許文超，張亞運(yùn)

(安徽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 淮南　232001)

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基于軌道運(yùn)輸?shù)霓r(nóng)業(yè)智能化生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

許文超，張亞運(yùn)

(安徽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 淮南232001)

摘要：為了解決傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化程度低、缺乏統(tǒng)一作業(yè)平臺(tái)的問題，提出在農(nóng)田鋪設(shè)地軌系統(tǒng)和空軌系統(tǒng)，構(gòu)建農(nóng)業(yè)智能化生產(chǎn)系統(tǒng)?；谲壍赖倪\(yùn)輸，搭建了地軌運(yùn)輸小車、空軌小車和航拍小車，并基于機(jī)構(gòu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)理論，設(shè)計(jì)了四自由度肥料混合播撒機(jī)。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，構(gòu)建了農(nóng)產(chǎn)品的拍攝與交易系統(tǒng)、采摘與噴灌系統(tǒng)及收割與施肥系統(tǒng)。該系統(tǒng)為進(jìn)一步研究農(nóng)業(yè)的智能化生產(chǎn)提供了參考。

關(guān)鍵詞：軌道運(yùn)輸；農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)；智能化；混聯(lián)機(jī)構(gòu)

0引言

隨著新農(nóng)村建設(shè)在全國(guó)范圍內(nèi)的覆蓋，農(nóng)村人口的居住結(jié)構(gòu)由分散式轉(zhuǎn)型為聚集式，農(nóng)村的耕地區(qū)域也相應(yīng)聚攏，農(nóng)村耕地的集中經(jīng)營(yíng)概念被提出[1]?？茖W(xué)、機(jī)械耕作是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的最基本特征，耕地集中經(jīng)營(yíng)是科學(xué)、機(jī)械化耕作的重要前提。建設(shè)新農(nóng)村，實(shí)現(xiàn)城鄉(xiāng)一體化，提高農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平，要推進(jìn)耕地集中經(jīng)營(yíng)[1]。新農(nóng)村建設(shè)下的農(nóng)田集中經(jīng)營(yíng)，離不開農(nóng)業(yè)智能化生產(chǎn)裝備和技術(shù)的支持。

目前，我國(guó)農(nóng)業(yè)種植生產(chǎn)中廣泛使用的設(shè)施不適合于高度智能化的環(huán)境調(diào)控，必須部署智能化關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)工程[2]。農(nóng)業(yè)智能化生產(chǎn)不僅將農(nóng)民從繁重的農(nóng)業(yè)勞動(dòng)中解放出來，而且能實(shí)現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品的高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效、安全。目前，農(nóng)業(yè)智能化生產(chǎn)面臨兩大重要技術(shù)難題：①傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中播種、施肥采摘和收割使用的農(nóng)用機(jī)械，缺乏統(tǒng)一的自動(dòng)化農(nóng)業(yè)作業(yè)平臺(tái)，從現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)建設(shè)和“精細(xì)農(nóng)業(yè)”的角度考慮，我國(guó)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)應(yīng)構(gòu)建一體化的運(yùn)輸和作業(yè)平臺(tái)，在平臺(tái)上搭載各種農(nóng)用機(jī)械和農(nóng)業(yè)運(yùn)輸裝置，從而實(shí)現(xiàn)無人化操作和遠(yuǎn)程監(jiān)控[3]；②我國(guó)偏遠(yuǎn)地區(qū)的農(nóng)產(chǎn)品市場(chǎng)銷售渠道窄、信息流通緩慢，從農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的角度考慮，我國(guó)推出了“互聯(lián)網(wǎng)+”行動(dòng)計(jì)劃，開發(fā)網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、智能化等技術(shù)，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中推動(dòng)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)與現(xiàn)代農(nóng)業(yè)結(jié)合，有利于實(shí)現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品信息的開放化和共享化。

基于上述背景，提出基于軌道運(yùn)輸?shù)霓r(nóng)業(yè)智能化生產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。

1整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1　整機(jī)結(jié)構(gòu)

