賈朝元 仲紅雨 馮亦工

摘? ?要：文章設(shè)計(jì)的移動(dòng)采集平臺(tái)主要用于采樣收集田間植物性狀特征，從全局角度出發(fā)，通過(guò)遙遠(yuǎn)控制移動(dòng)采集平臺(tái)行走在田間，采集植物性狀特征。為此，根據(jù)田間的種植模式與移動(dòng)采集平臺(tái)設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)關(guān)系，確定移動(dòng)采集平臺(tái)的相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)，然后確定該移動(dòng)采集平臺(tái)結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)方案。驅(qū)動(dòng)形式作為該平臺(tái)的關(guān)鍵部件，根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)和驅(qū)動(dòng)要求等邊界條件，選用適合的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)形式。

關(guān)鍵詞：移動(dòng)采集;遙遠(yuǎn)控制;驅(qū)動(dòng)形式

1? ? 移動(dòng)采集平臺(tái)結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)

移動(dòng)采集平臺(tái)在田間（玉米地）行走時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)很大程度上取決于田間（玉米地）土壤物理特性[1]，例如移動(dòng)采集平臺(tái)在田間行走時(shí)，當(dāng)土壤較為松軟且存在凸起或低洼的地形條件時(shí)，會(huì)降低移動(dòng)采集平臺(tái)的通過(guò)性和采集植物性狀信息的采樣準(zhǔn)確性，因此保證懸架結(jié)構(gòu)對(duì)總體設(shè)計(jì)尤為關(guān)鍵[2]。

針對(duì)移動(dòng)采集平臺(tái)行走平穩(wěn)性和可靠性問(wèn)題，本文假設(shè)移動(dòng)采集平臺(tái)在規(guī)范化種植的田間工作，此外考慮到玉米屬于單子葉禾本科植物，植物莖干比較脆弱，需減少人為損害，故該移動(dòng)采集平臺(tái)采用棚架式機(jī)械結(jié)構(gòu)[3]，行間距為500 mm左右，株距為100 mm左右。為了更加準(zhǔn)確地采樣，移動(dòng)采集平臺(tái)工作過(guò)程中采用間歇式行走作業(yè)模式，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)需滿(mǎn)足精準(zhǔn)控制和頻繁啟停等精準(zhǔn)性和靈活性要求。

1.1? 移動(dòng)采集平臺(tái)總體設(shè)計(jì)方案A

移動(dòng)采集平臺(tái)總體設(shè)計(jì)方案A由懸架機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、車(chē)體機(jī)構(gòu)、采集機(jī)構(gòu)以及其他輔助機(jī)構(gòu)組成，其中在4個(gè)輪胎支架上均安裝了輪轂電機(jī)，驅(qū)動(dòng)移動(dòng)采集平臺(tái)精準(zhǔn)可控行走。該設(shè)計(jì)方案主要采用非獨(dú)立懸架結(jié)構(gòu)，且在阿科爾曼模型基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，利用差速原理，分析左前輪和右前輪速度變速趨勢(shì)正好相反的實(shí)際運(yùn)動(dòng)形式，滿(mǎn)足了移動(dòng)采集平臺(tái)轉(zhuǎn)向性能需求，具體方案如圖1所示。

雖然該設(shè)計(jì)方案能基本滿(mǎn)足間歇行走和急停急走的運(yùn)動(dòng)性能要求，但是田間（玉米地）地面條件狹小，玉米秸稈高低程度不太均勻，對(duì)移動(dòng)采集平臺(tái)柔性控制和精準(zhǔn)控制的要求較高[4]，該設(shè)計(jì)方案不盡如人意，因此需要在此基礎(chǔ)上考慮工作環(huán)境的復(fù)雜性，進(jìn)行相關(guān)的優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)。

