金晶 翟恩昱 蘇婷 李建平

摘 要：針對現(xiàn)有自走式噴桿噴霧機的設計重心高導致重心不穩(wěn)，從而使得噴桿搖晃導致噴灑不均勻。本論文利用山地平衡車的平衡機構(gòu)和噴桿式噴霧機相結(jié)合，對其進行了改進。其運作原理主要是通過“動態(tài)穩(wěn)定”理論分析，利用內(nèi)部陀螺儀判斷車身所處的姿勢狀態(tài)，結(jié)合內(nèi)部處理器計算出適當?shù)闹噶詈罂梢则?qū)動馬達，因而達到平衡效果。借助MATLAB/Simulink仿真平臺，結(jié)果顯示，在噴霧機三種速度下，平衡機構(gòu)可以在2-3s短時間內(nèi)使得噴桿穩(wěn)定，對提高自走式噴霧機的工作穩(wěn)定性具有很大的實用價值。

關鍵詞：平衡機構(gòu);動態(tài)穩(wěn)定性;自走式噴桿噴霧機;MATLAB/Simulink仿真

1 引言

1.1 研究背景

噴桿式噴霧機主要分為懸掛式噴桿噴霧機和自走式噴桿噴霧機，中農(nóng)立華豐茂植保機械有限公司制造的3WX-500懸掛式噴霧機[1]需要與25.74kw以上的拖拉機套配使用，不僅不環(huán)保，仍舊存在人為操作失誤的可能性。我國現(xiàn)階段的主要植保機械是各種自走式噴桿噴霧機，涵蓋價格幾萬元的簡易三輪噴桿噴霧機，200多萬元四輪驅(qū)動進口機型和創(chuàng)新的電動遙控噴桿噴霧機[2]，遙控自走式噴桿噴霧機，雖然實現(xiàn)了智能遙控，安全性高，但是在噴桿穩(wěn)定性與噴灑均勻方面仍存在著問題。自走式噴桿噴霧機具有作業(yè)效率高、安全性能高、藥液量分布均勻、噴灑質(zhì)量好等特點[3]，目前廣泛用于溫室，大田，草坪，苗圃等等場合。

盡管自走式噴桿噴霧機目前應用廣泛，但是它在作業(yè)時的穩(wěn)定性研究還有很大的提升空間。例如，噴桿噴霧機較為適用于田間作業(yè)，由于設計的重心比較高，當水箱注入藥液后，其流動性強，從而導致重心不穩(wěn)。當?shù)孛嫫露冗^大或者在高地埂時，由于噴霧機自身的不穩(wěn)定，很容易發(fā)生傾覆[4]。為了提高噴霧機作業(yè)的穩(wěn)定性，大部分提高是對自走式地盤機架的設計研究，例如平衡底盤機構(gòu)[5]，但是平衡底盤結(jié)構(gòu)也存在著不穩(wěn)定性，例如，當噴霧機作業(yè)時，底座會隨著地塊高低起伏而晃動。受此影響，噴桿就會隨底座擺動，這樣容易使噴桿搖晃傾斜而刮傷作物，甚至會因此而損壞噴桿。有的噴桿噴霧機上雖然裝有噴桿平衡系統(tǒng)，但其設計技術往往都是采用超聲波/紅外線測距、電子傳感器及液壓平衡調(diào)節(jié)器等組合[6]。這樣的平衡機構(gòu)不僅結(jié)構(gòu)復雜，成本也十分高昂，使得許多生產(chǎn)企業(yè)和用戶望而卻步。

1.2 研究目的和意義

針對上述問題，利用山地平衡車的平衡機構(gòu)與噴霧機相結(jié)合可以從應付路況方面大大提高噴桿以及噴霧機自身的穩(wěn)定性?，F(xiàn)在市場上的平衡車種類也是各種各樣，如簡易雙輪平衡車，還有孫亞飛等人研制的自動避障雙輪平衡車[7]，采用微處理器和姿態(tài)傳感器，利用PID控制算法，在此基礎上利用超聲波測距技術，實現(xiàn)了自動避障功能;靳培峰等人研制的智能雙輪平衡車[8]，基于動態(tài)穩(wěn)定原理保持平衡。但是這些平衡車自身的平衡機構(gòu)有的造價昂貴，有的無法自動避障，維持穩(wěn)定性，很難運用于噴桿噴霧機。本論文所選取的平衡機構(gòu)具有三輪結(jié)構(gòu)，更加穩(wěn)定，不僅可以實現(xiàn)噴桿噴霧機的自走，還能通過手機連接遙控，同時機構(gòu)自身也裝有制動手柄。利用山地平衡車的平衡機構(gòu)與噴霧機相結(jié)合可以實現(xiàn)噴霧機爬坡，在沙地，沼地前行，可以適用于溫室，大田，草坪，苗圃等等場合。

基于可以調(diào)節(jié)噴桿傾角的MATLAB/Simulink仿真平臺，使自走式噴桿噴霧機在低速、中速、高速三種狀態(tài)下行駛，得出的計算與仿真結(jié)果表明，自走式噴桿噴霧機可以利用該平衡機構(gòu)在不同速度下平穩(wěn)運行，提升了噴桿的穩(wěn)定性。

