劉 路 楊 路 高觀光 李志強 鄭 泉 陳黎卿

(1.安徽農(nóng)業(yè)大學工學院， 合肥 230036； 2.安徽省智能農(nóng)機裝備工程實驗室， 合肥 230036)

0 引言

壟作法因其水土保持特性而被大部分丘陵旱地所應用，然而其高壟畦溝的特性給田間管理機械的使用提出了很高的要求。皖南山區(qū)作為全國主要的煙草種植基地之一，煙草種植行距為1.2 m，壟溝底較窄，約為0.3 m，田頭間距為0.8 m[1-2]。近年來，國內(nèi)外相關學者針對煙草作業(yè)機械開展了大量的研究。陳曉紅等[3]研制了烤煙覆膜機壓膜裝置的，其自動覆膜技術對提高煙苗成活率和降低蟲害發(fā)生率具有顯著效果。燕亞民等[4]研制了一種導苗管式煙草移栽機，其操作簡單，提高了煙苗的移栽工作效率。張秀麗等[5]為了提高煙草大田中耕培土作業(yè)質(zhì)量和效率，設計了復合切削式煙草中耕培土機。然而，對于煙草種植中后期煙葉遮疊環(huán)境下的植保作業(yè)要求，上述研究在田間管理上還具有一定局限性。

煙草中后期便于植保作業(yè)的移動平臺是煙草植保作業(yè)的一個空缺[6-7]。傳統(tǒng)的植保機械主要有高地隙植保機械[8-9]和無人機植保等類型，由于煙草種植多以地處丘陵山區(qū)等壟作田塊為主，以高地隙植保機械為代表的大型機械難以田間作業(yè)，而無人機植保無法滿足煙草中后期根部的植保需求，因此目前煙草的植保工作仍然以人工背負式打藥機為主。煙草中后期葉片大，密度高，對勞動力需求大；另一方面，人工背負作業(yè)時易對煙草葉片造成損傷，同時農(nóng)藥對人體也有一定的傷害。

根據(jù)煙草壟作環(huán)境，本文設計一款三輪結(jié)構輪式移動平臺。針對壟作環(huán)境田頭轉(zhuǎn)向要求，利用車身姿態(tài)穩(wěn)定臨界條件分析三輪移動平臺系統(tǒng)最大轉(zhuǎn)向角度；根據(jù)不同車速下移動平臺在煙草壟溝環(huán)境下運動平穩(wěn)性和動力分析，確定移動平臺安全行駛速度。通過試驗驗證移動平臺設計可靠性，以確保所設計的煙草植保移動平臺的行駛性能滿足壟作環(huán)境作業(yè)要求。

1 整機結(jié)構設計

1.1 整機結(jié)構

圖1 煙草植保機移動平臺整機結(jié)構圖Fig.1 Structure diagram of tobacco plant protection robot 1.驅(qū)動電機 2.后輪 3.藥箱 4.前輪 5.電池 6.驅(qū)動器 7.車身 8.轉(zhuǎn)向電機 9.編碼器 10.噴頭

煙草植保移動平臺主要由車身、傳動系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和噴藥系統(tǒng)組成，結(jié)構如圖1所示。其中車身由車架、龍門架等組成；傳動系統(tǒng)由驅(qū)動電機、驅(qū)動減速器等組成；轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由轉(zhuǎn)向電機、轉(zhuǎn)向減速器、前輪轉(zhuǎn)角傳感器等組成。煙草植保機移動平臺主要結(jié)構參數(shù)如表1所示。

1.2 工作原理

煙草植保機在田間作業(yè)時，作業(yè)人員根據(jù)田間情況遙控植保機械作業(yè)，其工作原理如圖2所示?？刂浦噶钔ㄟ^2.4 GHz頻道將指令傳輸給SBUS接收器，根據(jù)SBUS協(xié)議將指令傳達給STM32單片機，單片機通過解析指令，實現(xiàn)對機器人動力系統(tǒng)及噴霧系統(tǒng)的控制，驅(qū)動力和轉(zhuǎn)向力由ZM-6615型直流無刷驅(qū)動器通過調(diào)節(jié)PWM方式進行控制。通過單片機IO接口為機器人提供行駛控制信號，可以實現(xiàn)機器人前進和后退功能的有效切換[10-13]。遙控功能為后續(xù)噴藥等管理作業(yè)保留擴展接口。

