范國強(qiáng)， 王學(xué)良， 張曉輝， 馮海明

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院，山東泰安 271018； 2.山東省園藝機(jī)械與裝備實(shí)驗(yàn)室，山東泰安 271018；3.中通客車控股股份有限公司，山東聊城 252000)

近年來我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式發(fā)展迅速，生產(chǎn)結(jié)構(gòu)不斷升級(jí)，果園種植面積日益擴(kuò)大。隨著我國城鎮(zhèn)化的快速推進(jìn)和勞動(dòng)力向城鎮(zhèn)的轉(zhuǎn)移，果園作業(yè)實(shí)現(xiàn)機(jī)械化的需求越來越迫切。果園作業(yè)機(jī)械既能夠節(jié)省大量的勞動(dòng)力，又能提高工作效率和作業(yè)水平，因此在果園管理作業(yè)中具有重要作用。

因?yàn)槲覈麍@主要采用矮化密植的種植模式，使得作業(yè)空間狹小，所以果園作業(yè)的機(jī)械化只能依靠小型作業(yè)機(jī)械。目前我國的果園作業(yè)機(jī)械主要依靠手動(dòng)操作，存在勞動(dòng)強(qiáng)大和作業(yè)環(huán)境惡劣(粉塵、蚊蟲以及農(nóng)藥毒性等)等一系列問題。如果能夠?qū)崿F(xiàn)小型果園作業(yè)車的遠(yuǎn)程可視化遙控作業(yè)，則可以大大提高操作人員的安全性和舒適性。國內(nèi)部分作業(yè)機(jī)型雖然可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控，但存在載重量小、行進(jìn)速度慢、作業(yè)效率低、作業(yè)功能單一以及無視頻監(jiān)控等缺點(diǎn)[1-4]，無法適應(yīng)現(xiàn)代果園管理的需求。與歐美和日本等發(fā)達(dá)國家相比，我國的高科技農(nóng)機(jī)遠(yuǎn)未廣泛使用[5]。

針對我國國情，本研究設(shè)計(jì)一款小型多功能視頻遙控作業(yè)車，該作業(yè)車具有結(jié)構(gòu)緊湊、作業(yè)半徑較小和機(jī)動(dòng)靈活的特點(diǎn)，同時(shí)可以通過更換多種作業(yè)附具來實(shí)現(xiàn)多種作業(yè)，還可以通過遠(yuǎn)程視頻進(jìn)行遙控作業(yè)，可極大地提高操作人員的安全性和舒適性。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與性能

為適應(yīng)果園狹小作業(yè)空間的要求，果園遙控作業(yè)車的整機(jī)必須結(jié)構(gòu)緊湊，且控制可靠。液壓傳動(dòng)具有傳動(dòng)路線簡化、控制方便和功率密度大的優(yōu)點(diǎn)，因此本機(jī)所有作業(yè)裝置均采用液壓傳動(dòng)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，使得整機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊。整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，它主要由動(dòng)力系統(tǒng)、液壓傳動(dòng)系統(tǒng)、遙控系統(tǒng)、車架、行走裝置和輔助工作裝置等組成，其中動(dòng)力系統(tǒng)主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)；液壓系統(tǒng)包括齒輪泵、液壓管路、液壓缸以及壓力變送器等；電氣系統(tǒng)包括多路電磁閥、繼電器等。

為適應(yīng)大棚和矮化果園作業(yè)，整個(gè)車體設(shè)計(jì)得比較緊湊。車體通過銷軸連接在行走機(jī)架上，發(fā)動(dòng)機(jī)通過減震裝置安裝在車體的后半部分，以降低重心，提高整車的穩(wěn)定性。遙控裝置通過控制多路電磁閥，實(shí)現(xiàn)對整臺(tái)機(jī)器的操控。大臂通過鉸鏈軸安裝在機(jī)體后上方，其前端安裝鉸接機(jī)架，掛架上有快換銷軸，能夠連接不同的輔助工作裝置(鏟斗、挖掘裝置、開溝機(jī)、破碎機(jī)、鉆孔施肥器等)。采用Solid Works對樣機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)與裝配，使得整機(jī)零部件布置緊湊，體積較小，設(shè)計(jì)的三維模型如圖2所示。

整機(jī)性能以及結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

2 工作原理

汽油機(jī)帶動(dòng)雙聯(lián)齒輪泵輸出高壓油，為整個(gè)液壓系統(tǒng)提供動(dòng)力，通過遙控系統(tǒng)控制電磁閥的通斷，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對所有液壓裝置的控制，實(shí)現(xiàn)行走、舉升和作業(yè)等各種動(dòng)作。整機(jī)液壓系統(tǒng)原理如圖3所示，主要由行走回路、大臂舉升回路以及附具工作回路構(gòu)成。

