藥林桃,曹曉林,董力洪,陳立才,曾書良,鄒先貴

(1.江西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)工程研究所,南昌 330200;2.江西省旺農(nóng)農(nóng)機(jī)制造有限公司,江西 撫州 344300;3.江鈴汽車股份有限公司,南昌 330030)

0 引言

南方雙季稻區(qū)丘陵多、地塊小、高差大[1],微耕機(jī)具有體積小、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和操縱使用方便等優(yōu)點(diǎn),適宜在丘陵山地小面積田塊作業(yè),是該地區(qū)農(nóng)民耕作的最佳選擇,有著廣泛的應(yīng)用前景[2]。微耕機(jī)操作要求人跟機(jī)具共同行走,操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度大,作業(yè)效率不高,微耕機(jī)耕作過程中在土壤反力的作用下會(huì)產(chǎn)生振動(dòng),長(zhǎng)時(shí)間操作會(huì)使操作人員感到不適[3-5]。

農(nóng)機(jī)智能化特別是無人駕駛技術(shù)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)上的研究越來越深入,逐漸成為農(nóng)業(yè)工程技術(shù)智能化研究的重要組成部分[6-7],包括遙控和圖像識(shí)別田間作業(yè)機(jī)器的直線和轉(zhuǎn)向行駛、全自動(dòng)轉(zhuǎn)向、田間地頭原地掉頭、作業(yè)部件的啟動(dòng)和終止。洛陽市瑪斯特拖拉機(jī)有限責(zé)任公司開發(fā)了一款遙控微型履帶耕作機(jī)[8]。何金伊、楊福增等設(shè)計(jì)一種以手持遙控方式操作的山地微耕機(jī)[9],操作者可脫離作業(yè)機(jī)械,使操作更為便捷,不但改善了危險(xiǎn)環(huán)境作業(yè)時(shí)人機(jī)不分離的工作情況,而且降低了勞動(dòng)強(qiáng)度,但兩款機(jī)型都適用于山地果園作業(yè)。

江西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)工程研究所與江西省旺農(nóng)農(nóng)機(jī)制造有限公司研發(fā)了一款適宜水田耕作的遙控微耕機(jī),不需要人直接操作機(jī)具,遠(yuǎn)距離遙控便可進(jìn)行微耕機(jī)的行走、轉(zhuǎn)向等操作,實(shí)現(xiàn)智能作業(yè),提高了操作安全性,降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。

1 結(jié)構(gòu)組成及工作原理

除了微耕機(jī)動(dòng)力機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、操作機(jī)構(gòu)之外,遙控微耕機(jī)對(duì)微耕機(jī)底盤進(jìn)行了改進(jìn),加裝了控制裝置,如圖1所示。工作時(shí),可遙控實(shí)現(xiàn)微耕機(jī)轉(zhuǎn)彎、前進(jìn)、后退、停止等作業(yè),并可同時(shí)進(jìn)行人工和遙控兩種操作,省時(shí)省力,操作簡(jiǎn)單,有效提高了工作效率。

1.前支撐輪 2.柴油機(jī)電源 3.電源 4.控制裝置 5.手動(dòng)自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān) 6.變速箱皮帶輪 7.后支撐桿 8.變速箱 9.水田輪 10.耕作部件

微耕機(jī)是通過變速箱主離合器的閉、合控制機(jī)具的行走、停止;轉(zhuǎn)向主要靠左右兩個(gè)扶手的離合器,在左右任何一輪的離合分離時(shí),其對(duì)應(yīng)的車輪靜止不動(dòng)或速度下降,另一輪速度不變,從而達(dá)到轉(zhuǎn)向的目的[10]。遙控微耕機(jī)根據(jù)微耕機(jī)行走和轉(zhuǎn)向的原理,采用STC608AD單片機(jī)為核心控制器,利用氣動(dòng)閥門工作原理,對(duì)微耕機(jī)變速箱主離合器和轉(zhuǎn)向離合器進(jìn)行遠(yuǎn)距離遙控,從而實(shí)現(xiàn)微耕機(jī)行走、停止和轉(zhuǎn)向,最遠(yuǎn)遙控距離可達(dá)100m。控制裝置包括遙控器、遙控接收器、單片機(jī)、繼電器、氣缸、氣動(dòng)電磁閥、空氣壓縮機(jī)及儲(chǔ)氣罐等。儲(chǔ)氣罐上裝有壓力表、排氣閥、空氣過濾器,空氣壓縮機(jī)、儲(chǔ)氣罐、氣動(dòng)電磁閥、氣缸通過氣管相連,氣缸推桿與離合器相連,控制主離合器和轉(zhuǎn)向離合器的閉合,如圖2所示。