表1 煙草植保機移動平臺主要結(jié)構參數(shù)Tab.1 Main structural parameters of tobacco plant protection mobile platform

圖2 工作原理示意圖Fig.2 Working principle diagram

2 關鍵部件設計

2.1 傳動系統(tǒng)設計

如圖3所示，所設計的煙草植保移動系統(tǒng)采用后輪驅(qū)動。傳動系統(tǒng)通過控制器驅(qū)動電機為后軸提供動力，其中控制器由STM32單片機和電機驅(qū)動器組成，驅(qū)動器接收單片機的PWM信號占空比調(diào)節(jié)電機的速度。

圖3 傳動布置示意圖Fig.3 Schematic of transmission arrangement

移動平臺在水平地面運動過程中所受到的行駛阻力主要包括來自地面的滾動阻力Ff和空氣阻力Fw。在坡道上行駛、加速行駛時，除上述兩種阻力外，還需要克服平臺自身重力帶來的阻力Fi以及為提供加速度產(chǎn)生的加速阻力Fj，因此植保移動平臺在行駛過程中所受到的阻力為

∑F=Ff+Fw+Fi+Fj

(1)

考慮到煙草植保機在田間工作時速度較低的特點，可將速度設定為定值，忽略加速阻力對整機的影響，滾動阻力和由重力產(chǎn)生的阻力都與車身重力成正比，因此移動平臺在行駛過程中所受到的阻力為

Fψ=Ff+Fi=G(f+i)

(2)

其中

i=tanα

(3)

式中Fψ——道路阻力，N

G——車身自身重力，N

f——滾動摩擦因數(shù)，取0.1[14]

i——道路坡度

α——道路坡道角

根據(jù)田頭T型通道結(jié)構，煙草植保機移動平臺在田頭轉(zhuǎn)彎時，車輪靠壟一側(cè)會入侵至壟坡，壟坡底部坡道角α約為30°，由式(1)～(3)可知，此時移動平臺的行駛阻力Fψ為408 N。

為確保移動平臺正常行駛，在運動過程中車輪所需的驅(qū)動力Ft需大于其行駛阻力Fψ，設計安全系數(shù)1.5，即

Ft>1.5Fψ=612 N

電機驅(qū)動力計算式為

(4)

式中Ttq——驅(qū)動輪轉(zhuǎn)矩，N·m

r——驅(qū)動輪半徑，取150 mm

P——電機額定功率，kW

n——電機額定轉(zhuǎn)速，r/min

i0——傳動比

驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構如圖4所示，經(jīng)計算其驅(qū)動力大于安全行駛阻力612 N。選取額定功率750 W、額定轉(zhuǎn)速為3 000 r/min的直流無刷電機，并配套1∶40的減速器。驅(qū)動力Ft為637 N，滿足田間工作驅(qū)動的設計要求。

圖4 驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構圖Fig.4 Drive system structure diagram 1.驅(qū)動輪 2.驅(qū)動軸 3.直流無刷電機 4.減速器

2.2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設計

煙草植保機移動平臺選用三輪模型[15-17]，使整車在田頭轉(zhuǎn)向時，減小轉(zhuǎn)向輪侵入田壟的距離，提高轉(zhuǎn)向控制魯棒性。同時，為了解決三輪車模型系統(tǒng)不穩(wěn)定的缺點，前輪采用雙輪機構，增大系統(tǒng)與地面的接觸面積，使移動平臺在轉(zhuǎn)向時前輪側(cè)偏角減小，其結(jié)構如圖5所示。

圖5 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構圖Fig.5 Steering system structure diagram 1.轉(zhuǎn)向輪 2.減速器 3.步進電機 4.編碼器

選用步進電機作為轉(zhuǎn)向電機，該步進電機為86系列兩相大力矩混合式步進電機，單軸輸出，步距角為1.8°，步距角精度為5%。電機與轉(zhuǎn)向軸之間用1∶40減速器連接，增大轉(zhuǎn)向驅(qū)動扭矩，避免步進電機低轉(zhuǎn)速狀態(tài)下丟步誤差；另一端安裝編碼器，搭建轉(zhuǎn)向閉環(huán)回路，以實現(xiàn)轉(zhuǎn)向精準控制。

根據(jù)圖6可得，植保移動平臺轉(zhuǎn)彎半徑為

圖6 轉(zhuǎn)彎半徑示意圖Fig.6 Turning radius diagram

(5)