基于軌道運(yùn)輸?shù)霓r(nóng)業(yè)智能化生產(chǎn)系統(tǒng)包括地軌系統(tǒng)、空軌系統(tǒng)、拍攝與交易系統(tǒng)、采摘與噴灌系統(tǒng)、收割與施肥系統(tǒng)。農(nóng)場(chǎng)的四周鋪設(shè)地軌和空軌系統(tǒng)：地軌系統(tǒng)包括橫向基軌、縱向基軌及縱向輔軌；空軌系統(tǒng)包括橫向基軌、縱向基軌、橫向輔軌及軌道支架。采摘與噴灌系統(tǒng)包括采摘機(jī)、噴灌機(jī)、地軌運(yùn)輸小車、三自由度機(jī)械手、空軌小車、控制系統(tǒng)、網(wǎng)上控制平臺(tái)及移動(dòng)控制終端；收割與施肥系統(tǒng)包括收割機(jī)、肥料混合播撒機(jī)、地軌運(yùn)輸小車、控制系統(tǒng)、網(wǎng)上控制平臺(tái)及移動(dòng)控制終端；拍攝檢測(cè)與在線交易系統(tǒng)包括X向航拍小車、Y向航拍小車、Z向航拍小車、控制系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)、客戶界面及農(nóng)場(chǎng)主界面。農(nóng)業(yè)智能化生產(chǎn)系統(tǒng)的關(guān)鍵運(yùn)輸部件分布圖如圖1所示。

1.地軌系統(tǒng)　2.空軌系統(tǒng)　3.地軌運(yùn)輸小車

1.2　工作原理

地軌運(yùn)輸小車、航拍小車搭載安裝在地軌系統(tǒng)上，地軌系統(tǒng)具有兩自由度，縱向輔軌沿橫向基軌的水平移動(dòng)和地軌運(yùn)輸小車沿縱向輔軌的縱向移動(dòng)。收割機(jī)、肥料混合播撒機(jī)搭載安裝在地軌運(yùn)輸小車上。空軌小車和航拍小車搭載安裝在空軌系統(tǒng)上，采摘機(jī)、噴灌機(jī)搭載安裝在空軌小車上，空軌系統(tǒng)的各單軌間均通過彎軌過渡，便于實(shí)現(xiàn)設(shè)備的變軌。

2肥料混合播撒機(jī)

2.1　振動(dòng)混合機(jī)構(gòu)的構(gòu)造

基于并聯(lián)機(jī)構(gòu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)理論優(yōu)選了混聯(lián)機(jī)構(gòu)3-SOC{-Ri1//Ri2//Ri3-}-P(i=1～3。其中，R為轉(zhuǎn)動(dòng)副，P為移動(dòng)副，//表示平行。作為振動(dòng)混合機(jī)構(gòu)[4]，其由機(jī)型為3-SOC{-Ri1//Ri2//Ri3-}的并聯(lián)機(jī)構(gòu)串聯(lián)一個(gè)移動(dòng)副構(gòu)成，如圖2所示。其中，定平臺(tái)R11//R21//R31，動(dòng)平臺(tái)R13//R23//R33。

3-SOC{-Ri1//Ri2//Ri3-}-P

支路的方位特征POC集為

(1)

并聯(lián)機(jī)構(gòu)的POC集為

MPa=Mb1∩Mb2∩Mb3

(2)

其中，t2表示沿著空間2個(gè)方向的移動(dòng)；r1(//R11)表示平行于R11軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)。

由式(2)可以得知并聯(lián)機(jī)構(gòu)的自由度為3，既兩平移一轉(zhuǎn)動(dòng)。因此，可將R11、R21、R31作為主動(dòng)副，輸入回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)動(dòng)平臺(tái)沿X、Y方向平移和繞Z方向的回轉(zhuǎn)。振動(dòng)混合機(jī)構(gòu)Z向的振動(dòng)是通過兩臺(tái)偏心振動(dòng)電機(jī)的同步反向運(yùn)動(dòng)合成實(shí)現(xiàn)垂直方向的往復(fù)振動(dòng)[5]。

2.2　振動(dòng)混合機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

振動(dòng)混合機(jī)構(gòu)主要由振動(dòng)漏斗、中位激振電機(jī)、動(dòng)平臺(tái)、并聯(lián)振動(dòng)支鏈、靜平臺(tái)及驅(qū)動(dòng)電機(jī)組成，如圖3所示。并聯(lián)振動(dòng)支鏈由3條相同的運(yùn)動(dòng)鏈RRR均勻布置，定平臺(tái)上的3個(gè)主動(dòng)副R11、R21、R31由3個(gè)普通旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。兩臺(tái)中位激振電機(jī)平行安裝在動(dòng)平臺(tái)上，控制兩臺(tái)激振電機(jī)的同步反向旋轉(zhuǎn)，運(yùn)動(dòng)合成后產(chǎn)生Z向振動(dòng)[6]。

1.振動(dòng)漏斗　2.中位激振電機(jī)　3.靜平臺(tái)

2.3　肥料混合播撒機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)

