，保证作业时装置各部件运动平稳，减少装配误差。