河北農(nóng)業(yè)大學機電工程學院 劉澤楠 王一猛 付鑫 宋云達 王子晗

引言

從目前發(fā)展的狀況可以預知，2016～2026年是我國果園產(chǎn)業(yè)發(fā)展的黃金時期[1]，果園的機械化程度不僅對水果產(chǎn)業(yè)發(fā)展有深遠的影響，也對一個地區(qū)的農(nóng)業(yè)機械化有著重要的影響[2]。目前我國北方農(nóng)村的小型果園管理工作較落后，大部分巡檢工作都是由人工完成，為解決北方山區(qū)小型果園的日常管理工作費時費力的問題，本文設計了一種果園自動巡檢車，該車采用自控路徑規(guī)劃，能按路徑規(guī)劃和作業(yè)要求，精確地?？康街付ǖ攸c完成相應的果園巡檢任務，節(jié)省了人力，提高了工作效率，此次設計是北方農(nóng)村地區(qū)傳統(tǒng)果園管理走向機械化、智能化管理的初步探索。

1 整體設計及參數(shù)選擇

1.1 整車結構選型與設計

通過三維建模軟件對巡檢車各部分進行設計和建模，然后分別將設計好的各部件按其之間的配合邏輯關系進行裝配組合，生成自動果園巡檢車的整車的三維模型如圖1所示：

圖1 巡檢車整車三維模型

根據(jù)自動果園巡檢車的工作環(huán)境和已確定的基本參數(shù)進行各總成選型如下：動力系統(tǒng)采用24V175W直流電機模型小、壽命長且效率高，可提高巡檢車的質(zhì)量，扭矩較大使其在果園路面的通過能力增強；將IMU慣性導航模塊安置在控制平臺的縱向軸線上，獲取機器的運動姿態(tài)和坐標；出于工作需求的考慮，采用IPC工業(yè)工控機作為控制平臺的總控和信號處理；選用渦輪蝸桿式光電攝像頭,可進行多方向上的仰角和俯角多角度拍攝；顯示器采用普通電腦液晶屏來顯示小車位置信息和IMU所傳輸?shù)慕馑愫笞藨B(tài)信息，便于操作者對巡檢車控制平臺位置的把握和路徑的選擇和控制；由于巡檢車各部分組件所需工作電壓不同，因此采用了24V-220V的電源轉(zhuǎn)換器。搭載框架采取結構式設計，由30*30的12根鋁合金結構件通過角碼配螺栓固連接而成，鋁合金質(zhì)量輕且密封性良好，耐腐蝕較強可以很好地保護內(nèi)部的電器元件，且因所需承載總質(zhì)量不大，亦可滿足強度要求。

1.2 整車的各項參數(shù)設計

尺寸和質(zhì)量參數(shù)：軸距和輪距的尺寸選擇對巡檢車底盤空間、巡檢車的最小轉(zhuǎn)彎半徑以及整車整備質(zhì)量均有影響[3]。為加強整體的攜載能力和行駛性能，兼顧巡檢車底盤能夠自如通過果園地形同時平臺底盤空間足夠，將軸距定在680mm，前、后輪距的尺寸選為440mm。為保證巡檢車底盤在起伏地勢的通過性，將底盤最小離地間距設計為158mm。選用鋁合金結構件和板材以及角碼螺栓聯(lián)接的固連方式，來減輕車身重量，將平臺底盤的質(zhì)量定為50Kg，搭載裝備的質(zhì)量為20Kg，總質(zhì)量為70Kg。巡檢車底盤的尺寸參數(shù)和質(zhì)量參數(shù)所示如下表所示：

表1 巡檢車底盤的主要尺寸參數(shù)

性能參數(shù)：為確保工作時的安全性和可通過性，將控底盤軸荷分配定為前40%，后60%。為保證巡檢車的安全性，設計最高車速vamax為10km/h?？紤]果樹種植間距并盡可能減小轉(zhuǎn)彎半徑，將最小轉(zhuǎn)彎半徑Rmin設計為2m，并選取相應合適的內(nèi)傾角使得轉(zhuǎn)向輪自動回正。巡檢車工作時速度較慢，對制動性要求不大，要求制動距離不超過4m，平均制動減速不低于0.96m/s2。

