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        溫室作業(yè)用柔性底盤(pán)試驗(yàn)樣機(jī)的設(shè)計(jì)

        2017-11-01 22:51:14李翊寧宋樹(shù)杰瞿濟(jì)偉周福陽(yáng)郭康權(quán)
        關(guān)鍵詞:單輪輪轂樣機(jī)

        李翊寧,周 偉,宋樹(shù)杰,瞿濟(jì)偉,周福陽(yáng),郭康權(quán),3※

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        溫室作業(yè)用柔性底盤(pán)試驗(yàn)樣機(jī)的設(shè)計(jì)

        李翊寧1,周 偉1,宋樹(shù)杰2,瞿濟(jì)偉1,周福陽(yáng)1,郭康權(quán)1,3※

        (1. 西北農(nóng)林科技大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院,楊凌 712100;2. 西北農(nóng)林科技大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院,楊凌 712100; 3. 陜西省農(nóng)業(yè)裝備工程技術(shù)研究中心,楊凌 712100)

        結(jié)合設(shè)施農(nóng)業(yè)實(shí)際作業(yè)要求,研制了基于四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)與四輪獨(dú)立轉(zhuǎn)向原理的柔性底盤(pán)試驗(yàn)樣機(jī)。試驗(yàn)樣機(jī)輪距1 320 mm,軸距1 200 mm,最小離地間隙235 mm,整機(jī)質(zhì)量750 kg。底盤(pán)設(shè)計(jì)額定牽引力2 400 N,額定功率8 kW,最高設(shè)計(jì)時(shí)速28 km/h,犁耕作業(yè)速度5 km/h,連續(xù)犁耕作業(yè)時(shí)間大于1 h。設(shè)計(jì)并搭建了采用CAN總線(xiàn)通信的模塊化分層控制系統(tǒng),其中單輪行走系控制子系統(tǒng)采用自適應(yīng)模糊PID控制算法來(lái)協(xié)調(diào)控制。相對(duì)于理論樣機(jī),柔性底盤(pán)試驗(yàn)樣機(jī)在整機(jī)動(dòng)力、機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)等方面做出了多項(xiàng)改進(jìn)。進(jìn)行了單輪行走系轉(zhuǎn)向響應(yīng)試驗(yàn)和底盤(pán)基本運(yùn)行姿態(tài)試驗(yàn),得到各輪行走系平均轉(zhuǎn)向角度為89.84°~90.11°,平均轉(zhuǎn)向響應(yīng)時(shí)間為4.24~4.28 s;在各基本運(yùn)行姿態(tài)下,底盤(pán)質(zhì)心加速度跳動(dòng)值均小于0.007。表明柔性底盤(pán)試驗(yàn)樣機(jī)能夠在硬化路面上有效穩(wěn)定運(yùn)行。

        農(nóng)業(yè)機(jī)械;設(shè)計(jì);控制;柔性底盤(pán);設(shè)施農(nóng)業(yè);四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng);四輪獨(dú)立轉(zhuǎn)向;偏置轉(zhuǎn)向軸

        0 引 言

        設(shè)施農(nóng)業(yè)是實(shí)現(xiàn)中國(guó)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化這一戰(zhàn)略任務(wù)的重要內(nèi)容和途徑[1]。截止2010年底,中國(guó)設(shè)施蔬菜年種植面積已占中國(guó)設(shè)施栽培總面積的95%,已成為世界上設(shè)施面積最大的國(guó)家[2]。相對(duì)于中國(guó)設(shè)施蔬菜種植面積逐年增長(zhǎng)的趨勢(shì),中國(guó)設(shè)施機(jī)械化作業(yè)為32.45%,處于較低水平[3]。

        為適應(yīng)設(shè)施農(nóng)業(yè)作業(yè)環(huán)境的要求,中國(guó)對(duì)傳統(tǒng)大田農(nóng)機(jī)具的結(jié)構(gòu)和功能上進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化的嘗試,一定程度上實(shí)現(xiàn)了單一或局部作業(yè)環(huán)節(jié)的機(jī)械化[4]。在結(jié)構(gòu)上,針對(duì)設(shè)施農(nóng)業(yè)有限作業(yè)空間特點(diǎn),進(jìn)行了設(shè)備的小型化。但是在小型化的過(guò)程中,主要采用減少作業(yè)機(jī)具的結(jié)構(gòu)尺寸與整備質(zhì)量的方式,并未改變其傳統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu),導(dǎo)致小型化后的農(nóng)機(jī)具能量利用率較低,作業(yè)效率下降。同時(shí),小型化必然帶來(lái)機(jī)具作業(yè)功能上的刪減,這主要體現(xiàn)在,在設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)作業(yè)中,以微耕機(jī)為代表的小型單一化自有動(dòng)力作業(yè)機(jī)具的數(shù)量,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于可掛接多種作業(yè)機(jī)具并提供動(dòng)力輸出的微小型拖拉機(jī)的數(shù)量[5]。

        由于傳統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)的限制,微小型拖拉機(jī)的性能不能達(dá)到使用者的期望值。故相關(guān)科研人員通過(guò)借鑒其他工程領(lǐng)域的研究成果,在農(nóng)用車(chē)輛底盤(pán)系統(tǒng)方面,做出了一些新的嘗試。如王友權(quán)等[6]設(shè)計(jì)了一款基于自主導(dǎo)航和全方位轉(zhuǎn)向的農(nóng)用機(jī)器人,其驅(qū)動(dòng)力為4個(gè)配備了減速器的微型永磁直流電機(jī),并通過(guò)4個(gè)轉(zhuǎn)向電機(jī)來(lái)保證每個(gè)輪胎的全方位轉(zhuǎn)動(dòng),以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的差速轉(zhuǎn)向、后輪差速運(yùn)動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向、四輪阿克曼轉(zhuǎn)向等;張春龍等[7]設(shè)計(jì)的智能鋤草機(jī)器人平臺(tái),采用四輪驅(qū)動(dòng)與四輪獨(dú)立轉(zhuǎn)向控制,可實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)速度在0~1.5 m/s內(nèi)的連續(xù)可調(diào),每組轉(zhuǎn)臂可繞其自身軸360°自由旋轉(zhuǎn),并可根據(jù)不同工作需求調(diào)整平臺(tái)的底盤(pán)間隙、前后軸距和左右輪距;劉濤等[8]研制了一款溫室自動(dòng)導(dǎo)航農(nóng)業(yè)機(jī)器人,其采用前后轉(zhuǎn)向立軸與四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì),并可根據(jù)預(yù)設(shè)的誘導(dǎo)線(xiàn)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)導(dǎo)航;張鐵民等[9]設(shè)計(jì)的電動(dòng)輪式移動(dòng)小車(chē),使用四臺(tái)無(wú)刷直流輪轂電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)底盤(pán)的四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng),并配合2臺(tái)轉(zhuǎn)向直流電機(jī)和2臺(tái)制動(dòng)用直流電機(jī)來(lái)完成小車(chē)的直線(xiàn)行駛、轉(zhuǎn)向和原地轉(zhuǎn)向;吳紅雷等[10]研發(fā)的滑移式升降可調(diào)通用底盤(pán)前、中、后部均可懸掛農(nóng)機(jī)具,并通過(guò)一種液壓滑軌升降調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)底盤(pán)的直線(xiàn)行駛、滑移轉(zhuǎn)向等運(yùn)動(dòng);張京等[11]研制的農(nóng)用輪式機(jī)器人,采用行走電機(jī)和轉(zhuǎn)向電機(jī)相配合的方式實(shí)現(xiàn)底盤(pán)的四輪獨(dú)立轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)行走方式,其轉(zhuǎn)角控制最大平均絕對(duì)誤差為0.1°,且對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)差最大不超過(guò)0.03°,控制效果穩(wěn)定。

