張 強(qiáng)，楊光友

(湖北工業(yè)大學(xué) 農(nóng)業(yè)機(jī)械工程研究設(shè)計(jì)院，武漢 430068)

0 引言

隨著我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，設(shè)施農(nóng)業(yè)也在快速發(fā)展，而相比發(fā)達(dá)國家，我國設(shè)施農(nóng)業(yè)的機(jī)械化水平仍很低，棚室內(nèi)作業(yè)大部分以人力為主，耕作者勞動強(qiáng)度大、工作環(huán)境惡劣，易疲勞且工作效率低下。為此，本文研制了一種由單片機(jī)控制、電力驅(qū)動的自行走式電動微耕機(jī)。試驗(yàn)表明：該類電動微耕機(jī)作業(yè)效率高、環(huán)境污染小、工作可靠，能夠滿足當(dāng)前的大棚作業(yè)農(nóng)藝要求[1]。

1 電動微耕機(jī)結(jié)構(gòu)布局及動力系統(tǒng)工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)布局

電動微耕機(jī)整體結(jié)構(gòu)布局如圖1所示。其結(jié)構(gòu)上共有5大組成部分：底盤驅(qū)動部分、控制部分、蓄電池組、提升機(jī)構(gòu)和旋耕機(jī)構(gòu)。其中，底盤作為整個(gè)機(jī)體的承重支撐部件，其前端裝有立式蝸輪蝸桿減速器和驅(qū)動電機(jī)，緊鄰驅(qū)動電機(jī)的是微耕機(jī)的大腦—控制箱，負(fù)責(zé)控制微耕機(jī)執(zhí)行一系列動作。在底盤中部安裝著整個(gè)機(jī)器的動力源—蓄電池組，為各動力設(shè)備提供電能。底盤后端安裝有提升機(jī)構(gòu)和旋耕機(jī)構(gòu)，在它們的緊密配合下微耕機(jī)能夠按照指定耕深作業(yè)。

1.車架 2.驅(qū)動電機(jī) 3.控制器 4.蓄電池組 5.滑塊 6.電機(jī)安裝座 7.步進(jìn)電機(jī) 8.連接板 9.旋耕電機(jī) 10.擋泥板 11.旋耕刀 12.漲緊輪 13.支重輪 14.調(diào)節(jié)螺桿 15.滑桿 16.底盤 17.驅(qū)動輪圖1 電動微耕機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 整機(jī)電驅(qū)動系統(tǒng)的工作原理

電驅(qū)動系統(tǒng)是電動機(jī)器的心臟，按其功能可劃分為電器控制和機(jī)械傳動兩部分[2]，如圖2所示。

電器控制原理：整機(jī)工作過程中，操作者通過手持遙控器向微耕機(jī)發(fā)送命令，如車體前進(jìn)、后退、旋耕機(jī)構(gòu)提升及刀具旋轉(zhuǎn)等，主控制器端STM32F407芯片接收到控制指令后，向各電機(jī)驅(qū)動器發(fā)送相應(yīng)脈沖控制電機(jī)轉(zhuǎn)動。其機(jī)械傳動原理如圖3所示。

底盤驅(qū)動電機(jī)經(jīng)蝸輪蝸桿減速器通過平鍵與驅(qū)動輪相連，通過控制底盤兩側(cè)驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)速和旋向可實(shí)現(xiàn)底盤的前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)向功能。在提升機(jī)構(gòu)中，步進(jìn)電機(jī)通過聯(lián)軸器與絲杠滑臺相連，控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向可調(diào)節(jié)滑臺移動速度和方向。旋耕機(jī)構(gòu)作為微耕機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，旋耕動力通過旋耕電機(jī)連接蝸輪蝸桿減速器輸出，旋耕刀軸經(jīng)短銷固定在減速器輸出軸上，整個(gè)機(jī)構(gòu)傳動部分分為3塊，各自獨(dú)立，互不影響。

圖2 電器控制原理圖

圖3 機(jī)械傳動原理圖

2 旋耕機(jī)構(gòu)電參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 旋耕電機(jī)選型