肥料混合播撒機(jī)由分箱儲(chǔ)料倉、流量控制裝置、支撐架、振動(dòng)混合機(jī)構(gòu)、播撒裝置、微處理器和田間地圖組成，如圖4所示。整機(jī)高度約0.8m，長(zhǎng)0.6m，寬0.6m。分箱儲(chǔ)料倉安裝在支撐架的頂板上，并通過柔性布套與振動(dòng)混合機(jī)構(gòu)連接。流量控制裝置安裝在分箱儲(chǔ)料倉的下底面，且位于柔性布套中，振動(dòng)混合機(jī)構(gòu)的動(dòng)平臺(tái)通過4根懸掛彈簧懸掛在支撐架上，靜平臺(tái)安裝在支撐架的中板上，播撒裝置通過柔性布套與振動(dòng)混合機(jī)構(gòu)連接[7]。農(nóng)田各局部所需的肥料比率及單位面積用量，事先編程存入微處理器中，根據(jù)掃描田野地圖，計(jì)算機(jī)將信息送往流量控制裝置以控制肥料的播撒[8]。肥料混合播撒機(jī)的主要功能是根據(jù)土壤特性和農(nóng)作物的需要，對(duì)肥料進(jìn)行自動(dòng)化的科學(xué)混施。

1.分箱儲(chǔ)料倉　2.支撐架　3.流量控制裝置

3地軌運(yùn)輸小車

地軌運(yùn)輸小車包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)、軌輪、縱板、橫梁和搭載板，如圖5所示。驅(qū)動(dòng)電機(jī)為伺服電機(jī)，數(shù)量為4個(gè)，其輸出軸與軌輪相連接。軌輪與地軌系統(tǒng)的單軌配套使用。地軌運(yùn)輸小車的搭載板上左右各安裝一個(gè)肥料混合播撒機(jī)，且縱板和橫梁上均設(shè)有螺紋孔，用于安裝和搭載多種農(nóng)用機(jī)械。

1.驅(qū)動(dòng)電機(jī)　2.軌輪　3.縱板　4.橫梁　5.搭載板

4三自由度機(jī)械手和空軌小車

空軌小車吊裝在空軌系統(tǒng)的單軌上，用于搭載采摘機(jī)、噴灌機(jī)，三自由度機(jī)械手也安裝在空軌小車上，輔助采摘機(jī)、噴灌機(jī)生產(chǎn)作業(yè)，如圖6所示。三自由度機(jī)械手采用串聯(lián)機(jī)械臂設(shè)計(jì)，能產(chǎn)生繞空間X、Y、Z軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。對(duì)于承載量大、精度要求高的作業(yè)環(huán)境，應(yīng)該采用并聯(lián)機(jī)械臂，如基于Delta機(jī)構(gòu)的并聯(lián)機(jī)械臂。三自由度機(jī)械手也以可搭載在地軌運(yùn)輸小車上使用。

1.空軌系統(tǒng)單軌　2.空軌小車　3.三自由度機(jī)械手

5航拍小車

航拍小車包括車架、底板、1對(duì)承重輪、1對(duì)行走驅(qū)動(dòng)輪、1對(duì)行走輔助輪、1對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、無線控制盒、相機(jī)連接桿及航拍相機(jī)，如圖7所示。航拍小車的相機(jī)連接桿采用可伸縮桿設(shè)計(jì)，上連接桿的頂端設(shè)有滑塊，安裝在底板的矩形滑槽中，下連接桿底端連接有圓形轉(zhuǎn)盤，圓形轉(zhuǎn)盤可饒垂直軸線實(shí)現(xiàn)360°的回轉(zhuǎn)。航拍相機(jī)安裝在圓形轉(zhuǎn)盤上。航拍小車的行走驅(qū)動(dòng)輪由1對(duì)型號(hào)相同驅(qū)動(dòng)電機(jī)來驅(qū)動(dòng)。

1.車架　2.行走輔助輪　3.無線控制盒　4.行走驅(qū)動(dòng)輪

6拍攝與交易系統(tǒng)設(shè)計(jì)

拍攝與交易系統(tǒng)包括X向航拍小車、Y向航拍小車、Z向航拍小車、控制系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)、客戶界面、農(nóng)場(chǎng)主界面?？刂葡到y(tǒng)控制航拍小車的移動(dòng)，鏡頭的伸縮、旋轉(zhuǎn)和切換等動(dòng)作；網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)在互聯(lián)網(wǎng)上對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線控制；客戶界面包括發(fā)出請(qǐng)求模塊、登陸模塊、實(shí)操模塊、對(duì)話模塊和交易模塊；農(nóng)場(chǎng)主界面包括處理客戶請(qǐng)求模塊、授權(quán)模塊、在線監(jiān)控模塊、導(dǎo)游模塊、對(duì)話模塊和交易模塊?？蛻粝蜣r(nóng)場(chǎng)主發(fā)出觀看請(qǐng)求，農(nóng)場(chǎng)主授權(quán)后，客戶在線登陸系統(tǒng)后，可選擇導(dǎo)游模塊，也可選擇實(shí)操模塊，如圖8所示。實(shí)操模塊包括X向位移操作手柄、Y向位移操作手柄、Z向位移操作手柄、3D虛擬在線導(dǎo)航路線圖及放大縮小按鈕，如圖9所示。