        與此同時(shí),本項(xiàng)目組對(duì)基于偏置轉(zhuǎn)向軸的四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)、獨(dú)立轉(zhuǎn)向動(dòng)力底盤(pán)系統(tǒng)做了探索性研究。提出了將傳統(tǒng)底盤(pán)驅(qū)動(dòng)系和轉(zhuǎn)向系合二為一的柔性底盤(pán)概念,并給出了底盤(pán)機(jī)械結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)控制系統(tǒng)[12];在此基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了柔性底盤(pán)理論樣機(jī),提出了柔性底盤(pán)的轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)模型[13];此后,建了基于電橋電路的柔性底盤(pán)轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng),采用電橋電路來(lái)協(xié)調(diào)方向盤(pán)信號(hào)和車(chē)輪位置信號(hào),并通過(guò)電橋輸出來(lái)調(diào)節(jié)車(chē)輪速度,以實(shí)現(xiàn)車(chē)輪對(duì)平衡位置的自動(dòng)跟蹤[14];為了獲取柔性底盤(pán)理論樣機(jī)的協(xié)調(diào)控制參數(shù),研究運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性,設(shè)計(jì)并搭建了理論樣機(jī)的試驗(yàn)臺(tái)及測(cè)量系統(tǒng),對(duì)在不同載荷下理論樣機(jī)的速度穩(wěn)定性進(jìn)行了分析,并進(jìn)行了基礎(chǔ)運(yùn)行姿態(tài)的模擬試驗(yàn)[15]。

        為了便于分析研究柔性底盤(pán)的運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)特性,在設(shè)計(jì)其理論樣機(jī)時(shí),對(duì)整機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了必要的簡(jiǎn)化,以排除非底盤(pán)固有特性的影響。然而,在掌握了柔性底盤(pán)基本運(yùn)行特性參數(shù)后,前期試制的理論樣機(jī)在動(dòng)力上不能滿(mǎn)足實(shí)際作業(yè)需求。故在不改變?nèi)嵝缘妆P(pán)基本設(shè)計(jì)理念和工作原理的基礎(chǔ)上,有必要結(jié)合設(shè)施農(nóng)業(yè)實(shí)際作業(yè)要求,對(duì)整個(gè)底盤(pán)系統(tǒng)進(jìn)行二次設(shè)計(jì),稱(chēng)之為柔性底盤(pán)試驗(yàn)樣機(jī),以期為柔性底盤(pán)的推廣應(yīng)用提供參考。

        1 柔性底盤(pán)基本結(jié)構(gòu)及工作原理

        作為一款農(nóng)業(yè)車(chē)輛通用動(dòng)力底盤(pán)系統(tǒng),柔性底盤(pán)采用四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)與四輪獨(dú)立轉(zhuǎn)向技術(shù),并通過(guò)輪轂電機(jī)、偏置轉(zhuǎn)向軸和電磁摩擦鎖來(lái)實(shí)現(xiàn)其功能。柔性底盤(pán)可用于設(shè)施農(nóng)業(yè)等狹小室內(nèi)空間的運(yùn)輸作業(yè),并可在配置了動(dòng)力輸出源和相應(yīng)模塊后,掛載各種農(nóng)機(jī)具以實(shí)現(xiàn)田間作業(yè)。

        1.1 柔性底盤(pán)基本結(jié)構(gòu)

        1.1.1 柔性底盤(pán)整機(jī)系統(tǒng)

        柔性底盤(pán)基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。4個(gè)獨(dú)立的單輪行走系對(duì)稱(chēng)分布于底盤(pán)車(chē)架兩側(cè),為底盤(pán)的行駛與轉(zhuǎn)向提供動(dòng)力。免維護(hù)鉛酸蓄電池構(gòu)成的動(dòng)力電池組以十字形分布放置于底盤(pán)車(chē)架內(nèi)部,有利于減小柔性底盤(pán)整機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸并防止與單輪行走系形成干涉。單輪行走系控制子系統(tǒng)和底盤(pán)中央控制系統(tǒng)布置于底盤(pán)車(chē)架頂部,便于控制系統(tǒng)的調(diào)試與維護(hù)。

        1.1.2 單輪行走系

        不同于傳統(tǒng)的車(chē)輛底盤(pán)的結(jié)構(gòu)形式,柔性底盤(pán)是基于偏置轉(zhuǎn)向軸結(jié)構(gòu),集成輪轂電機(jī)、偏置轉(zhuǎn)向軸、制動(dòng)器和電磁摩擦裝置,將驅(qū)動(dòng)系和轉(zhuǎn)向系合二為一,稱(chēng)之為單輪行走系。通過(guò)對(duì)輪轂電機(jī)相對(duì)轉(zhuǎn)速的改變,來(lái)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)向,并結(jié)合電磁摩擦鎖的鎖緊力配合,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)柔性底盤(pán)整機(jī)運(yùn)行姿態(tài)的調(diào)整和控制,其具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