電動微耕機(jī)是機(jī)電一體化的產(chǎn)物，其工作性能好壞不僅與機(jī)械結(jié)構(gòu)有關(guān)，還與動力傳遞系統(tǒng)中的電參數(shù)有關(guān)[3]。旋耕機(jī)構(gòu)是微耕機(jī)最重要的組成部分，其電參數(shù)設(shè)計(jì)必須以微耕機(jī)實(shí)際工作環(huán)境為依據(jù)。綜合電動微耕機(jī)作業(yè)環(huán)境及自身特點(diǎn)，總結(jié)出旋耕電機(jī)需滿足的要求有以下幾點(diǎn)：

1)啟動時(shí)，要有足夠大的轉(zhuǎn)矩，因?yàn)樾遁S常需要帶負(fù)載啟動；

2)具有一定的過載能力，在作業(yè)過程中待耕作土壤中可能存在磚塊、石頭等硬物，當(dāng)旋耕刀接觸到此類硬物，會突然增大旋耕阻力，因此所選電機(jī)必須具備較強(qiáng)過載能力，才能在突發(fā)情況下不被損壞；

3)便于控制，從而保證穩(wěn)定可靠的工作狀態(tài)；

4)結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格低廉，具有較好的互換性。

表1為電力驅(qū)動系統(tǒng)中常用的4種電動機(jī)：電磁直流有刷電機(jī)、永磁式直流無刷電機(jī)、異步電機(jī)及開關(guān)阻尼式電機(jī)。通過表1分析知：永磁式直流無刷電機(jī)各項(xiàng)性能指標(biāo)優(yōu)異，綜合性能最好，因此選其作為微耕機(jī)旋耕驅(qū)動電機(jī)。

表1 4種常用電動機(jī)性能比較

2.2 旋耕電機(jī)功率確定

由于作業(yè)環(huán)境特殊性，旋耕驅(qū)動電機(jī)常常需要帶負(fù)載啟動，因此在功率選擇方面，需要所選電機(jī)功率較實(shí)際作業(yè)所需功率預(yù)留一定安全系數(shù)。相關(guān)功率計(jì)算公式為

Pn≥KPf/ηT

(1)

式中Pn—所選電機(jī)功率(kW)；

K—安全系數(shù)；

Pf—實(shí)際作業(yè)所需電機(jī)功率(kW)；

ηT—旋耕機(jī)構(gòu)傳動效率。

電動微耕機(jī)在棚室內(nèi)作業(yè)，旋耕電機(jī)實(shí)際消耗功率可由相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式確定[2],即

Pf=0.1KλHBV

(2)

Kλ=KgK1K2K3K4

(3)

式中H—旋耕深度(cm)，取H=10；

B—耕作幅寬(m)，取B=0.6；

V—耕作時(shí)車體行進(jìn)速度(m/s)，取V=0.6；

Kλ—旋耕阻尼比；

Kg—旋耕阻尼比修正系數(shù)，取Kg=11；

K1—耕深修正系數(shù)，取K1=0.8；

K2—土壤含水率修正系數(shù)，取K2=0.85；

K3—?dú)埓娌绻?、植被修正系?shù)，取K3=0.8；

K4—作業(yè)方式修正系數(shù)，取K4=0.66。

結(jié)合式(2)將相關(guān)參數(shù)帶入式(3)可得：Kλ=3.95，Pf=1.42kW；選取1.2倍安全系數(shù)即K=1.2，旋耕機(jī)構(gòu)傳動系統(tǒng)中，蝸輪蝸桿減速器傳動效率約為80%，取ηT=0.8，將參數(shù)帶入式(1)可得Pn≥KPf/ηT=2.13kW；查閱電機(jī)選型手冊，選定電機(jī)功率為2.2kW。

綜合上述分析，旋耕電機(jī)最終規(guī)格定為：永磁式直流無刷電機(jī)，額定功率2.2kW，額定轉(zhuǎn)速2 850r/min，額定扭矩為7.2N·m，旋耕機(jī)構(gòu)傳動系統(tǒng)中所用渦輪蝸桿減速器傳動比為1∶25，因此旋耕刀軸輸出額定扭矩為180N·m。