1.電池 2.氣壓表 3.控制器 4.轉(zhuǎn)向氣缸 5.信號(hào)接收器 6. 儲(chǔ)氣罐 7.皮帶輪 8.空氣壓縮機(jī) 9.繼電器 10.制動(dòng)氣缸

遙控微耕機(jī)工作流程如圖3所示。工作時(shí),開啟電源開關(guān),啟動(dòng)柴油機(jī),機(jī)具運(yùn)轉(zhuǎn),空氣壓縮機(jī)對(duì)儲(chǔ)氣罐充氣;選擇遙控器上的功能鍵,信號(hào)接收器接到遙控指令并傳遞給控制器,單片機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行解碼,并控制相應(yīng)的氣動(dòng)電磁閥;同時(shí),儲(chǔ)氣罐經(jīng)過相對(duì)應(yīng)的氣動(dòng)電磁閥供氣壓給相對(duì)應(yīng)的氣缸,氣缸推桿在氣壓的作用下拉動(dòng)離合器上的連接桿,從而實(shí)現(xiàn)離合器的分離與閉合,如圖3所示。

圖3 遙控微耕機(jī)工作流程圖

遙控器發(fā)出左轉(zhuǎn)指令后,微耕機(jī)接收信號(hào),左轉(zhuǎn)氣缸工作,左轉(zhuǎn)離合器分離,左輪停止,右輪繼續(xù)行走,機(jī)具左轉(zhuǎn);遙控器發(fā)出右轉(zhuǎn)指令,右轉(zhuǎn)氣缸工作,右轉(zhuǎn)離合器分離,右輪停止,左輪繼續(xù)行走,機(jī)具右轉(zhuǎn);遙控器發(fā)出停止指令后,制動(dòng)氣缸工作,變速箱主離合器分離,機(jī)具停止。

2 遙控微耕機(jī)設(shè)計(jì)

2.1 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

遙控微耕機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力由皮帶連接傳輸?shù)阶兯傧淇偝傻闹麟x合器,通過主離合器輸入變速箱,變速箱將動(dòng)力通過減速齒輪將動(dòng)力傳輸給水田輪,形成前進(jìn)動(dòng)力;通過減速齒輪和鏈條將動(dòng)力傳輸給刀輥,進(jìn)行耕整地作業(yè)。發(fā)動(dòng)機(jī)的另一部分動(dòng)力通過皮帶傳輸給空氣壓縮機(jī),為氣缸提供工作動(dòng)力,各部件參數(shù)如表1所示。

表1 動(dòng)力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)參數(shù)

2.2 氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)原理如圖4所示。

1.電磁閥 2.繼電器 3.離合器 4.氣缸 5.儲(chǔ)氣罐

遙控微耕機(jī)的氣動(dòng)執(zhí)行結(jié)構(gòu)中,氣缸通過電磁閥與儲(chǔ)氣罐連接,氣缸推桿與離合器連接;遙控信號(hào)通過控制器將轉(zhuǎn)換后的信號(hào)傳遞給相應(yīng)的繼電器,控制電磁閥滑閥的氣路換向,操縱氣缸的氣缸推桿的伸縮,來實(shí)現(xiàn)離合器的分離和結(jié)合。該機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單合理,工作穩(wěn)定性高,故障率低,維修方便,成本低。

遙控微耕機(jī)主要控制制動(dòng)、左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)3種操作,所以選用拉桿式標(biāo)準(zhǔn)氣缸對(duì)離合器進(jìn)行控制,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,耗氣量小。氣缸設(shè)計(jì)一般采用式(1)～式(3)進(jìn)行計(jì)算[11-13]。

