王艷莉，郭志文，姜寬舒，2，呂涂弘濤，丁 捷

（1.江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學院，江蘇 句容 212400；2.江蘇省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備工程中心，江蘇 句容 212400）

0 引言

十三五以來，設(shè)施農(nóng)業(yè)和精準農(nóng)業(yè)主導著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展方向，溫室大棚作業(yè)機械和生產(chǎn)管理向著智能化、信息化發(fā)展[1-2]。自動導航技術(shù)應(yīng)用于溫室作業(yè)機械，大大提高了生產(chǎn)效率，溫室自主導航作業(yè)平臺的研究已成為當前設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要方向之一[3-4]。本文立足于溫室作業(yè)機械化、智能化的產(chǎn)業(yè)需求，將農(nóng)機與農(nóng)藝相結(jié)合，設(shè)計出一臺基于機器視覺的溫室自主移動作業(yè)平臺。該作業(yè)平臺選用視覺傳感器，準確地完成自主定位和路徑規(guī)劃，搭載播種、灌溉及噴霧等作業(yè)設(shè)備，可以完成運輸、噴藥、施肥、播種等作業(yè)，實現(xiàn)“一機多用，平臺共享”，滿足了不同農(nóng)作物和不同季節(jié)的多樣作業(yè)需求，降低了不同農(nóng)機用具的多重投入資金，同時減少了溫室的投資成本，從而實現(xiàn)溫室作業(yè)的無人化、自主化，降低了工人的勞動強度，提高生產(chǎn)效率。

1 總體設(shè)計方案

1.1 工作原理

在溫室內(nèi)作業(yè)時，利用全方位視覺傳感器（導航攝像頭）實時采集大棚內(nèi)的圖像數(shù)據(jù)，檢測溫室大棚內(nèi)植株行的位置信息，采集的數(shù)據(jù)信息反饋給工控機，上位機系統(tǒng)通過RS232控制繼電器模組輸出開關(guān)信號，通過電磁繼電器控制并驅(qū)動電動推桿，依靠扶手上的兩個電推桿來執(zhí)行移動平臺的轉(zhuǎn)向，單側(cè)電推桿帶動單側(cè)機輪進行轉(zhuǎn)向，實現(xiàn)整機的轉(zhuǎn)向。上位機系統(tǒng)通過RS232控制交流接觸器輸出開關(guān)信號，控制三相交流異步電機并用來驅(qū)動載具（旋耕、開溝、起壟覆膜等），即將三相交流異步電機通過V帶將動力傳輸給變速箱，變速箱將三相交流異步電機輸出的轉(zhuǎn)速減至載具所需的轉(zhuǎn)速，同時增大驅(qū)動軸輸出轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動載具作業(yè)；也可以通過變速箱驅(qū)動后面的驅(qū)動車輪行走，變速箱的操控設(shè)計為電動可控、實現(xiàn)啟停、左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)的控制，實現(xiàn)整機的行走。視覺信息通過攝像頭，圖像采集卡進入上位機系統(tǒng)，按照工況要求實現(xiàn)導航和轉(zhuǎn)向控制，視覺導航自主行走原理如圖1所示。

1.2 總體結(jié)構(gòu)

溫室自主移動作業(yè)平臺如圖2所示，主要由導航攝像頭、三相交流異步電機、工控機機控制箱、變速箱、電推桿及三點懸掛機構(gòu)等組成。交流異步電機為動力源，為整機提供動力，通過變速箱驅(qū)動后面的驅(qū)動車輪行走。控制系統(tǒng)由工控機和控制箱組成，導航攝像頭安裝在機架正前方，檢測溫室大棚內(nèi)植株行的位置數(shù)據(jù)；這些數(shù)據(jù)信息反饋給工控機，用來生成導航路徑，控制系統(tǒng)用來控制作業(yè)平臺的轉(zhuǎn)向，依靠扶手上的兩個電推桿來執(zhí)行機器的轉(zhuǎn)向，實現(xiàn)準直線自主行走。三點懸掛機構(gòu)用來掛載各種載具，液壓系統(tǒng)控制載具的上下移動；減速箱和行走裝置共同組成了調(diào)速系統(tǒng)，將電動機轉(zhuǎn)速調(diào)整到載具所需轉(zhuǎn)速，同時增大驅(qū)動軸輸出轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動旋耕刀作業(yè)。減速箱和行走箱都采用齒輪傳動，傳動效率高，適應(yīng)各種土壤，保證作業(yè)平臺具有更長地使用壽命。