3 基于慣性導(dǎo)航的微耕機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

微耕機(jī)的控制系統(tǒng)相當(dāng)于人類的神經(jīng)中樞，其優(yōu)劣性直接影響到微耕機(jī)的響應(yīng)速度、可操作性及工作質(zhì)量等。在控制系統(tǒng)中，主控芯片是微耕機(jī)的大腦，決定著微耕機(jī)對指令的執(zhí)行效率、功能的可擴(kuò)展性及程序的可移植性等。本文所述電動微耕機(jī)選用STM32F407芯片作為主控芯片，其主屏高達(dá)168M,能夠有效保證程序運(yùn)算速度，再加上其豐富的硬件接口便于后期微耕機(jī)的功能擴(kuò)展及ST公司提供的大量可調(diào)用庫函數(shù)，大大降低了程序設(shè)計(jì)難度和周期。

控制系統(tǒng)相關(guān)原理簡述：慣性導(dǎo)航模塊選用MPU6050，6軸傳感器，將其安裝在微耕機(jī)前端合適位置，通過SPI接口與主機(jī)(STM32F4芯片)通信。它能夠把微耕機(jī)的實(shí)時(shí)姿態(tài)傳輸給主控板，主控制器通過姿態(tài)解算，發(fā)布指令調(diào)整微耕機(jī)運(yùn)動。微耕機(jī)移動平臺(履帶底盤)、提升機(jī)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)均通過相應(yīng)電機(jī)驅(qū)動器與主控板I/O口相連，達(dá)到控制目的。無線收發(fā)模塊選用2.4G NRF24L01，其能耗小、抗干擾性強(qiáng)、效率高，同樣是通過SPI接口與主控板進(jìn)行數(shù)據(jù)交互；手持遙控端采用MP430單片機(jī)處理NRF24L01的收發(fā)數(shù)據(jù)，加強(qiáng)型NRF24L01帶外置天線，空曠地帶無線傳輸距離可達(dá)200m以上，能夠保證操作者遠(yuǎn)程遙控需要。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

慣導(dǎo)模塊主要完成兩方面任務(wù)：一是微耕機(jī)運(yùn)動姿態(tài)采集；二是姿態(tài)解算以及將數(shù)據(jù)反饋給STM32主控芯片。通過SPI總線實(shí)現(xiàn)主控板與慣導(dǎo)模塊的信息交互。信息交互式的控制模式?jīng)Q定了本控制系統(tǒng)必須為帶反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)， 因此在兩底盤驅(qū)動電機(jī)相應(yīng)位置安裝霍爾傳感器，用以檢測相應(yīng)電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速并反饋給車載控制端。

本文所述電動微耕機(jī)利用慣導(dǎo)模塊的控制策略(見圖4)：慣導(dǎo)模塊(MPU6050)安裝在車體相應(yīng)位置，在初始化模塊后隨著車體的不斷運(yùn)動，慣導(dǎo)模塊會采集到車體的X、Y、Z三軸加速度和角加速度，并通過自身攜帶的數(shù)字運(yùn)動處理器(DMP)將采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成主控板可用的四元數(shù)，通過SPI接口反饋給STM32F407主控板；主控板分析數(shù)據(jù)后發(fā)布相應(yīng)的控制指令，調(diào)節(jié)左右驅(qū)動電機(jī)使車體能夠保持預(yù)定的直線行走。

圖4 基于慣性導(dǎo)航的控制原理簡圖

微耕機(jī)底盤驅(qū)動電機(jī)控制，是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心所在，它決定著電動微耕機(jī)的直線行走、轉(zhuǎn)向效果以及作業(yè)質(zhì)量好壞。電動微耕機(jī)基于慣導(dǎo)模塊的控制流程圖，如圖5所示。