1.2? 移動(dòng)采集平臺(tái)總體設(shè)計(jì)方案B

移動(dòng)采集平臺(tái)總體設(shè)計(jì)方案B旨在設(shè)計(jì)出用于自然生長(zhǎng)環(huán)境下的田間（玉米地）采集移動(dòng)采集平臺(tái)。田間（玉米地）里狹窄空間和復(fù)雜地形環(huán)境，移動(dòng)采集平臺(tái)采用非獨(dú)立懸架機(jī)構(gòu)，在小半徑運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)四輪獨(dú)立自由轉(zhuǎn)向，如圖2所示。當(dāng)出現(xiàn)凹凸不平的土壤介質(zhì)時(shí)，移動(dòng)采集平臺(tái)上的植物性狀采集傳感器可以保持較高的平衡性和穩(wěn)定性，因此，該移動(dòng)采集平臺(tái)可以按照地形地貌變化情況而實(shí)時(shí)調(diào)整平臺(tái)姿態(tài)，以保證移動(dòng)采集平臺(tái)的移動(dòng)穩(wěn)定性。此外，該移動(dòng)采集平臺(tái)采用輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)四輪行走，低能耗、低噪音、低污染，符合現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的綠色環(huán)保作業(yè)要求[5]。

在B方案中，移動(dòng)采集平臺(tái)的采集系統(tǒng)硬件包括玉米性狀采集儀器、采集支架以及相關(guān)調(diào)整部分，可以在移動(dòng)采集平臺(tái)移動(dòng)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)仰視和俯視等不同角度的采集，同時(shí)可以調(diào)節(jié)遠(yuǎn)近采集行程，滿(mǎn)足多樣化功能需求，移動(dòng)采集平臺(tái)的采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)部分如圖3所示，其中1是移動(dòng)采集平臺(tái)底板，2是導(dǎo)軌，3是鉸手架，4是移動(dòng)轉(zhuǎn)向平衡手柄。

（1）移動(dòng)采集平臺(tái)底板設(shè)計(jì)。在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中平臺(tái)要求有很好的剛度和強(qiáng)度，同時(shí)也要求質(zhì)量輕便，因此設(shè)計(jì)采用AL6061材料，選用8 mm厚的AL6061基板，尺寸：1 000 mm× 1 000 mm×8 mm。底板主要是用于支撐水平調(diào)節(jié)仿形機(jī)構(gòu)，使得移動(dòng)采集平臺(tái)在移動(dòng)過(guò)程中保證水平。

（2）水平調(diào)節(jié)仿形機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。水平調(diào)節(jié)仿行機(jī)構(gòu)主要由一條豎直導(dǎo)軌、一條水平導(dǎo)軌和鉸手架組成。豎直導(dǎo)軌采用鋁型材，與橫向?qū)к壷g通過(guò)鉸手架連接，通過(guò)調(diào)節(jié)豎直導(dǎo)軌可以采集不同高度的玉米，通過(guò)調(diào)節(jié)橫向?qū)к壙梢栽龃笥衩撞杉鞯臋M向距離，便于采集車(chē)身不容易到達(dá)的地方的玉米。橫向?qū)к壓拓Q直導(dǎo)軌都由采用40的鋁型材。豎直導(dǎo)軌的長(zhǎng)度1 000 mm，水平導(dǎo)軌的長(zhǎng)度1 200 mm。

（3）鉸手架設(shè)計(jì)。鉸手架主要用于連接水平調(diào)節(jié)仿行機(jī)構(gòu)的水平導(dǎo)軌和豎直導(dǎo)軌以及連接水平導(dǎo)軌和移動(dòng)采集平臺(tái)。選用AL6061鋁合金。

（4）移動(dòng)采集平臺(tái)移動(dòng)轉(zhuǎn)向平衡手柄設(shè)計(jì)。移動(dòng)采集平臺(tái)主要作用是安裝采集機(jī)械手和安裝攝像頭，因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)留有與采集機(jī)械手支架的安裝孔和攝像頭的放置位置。選用AL606鋁合金材料。

2? ? 移動(dòng)采集平臺(tái)關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1? 懸架的選擇