        1.2 柔性底盤(pán)工作原理

        柔性底盤(pán)應(yīng)在保證傳統(tǒng)拖拉機(jī)作業(yè)功能的基礎(chǔ)上,通過(guò)對(duì)4個(gè)單輪行走系動(dòng)力輸出的協(xié)調(diào)控制,來(lái)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)各單輪行走系與底盤(pán)車(chē)架和地面的相互作用力,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)其在設(shè)施農(nóng)業(yè)有限密閉空間內(nèi),行駛的靈活性和可靠的通過(guò)性。

        1. 單輪行走系控制子系統(tǒng) 2. 底盤(pán)中央控制子系統(tǒng) 3. 底盤(pán)車(chē)架 4. 單輪行走系 5. 動(dòng)力電池組

        1. 電磁鎖緊裝置 2. 輪胎3. 輪轂電機(jī) 4. 制動(dòng)器 5. 雙橫臂懸架 6. 減震器7. 偏置軸

        1.2.1 行走狀態(tài)描述

        在柔性底盤(pán)的運(yùn)行過(guò)程中,通過(guò)對(duì)4個(gè)單輪行走系于水平面的轉(zhuǎn)角位置的不斷調(diào)整,實(shí)現(xiàn)了整機(jī)各行駛姿態(tài)的穩(wěn)定運(yùn)行與相互轉(zhuǎn)換。圖3顯示了左前輪單輪行走系在回轉(zhuǎn)平面內(nèi)的角度范圍,以車(chē)輪平行于軸為基準(zhǔn)位置,車(chē)輪轉(zhuǎn)角以順時(shí)針為正方向,則左前輪的轉(zhuǎn)動(dòng)區(qū)間為[-45°, 90°],總共135°的轉(zhuǎn)角范圍保證了柔性底盤(pán)各行駛姿態(tài)的實(shí)現(xiàn)。

        圖3 左前輪單輪行走系水平面回轉(zhuǎn)角度

        1.2.2 柔性底盤(pán)行駛姿態(tài)

        根據(jù)柔性底盤(pán)運(yùn)動(dòng)模式的特殊性,其行駛姿態(tài)可分為基本運(yùn)行姿態(tài)和轉(zhuǎn)向運(yùn)行姿態(tài)?;具\(yùn)行姿態(tài)包括了3種直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),具體如圖4所示。

        a. 縱向直線(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng) a. Lengthways linear reciprocating movementb. 橫向直線(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng) b. Horizontal linear reciprocating movement c. 斜向直線(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng) c. Slant linear reciprocating movementd. 回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) d. Revolving movement

        轉(zhuǎn)向運(yùn)行姿態(tài)包括了行駛中的底盤(pán)轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)和基本運(yùn)行姿態(tài)間的變換運(yùn)動(dòng)。前者基本等同于傳統(tǒng)車(chē)輛底盤(pán)的轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng),其示意圖如圖5所示。后者為在底盤(pán)整機(jī)相對(duì)于地面靜止的狀態(tài)下,各基本運(yùn)行姿態(tài)之間進(jìn)行的相互變換。

        a. 兩輪轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng) b. 四輪轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)

        1.2.3 柔性底盤(pán)工作狀態(tài)

        當(dāng)柔性底盤(pán)工作在基本運(yùn)行姿態(tài)時(shí),4個(gè)單輪行走系的電磁鎖緊裝置為通電鎖緊模式,此時(shí)偏置轉(zhuǎn)向軸僅為底盤(pán)車(chē)架和各單輪行走系之間的剛性連接部件。當(dāng)柔性底盤(pán)工作在轉(zhuǎn)向運(yùn)行姿態(tài)時(shí),電磁鎖緊裝置根據(jù)實(shí)際情況實(shí)時(shí)調(diào)整鎖緊力矩大小,此時(shí)車(chē)輪轉(zhuǎn)角相對(duì)于底盤(pán)車(chē)架在其回轉(zhuǎn)平面內(nèi)需要不斷變化,由于單輪行走系并沒(méi)有安裝轉(zhuǎn)向電機(jī)等動(dòng)力源來(lái)為其提供轉(zhuǎn)向力矩,因此必須借助輪胎與地面之間的相互作用力來(lái)完成車(chē)輪轉(zhuǎn)角的變化,而其轉(zhuǎn)向力臂則由偏置轉(zhuǎn)向軸提供,從而可以認(rèn)為,在轉(zhuǎn)向運(yùn)行姿態(tài)下,偏置轉(zhuǎn)向軸為底盤(pán)車(chē)架和各單輪行走系之間的柔性連接部件。

        2 柔性底盤(pán)整機(jī)參數(shù)與主要工作部件

        2.1 柔性底盤(pán)整機(jī)參數(shù)

        2.1.1 柔性底盤(pán)額定牽引力

        從具體應(yīng)用來(lái)考慮,柔性底盤(pán)首先應(yīng)和傳統(tǒng)拖拉機(jī)的功能基本一致,因此其額定牽引力應(yīng)滿(mǎn)足基本的犁耕作業(yè)要求。同時(shí)為適應(yīng)設(shè)施農(nóng)業(yè)內(nèi)的狹小空間,柔性底盤(pán)應(yīng)采用單鏵翻轉(zhuǎn)犁來(lái)作為整機(jī)配套機(jī)具,其具體參數(shù)如下:犁體質(zhì)量為74 kg,最大耕深18 cm,犁體耕作幅寬20 cm。

        除動(dòng)力輸出源采用單獨(dú)的動(dòng)力輸出電機(jī)外,柔性底盤(pán)與農(nóng)機(jī)具的配套連接直接套用拖拉機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)配置,故其額定牽引力的計(jì)算方式等同于拖拉機(jī)[16]。即:

        式中F為柔性底盤(pán)額定牽引力,N;為土壤比阻,設(shè)施所用土壤一般為中等土壤,取60 kPa;為犁鏵數(shù),此處為單鏵翻轉(zhuǎn)犁;b為犁體耕作寬幅,其實(shí)測(cè)值為20 cm;為耕深,其實(shí)測(cè)值18 cm。

        將以上相關(guān)參數(shù)帶入式(1),經(jīng)計(jì)算得到其范圍為F≥2 376~2 592 N,則柔性底盤(pán)的額定牽引力取值為F=2 400 N。