表1 作業(yè)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

根據(jù)行走功率和作業(yè)載荷確定齒輪泵、馬達(dá)、液壓油缸、系統(tǒng)總流量和發(fā)動(dòng)機(jī)功率，由系統(tǒng)流量確定合適的電磁閥[6]。液壓系統(tǒng)的參數(shù)如表2所示。

2.1 行走轉(zhuǎn)向原理

作業(yè)車采用液壓馬達(dá)直接連接車輪的方式，實(shí)現(xiàn)作業(yè)車行走。2個(gè)定量液壓泵分別控制左右兩側(cè)后驅(qū)動(dòng)輪的液壓馬達(dá)，通過分別控制2路的2位3通電磁換向閥和3位4通電磁換向閥來控制2個(gè)液壓馬達(dá)的同步或差速運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)作業(yè)車的直行或轉(zhuǎn)向。

2.2 輔助裝置工作原理

如圖3所示，當(dāng)左路的2位3通電磁換向閥和相應(yīng)的3位4通電磁換向閥通電后，則接通當(dāng)前回路的附具位置控制油缸，通過改變閥芯位置控制大臂油缸伸縮，從而實(shí)現(xiàn)大臂的舉升。附具是主要的工作裝置，為靈活地適應(yīng)工作環(huán)境，須要適時(shí)調(diào)整附具位置。連通右路的2位3通電磁換向閥和相應(yīng)的3位4通電磁換向閥，則接通當(dāng)前回路控制附具的油缸伸縮，實(shí)現(xiàn)附具位置的調(diào)整。

表2 液壓系統(tǒng)參數(shù)

2.3 遙控系統(tǒng)工作原理

上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)通過通信模塊實(shí)現(xiàn)對下位機(jī)即作業(yè)車的遠(yuǎn)程監(jiān)控和操作，下位機(jī)同時(shí)連接多路電磁閥，通過電磁閥控制各個(gè)液壓回路的通斷，進(jìn)而控制液壓馬達(dá)、液壓缸的動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)對作業(yè)車行走和各種作業(yè)的控制。圖4為遙控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)。

2.3.1 遙控系統(tǒng)硬件構(gòu)成 遙控系統(tǒng)主要由遠(yuǎn)程遙控端、通信中轉(zhuǎn)站和車載受控端組成。遠(yuǎn)程監(jiān)控端利用視頻采集軟件開發(fā)工具包(software development kit，簡稱SDK)的二次開發(fā)技術(shù)實(shí)現(xiàn)下位機(jī)系統(tǒng)采集的視頻信息和處理的數(shù)據(jù)信息在顯示屏上的實(shí)時(shí)顯示，同時(shí)也可以通過功能控制無線網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系車載受控系統(tǒng)，其硬件系統(tǒng)包括PC機(jī)、無線視頻接收器、無線控制指令發(fā)射器、視頻采集卡和RS-485轉(zhuǎn)化器等。

通信中轉(zhuǎn)站是聯(lián)系監(jiān)控中心和作業(yè)車的無線傳輸系統(tǒng)。該系統(tǒng)的功能控制網(wǎng)絡(luò)和視頻信號(hào)網(wǎng)絡(luò)是2個(gè)相互獨(dú)立的系統(tǒng)。功能控制網(wǎng)絡(luò)由無線微波收發(fā)器組成，其信號(hào)遵循一定的編碼協(xié)議，系統(tǒng)通電后自動(dòng)搭建無線網(wǎng)絡(luò)，視頻信號(hào)網(wǎng)絡(luò)采用視頻收發(fā)器進(jìn)行傳輸，采用專用的1.2 G頻段。

車載受控端的遙控部件主要由STM32控制器、攝像頭、視頻發(fā)射器、控制信號(hào)接收器和驅(qū)動(dòng)繼電器等各類傳感器組成。

2.3.2 遙控軟件結(jié)構(gòu) 遙控軟件主要包括監(jiān)控中心軟件、通信協(xié)議、下位機(jī)系統(tǒng)程序等三大系統(tǒng)。

2.3.2.1 上位機(jī)系統(tǒng) 監(jiān)控中心系統(tǒng)即上機(jī)位系統(tǒng)，監(jiān)控中心軟件是基于VC++開發(fā)的視頻采集和動(dòng)作控制監(jiān)控軟件，其結(jié)構(gòu)功能如圖5所示。

2.3.2.2 下位機(jī)系統(tǒng) 下位機(jī)軟件系統(tǒng)是主要的控制系統(tǒng)，負(fù)責(zé)信息的采集上傳和執(zhí)行器的動(dòng)作控制[7-8]。其軟件系統(tǒng)流程如圖6所示。