懸架分為非獨(dú)立懸架和獨(dú)立懸架，當(dāng)采用非獨(dú)立懸架時(shí)，移動(dòng)采集平臺(tái)的左前輪和右前輪安裝在同一個(gè)實(shí)心車(chē)橋上，左后輪和右后輪安裝在一個(gè)實(shí)心車(chē)橋上，當(dāng)一側(cè)的車(chē)輪受到?jīng)_擊而傾斜時(shí)，另一側(cè)的車(chē)輪也會(huì)對(duì)應(yīng)產(chǎn)生傾斜，左右兩輪相互牽連，傾斜角度近似保持一致，不但利于移動(dòng)采集平臺(tái)的穩(wěn)定性，還可以減少因傾斜而引起的輪胎磨損[6]。移動(dòng)采集平臺(tái)的左前輪和右前輪分別安裝在前實(shí)心車(chē)橋上，左后輪和右后輪分別安裝在后實(shí)心車(chē)橋上，左右兩側(cè)的車(chē)輪胎在一定程度上借助避震彈簧來(lái)實(shí)現(xiàn)載荷的緩沖與傳遞，當(dāng)某一側(cè)輪胎受到?jīng)_擊而傾斜時(shí)，其沖擊力和變形對(duì)另一側(cè)輪胎產(chǎn)生的傾斜影響可以忽略不計(jì)，會(huì)誘發(fā)移動(dòng)采集平臺(tái)平穩(wěn)性降低[7]。

綜合對(duì)比以上兩種懸架形式，非獨(dú)立懸架對(duì)輪胎的磨耗小，有利于移動(dòng)采集平臺(tái)的操控感保持一致，同時(shí)也保證了田間玉米性狀采集移動(dòng)采集平臺(tái)行走過(guò)程中穩(wěn)定性和可靠性[8]，因此，本文移動(dòng)采集平臺(tái)優(yōu)先選用非獨(dú)立懸架進(jìn)行相關(guān)的設(shè)計(jì)。

2.2? 非獨(dú)立懸架的設(shè)計(jì)

移動(dòng)采集平臺(tái)的非獨(dú)立懸架使得左前輪和右前輪安裝在前車(chē)橋上，左后輪和右后輪安裝在后車(chē)橋上，左右兩側(cè)的車(chē)輪胎借助非獨(dú)立懸架中避震彈簧來(lái)實(shí)現(xiàn)載荷的緩沖與傳遞，使得輪胎沖擊而傾斜后對(duì)另一側(cè)輪胎產(chǎn)生的傾斜影響大幅度降低，非獨(dú)立懸架的具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

綜合對(duì)比以上兩種懸架形式，非獨(dú)立懸架對(duì)輪胎的磨耗小，有利于移動(dòng)采集平臺(tái)的操控感保持一致，且非獨(dú)立懸架的構(gòu)造比較簡(jiǎn)單，制造成本和維修成本都比較低。此外，非獨(dú)立懸架要比獨(dú)立懸架所占用的空間較小，可降低車(chē)底板的高度相對(duì)更加穩(wěn)定一些，同時(shí)也保證了田間玉米性狀采集移動(dòng)采集平臺(tái)行走過(guò)程中穩(wěn)定性和可靠性，因此本文移動(dòng)采集平臺(tái)優(yōu)先選用非獨(dú)立懸架進(jìn)行相關(guān)的設(shè)計(jì)。

2.3? 移動(dòng)采集平臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇

移動(dòng)采集平臺(tái)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)通常可以分為直流、交流伺服電機(jī)、直流無(wú)刷電機(jī)以及步進(jìn)電機(jī)等4種類(lèi)型，而且每一種驅(qū)動(dòng)電機(jī)應(yīng)用要求各不相同，在田間玉米地中行駛，若選擇步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，遇到凹凸不平的地面，很容易因?yàn)檫^(guò)載而出現(xiàn)丟步現(xiàn)象;當(dāng)選擇直流無(wú)刷電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)，該驅(qū)動(dòng)電機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，過(guò)載能力強(qiáng)但控制精度較低，調(diào)速可控性較差。由于直流伺服電機(jī)在低頻特性、矩頻特性、運(yùn)動(dòng)性能、控制精度等許多性能方面都優(yōu)于步進(jìn)電機(jī)，故本機(jī)采用伺服電機(jī)和伺服控制系統(tǒng)。為保證移動(dòng)采集平臺(tái)的運(yùn)行與控制要求，需要對(duì)直流伺服電機(jī)進(jìn)行選型計(jì)算[9]。