圖8拍攝與交易系統(tǒng)流程圖

圖9　客戶界面示意圖

7采摘、噴灌、收割和施肥系統(tǒng)

在農(nóng)產(chǎn)品需要施肥、噴灌、采摘和收割時(shí)，農(nóng)場(chǎng)主通過移動(dòng)控制終端登陸網(wǎng)上控制平臺(tái)，調(diào)度收割機(jī)、肥料混合播撒機(jī)、地軌運(yùn)輸小車、采摘機(jī)、噴灌機(jī)及空軌小車進(jìn)行作業(yè)；同時(shí)，調(diào)整航拍小車的位置，對(duì)農(nóng)產(chǎn)品的施肥、噴灌、采摘和收割的作業(yè)過程進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，如圖10、圖11所示。

圖10　采摘與噴灌系統(tǒng)流程圖

圖11　收割與施肥系統(tǒng)流程圖

8結(jié)論

1)提出了基于空軌和地軌系統(tǒng)的農(nóng)業(yè)智能化生產(chǎn)系統(tǒng)，并在軌道系統(tǒng)上搭載地軌運(yùn)輸小車和空軌小車，從而為農(nóng)用機(jī)械提供統(tǒng)一的搭載作業(yè)平臺(tái)。

2)基于并聯(lián)機(jī)構(gòu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)理論，優(yōu)選振動(dòng)混合機(jī)構(gòu)的機(jī)型為混聯(lián)3RRR-P，設(shè)計(jì)了四自由度肥料混合播撒機(jī)，與地軌運(yùn)輸小車搭配使用。

3)基于航拍小車、地軌運(yùn)輸小車及空軌小車構(gòu)建了農(nóng)產(chǎn)品拍攝與交易系統(tǒng)、采摘與噴灌系統(tǒng)及收割與施肥系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)產(chǎn)品的智能化生產(chǎn)和遠(yuǎn)程操控。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃冠宇.推進(jìn)農(nóng)村耕地集中經(jīng)營(yíng)的構(gòu)想[J].改革與開放,2012(14)：61-62.

[2]胡靜濤,高雷.農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)研究進(jìn)展[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2015 (10):1-10.

[3]姚於康.國(guó)外設(shè)施農(nóng)業(yè)智能化發(fā)展現(xiàn)狀、基本經(jīng)驗(yàn)及其借鑒[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué),2011(1):3-5.

[4]楊廷力,劉安心,羅玉峰,等.機(jī)器人機(jī)構(gòu)拓?fù)錂C(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].北京:科學(xué)出版社,2012．

[5]聞邦椿,劉樹英.現(xiàn)代振動(dòng)篩分技術(shù)及設(shè)備設(shè)計(jì)[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2013.

[6]王成軍,劉瓊.棉籽顆粒在三自由度混聯(lián)振動(dòng)篩面上的運(yùn)動(dòng)規(guī)律[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2015 (6):49-56.

[7]許文超,時(shí)愛東.四自由度混聯(lián)肥料混合播撒裝置:中國(guó),201310618048.4[P].2013-11-27.

[8]何勇,趙春江.精細(xì)農(nóng)業(yè)[M].杭州:浙江大學(xué)出版社, 2010.

The Design of Intelligent Agricultural Manufacturing System Based on Rail Transport

Xu Wenchao, Zhang Yayun

(Anhui University of Science and Technology, Huainan 232001, China)

Abstract：The traditional agricultural manufacturing lack unified operation platform and its automotive level is low,in order to build intelligent agricultural manufacturing system,the proposal to lay ground and air track system in farmland is putting forward. The ground rail transport car、air track car、aerial car is constructed based on rail transport,a 4-DOF fertilizer hybrid Seeding machine based on topological structure theory in mechanism is constructed as well.On this basis,the filming and trading systems、picking and sprinkler system、harvest and fertilization system of agricultural products is constructed in combination with the Internet of things technology.The system provides reference for further research on the intelligent agricultural manufacturing.

Key words：rail transport; agricultural production system; intelligent; hybrid mechanism

中圖分類號(hào)：S231;S233

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-188X(2016)10-0208-05

作者簡(jiǎn)介：許文超(1992-)，男，安徽亳州人，碩士研究生，(E-mail)wenchaoxu521@163.com。

基金項(xiàng)目：國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201310361043)

收稿日期：2015-11-23

專利項(xiàng)目：國(guó)家發(fā)明專利(201310618048.4)