2.3.2.3 通信協(xié)議 通信協(xié)議是上位機(jī)與下位機(jī)之間上傳下達(dá)的重要橋梁，通信系統(tǒng)控制信號(hào)采用自定義協(xié)議格式，數(shù)據(jù)信號(hào)傳遞以幀為基本單位，所有數(shù)據(jù)均采用十六進(jìn)制格式[9-11]。本系統(tǒng)不論上傳還是下發(fā)，均要求有應(yīng)答幀，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)若無回復(fù)則重新發(fā)送，連續(xù)5次無回復(fù)，則須要復(fù)位重啟，這是為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的心跳包機(jī)制[12]，可有效避免因信號(hào)故障導(dǎo)致作業(yè)車失控的現(xiàn)象。

3 樣機(jī)性能試驗(yàn)

為驗(yàn)證樣機(jī)的可靠性，檢測作業(yè)車各項(xiàng)性能，在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)試驗(yàn)站對設(shè)計(jì)的樣機(jī)進(jìn)行相關(guān)測試。

本次試驗(yàn)分為2個(gè)階段，共試驗(yàn)20次。第1階段為指令試驗(yàn)，遙控距離為50 m，試驗(yàn)次數(shù)為10次，試驗(yàn)中作業(yè)車可準(zhǔn)確快速執(zhí)行前進(jìn)、倒退、轉(zhuǎn)彎、大臂舉升、附具位置調(diào)整等操作，且監(jiān)控的視頻圖像清晰流暢。第2階段為載荷試驗(yàn)階段，遙控距離為300 m，試驗(yàn)次數(shù)為10次，作業(yè)車順利完成380 kg沙土的鏟取和裝載工作。整機(jī)性能測試如表3所示。試驗(yàn)證明，整機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，動(dòng)作控制可靠，監(jiān)控端視頻清晰流暢，指令傳輸迅速，樣機(jī)響應(yīng)迅速。

4 結(jié)論

針對密植果園作業(yè)空間狹窄的特點(diǎn)，采用液壓傳動(dòng)系統(tǒng)，研制一種可遠(yuǎn)程視頻遙控的小型作業(yè)車。該作業(yè)車具有結(jié)構(gòu)緊湊、作業(yè)半徑較小和機(jī)動(dòng)靈活的特點(diǎn)，同時(shí)可以更換多種作業(yè)附具實(shí)現(xiàn)多種作業(yè)。

針對密植果園作業(yè)中存在的安全性和舒適性較差問題，基于VC++開發(fā)一套由遠(yuǎn)程遙控端、通信中轉(zhuǎn)站和車載受控端組成的遠(yuǎn)程視頻遙控系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對作業(yè)車的遠(yuǎn)程視頻遙控。試驗(yàn)證明，該遙控系統(tǒng)動(dòng)作控制可靠，監(jiān)控端視頻清晰流暢，指令傳輸迅速，樣機(jī)響應(yīng)迅速，能夠滿足果園作業(yè)要求。

：

[1]胡 煉，羅錫文，張智剛，等. 基于CAN總線的分布式插秧機(jī)導(dǎo)航控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2009，25(12)：88-92.

表3 整機(jī)性能測試

[2]胡 煉，羅錫文，趙祚喜，等. 插秧機(jī)電控操作機(jī)構(gòu)和控制算法設(shè)計(jì)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2009，25(4)：118-122.

[3]蔣 蘋，胡文武，孫松林，等. 水田作業(yè)機(jī)械無線遙控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2009，31(6)：62-64，68.

[4]劉美麗，楊福增，張季琴. 一種小型多功能田間管理機(jī)的設(shè)計(jì)[J]. 拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車，2011，38(3)：82-84.

[5]馮開林. 工程車輛遙控及其關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 西安：西安交通大學(xué)，2003.

[6]雷天覺. 新編液壓工程手冊[M]. 北京：北京理工大學(xué)出版社，2005.

[7]張俊峰. 山地果園單軌運(yùn)輸機(jī)遙控關(guān)鍵技術(shù)與裝置的研究[D]. 武漢：華中農(nóng)業(yè)大學(xué)，2012.

[8]許麗佳，冉春森，王文娟，等. 小型無線遙控和實(shí)時(shí)配藥噴施機(jī)的研制[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012，28(10)：13-19.

[9]王孝良，宋國振，安 毅. 基于GPRS的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)[J]. 儀器儀表與分析監(jiān)測，2005(1)：23-26，35.

[10]王建新，楊世鳳，史永江，等. 遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢[J]. 國外電子測量技術(shù)，2005，24(4)：9-12.

[11]連加典. 基于GPS/GPRS工程車輛遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]. 長沙：湖南大學(xué)，2003.

[12]胡志坤，何多昌，桂衛(wèi)華，等. 基于改進(jìn)心跳包機(jī)制的整流遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)[J]. 計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2008，28(2)：363-366.