2.3.1? 驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率的計(jì)算

已知電機(jī)的輸出功率為P，電機(jī)旋轉(zhuǎn)過(guò)程中的摩擦系數(shù)為μ，且該系數(shù)取0.12，移動(dòng)采集平臺(tái)總體重量為500 kg，根據(jù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率與移動(dòng)采集平臺(tái)重量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，計(jì)算移動(dòng)采集平臺(tái)運(yùn)行速度v為0.8 m/s時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率為：

P=μ×m×g×v（1）

其中，g為重力加速度，取9.8 m/s2。由公式（1）計(jì)算可得，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出功率P為581.5 W，結(jié)合本移動(dòng)采集平臺(tái)由4個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，則每一個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出功率必須大于145.6 W，綜合考慮控制系統(tǒng)用電情況，采用24 V電壓驅(qū)動(dòng)，其單個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出功率應(yīng)該為150 W。

2.3.2? 驅(qū)動(dòng)電機(jī)扭矩和轉(zhuǎn)速的計(jì)算

移動(dòng)采集平臺(tái)在田間玉米地行走運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，受到土壤等阻尼的影響，其摩擦行為如下：滾動(dòng)摩擦力遠(yuǎn)比最大靜止摩擦力小，因此只要在啟動(dòng)瞬間滿(mǎn)足最大靜止摩擦力的需求，移動(dòng)采集平臺(tái)就可以正常行走。根據(jù)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性可知，直徑與速度之間存在反比例關(guān)系，當(dāng)直徑增大時(shí)驅(qū)動(dòng)力減小，當(dāng)直徑減小時(shí)驅(qū)動(dòng)力增大。已知驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩為T(mén)，驅(qū)動(dòng)輪的旋轉(zhuǎn)半徑為R，驅(qū)動(dòng)電機(jī)數(shù)目為N，且N取4，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式為：

（2）

根據(jù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩計(jì)算參數(shù)表可知，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩為T(mén)=8.52 N.m，起動(dòng)時(shí)需要克服的最大靜摩擦力為15.34 N.m。

已知移動(dòng)采集平臺(tái)的驅(qū)動(dòng)輪的驅(qū)動(dòng)直徑為D，則驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速n的計(jì)算公式為：

（3）

當(dāng)移動(dòng)采集平臺(tái)的運(yùn)行速度v為0.8 m/s時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為201 r/min。

3? ? 結(jié)語(yǔ)

文章主要進(jìn)行移動(dòng)采集平臺(tái)的總體設(shè)計(jì)以及驅(qū)動(dòng)形式和電池的選擇研究工作。首先根據(jù)田間玉米地實(shí)際工況條件制定了兩套總體設(shè)計(jì)方案，二者擇優(yōu)選擇移動(dòng)采集平臺(tái)B方案，且對(duì)B方案進(jìn)行了較為詳細(xì)的說(shuō)明解釋。然后對(duì)移動(dòng)采集平臺(tái)的關(guān)鍵部件懸架機(jī)構(gòu)進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)校核分析，經(jīng)過(guò)校核均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求。通過(guò)計(jì)算匹配確定了移動(dòng)采集平臺(tái)的動(dòng)力總成部分，選擇了直流無(wú)刷電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，為后續(xù)控制設(shè)計(jì)工作的開(kāi)展奠定了基礎(chǔ)。

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Design of mobile acquisition platform for maize

Jia Chaoyuan， Zhong Hongyu， Feng Yigong

（Jiangsu Shennong Agricultural Equipment Co.， Ltd.， Huaian 223001， China）

Abstract：The mobile acquisition platform designed in this paper is mainly used to sample and collect the characteristics of plant traits in the field. From the global point of view， it can collect the characteristics of plant traits by remote control mobile acquisition platform walking in the field. Therefore， according to the corresponding relation between the planting pattern in the field and the mobile acquisition platform design， the relevant design parameters of the mobile acquisition platform are determined， and the overall design scheme of the mobile acquisition platform structure is determined. The driving form is the key part of the platform， according to the boundary conditions such as mechanical design and driving requirements， the suitable driving mechanism and steering mechanism are selected.

Key words：mobile acquisition; remote control; driving form