        2.1.2 柔性底盤(pán)額定牽引功率

        柔性底盤(pán)采用4個(gè)獨(dú)立的輪轂電機(jī)來(lái)為整機(jī)行進(jìn)提供動(dòng)力,考慮到實(shí)際作業(yè)情況下,每個(gè)單輪行走系因與其相互作用的地面狀況不同,所受到的滾動(dòng)阻力等必然有一定的差異性,所以存在4個(gè)輪轂電機(jī)輸出功率大小不一、四輪動(dòng)力協(xié)調(diào)時(shí)某一單輪功率偏大或偏小的問(wèn)題[17-19]。因此,在依據(jù)柔性底盤(pán)額定牽引力來(lái)計(jì)算其牽引功率時(shí),需要添加一個(gè)柔性底盤(pán)四輪協(xié)調(diào)儲(chǔ)備系數(shù),以防止某單輪動(dòng)力不足而造成整機(jī)跑偏等問(wèn)題。調(diào)整后的額定牽引功率計(jì)算式如下:

        式中P為柔性底盤(pán)額定牽引功率,kW;v為柔性底盤(pán)基本牽引工作速度,此處取5 km/h;為柔性底盤(pán)牽引效率,其值參考四輪驅(qū)動(dòng)拖拉機(jī),取0.6;為柔性底盤(pán)四輪協(xié)調(diào)儲(chǔ)備系數(shù),取1.4。

        將以上相關(guān)參數(shù)帶入式(2),得到P≥7.78 kW,則柔性底盤(pán)的額定牽引功率取值為P=8 kW。

        2.1.3 柔性底盤(pán)主要技術(shù)性能指標(biāo)

        作為用于設(shè)施農(nóng)業(yè)的農(nóng)業(yè)車(chē)輛通用動(dòng)力底盤(pán)系統(tǒng),柔性底盤(pán)的結(jié)構(gòu)尺寸能應(yīng)滿(mǎn)足實(shí)際作業(yè)要求,其中整機(jī)尺寸為1 715 mm′1 475 mm′1 135 mm,犁耕作業(yè)速度為5 km/h,底盤(pán)最高時(shí)速為28 km/h,整機(jī)質(zhì)量750 kg,軸距為1 200 mm,輪距為1 320 mm,離地間隙為235 mm。

        2.2 柔性底盤(pán)主要工作部件

        柔性底盤(pán)的整機(jī)性能由4個(gè)獨(dú)立單輪行走系協(xié)調(diào)決定,而單輪行走系則通過(guò)同步控制以輪轂電機(jī)為主的驅(qū)動(dòng)輪和以電磁摩擦鎖為主的電磁鎖緊裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)其功能。另外,動(dòng)力電池組是保證柔性底盤(pán)整機(jī)正常運(yùn)行的唯一動(dòng)力源。故有必要將三者進(jìn)行討論。

        2.2.1 輪轂電機(jī)

        設(shè)施農(nóng)業(yè)中的狹小環(huán)境要求柔性底盤(pán)應(yīng)具有較高的靈活性和便捷的可操控性,而這些主要通過(guò)對(duì)輪轂電機(jī)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)。綜合考慮各驅(qū)動(dòng)電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)后,選擇了永磁無(wú)刷直流型輪轂電機(jī),其具有較高的功率密度和效率,較小的重量和體積,較寬的調(diào)速范圍,較大的啟動(dòng)扭矩等特點(diǎn),能夠滿(mǎn)足柔性底盤(pán)的作業(yè)需求[20-22]。

        柔性底盤(pán)整機(jī)的額定牽引功率為P=8 kW,前面的計(jì)算中,已經(jīng)引入了一個(gè)四輪協(xié)調(diào)儲(chǔ)備系數(shù)來(lái)保證整機(jī)的功率上限。因此,可采用平均分配的原則,將整機(jī)額定牽引功率分配到每個(gè)單輪行走系上,則輪轂電機(jī)的額定功率為P=2 kW。

        柔性底盤(pán)主要用來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)微小型拖拉機(jī)在設(shè)施農(nóng)業(yè)內(nèi)部的各項(xiàng)作業(yè),因此其輪轂電機(jī)通常工作在低速重載的條件下。為此有必要定制一款專(zhuān)用電機(jī)來(lái)滿(mǎn)足其實(shí)際需求,輪轂電機(jī)具體參數(shù)見(jiàn)表1。

        表1 永磁無(wú)刷直流型輪轂電機(jī)參數(shù)

        2.2.2 電磁摩擦鎖

        電磁鎖緊裝置控制著柔性底盤(pán)單輪行走系轉(zhuǎn)向角的保持與改變,通過(guò)改變其內(nèi)部電磁制動(dòng)器的工作電流來(lái)調(diào)整鎖緊力矩的大小,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)偏置轉(zhuǎn)向軸是隨車(chē)輪行進(jìn)轉(zhuǎn)動(dòng)還是保持原位固定不動(dòng)。作為其核心部件的電磁摩擦鎖,具有制動(dòng)迅速、靈敏度高、安裝簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)可靠等優(yōu)點(diǎn),適合于柔性底盤(pán)的集成化與小型化[23-25]。柔性底盤(pán)在保持某一基本運(yùn)行姿態(tài)時(shí),電磁摩擦鎖處于通電鎖緊狀態(tài)。此時(shí)應(yīng)保證鎖緊力矩T足夠抵消單輪行走系輪胎和地面作用所產(chǎn)生的滾動(dòng)阻力矩T,即:

        柔性底盤(pán)所受的滾動(dòng)阻力的計(jì)算參考輪式拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)力計(jì)算式[26],即:

        式中P為柔性底盤(pán)所受的滾動(dòng)阻力,N;為柔性底盤(pán)的滾動(dòng)阻力系數(shù),此處應(yīng)取較大值以保證鎖緊力矩的可靠,因此參考輪式拖拉機(jī)在沼泥地的數(shù)值,取0.22;為柔性底盤(pán)的整機(jī)質(zhì)量,kg;為重力加速度,9.8 N/kg。

        柔性底盤(pán)由4個(gè)單輪行走系組成,因此每個(gè)單輪行走系所受到的滾動(dòng)阻力應(yīng)為柔性底盤(pán)整機(jī)受力的1/4,這里同樣引入柔性底盤(pán)四輪協(xié)調(diào)儲(chǔ)備系數(shù)來(lái)保證特殊情況下某單輪行走系所受滾動(dòng)阻力偏大的問(wèn)題,則單輪行走系所受滾動(dòng)阻力矩T計(jì)算式為:

        式中為偏執(zhí)轉(zhuǎn)向軸長(zhǎng)度,為0.33 m。聯(lián)立式(3)、(4)、(5),計(jì)算得出T>195 N·m。

        同時(shí),考慮到柔性底盤(pán)在直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)中,有搭載單鏵犁作業(yè)的需求,因此也需要根據(jù)整機(jī)額定牽引力F來(lái)計(jì)算出的電磁摩擦鎖的鎖緊力矩T。根據(jù)式(6),計(jì)算結(jié)果為T> 198 N·m,因此,電磁摩擦鎖技術(shù)參數(shù)如下:使用FBD20型電磁制動(dòng)器,靜摩擦轉(zhuǎn)矩200 N·m,功率[DC24V] 45 W,質(zhì)量5.9 kg,最高轉(zhuǎn)速2 500 r/min。

        2.2.3 動(dòng)力電池組

        柔性底盤(pán)采用免維護(hù)鉛酸蓄電池來(lái)組成其動(dòng)力電池組。該電池雖然對(duì)環(huán)境有一定程度的污染,但其技術(shù)成熟,因此有著較高的性?xún)r(jià)比、較大的輸出電流和較強(qiáng)的氣候適應(yīng)性等,這些都有利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)作業(yè)活動(dòng)[27-31]。鉛酸蓄電池額定容量與柔性底盤(pán)整機(jī)最短作業(yè)時(shí)間的關(guān)系式為[32]:

        式中為電池的實(shí)際放電能量,kW·h;為柔性底盤(pán)以犁耕作業(yè)速度作業(yè)時(shí)的牽引功率,W;為鉛酸蓄電池個(gè)數(shù),4;C為單塊電池的額定容量,Ah;0為單塊電池的初始電動(dòng)勢(shì),12 V;D為電池組的放電深度,75%;I為電池組的額定放電電流120 A,為電池組的恒流放電電流,167 A;為電池組的放電指數(shù),1.347;min為柔性底盤(pán)整機(jī)最短作業(yè)時(shí)間,此處應(yīng)保證下限為1 h。

        將以上相關(guān)參數(shù)帶入式(7),得單塊電池的額定容量C≥245.4 Ah。這里選擇4塊GH250-12鉛酸蓄電池組成整機(jī)的動(dòng)力電池組,其中電池型號(hào)為GH250-12,額定電壓為12 V,額定放電電流為120 A,長(zhǎng)×寬×高為522 mm× 240 mm×218 mm,額定容量為250 Ah,質(zhì)量為64 kg,內(nèi)阻為18 mΩ。

        3 柔性底盤(pán)控制系統(tǒng)

        3.1 柔性底盤(pán)基本控制流程

        如圖6所示,柔性底盤(pán)控制系統(tǒng)采用模塊化分層布置,主要分為一個(gè)底盤(pán)中央控制子系統(tǒng)和4個(gè)架構(gòu)相同的單輪行走系控制子系統(tǒng),各子系統(tǒng)之間通過(guò)CAN總線(xiàn)進(jìn)行通信。其中底盤(pán)中央控制子系統(tǒng)主要由控制手柄、核心數(shù)據(jù)處理模塊和底盤(pán)姿態(tài)監(jiān)測(cè)模塊組成;而單輪行走系控制子系統(tǒng)主要由控制模塊、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊組成。

        柔性底盤(pán)啟動(dòng)后,核心數(shù)據(jù)處理模塊開(kāi)始接收并分析底盤(pán)整機(jī)姿態(tài)和各子系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊反饋回的傳感器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),解算出底盤(pán)當(dāng)前狀態(tài)參量;同時(shí)根據(jù)控制手柄所發(fā)送的控制信號(hào),計(jì)算底盤(pán)完成預(yù)定運(yùn)行任務(wù)時(shí),各單輪行走系所需的狀態(tài)參量并傳遞給各單輪控制子系統(tǒng)。各單輪控制子系統(tǒng)的控制模塊,通過(guò)對(duì)所需狀態(tài)參量的分析,計(jì)算并輸出相應(yīng)控制信號(hào)至各執(zhí)行機(jī)構(gòu)。各執(zhí)行機(jī)構(gòu)通過(guò)控制信號(hào)來(lái)實(shí)時(shí)調(diào)整輪轂電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩和電磁鎖的鎖緊力矩,以實(shí)現(xiàn)各單輪行走系所需的狀態(tài),進(jìn)而控制整機(jī)姿態(tài)來(lái)完成對(duì)柔性底盤(pán)的操作。

        圖6 柔性底盤(pán)基本控制流程框圖

        3.2 單輪行走系控制流程

        如圖7所示,柔性底盤(pán)的單輪行走系采用自適應(yīng)模糊PID控制原理,通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)非線(xiàn)性調(diào)節(jié),保證了控制系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性和快速性[33-35]。單輪行走系的控制模塊分為數(shù)據(jù)預(yù)處理和Fuzzy-PID控制2個(gè)子模塊,前者主要是接收柔性底盤(pán)中央控制系統(tǒng)給定的單輪行走系理論狀態(tài)參量,并將其與單輪行走系狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊反饋回的輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流信號(hào)I和電磁鎖緊裝置轉(zhuǎn)角位置信號(hào)進(jìn)行對(duì)比,從而為模糊PID控制模塊解算單輪行走系執(zhí)行機(jī)構(gòu)所需的輪轂電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩T和電磁鎖緊裝置鎖緊力矩T提供數(shù)據(jù)支持。

        注:Tm為輪轂電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩設(shè)定值;Tl為電磁鎖鎖緊力矩設(shè)定值;If為輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流測(cè)量值;Ff為單輪行走系車(chē)輪轉(zhuǎn)角測(cè)量值,下同。

        4 柔性底盤(pán)試驗(yàn)樣機(jī)改進(jìn)說(shuō)明

        柔性底盤(pán)理論樣機(jī)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為:空載狀態(tài)下的柔性底盤(pán)能夠在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下實(shí)現(xiàn)其各行駛姿態(tài)的穩(wěn)定運(yùn)行,并盡可能的簡(jiǎn)化整個(gè)底盤(pán)系統(tǒng)。柔性底盤(pán)理論樣機(jī)在整機(jī)動(dòng)力、機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)等方面,都無(wú)法滿(mǎn)足柔性底盤(pán)的實(shí)際作業(yè)需求。故在研制柔性底盤(pán)試驗(yàn)樣機(jī)時(shí),主要做了以下改進(jìn)。