1.3 小車導航系統(tǒng)及厘米級定位的實現(xiàn)

單一的傳感器定位都存在一定的不足和缺陷，其中Tuff導航系統(tǒng)定位精度較高，但是會因衛(wèi)星信號被遮擋出現(xiàn)定位不穩(wěn)定的情況，而慣性導航的優(yōu)點在于全天候使用并且完全自主，不受外界環(huán)境干擾，連續(xù)性強，噪聲低[4]，但其導航誤差會隨時間累積，定位精度降低。因此二者的組合導航可以優(yōu)勢互補，為小車提供準確可靠的厘米級定位。

系統(tǒng)自帶差分基站，可提供長時有效的差分信號，保證位置精度小于2.5cm，姿態(tài)精度小于1°，其實現(xiàn)過程是使用者遙控巡檢車巡檢果園，控制平臺走過并記錄相關的巡檢路徑，小車進行自控導航時，由慣性導航按照之前的路徑輸出行駛姿態(tài)信息，并由Tuff導航差分定位實時獲得小車行進中的坐標信號，卡爾曼濾波對系統(tǒng)的狀態(tài)（位置、速度等）及誤差進行最優(yōu)估計，以實現(xiàn)對慣導系統(tǒng)的校準和誤差補償，從而達到厘米級定位的自控路徑巡檢，其運行模式如圖2所示：

圖2 組合導航模式圖

2 .巡檢車用電設備功率設計及校核

自動果園巡檢車控制平臺以控制系統(tǒng)為主，除以控制平臺整體需求為根本，還應有一定的功率儲備[5]。本節(jié)通過計算控制平臺的功率等參數(shù)來評估此巡檢車的合理性。

2.1 控制平臺各用電設備的功率設計

當各電器設備正常工作時，大部分電器功率穩(wěn)定，雖有部分設備，如北斗導航系統(tǒng)模塊，功率值在接發(fā)射信號波動較大，但因平臺所搭載的設備較少，而且考慮到一定的功率儲備，因此可對波動功率忽略不計，分析并實驗得到自動果園巡檢車的各用電設備功率和電流如表：

2.2 巡檢車巡航里程及功率校核

巡航里程校核：用電設備較少，且大部分處于同時工作的狀態(tài)，因此使用頻度系數(shù)（K0）可視為1。各用電設備的等效電流：Idi=KoiIi。由于Idi=I，又由表2知電器設備的用電量，得總用電量為：I=16.09（A）。

表2 巡檢車各用電器設備功率

小車用電設備分別采用鋰電池（24V180AH的車載鋰電池一塊）、蓄電池充電，計算：

式中Q—蓄電池的容量（AH） k—安全系數(shù)

I—用電設備的等效電流（A） T—續(xù)航小時數(shù)（h）

t—所處環(huán)境的實際溫度（℃） α—電池溫度系數(shù)（1/℃）

η—放電容量系數(shù)

根據(jù)續(xù)航設計預測η取1，α取0.008/℃，因果園巡檢任務最繁重時為盛夏，故取t為30℃。取k為1.25,可得T為：

可知小車充電一次的持續(xù)放電時間為9.3h，小車設計速度為10km/h，可估算出小車的續(xù)航里程約為90km，因此續(xù)航里程足夠日常巡檢。

式中：Q—蓄電池的容量（AH） U—放電電壓

T—持續(xù)放電時間（h）

又由表可知，全部用電器用電功率P總=441.6W

P=464.5W＞P總=441.6W

可知蓄電池輸出功率可以負載各用電設備。

3 總結

本文就如何解決果園智能化管理的問題，提出了自動果園巡檢車的設計方法，其中包括整體設計，各部分選型布置及建模處理，厘米級定位的實現(xiàn)，功率設備計算及核驗，通過實驗測試小車滿足了相關的設計要求，符合了果園日常管理的需求，使果園巡檢變得方便省時，解放了勞動力，推動了智能化農(nóng)業(yè)。