石少健 陳燕慧

摘?要：介紹了一種無線遠(yuǎn)程操控果園自平衡運輸車的設(shè)計。通過SolidWorks三維建模，對組成平衡車的機(jī)械結(jié)構(gòu)及工作原理進(jìn)行了詳細(xì)的敘述，使其具備能夠維持動態(tài)平衡的運輸特性，并對整車的設(shè)計觀念、結(jié)構(gòu)設(shè)計及工作運轉(zhuǎn)進(jìn)行了分析。將無線遠(yuǎn)程操控果園自平衡運輸車與傳統(tǒng)的果園運輸裝置進(jìn)行對比，突出其能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程操控的先進(jìn)性，以及能夠適用于果園內(nèi)各種復(fù)雜道路的應(yīng)用性;能夠滿足采摘業(yè)相關(guān)需求。

關(guān)鍵詞：遠(yuǎn)程操控;自平衡車;結(jié)構(gòu)設(shè)計

0?引言

隨著城鎮(zhèn)化水平的推進(jìn)、農(nóng)村勞動力的減少及土地集約化的推進(jìn)，農(nóng)業(yè)機(jī)械化的發(fā)展將是必然趨勢[1]。傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)機(jī)械在一定程度上解決了大部分勞動問題，像大型農(nóng)用機(jī)械的推廣使用，能夠以成倍的工作速度完成人們難以完成的工作量，提高勞動效率。在信息技術(shù)不斷發(fā)展的背景下，農(nóng)業(yè)科技領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了進(jìn)一步的發(fā)展，將電子信息技術(shù)完善應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械中，能夠借助電子信息技術(shù)這一手段來推進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械的現(xiàn)代化進(jìn)程，進(jìn)而為農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展奠定基礎(chǔ)[2]。電子信息技術(shù)的應(yīng)用轉(zhuǎn)變了傳統(tǒng)的農(nóng)用機(jī)械設(shè)計方式，并促使農(nóng)業(yè)機(jī)械朝著智能化、自動化方向發(fā)展。丘陵山地水果產(chǎn)業(yè)是典型的丘陵山地農(nóng)業(yè)，而丘陵山地果園的機(jī)械化運輸已成為丘陵山地果園作業(yè)的核心需求[3]。桃樹、蘋果、葡萄等一些果樹枝干較為低矮，一些大型的農(nóng)用運輸機(jī)械無法進(jìn)入果園，只能作為外部運輸工具;再加上果園內(nèi)道路復(fù)雜崎嶇，水果在采摘搬運過程利用人力運輸方式（小推車、挑擔(dān)、抱）必將浪費大量勞動力，出現(xiàn)效率低下的問題，而且容易磕碰造成損傷，嚴(yán)重影響果品質(zhì)量。

1?設(shè)計目標(biāo)與整體技術(shù)參數(shù)

針對果園內(nèi)各種環(huán)境因素綜合分析，

設(shè)計主要有兩個目標(biāo)：一是結(jié)構(gòu)簡單緊湊，無線遠(yuǎn)程操控，操作靈活，經(jīng)濟(jì)性好，綠色環(huán)保，在丘陵山地等復(fù)雜地形通過能力強(qiáng);二是滿足果園內(nèi)果樹與果樹之間距離要求，以及運輸路線中較大枝干的高度要求。 整體技術(shù)參數(shù)如表所示。

2?總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

無線遠(yuǎn)程操控果園自平衡運輸車主要由動力裝置、自平衡裝置、無線遠(yuǎn)程操控裝置、傳動機(jī)構(gòu)、行駛機(jī)構(gòu)等組成。該車采用坦克履帶車的結(jié)構(gòu)形式，由電動機(jī)帶動履帶驅(qū)動輪，從而使左右雙履帶進(jìn)行運轉(zhuǎn)，通過無線遠(yuǎn)程操控裝置搭配電子控制模塊對整車進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，結(jié)合實地場景路況，選擇最優(yōu)化的運輸方向;當(dāng)車子通過陡峭路面，控制中心利用對平面兩個自由度監(jiān)測及控制，實現(xiàn)對車廂的動態(tài)平衡控制。該運輸車總體設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單，各裝置結(jié)構(gòu)緊湊，提高了可操作性?？傮w結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.1?動力裝置選擇

動力裝置由位于車體底盤中48 V無刷直流輪轂電機(jī)、電子調(diào)速器以及遠(yuǎn)程接收機(jī)組成，實現(xiàn)動力供應(yīng)。

根據(jù)已確定的參數(shù)規(guī)格，計算運輸車以滿載工況在最大爬坡度路面上行駛時直流電動機(jī)所需要的功率大小。綜合考慮該運輸車極限工況，選擇的直流電動機(jī)功率應(yīng)不小于0.21 kW，所以選用額定功率為0.5 kW的直流無刷輪轂電機(jī)作為該運輸車的動力裝置。