        整機(jī)動(dòng)力方面,理論樣機(jī)的額定功率僅為2 kW,只能滿(mǎn)足其自身于平直硬化路面上的基本行駛需求,因此需要將試驗(yàn)樣機(jī)的額定功率提升至8 kW,來(lái)保證柔性底盤(pán)能夠掛載單鏵翻轉(zhuǎn)犁進(jìn)行田間犁耕作業(yè)。同時(shí),理論樣機(jī)采用ZXD2400型直流可調(diào)電源作為柔性底盤(pán)的能量來(lái)源,保證了其在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下供電的可持續(xù)性、便捷性和可靠性,但此設(shè)置卻無(wú)法應(yīng)用在實(shí)際作業(yè)環(huán)境中,因此采用四塊GH250-12型免維護(hù)鉛酸蓄電池組成的動(dòng)力電池組來(lái)代替有線(xiàn)電源,并內(nèi)置于底盤(pán)車(chē)架中。

        機(jī)械結(jié)構(gòu)方面,理論樣機(jī)的車(chē)架僅為連接4個(gè)單輪行走系的簡(jiǎn)易矩形平面框架,其結(jié)構(gòu)形式、強(qiáng)度和剛度等都無(wú)法滿(mǎn)足柔性底盤(pán)的實(shí)際作業(yè)要求,因此需要結(jié)合輪距、軸距和離地間隙等實(shí)際作業(yè)需求,并考慮到動(dòng)力電池組和單輪行走系的布置等要求,柔性底盤(pán)試驗(yàn)樣機(jī)的車(chē)架采用了可內(nèi)置動(dòng)力電池組的十字形框架結(jié)構(gòu)。理論樣機(jī)的單輪行走系中,其動(dòng)力源為WX-WS4846型電動(dòng)自行車(chē)用輪轂電機(jī),除去之前所提及的功率不足的問(wèn)題外,其越障能力和載荷能力等也都不能滿(mǎn)足柔性底盤(pán)的使用需求;并且由于輪轂電機(jī)雙邊軸的結(jié)構(gòu),理論樣機(jī)的避震裝置只能采用摩托車(chē)的通用前叉來(lái)實(shí)現(xiàn),其只具備較小的強(qiáng)度、剛度和垂直載荷能力,并缺乏抵抗扭轉(zhuǎn)變形的能力;同時(shí)理論樣機(jī)采用電磁鎖緊裝置作為連接車(chē)架和偏置軸的中間節(jié)點(diǎn),當(dāng)柔性底盤(pán)在重載或非平直硬化路面等狀況下運(yùn)行時(shí),電磁鎖緊裝置會(huì)因無(wú)法抵抗過(guò)大彎矩而造成結(jié)構(gòu)損壞。故在試驗(yàn)樣機(jī)上,重新設(shè)計(jì)了柔性底盤(pán)單輪行走系的總體結(jié)構(gòu),采用205型汽車(chē)用輪轂電機(jī)作為柔性底盤(pán)的動(dòng)力輸出與載荷支撐,并通過(guò)雙橫臂獨(dú)立懸架將其與電磁鎖緊裝置相連接;同時(shí)采用偏置軸與底盤(pán)車(chē)架直接固定的方式,將作用于電磁鎖緊裝置的彎矩轉(zhuǎn)移至由偏置軸所構(gòu)成的懸臂梁上,使其只受車(chē)輪轉(zhuǎn)向時(shí)的扭轉(zhuǎn)作用影響。

        控制系統(tǒng)方面,柔性底盤(pán)理論樣機(jī)采用外置式的上位機(jī)控制方式,其內(nèi)置STM32單片機(jī)只是作為連接驅(qū)動(dòng)器、傳感器和上位機(jī)等的中間節(jié)點(diǎn),僅僅用于各模塊間的通信連接。然而在實(shí)際作業(yè)環(huán)境下,除去能夠遠(yuǎn)程操作的控制手柄,其他所有控制模塊都應(yīng)集成在柔性底盤(pán)內(nèi)部,以提高控制系統(tǒng)的有效性和穩(wěn)定性。故柔性底盤(pán)物理樣機(jī)采用多STM32單片機(jī)內(nèi)置,并通過(guò)CAN總線(xiàn)相互協(xié)作的方式,基于-COS Ⅱ嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)完成了柔性底盤(pán)控制系統(tǒng)的模塊化分層布置。

        5 柔性底盤(pán)基礎(chǔ)運(yùn)行試驗(yàn)

        為檢測(cè)柔性底盤(pán)運(yùn)行時(shí)的可靠性和穩(wěn)定性,需要對(duì)單輪行走系的轉(zhuǎn)向響應(yīng)和底盤(pán)基本運(yùn)行姿態(tài)進(jìn)行試驗(yàn)分析。試驗(yàn)所用傳感器模塊分別為:用于測(cè)量車(chē)輪轉(zhuǎn)角響應(yīng)時(shí)間的由意法半導(dǎo)體有限公司生產(chǎn)的STM32F103CET6型MCU,用于測(cè)量車(chē)輪轉(zhuǎn)向角度的由上海盤(pán)卓自動(dòng)化科技有限公司生產(chǎn)的P3022-V1-CW360型霍爾式角度傳感器,以及用于測(cè)量整機(jī)狀態(tài)參數(shù)的深圳君悅智控科技有限公司生產(chǎn)的JY-901型高精度慣性導(dǎo)航模塊。其中MCU的通用定時(shí)器包含了16位自動(dòng)裝載計(jì)數(shù)器和16位可編程預(yù)分頻器,可進(jìn)行微秒級(jí)的時(shí)間采集;霍爾式轉(zhuǎn)角傳感器電氣行程為0~360°,分辨率可達(dá)0.088°,精度為±0.3%FS;而高精度慣性導(dǎo)航模塊的主要技術(shù)參數(shù)如表2。

        表2 JY-901型高精度慣性導(dǎo)航模塊主要技術(shù)性能參數(shù)

