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摘 要：农业机械自动转向是实现农业机械自动化和智能化的关键技术之一，农田作业工况较为复杂，拖拉机自动转向装置的现场安装调试费时费力。针对这一问题，本研究研制了一种拖拉机自动转向试验台，对拖拉机自动转向装置进行模拟调试与测试以保证其控制的准确性和可靠性，从而减少田间测试时间，降低安装使用成本。本研究选用120马力拖拉机前桥，通过对机械结构、液压系统和电气控制系统的设计计算，搭建了拖拉机自动转向试验台。利用惯性测量单元对转向系统工作性能进行测试，试验结果表明方向盘平均转向间隙为16.48°，车轮平均转角延迟时间为0.14s，响应速度和稳定性符合农业机械转向要求。所研制的拖拉机自动转向试验台能够用于测试拖拉机前桥的工作状态，并对其转向性能参数进行准确采集和记录，可为农业机械自动转向装置的调试和性能检测提供一个高效可靠的测试平台。
关键词：拖拉机;自动转向;试验台;自动控制
中图分类号：S232 文献标志码：A 文章编号：201903-SA002
杜 娟， 李 敏， 金诚谦， 印 祥. 拖拉机自动转向试验台研制[J]. 智慧农业， 2019， 1（2）： 85-93.
Du J ， Li M， Jin C， Yin X. Development of an automatic steering test bench for tractors[J]. Smart Agriculture， 2019， 1（2）： 85-93. （in Chinese with English abstract）
1 引言
拖拉机作为田间作业的主要动力机械，能够挂接多种作业机具，其作业环境复杂，对驾驶员技术要求较高，长时间的颠簸作业极易引起驾驶员疲劳。自动导航技术的实现，不仅可以降低操作难度、减少误差、保证田间作业质量，还可以节约农时、降低生产成本、促进智慧农业深度发展。近年来，基于卫星定位的拖拉机自动导航技术大大提高了拖拉机田间作业的高效性和精确性[1，2]。自动转向是实现拖拉机自动导航的前提[3-5]，国内外对拖拉机自动转向这一技术进行了大量研究，最常见、应用最广泛的两种方式分別是电液控制和电机控制[6-9]。
在电液控制方向方面，罗锡文等[10]、吴晓
鹏等[11]分别设计了基于PID算法的导航控制器和基于C8051F040单片机的转向控制单元，他们通过改装原有拖拉机转向系统完成了电液控制的自动转向执行机构设计，试验证明其具有良好的响应特性;陈文良等[12]通过组合液压转向器、步进电机等设计了一种电控液压自动转向系统;Qiu等[13]设计的拖拉机自动转向操控系统具有良好的试验效果。通过电液控制实现自动转向的方法反映速度快、反映精度高、操纵稳定性好。在电机控制方向，胡炼等[14]、张智刚等[15]分别以日本久保田SPU-68型和SPU-60型水稻插秧机为研究对象进行了自动转向执行机构的设计。来自美国Trimble公司的“EZ-Steer”采用摩擦轮电机系
统达到了自动转向的目的，成本低且安装简单。通过加装自动转向执行机构来实现自动转向的
方式尽可能地减少了对拖拉机原有转向机构的
改造。
拖拉机自动转向机构及其控制系统的测试大多是在拖拉机上进行的，然而田间测试对工作环境有着较高的要求，耗费较多的人力和物力。而拖拉机自动转向试验台可以为自动转向装置的性能检测提供一个高效可靠的测试平台[16-18]。实验台架的研制工作受到国内诸多高校的重视，李志臣等[19]设计的拖拉机智能主动转向试验台能够满足检验拖拉机主动转向控制方法的需要，但是由于没法连接转向车轮，不能满足拖拉机主动转向的实际工况。
针对农业机械自动转向系统现场安装调试费时费力的问题，研制了一种用于自动转向装置调试和测试的拖拉机自动转向试验台。所研制的试验台可集成液压自动转向装置或电动方向盘，能够完成轮式拖拉机的模拟加载和自动转向装置的性能测试。通过采集和记录转向过程参数，为拖拉机自动转向装置的快速安装提供依据，有助于减少田间调试时间，提高工作效率。
2 机械结构设计
为保证试验台较好的通用性，本试验台以东方红1204型120马力拖拉机[20]前桥为设计参考，进行整体机械结构设计。试验台总体结构图如图1所示，主要由转向前桥、导向车轮、模拟加载装置、液压助力方向盘总成、机架等组成。
机架采用箱式底座，尺寸为2500mm×1800mm×35mm，用于支撑并安装其它部件。转向前桥选用1204型拖拉机转向桥，采用浮动式结构设计，前桥与浮动架铰接，可模拟路面不平时拖拉机的真实状态。
为了能够模拟拖拉机行驶时不同地面条件和作业工况，设计了模拟加载装置，该装置主要由轮胎托板、加载支架和千斤顶组成。如图2所示。
拖拉机行驶速度较低，对加载装置的控制精度和响应速度没有过高的要求，根据拖拉机的最小使用质量及最大配重，本研究选用起重量为5t的机械式千斤顶作为力的加载机构，通过调节加载定位螺栓可调节平台与车轮的间隙，通过调节加载压力螺栓可以改变平台施加力的大小。千斤顶加载时，产生的作用力由梁架传递给轮胎托盘平台，机体的重量由平台承受，使之保持平衡，梁板支架之间设有缓冲压簧。
3 液压系统设计
3.1 液压系统的原理
如图3所示，本试验台的液压转向系统以变频电机作为动力源，主要包括液压泵、液压助力转向装置、转向油缸、二位二通电磁阀等。