首先，在控制模塊上電之后進(jìn)行各I/O口、定時(shí)器及其它功能外設(shè)初始化，通過遙控端向主控板發(fā)送左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、前進(jìn)、停止指令，控制機(jī)體執(zhí)行相應(yīng)動作，等待MPU慣導(dǎo)模塊向主控板反饋車體姿態(tài)信息，左側(cè)驅(qū)動電機(jī)速度信號為Speed1,右側(cè)驅(qū)動電機(jī)速度信號為Speed2。當(dāng)Speed值小于80時(shí)，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動，當(dāng)Speed值大于或等于175時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到最大，占空比為175。當(dāng)判斷出車體沒按照指定要求運(yùn)動時(shí)，執(zhí)行相應(yīng)調(diào)節(jié)程序，持續(xù)采集車體姿態(tài)信息反饋給主控板，最終調(diào)正車體姿態(tài)并保證左右兩側(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速一致，達(dá)到電動微耕機(jī)直線行走或作業(yè)的效果。

4 微耕機(jī)提升機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 提升機(jī)構(gòu)傳動設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)微耕機(jī)提升機(jī)構(gòu)較為簡單，主要由步進(jìn)電機(jī)加絲杠滑臺組成，如圖6所示。選用57步進(jìn)電機(jī)為提升機(jī)構(gòu)提供動力，步進(jìn)電機(jī)具有控制簡單、能耗小、扭矩大等一系列優(yōu)點(diǎn)。步進(jìn)電機(jī)經(jīng)電機(jī)安裝座固定在絲杠滑臺上端，電機(jī)輸出軸通過聯(lián)軸器與絲杠相連，絲杠兩側(cè)光杠起支撐滑塊和導(dǎo)向作用，通過控制步進(jìn)電機(jī)相應(yīng)動作即可控制連接在滑塊上的旋耕機(jī)構(gòu)沿豎直方向移動。在微耕機(jī)運(yùn)輸過程中，控制絲杠轉(zhuǎn)動令旋耕機(jī)構(gòu)提升至指定高度可增大機(jī)體通過性，在作業(yè)過程中控制絲杠運(yùn)動從而使旋耕刀達(dá)到指定耕作深度。

圖5 基于慣性導(dǎo)航的控制流程圖

1.57步進(jìn)電機(jī) 2.絲杠 3.光杠 4.滑臺圖6 提升機(jī)構(gòu)簡圖

4.2 提升機(jī)構(gòu)控制原理

對于57步進(jìn)電機(jī)的控制采用方波控制形式，利用STM32F407主控板上相應(yīng)定時(shí)器產(chǎn)生一定頻率方波脈沖，即可控制步進(jìn)電機(jī)帶動絲杠旋轉(zhuǎn)，改變向步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器輸入的脈沖方向即可改變步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向。由于絲杠螺距已知，因此可根據(jù)設(shè)定的步進(jìn)電機(jī)頻率計(jì)算出每秒鐘滑臺沿一定方向移動距離，從而可通過持續(xù)發(fā)送脈沖的時(shí)間精確控制旋耕深度。

5 田間試驗(yàn)與結(jié)果

5.1 試驗(yàn)基本條件

田間性能試驗(yàn)在位于湖北省黃梅縣小池鎮(zhèn)的郊區(qū)試驗(yàn)田內(nèi)進(jìn)行。小池鎮(zhèn)屬北亞熱帶大陸性氣候，全年降水量為1 270mm左右，土質(zhì)多為黏性，堅(jiān)實(shí)度為174.5×104Pa；土壤含水率18.5%(0～5cm)，22.6%(5～10)cm。試驗(yàn)田為芹菜收獲后的待耕地，鋪灑秸稈作為肥料，其覆蓋量為1.8kg/m2。

5.2 試驗(yàn)結(jié)果

電動微耕機(jī)相關(guān)技術(shù)參數(shù)如表2所示。車體左右兩側(cè)各裝有一個(gè)底盤驅(qū)動電機(jī)，其額定電壓為48V。提升機(jī)構(gòu)所用57步進(jìn)電機(jī)額定電壓為24v，旋耕電機(jī)額定電壓為60V。上述各類電機(jī)所需電壓均由鋰電池組提供。

表2 電動微耕機(jī)相關(guān)技術(shù)參數(shù)