        采用路況良好的干燥平直水泥地面對(duì)柔性底盤(pán)進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試。在單輪行走系轉(zhuǎn)向響應(yīng)試驗(yàn)中,輪轂電機(jī)采用穩(wěn)定低轉(zhuǎn)速行進(jìn),采樣頻率設(shè)定為1 kHz。在底盤(pán)基本運(yùn)行姿態(tài)試驗(yàn)中,其運(yùn)行速度采用基本牽引工作速度v=5 km/h,采樣頻率設(shè)定為5 Hz。柔性底盤(pán)試實(shí)際運(yùn)行狀況如圖8所示。

        1. 底盤(pán)中央控制子系統(tǒng) 2. 控制手柄 3. 單輪行走系控制子系統(tǒng)4. 動(dòng)力電池組 5. 底盤(pán)車(chē)架 6. 單輪行走系

        5.1 單輪行走系轉(zhuǎn)向響應(yīng)試驗(yàn)

        柔性底盤(pán)各運(yùn)行姿態(tài)的實(shí)現(xiàn),都建立在4個(gè)單輪行走系的功率輸出和角度匹配上。因此,有必要對(duì)各車(chē)輪轉(zhuǎn)角特性進(jìn)行研究。底盤(pán)默認(rèn)初始姿態(tài)即為縱向直線(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng),而相對(duì)于其初始姿態(tài),每個(gè)單輪行走系中車(chē)輪轉(zhuǎn)角最大偏轉(zhuǎn)角度的絕對(duì)值為90°,此時(shí)底盤(pán)姿態(tài)為橫向往復(fù)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。圖9顯示了底盤(pán)實(shí)際運(yùn)行中,各單輪行走系車(chē)輪轉(zhuǎn)角變化時(shí)的相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果,為10次重復(fù)試驗(yàn)的平均值。試驗(yàn)結(jié)果表明,各單輪行走系的平均轉(zhuǎn)向角度穩(wěn)定在89.84°~90.11°之間,其中單次最大轉(zhuǎn)向角度為90.88°,單次最小轉(zhuǎn)向響度為89.21°;各單輪行走系的平均轉(zhuǎn)向響應(yīng)時(shí)間穩(wěn)定在4.24~4.28 s之間,其中單次最大轉(zhuǎn)向響應(yīng)時(shí)間為4.50 s,單次最小轉(zhuǎn)向響應(yīng)時(shí)間為4.05 s。

        注:LF為左前輪;LR為左后輪;RF為右前輪;RR為右后輪,下同。

        5.2 底盤(pán)基本運(yùn)行姿態(tài)試驗(yàn)

        柔性底盤(pán)基本運(yùn)行姿態(tài)分為縱向、橫向和斜向3種直線(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。其默認(rèn)姿態(tài)即為縱向直線(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的初始姿態(tài),如1.2.1節(jié)圖3所示,采用順時(shí)針?lè)较虼_定其繞坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)角,此時(shí)4個(gè)單輪行走系的轉(zhuǎn)向角歸0,即α=α=α=α=0°;在橫向直線(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)下,其轉(zhuǎn)向角分別為α=α=90°,α=α=-90°;在斜向直線(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)下,其質(zhì)心最大斜向行進(jìn)角度為α=±45°,試驗(yàn)采用柔性底盤(pán)右向偏轉(zhuǎn)的斜向線(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng),則各單輪行走系的轉(zhuǎn)向角相同,即α=α=α=α=45°;在回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中,各轉(zhuǎn)向角分別為α=α=62.3°,α=α=-62.3°。α,αα,α分別代表左前輪、左后輪、右前輪、右后輪4個(gè)單輪行走系的轉(zhuǎn)向角度。基本運(yùn)行姿態(tài)試驗(yàn)結(jié)果如圖10、11、12所示。

        圖10 縱向和橫向直線(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)中的底盤(pán)質(zhì)心加速度跳動(dòng)

        試驗(yàn)結(jié)果表明,柔性底盤(pán)控制系統(tǒng)能夠根據(jù)實(shí)際工況不斷協(xié)調(diào)四輪轉(zhuǎn)矩,使底盤(pán)質(zhì)心位置始終在期望路徑的附近上下波動(dòng),以維持其運(yùn)行姿態(tài)。柔性底盤(pán)在各基本運(yùn)行姿態(tài)下的加速度跳動(dòng)最大值見(jiàn)表3,代表縱向加速度,代表橫向加速度。

        圖11 斜向直線(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)中的底盤(pán)質(zhì)心加速度

        圖12 回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中的底盤(pán)質(zhì)心加速度跳動(dòng)

        表3 底盤(pán)質(zhì)心加速度跳動(dòng)最大值

        注:代表縱向加速度,代表橫向加速度。

        Note:is longitudinal acceleration,is lateral acceleration.

        6 結(jié)論與展望

        1)針對(duì)柔性底盤(pán)理論樣機(jī)存在動(dòng)力輸出不足等問(wèn)題,結(jié)合柔性底盤(pán)在設(shè)施農(nóng)業(yè)中的實(shí)際作業(yè)需求,研制了柔性底盤(pán)試驗(yàn)樣機(jī),其總設(shè)計(jì)功率為8 kW,可帶動(dòng)單鏵翻轉(zhuǎn)犁進(jìn)行1 h以上的連續(xù)作業(yè)。

        2)柔性底盤(pán)試驗(yàn)樣機(jī)基于四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)與獨(dú)立轉(zhuǎn)向原理,并通過(guò)對(duì)4個(gè)單輪行走系的協(xié)同控制,來(lái)實(shí)現(xiàn)其各行駛姿態(tài)的穩(wěn)定運(yùn)行和相互轉(zhuǎn)化。

        3)柔性底盤(pán)整機(jī)控制系統(tǒng)采用模塊化分層布置,各控制子系統(tǒng)之間通過(guò)CAN總線(xiàn)相互通信。其中單輪行走系控制子系統(tǒng)基于自適應(yīng)模糊PID控制原理,通過(guò)對(duì)輪轂電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩和電磁鎖緊裝置的鎖緊力矩的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié),來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)各單輪行走系的有效控制。

        4)進(jìn)行了柔性底盤(pán)基礎(chǔ)運(yùn)行試驗(yàn),其中單輪行走系轉(zhuǎn)向響應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果:各單輪行走系平均轉(zhuǎn)向角度穩(wěn)定在89.84°~90.11°之間,平均轉(zhuǎn)向響應(yīng)時(shí)間穩(wěn)定在4.24~ 4.28 s之間;而底盤(pán)基本運(yùn)行姿態(tài)試驗(yàn)為,各基本運(yùn)行姿態(tài)下,底盤(pán)質(zhì)心加速度跳動(dòng)值均小于0.007,底盤(pán)質(zhì)心始終在期望路徑的附近上下波動(dòng)。結(jié)果表明,在干燥平直的水泥路面上,各單輪行走系轉(zhuǎn)向響應(yīng)趨于一致,且能夠有效保持在期望值附近;在基本牽引工作速度為5 km/h時(shí),底盤(pán)可在各基本運(yùn)行姿態(tài)下有效運(yùn)行,并始終保持行走路徑的穩(wěn)定。