2.2?傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計

該運輸車的傳動裝置為實現(xiàn)降速增扭以及保證動力的持續(xù)輸出，采用電動機(jī)帶動小鏈輪與驅(qū)動輪大鏈輪之間鏈傳動，根據(jù)預(yù)期相關(guān)參數(shù)對鏈傳動進(jìn)行設(shè)計。

2.3?行駛機(jī)構(gòu)設(shè)計

行駛機(jī)構(gòu)單邊設(shè)計由一條履帶、一個驅(qū)動輪、一個導(dǎo)向輪、四個支重輪、四個緩沖彈簧等組成。驅(qū)動輪將傳動機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換成履帶運轉(zhuǎn)的動力，從而帶動導(dǎo)向輪、支重輪轉(zhuǎn)動;導(dǎo)向輪根據(jù)驅(qū)動輪相對位置而定，目的在于引導(dǎo)履帶能夠正確繞轉(zhuǎn)，并可以防止履帶跑偏和越軌;緩沖彈簧對支重輪起緩解沖擊壓力以及調(diào)整履帶的彈性松緊度作用。

2.4?自平衡裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

運輸車通過陡峭的路面時，自平衡裝置自動實時保持車廂平衡。該裝置主要由伺服電動機(jī)、電動機(jī)支座、法蘭以及支座底板等組成，且位于底盤中部凸臺上;采用單片機(jī)實時讀取IMU（Inertial measurement unit）慣性傳感器MPU6050內(nèi)角度和角速度信號數(shù)據(jù)，并應(yīng)用卡爾曼融合濾波方式和 PID 控制算法進(jìn)行信號處理[4]，最終輸出相應(yīng)的補(bǔ)償信號（PWM）控制伺服電機(jī)，來維持運輸車車廂動態(tài)平衡;該裝置在最底部存在兩個伺服電動機(jī)，被用來控制X（前后）方向;在第二層支座底板還存在著另外兩個控制Y（左右）軸方向的伺服電動機(jī);其中第一層與第二層高度差250 mm，X、Y軸方向最大為±45°的補(bǔ)償角度，大于該運輸車最大爬坡度22°，能夠應(yīng)對多種果園地形;為提高車斗的穩(wěn)定性以及避免單個機(jī)械搖臂應(yīng)力集中問題，在兩個方向上各安放兩個相距500 mm同步運行的伺服電動機(jī)，同時驅(qū)動兩個機(jī)械搖臂，使負(fù)荷均勻分散開。結(jié)構(gòu)如圖2所示。

當(dāng)運輸車以滿載工況條件在最大爬坡度路面上直線行駛時，相應(yīng)的整個運輸車與水平路面存在一定的夾角，若要使車廂由傾斜狀態(tài)向水平動態(tài)平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)變，則伺服電機(jī)應(yīng)根據(jù)補(bǔ)償信號轉(zhuǎn)動相應(yīng)的補(bǔ)償角度[5]。

2.5?遠(yuǎn)程操控裝置設(shè)計

智能化農(nóng)業(yè)，是指通過電子信息技術(shù)的邏輯運算、傳導(dǎo)和傳遞，發(fā)揮適宜指令指揮科研儀器、農(nóng)業(yè)機(jī)械來完成正確的動作，最終實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和管理的智能化[6]。該運輸車秉承智能化設(shè)計原則，在控制方面采用無線遠(yuǎn)程操控利用BOYUAVT×102D（1W+OSD）高清圖像傳輸裝置搭配使用WFT09II遙控器與接收機(jī)進(jìn)行實時遠(yuǎn)程控制。

根據(jù)裝置實際測評使用情況，高清圖像傳輸裝置能夠在3 km內(nèi)使實現(xiàn)視頻高清傳輸，滿足遠(yuǎn)距離操控使用需求。WFT09II遙控器能夠在空曠地1 km內(nèi)穩(wěn)定操控，能夠滿足當(dāng)前果園現(xiàn)狀及使用需求。

3?結(jié)論

該無線遠(yuǎn)程操控果園自平衡運輸車采用剛性底盤履帶運輸車結(jié)構(gòu)形式，再搭配上自平衡裝置和無線遠(yuǎn)程操控裝置，使整車具有智能化、可靠性高、靈活可操作、性能安全穩(wěn)定的特點，解決了運輸車行駛，人必須與車跟隨的問題，以及保證車廂在裝有負(fù)載的工況下實時保持其動態(tài)平衡，極大的降低了水果在果園采摘運輸時因磕碰造成的損傷，完美的適應(yīng)丘陵山地以及大棚等環(huán)境地形，降低廣大果農(nóng)的勞動力，提高經(jīng)濟(jì)效益，具有良好的發(fā)展前景。

參考文獻(xiàn)：

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[3] 吳偉斌，趙奔，朱余清，等.丘陵山地果園運輸機(jī)的研究進(jìn)展[J].華中農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2013，32（4）：135-142.

[4] 賴義漢，王凱.基于MPU6050的雙輪平衡車控制系統(tǒng)設(shè)計[J].河南工程學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2014，26（1）：53-57.

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