氣缸的理論輸出力為

(1)

拉桿式氣缸理論推力為

(2)

氣缸直徑為

(3)

式中F—?dú)飧讓?shí)際輸出力(N);

F1—?dú)飧桌碚撦敵隽?N);

β—?dú)飧棕?fù)載率;

D—?dú)飧赘讖?m);

p—?dú)飧坠ぷ鲏毫?Pa)。

微耕機(jī)前進(jìn)速度比較慢,氣缸進(jìn)行低速運(yùn)動(dòng),負(fù)載率β取值為0.6;空氣壓縮機(jī)提供的氣壓p通常在0.8～1.0MPa之間,其中95%的執(zhí)行元件的最大工作壓力約為0.7MPa;主變速箱離合器最大制動(dòng)力800N,轉(zhuǎn)向離合器最大制動(dòng)力為280N。按上述公式計(jì)算后,選定制動(dòng)氣缸缸徑為50mm,轉(zhuǎn)向氣缸缸徑為30mm;根據(jù)變速箱主離合器行程,確定制動(dòng)氣缸行程s=50mm,轉(zhuǎn)向離合器行程s=32mm,制動(dòng)氣缸型號(hào)為SC50×50,轉(zhuǎn)向氣缸型號(hào)為SC32×30。

2.3 控制器的設(shè)計(jì)

遙控微耕機(jī)遙控器發(fā)射部分采用315MHz無線數(shù)據(jù)發(fā)射模塊,采用聲表諧振器SAW穩(wěn)頻,器頻率穩(wěn)定度極高,當(dāng)環(huán)境溫度在-25～+85℃之間變化時(shí),頻飄僅為3ppm/℃?？刂破髦饕蒘TC608AD單片機(jī)[14-16]、繼電器及其外圍電路組成,用單片機(jī)輸出端通過繼電器與電磁閥相連,控制氣缸運(yùn)動(dòng)。遙控器發(fā)出的信號(hào)經(jīng)接收器接收轉(zhuǎn)化成TTL信號(hào)后送給單片機(jī),單片機(jī)采集到數(shù)據(jù),進(jìn)入解碼程序,獲得對(duì)后置電路所需的控制信息。這些控制信息可直接輸出,當(dāng)輸出高電平時(shí),使得電路中的三極管導(dǎo)通,繼電器線圈導(dǎo)通形成磁場(chǎng),吸住彈片,常閉斷開,常開閉合,連通電磁閥開始工作。STC608AD單片機(jī)管腳圖如圖5所示。

圖5 STC608AD單片機(jī)管腳圖

2.4 微耕機(jī)質(zhì)心坐標(biāo)

微耕機(jī)質(zhì)心位置是影響其操縱穩(wěn)定性、行駛平順性、安全性的重要參數(shù)之一。本文采用力矩平衡法來測(cè)定智能微耕機(jī)的質(zhì)心坐標(biāo),如圖6所示。力矩平衡測(cè)定法是目前普遍采用的種方法,比較簡(jiǎn)單,不需要什么專用設(shè)備,是一種近似的測(cè)量方法[17-20]。

圖6 智能微耕機(jī)質(zhì)心坐標(biāo)測(cè)定示意圖

微耕機(jī)質(zhì)心坐標(biāo)用a、e、h表示。其中,a為質(zhì)心的縱向坐標(biāo),e為質(zhì)心的橫向坐標(biāo),h為質(zhì)心的高度坐標(biāo)。測(cè)定時(shí),將前智能微耕機(jī)的支撐輪和兩個(gè)驅(qū)動(dòng)水田輪接地三點(diǎn)支承,并處于同一平面呈等腰三角形,測(cè)得此時(shí)微耕機(jī)傾斜角度、驅(qū)動(dòng)輪支反力和靜力半徑等參數(shù)。

質(zhì)心縱向坐標(biāo)a,即質(zhì)心距驅(qū)動(dòng)軸線的水平距離。質(zhì)心在驅(qū)動(dòng)軸軸線之前,規(guī)定a為正值,反之為負(fù)值。計(jì)算公式為