2 平衡機構(gòu)工作原理與結(jié)構(gòu)設計

本文研究的平衡機構(gòu)由控制主板、三軸陀螺儀結(jié)合加速度傳感器、電機、電池以及車輪等內(nèi)置模塊構(gòu)成。當車身處于不穩(wěn)定工作狀態(tài)時，三軸陀螺儀將迅速反饋信息給控制主板，控制主板內(nèi)含的傳感器模塊、運算模塊等將計算數(shù)據(jù)將信息傳達給電機。電機控制驅(qū)動模塊，控制車輪的水平移動角度穩(wěn)定機構(gòu)，間接穩(wěn)定噴桿，保持了噴霧機噴灑的均勻高效。

2.1 整機結(jié)構(gòu)設計

一種利用山地平衡車平衡機構(gòu)的噴桿噴霧機，如圖1所示，包括行走裝置、供藥裝置、動力裝置、噴桿裝置。供藥裝置包含兩個相互連通的藥箱，兩個藥箱同等體積，分別固定在山地平衡車的前后兩個腳踏板上;噴桿裝置為五段可折疊式噴桿，如圖2所示，a為噴桿水平展開簡圖，b為噴桿折疊時簡圖噴桿的主架固定在藥箱前的支架上。噴桿上等距設有若干噴頭，藥箱出口通過輸液管連接至噴頭，每個噴頭前的輸液管上均設有截止閥;動力裝置為液壓泵和電動機，液壓泵進口端連接水箱出口，出口端連接藥箱進口。

當行走裝置（1）運行時，外部三輪結(jié)構(gòu)可以增加該裝置的穩(wěn)定性，并且供藥裝置（2）以及噴桿裝置（3）全部固定在行走裝置（1）上，其機身與噴桿穩(wěn)定性取決于平衡機構(gòu)的穩(wěn)定性。

2.1.1 平衡機構(gòu)原理

平衡運作原理主要是通過“動態(tài)穩(wěn)定”理論分析，利用內(nèi)部陀螺儀判斷車身所處的姿勢狀態(tài)，結(jié)合內(nèi)部處理器計算出適當?shù)闹噶詈罂梢则?qū)動馬達，因而達到平衡效果。運作原理的核心機構(gòu)是三軸陀螺儀結(jié)合傳感器，原理可簡述為只要給陀螺儀的轉(zhuǎn)子一個力，它可以同時測量出6個方向的位置，還包括物體移動軌，使它快速旋轉(zhuǎn)，它的轉(zhuǎn)速可以達到每分鐘幾十萬轉(zhuǎn)從而長時間工作。一個旋轉(zhuǎn)的三軸陀螺儀所指的方向在不受外力影響下是不會改變的。其作用主要是可以測量運動物體的角速度，從而判斷物體的運動狀態(tài)。

三軸陀螺儀的應用相當廣泛，何巧云研究的飛機自動飛行控制器[9]控制和穩(wěn)定飛機的角運動和重心運動，三軸陀螺儀應用在反饋控制過程中并且確切掌握了飛機的運動狀態(tài);李亞飛等人研究的汽車智能輔助駕駛儀[10]將三軸陀螺儀與各類傳感器相結(jié)合，可以收集車內(nèi)車外的環(huán)境數(shù)據(jù)并進行動靜物體的辨識與偵察，從而使得駕駛者在最短時間內(nèi)可以察覺安全風險，提高了駕駛的安全性;還有史一翔研究的基于三軸陀螺儀的姿態(tài)解算誤差補償方法[11]以及建立帶有溫度參數(shù)的三軸MEMS陀螺儀誤差模型[12]提高自制慣性測量系統(tǒng)的測量精度等。從中可見三軸陀螺儀的應用已經(jīng)相當成熟。它的組成主要結(jié)構(gòu)分別是：陀螺儀幀、螺旋軸、轉(zhuǎn)子和萬向坐標系。當三軸陀螺儀應用于本文的平衡機構(gòu)，通過三軸陀螺儀與加速傳感器配合可以通過測量沿著一個軸或者多個軸的角速度，追蹤捕捉到三維空間的完整運動，從而知道平衡車的位置，起到了GPS定位的作用。除此，還可以校正行走裝置的前行方向，依靠重力移動改變轉(zhuǎn)向。這就是平衡機構(gòu)用于自走式噴桿噴霧機在爬坡或者避障時還能保證噴霧機以及噴桿穩(wěn)定的原理。

3 工作穩(wěn)定性分析

為了實現(xiàn)噴霧機以及噴桿在作業(yè)時的穩(wěn)定性從而使得藥液均勻噴灑，本文對噴霧機的車輪和噴桿重心以及移動角度進行了量化分析，得出了車輪在水平面傾斜角度與噴桿擺動角度的關系，獲得了平衡機構(gòu)如何穩(wěn)定噴桿的數(shù)據(jù)。

5 結(jié)語

（1）本論文中的噴霧機在 三種速度下，平衡機構(gòu)可以在2-3s短時間內(nèi)調(diào)整機身，使噴桿保持平衡狀態(tài)，達到平衡效果，實現(xiàn)均勻噴灑;

（2）利用山地平衡車的平衡機構(gòu)，不僅讓噴霧機實現(xiàn)自走，并且噴霧機可以實現(xiàn)爬坡，在濕軟草地前行等等，彌補了現(xiàn)有噴霧機工作范圍的局限，適合多場合應用;

（3）本文研究的自走式噴桿噴霧機不僅具有自我調(diào)節(jié)平衡的能力，并且機構(gòu)小巧，便于攜帶，具有廣闊的市場前景，有利于農(nóng)業(yè)的發(fā)展。

基金項目：江蘇省高校自然科學研究面上項目（16KJB210006）;南京林業(yè)大學大學生科技創(chuàng)新項目（201810298012Z）。

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