圖1 溫室自主移動作業(yè)平臺視覺導航原理圖

圖2 溫室自主移動作業(yè)平臺基本結(jié)構(gòu)圖

1.3 控制系統(tǒng)

PID控制算法是在控制系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用，PID控制器是根據(jù)PID控制原理對整個控制系統(tǒng)進行調(diào)整偏差，使得控制變量實際值與工藝要求相同。同時PID控制器具有參數(shù)易調(diào)整、算法簡單、魯棒性強、系統(tǒng)無靜差等優(yōu)點?；谝陨咸攸c，本論文的導航控制器采用PID算法理論實現(xiàn)，自主移動作業(yè)平臺的導航控制通過工控機來實現(xiàn)，導航系統(tǒng)流程圖[5]如圖3所示。

圖3 自主移動作業(yè)平臺控制系統(tǒng)流程圖

2 主要結(jié)構(gòu)部分設(shè)計

溫室自主移動作業(yè)平臺主要由導航攝像頭、三相交流異步電機、工控機、控制箱、變速箱、電推桿及三點懸掛機構(gòu)等組成。機械結(jié)構(gòu)包括輪系行走裝置、三點懸掛機構(gòu)、V帶和變速箱等裝置。

2.1 輪式行走裝置

履帶式行走裝置在行走時不易打滑、可實現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向、接觸壓力小、支撐面積大，擁有較好地自我復位和越障功能、轉(zhuǎn)向半徑小等特點，但履帶式耗能大、結(jié)構(gòu)復雜、質(zhì)量大等問題需要解決[6]，如圖4所示。

輪式行走裝置具有耗能相對較小、移動平穩(wěn)、速度容易控制等特點，如圖5所示，主要不足在于不適合松軟路面、接地壓力大、支撐面積小、容易打滑、摩擦力小、附著性差等。

圖4 履帶結(jié)構(gòu)簡圖

圖5 車輪結(jié)構(gòu)簡圖

綜合考慮兩種行走裝置，履帶式接觸面積大、對地壓力大，而輪式運動平穩(wěn)、耗能小、結(jié)構(gòu)簡單方便、便于在空間狹小的設(shè)施大棚內(nèi)作業(yè)、不易傷苗，所以綜合兩種行走裝置優(yōu)缺點，故選用輪式作為行走裝置。

2.2 三點懸掛機構(gòu)

該作業(yè)平臺設(shè)計的通用底盤可以和配套機具相連接實現(xiàn)“一機多用”，完成開溝、播種、施肥等工作，為此設(shè)計了三點懸掛機構(gòu)，方便不同機具連接。如圖6所示懸掛機構(gòu)用3個鉸鏈鏈接作為機組連接，機具在工作時直線行駛穩(wěn)定性好，中間所用功率不大[7-8]。

2.3 V帶的設(shè)計

機械傳動可以分為兩種，一種是靠摩擦力來傳動，例如帶傳動、繩傳動等。另一種是憑借中間構(gòu)件齒輪或主動件和從動件之間的嚙合力作為傳動力，例如鏈傳動、齒輪傳動、蝸輪蝸桿傳動等，這種傳動方式可以更好地控制轉(zhuǎn)速。綜合考慮各種機械傳動的優(yōu)缺點最終確定以帶傳動為主要傳動，以下是V帶的設(shè)計過程。