5.2.1 微耕機(jī)行走和耕作時(shí)間

微耕機(jī)行走機(jī)構(gòu)電機(jī)總功率為2kW，供電鋰電池規(guī)格為48V40ah，理論計(jì)算出微耕機(jī)行走機(jī)構(gòu)在電機(jī)額定功率下，可持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)0.96h，實(shí)地測試為0.83h。微耕機(jī)旋耕機(jī)構(gòu)電機(jī)總功率為2.2kW，供電鋰電池規(guī)格為60V40ah，理論計(jì)算出旋耕電機(jī)在額定功率下可持續(xù)工作1.09h，實(shí)地測試時(shí)間為0.98h。

微耕機(jī)工作時(shí)間測試實(shí)際值略低于理論值，基本達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)要求。分析產(chǎn)生該現(xiàn)象原因?yàn)椋何⒏麢C(jī)行在實(shí)際運(yùn)行中履帶間的摩擦阻力，旋耕刀軸潤滑效果等因素都會加大電機(jī)功率消耗，因此電機(jī)實(shí)際消耗功率略大于理論值。

5.2.2 微耕機(jī)空載速度及耕作效率

底盤驅(qū)動電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為2 800r/min，空載轉(zhuǎn)速為3 100r/min，與之配套減速器減速比為1∶25,驅(qū)動輪直徑為200mm。理論計(jì)算在額定轉(zhuǎn)速下驅(qū)動輪每秒約轉(zhuǎn)1.87圈，底盤速度4.23km/h，最高轉(zhuǎn)速下底盤速度4.67km/h，實(shí)測底盤最快行進(jìn)速度為4.4km/h。分析該現(xiàn)象原因：微耕機(jī)在實(shí)際工作中存在傳動效率損失，而理論計(jì)算忽略了這一點(diǎn)。

1hm2土地面積約為9 900m2，在1hm2土地范圍內(nèi)微耕機(jī)大約需要行走9km，而微耕機(jī)總行駛距離約為4km，理論可耕作面積0.44hm2，實(shí)際耕作面積為0.35hm2左右。分析原因：微耕機(jī)實(shí)際作業(yè)環(huán)境較為復(fù)雜，部分影響因素在計(jì)算過程中被忽略掉了，因此會產(chǎn)生理論和實(shí)際的偏差。

5.2.3 基于慣導(dǎo)模塊的車體直線行走和作業(yè)

結(jié)合慣導(dǎo)模塊控制，當(dāng)車體保持空載且速度為3km/h時(shí)，每千米直線誤差達(dá)到13cm，高于預(yù)期的5cm誤差。當(dāng)微耕機(jī)作業(yè)時(shí)耕深設(shè)定為10cm且行進(jìn)速度為3km/h,每千米誤差達(dá)到33cm，高于預(yù)期的10cm。分析現(xiàn)象原因：一方面所使用慣導(dǎo)模塊精度較低，功能簡單；另一方面零部件機(jī)械加工精度不夠，控制程序有待優(yōu)化。

6 結(jié)論

該設(shè)計(jì)電動微耕機(jī)在安全檢查、機(jī)身總長、結(jié)構(gòu)質(zhì)量、比質(zhì)量及最大耕深等多個(gè)方面測試均符合國家技術(shù)要求。平均耕幅為60cm，耕作效率達(dá)到了0.3hm2/h，遠(yuǎn)超于目前市面上內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動手扶式微耕機(jī)，約0.13hm2/h的工作效率。此款電動微耕機(jī)耗電量為18.5kW·h/ hm2，按0.6元/(kW·h)電計(jì)算，耕作1 hm2土地只需電費(fèi)成本11.1元，而同功率汽油微耕機(jī)每耕作1hm2約消耗汽油12L，按汽油價(jià)格8元/L計(jì)算，耕作1hm2土地需燃油費(fèi)用96元。經(jīng)以上簡單分析就可比較出此款電動微耕機(jī)經(jīng)濟(jì)性遠(yuǎn)好于市面上同規(guī)格微耕機(jī)，且具有能耗低、污染小、工作效率高、智能化程度高等一系列優(yōu)點(diǎn)。