(6)

式中l(wèi)——軸距長度θ——前輪轉(zhuǎn)角

a——步距角γ——脈沖頻率

根據(jù)移動平臺結(jié)構，最內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)彎半徑R2與轉(zhuǎn)角θ之間的關系為

(7)

(8)

式中m——前輪與后內(nèi)側(cè)輪間距

n1——后輪間距

當煙草植保機移動平臺最內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)彎半徑為0.8 m時，根據(jù)車身參數(shù)所需控制前輪轉(zhuǎn)角θ為50°。

3 多體動力學性能分析

3.1 移動平臺車身建模和仿真分析

利用RecurDyn/Track軟件基于相對坐標系和相對遞推算法的動態(tài)仿真建立煙草植保機移動平臺車身的多體動力學模型[18-19]，如圖7所示。煙草植保機移動平臺整體機械系統(tǒng)較為復雜，建模仿真僅需對平臺行駛系統(tǒng)進行分析，本文將整機簡化：①將工作部件簡化為剛體，通過加載運動系統(tǒng)對機構進行仿真。②省略了不影響仿真的非工作部件，如螺栓、螺母等。③模型參數(shù)主要通過三維測量、計算或試驗得到。其中，仿真模型剛體數(shù)為5，運動自由度為6，運動副數(shù)目為4。在多體動力學仿真軟件RecurDyn中對煙草植保平臺兩后輪施加相同的驅(qū)動副，對其進行轉(zhuǎn)彎半徑的測量仿真試驗。

圖7 煙草植保機移動平臺仿真模型Fig.7 Simulation model of tobacco plant protection vehicle 1.車身 2.驅(qū)動副 3.壟溝

仿真結(jié)果如圖8所示，煙草植保機移動平臺在前輪轉(zhuǎn)角為50°時轉(zhuǎn)彎半徑約為0.8 m，與理論計算結(jié)果相符。

圖8 轉(zhuǎn)彎半徑仿真結(jié)果Fig.8 Simulation result of turning angles of different corners

3.2 機器人轉(zhuǎn)向半徑測試

如圖9所示，測得煙草植保機移動平臺最小轉(zhuǎn)彎半徑，保持平臺前輪轉(zhuǎn)角，低速自轉(zhuǎn)一圈，獲得轉(zhuǎn)向內(nèi)側(cè)車輪和外側(cè)車輪形成內(nèi)外側(cè)軌跡，再對軌跡進行實際測量。

圖9 煙草植保機移動平臺轉(zhuǎn)向試驗Fig.9 Turning test of tobacco plant protection robot

經(jīng)測量，移動平臺在前輪轉(zhuǎn)角為50°時內(nèi)輪的轉(zhuǎn)彎半徑為0.78 m，滿足0.8 m的轉(zhuǎn)向半徑要求。

3.3 移動穩(wěn)定性臨界條件分析

圖10 車身側(cè)翻受力分析Fig.10 Force analysis diagram of car body rollover

3.4 壟間行走仿真分析

在田間行駛過程中，移動平臺平穩(wěn)性與路面平整度及車輛運行速度相關，為測試其不同速度驅(qū)動下壟間行駛的穩(wěn)定性，分別記錄以0.8、1.0、1.3 m/s在壟溝底部行駛的側(cè)傾角，移動平臺壟溝間行走最大側(cè)傾角在-2°～3°之間，如圖11可知，車身振動趨勢和路面起伏狀態(tài)相近，由于壟溝底部較為平坦，最大側(cè)傾角和振幅隨著車速變化較小，對車輛平穩(wěn)性影響不大。

圖11 不同速度下側(cè)傾角曲線Fig.11 Rolling angular velocity curves at different speeds

移動平臺田間行駛過程中，最大側(cè)傾角多出現(xiàn)于田頭轉(zhuǎn)向位置。系統(tǒng)采集3塊不同田塊地面的參數(shù)(均包括田頭轉(zhuǎn)向區(qū)域)，在不同壟作路面參數(shù)下，通過0.3～1.5 m/s以0.1 m/s遞增的測試方法，完成移動平臺壟間的行駛仿真，得到最大側(cè)傾角和移動平臺的移動平穩(wěn)性，如圖12所示。由圖12可知，移動平臺速度大于1.0 m/s后，側(cè)傾角和側(cè)傾角方差明顯提升，行駛平穩(wěn)性明顯變差。