        項(xiàng)目組在本文研究的基礎(chǔ)上,預(yù)計(jì)的后續(xù)研究包括:柔性底盤(pán)于硬化路面行走時(shí)的姿態(tài)連續(xù)性試驗(yàn),于田間土壤中行走時(shí)各行駛姿態(tài)的局限性與穩(wěn)定性試驗(yàn),以及裝載相應(yīng)作業(yè)機(jī)具時(shí)底盤(pán)的穩(wěn)定性和可靠性試驗(yàn)等。并期望通過(guò)以上試驗(yàn),來(lái)進(jìn)一步改進(jìn)柔性底盤(pán)整機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng),以完善其工作性能。

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        李翊寧,周 偉,宋樹(shù)杰,瞿濟(jì)偉,周福陽(yáng),郭康權(quán).溫室作業(yè)用柔性底盤(pán)試驗(yàn)樣機(jī)的設(shè)計(jì)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2017,33(19):41-50. doi:10.11975/j.issn.1002-6819.2017.19.006 http://www.tcsae.org

        Li Yining, Zhou Wei, Song Shujie, Qu Jiwei, Zhou Fuyang, Guo Kangquan.Design of experimental prototype of flexible chassis used in greenhouse[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(19): 41-50. (in Chinese with English abstract) doi:10.11975/j.issn.1002-6819.2017.19.006 http://www.tcsae.org

        Design of experimental prototype of flexible chassis used in greenhouse

        Li Yining1, Zhou Wei1, Song Shujie2, Qu Jiwei1, Zhou Fuyang1, Guo Kangquan1,3※

        (1.712100,;2.712100,;3.712100,)

        A novel general power-output chassis system for agricultural vehicles been used in facility agriculture was proposed in this study, and named as Flexible Chassis. An initial prototype had been developed previously for basic theoretical research of four-wheel independent drive and four-wheel independent steering which was based on a simplified model. To study the kinematic and dynamic characteristics of the Flexible Chassis under practical operating conditions, the second prototype named as the experimental prototype has been developed. The mechanical structure of the flexible chassis consisted of the chassis frame, power battery pack, and single-wheel running system. The four single-wheel running systems were symmetrically distributed on both sides of the chassis frame, which was the only source of driving force for maintaining and transforming the driving attitude of the flexible chassis. The power battery pack included four maintenance-free lead-acid batteries, and was placed in the chassis frame with a cross distribution. This allocation was helpful to reduce the whole machine size and prevented interference with the four single-wheel running systems. The single-wheel running system was the core part of the Flexible Chassis. It was made up of offset-axle knuckle mechanic, wheel hub motor, and electromagnetic locking device. Through the interaction between the four single-wheel running systems, the chassis frame, and the ground, the Flexible Chassis can achieve lengthways, horizontal, and slant linear movement, two-wheel or four-wheel steering movement, and revolving movement. The rated traction of the flexible chassis was 2 400 N, and the rated traction power was 8 kW. Therefore, it can work for more than one hour when equipped with a single furrow reversible plough. The technical parameters of the flexible chassis were that the total weight was 750 kg; and the length, width and height were 1 715, 1 475, and 1 135 mm, respectively. The tread was 1 320 mm, the wheel base was 1 200 mm, and the minimum ground clearance was 235 mm. The speed of plowing operation was 5 km/h and the maximum speed was 28 km/h. The control system of the Flexible Chassis was formed by one chassis central control subsystem (CCCS) which was composed of control handle (CH), core data processing module (CDPM), and posture monitoring module (PMM). The four single-wheel running control subsystems (SRCS) were composed of control module (CM), actuator module (AM), and state monitoring module (SMM). All the subsystems communicated through the CANBUS. When the Flexible Chassis started, the CDPM calculated the current state parameters of the Flexible Chassis through accepting and analyzing the sensors data from PMM and SMMs. When the control signal of CH was accepted, the expected state parameters of every single-wheel running system were calculated and sent to SRCSs by CDPM. The CMs, through the analysis of the expected state parameters, calculated and outputted the corresponding control signals to the AMs. Every output torque of wheel hub motors and locking torque of electromagnetic locks were adjusted in real time by AMs for realizing the expected state parameters of every single-wheel running systems, thus accomplishing the expected driving attitude of the Flexible Chassis. The adaptive fuzzy PID control theory was used to SRCSs. The steering response angle (SRA) and steering response time (SRT) of single-wheel running systems were measured. Compared to the theoretical prototype, the experimental prototype was significantly improved in terms of machine power, mechanical structure, control system and other aspects. The mean value of SRA was between 89.84° and 90.11°. The maximum value was 90.880°, and the minimum value was 89.208°. The mean value of SRT was between 4.24 and 4.28 s. The maximum value was 4.495 s, and the minimum value was 4.054 s. The results indicated that the control was relatively stable and there was no major fluctuation. The acceleration pulse of the Flexible Chassis’ barycenter was measured in vertical, horizontal, oblique linear, and rotational motion experiment. All values of acceleration pulse were less than 0.007. The results showed that the Flexible Chassis could operate stably in basic running attitude.

        agricultural machinery; design; control; flexible chassis, facility agriculture; four-wheel independent dive; four-wheel independent steering; offset shaft

        10.11975/j.issn.1002-6819.2017.19.006

        S229+.1;U467.5+24

        A

        1002-6819(2017)-19-0041-10

        2017-03-30

        2017-06-17

        國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51375401)

        李翊寧,陜西楊凌人,博士生,主要從事智能化農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)的研究。楊凌 西北農(nóng)林科技大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院,712100。 Email:liyining_work@163.com。

        ※通信作者:郭康權(quán),陜西西安人,教授,博士生導(dǎo)師,主要從事農(nóng)業(yè)技術(shù)裝備的研究。楊凌 西北農(nóng)林科技大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院,712100。Email:jdgkq@nusuaf.edu.cn。

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