(4)

式中a—微耕機(jī)質(zhì)心縱向坐標(biāo)(mm);

m—微耕機(jī)使用質(zhì)量(kg);

g—重力加速度(m/s2);

Yh—微耕機(jī)旋耕狀態(tài)時(shí)阻力裝置的地面支承反力(N);

Lz—微耕機(jī)阻力裝置的地面支承點(diǎn)與驅(qū)動(dòng)軸軸線的水平距離(mm)。

質(zhì)心水平橫向坐標(biāo)e,即質(zhì)心距驅(qū)動(dòng)輪縱向中心平面的距離。順微耕機(jī)前進(jìn)方向看,質(zhì)心在該平面前的左側(cè),規(guī)定為正值,反之為負(fù)值。計(jì)算公式為

(5)

式中e—微耕機(jī)質(zhì)心水平橫向坐標(biāo)(mm);

L1—驅(qū)動(dòng)軸兩對(duì)稱支承點(diǎn)的水平距離(mm);

Yz—驅(qū)動(dòng)軸左支承點(diǎn)支承反力(N);

Yy——驅(qū)動(dòng)軸右支承點(diǎn)支承反力(N)。

質(zhì)心高度坐標(biāo)h,即質(zhì)心至剛性支承平面的垂直距離,用式(6)計(jì)算,即

(6)

式中rjq—微耕機(jī)驅(qū)動(dòng)輪靜力半徑(mm);

α—微耕機(jī)傾斜角(°),要求測(cè)量誤差不大于5′;

a—微耕機(jī)質(zhì)心縱向坐標(biāo)(mm),質(zhì)心在微耕機(jī)驅(qū)動(dòng)輪軸前方時(shí),a為正值,在驅(qū)動(dòng)輪軸后方時(shí)為負(fù)值;

ms—微耕機(jī)使用質(zhì)量(kg);

g—重力加速度(m/s2);

L′—微耕機(jī)傾斜α角度后支點(diǎn)(或尾輪中心)到驅(qū)動(dòng)輪軸垂直于面之水平距離(mm),支點(diǎn)在微耕機(jī)驅(qū)動(dòng)輪軸前方時(shí)L為正值,在驅(qū)動(dòng)輪軸后方時(shí)L為負(fù)值。

將測(cè)定數(shù)據(jù)分別代入式(4)～式(6)中,計(jì)算得到微耕機(jī)質(zhì)心縱向坐標(biāo)a=113mm,質(zhì)心水平橫向坐標(biāo)e=9mm,質(zhì)心高度坐標(biāo)h=347mm。

3 試驗(yàn)與結(jié)論

3.1 試驗(yàn)

遙控微耕機(jī)操作試驗(yàn)在江西省農(nóng)科院水稻所試驗(yàn)田進(jìn)行,試驗(yàn)田規(guī)格為30m×20m,如圖7所示。試驗(yàn)時(shí),手持遙控器分別對(duì)微耕機(jī)發(fā)出直行作業(yè)、轉(zhuǎn)彎、田間原地180°轉(zhuǎn)向等指令,微耕機(jī)均能完成相應(yīng)操作;信號(hào)傳輸和氣動(dòng)執(zhí)行系統(tǒng)響應(yīng)及時(shí),動(dòng)作切換順暢且無干擾現(xiàn)象,機(jī)具運(yùn)行平衡,耕作性能滿足水田耕作要求,如表2所示。

圖7 遙控微耕機(jī)耕作田間試驗(yàn)

表2 遙控微耕機(jī)性能

3.2 結(jié)論

使用無線遙控器和小型氣動(dòng)執(zhí)行系統(tǒng)的智能微耕機(jī)能大大減輕操作人員的耕作勞動(dòng)強(qiáng)度,提高了作業(yè)效率。田間試驗(yàn)表明:耕作效果滿足水田耕作的要求,項(xiàng)目組將繼續(xù)研發(fā)基于無線遙控和自動(dòng)控制融合的全自動(dòng)無人駕駛智能微耕機(jī)。