圖12 煙草植保機器人仿真結(jié)果分析Fig.12 Simulation results analysis of tobacco plant protection robot

圖14 車身側(cè)傾角變化曲線Fig.14 Changing curves of car body roll angle

4 行駛穩(wěn)定性試驗

4.1 試驗方法

試驗于煙草種植中后期在安徽宣城煙草實驗基地進行，如圖13所示。試驗主要包括直線行駛和田頭轉(zhuǎn)向試驗，定速行駛試驗通過陀螺儀測量不同速度下車身側(cè)傾角，根據(jù)測量數(shù)據(jù)分析獲取煙草植保平臺在壟間的最佳工作速度；車身最大側(cè)傾角試驗是測量煙草植保機器人在田頭轉(zhuǎn)向時的側(cè)傾角，以驗證植保機器人在田頭轉(zhuǎn)向的穩(wěn)定性[20-21]。

圖13 田間試驗Fig.13 Field test

4.2 田間試驗

4.2.1田間勻速行駛試驗

移動平臺勻速(0.8、1.0、1.3 m/s)在煙草田間遙控行駛測試試驗，利用陀螺儀記錄平臺在不同速度下行走的側(cè)傾角，如圖14所示。

由圖14可知，在3次試驗中，側(cè)傾角在很小的范圍內(nèi)進行波動。當速度為0.8 m/s時，其最大側(cè)傾角在10.3°；當車速為1.0 m/s時，試驗最大側(cè)傾角為11.7°；當車速為1.3 m/s時，試驗最大側(cè)傾角為16.3°，試驗結(jié)果與仿真結(jié)果相似。根據(jù)效率優(yōu)先原則，在穩(wěn)定性狀況相近時，速度快實際作業(yè)效率高，煙草植保機器人的最佳作業(yè)速度在1.0 m/s左右。

4.2.2最大側(cè)傾角試驗

對移動平臺在煙草田頭進行轉(zhuǎn)向試驗，設定最高移動作業(yè)速度1.0 m/s，經(jīng)多次試驗記錄移動平臺在煙草田頭轉(zhuǎn)向入侵壟溝時的側(cè)傾角，測得的數(shù)據(jù)如表2所示。經(jīng)過試驗測量，植保平臺在通過田頭轉(zhuǎn)向時車身最大側(cè)傾角為14.38°，最大側(cè)傾角遠小于側(cè)翻臨界條件30°。在轉(zhuǎn)向試驗中車身均沒有發(fā)生側(cè)翻，因此，設計的煙草植保機移動平臺在田頭轉(zhuǎn)向正常運動過程中不會發(fā)生側(cè)翻，滿足高壟畦溝環(huán)境下煙草植保移動平臺運動需求。

經(jīng)測試，平臺在水平路面能夠達到的最小轉(zhuǎn)彎半徑為0.8 m；當車身速度在1.0 m/s以內(nèi)作業(yè)時，其最大側(cè)傾角為14.38°，機器人在高壟畦溝實際作業(yè)過程中具有良好的轉(zhuǎn)彎性能及運動穩(wěn)定性。

表2 田頭轉(zhuǎn)向最大側(cè)傾角Tab.2 Maximum inclination angle of cornering (°)

5 結(jié)論

(1)針對煙草壟作環(huán)境，對傳動和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等關鍵部件進行設計，最小轉(zhuǎn)彎半徑為0.8 m，滿足煙草田間直線行駛、田頭轉(zhuǎn)向等需求，能夠以1.0 m/s速度行駛，達到預期的作業(yè)效果。

(2)利用RecurDyn/Track進行仿真分析，在前輪轉(zhuǎn)角為50°時，轉(zhuǎn)彎半徑為800 mm，符合設計計算結(jié)果；在壟溝行走時其側(cè)傾角在-2°～3°之間波動，變化幅度較小，穩(wěn)定性較高。

(3)通過試驗穩(wěn)定性測試，分析煙草植保機移動平臺田間行駛性能。試驗結(jié)果表明，植保平臺能夠在煙草壟底行駛，穩(wěn)定性良好，左右擺動幅度為3°，沒有損壞煙草作物；當作業(yè)速度為1.0 m/s時，最大側(cè)傾角為14.38°，沒有超過其發(fā)生側(cè)翻的臨界角度，能夠安全通過。