按照一級平帶傳動所計算的已知參數(shù)可知，V帶傳遞功率P=1.5kw，原動機轉(zhuǎn)速n1=90r/min，V帶傳動的滑動率ε=0.02，工況系數(shù)ka=1.1，工作機載荷性質(zhì)為平穩(wěn)載荷。

圖6 三點懸掛機構(gòu)

2.3.1 V帶功率計算及帶型選擇

將已知的各參數(shù)代入公式（1）可得帶功率為1.65kW對比V帶選型圖，故選用B型V帶。

2.3.2 帶輪基準直徑的確定

查閱機械設(shè)計手冊V帶輪的基準直徑表，初選用小帶輪直徑d1=200mm，將已知參數(shù)帶入公式（2）計算可得d2=id1(1-ε)=1.5×200(1-0.02)=294mm，按設(shè)計手冊選取標準直徑d2=280mm。

2.3.3 帶速驗算

將已知參數(shù)帶入公式（3）可得：v≈0.94m/s。

2.3.4 帶長計算以及中心距的確定

已知大小帶輪直徑，可初定中心距為a0=900mm，可知帶的基準長度LH=2555mm，查閱機械設(shè)計手冊V帶的基準長度系列標準可得Ld=2500mm，計算求出：

將已知參數(shù)帶入上述公式計算的中心距a的變動范圍為836mm≤a≤948mm。

2.3.5 V帶包角驗算以及根數(shù)的確定

式（5）中，

α1——小帶輪包角；

將已知參數(shù)代入計算可知，α1=174.7°。

根據(jù)d和n1查表可知，當P0=93kW時，根據(jù)帶型及查表得3根V帶的額定功率增量為ΔP0=0.01kW。

將各參數(shù)代入公式（6）可得則選用Z=0.9。

2.3.6 單根粗帶的初拉力以及作用于軸上的力的計算

將已知參數(shù)帶入公式的在軸上的力為F0=667N。

由上述計算結(jié)果可得選用三根V帶傳動，兩帶輪之間的中心距a=873mm，大帶輪直徑d2=294mm，小帶輪直徑d1=200mm，均為實心帶輪。

式中，z—V帶根數(shù)；Pc—V帶功率，kW；P0—V帶初始功率，kW；ΔP0—V帶額定功率增量，kW；Ka—包角修正系數(shù)，取Ka=99.0；KL—帶長修正系數(shù)，取KL=93.0LK。

表1 變速箱參數(shù)

2.4 變速箱的選用

根據(jù)市場調(diào)研可知，變速箱是實現(xiàn)發(fā)動機轉(zhuǎn)速到車輪轉(zhuǎn)速變換的中間橋梁，通過計算得出發(fā)動機與車輪之間的傳動比，根據(jù)傳動比劃分檔位控制自主移動作業(yè)平臺的行駛速度。所選變速箱參數(shù)如表1所示，變速箱簡圖如圖7所示。

圖7 變速箱簡圖

根據(jù)市場調(diào)研田園管理機行駛速度區(qū)間為：一擋0.1m/s；二擋1.5m/s；三擋2m/s。為了保證作業(yè)平臺能夠在最好的行駛狀態(tài)，設(shè)計行駛速度如表2所示。

表2 擋位行駛速度 單位：m/s

所設(shè)計變速箱齒輪系為5級減速，一擋的傳動路線如圖8所示。

圖8 減速箱傳動簡圖

其傳動比為：

根據(jù)公式（8）計算出驅(qū)動輪上最大功率和最大驅(qū)動力矩。

式（8）中：

G-試驗車的重力，取70000N；

fR-滾動阻力系數(shù)，取0.15；

λ-轉(zhuǎn)向比；

Fw-轉(zhuǎn)向阻力系數(shù)；

fw0-中心轉(zhuǎn)向時轉(zhuǎn)向阻力系數(shù)；

R-理論轉(zhuǎn)向半徑，mm。

根據(jù)上述計算結(jié)果可以得出各軸在工作時功率和扭矩值，如表3所示。

表3 各軸轉(zhuǎn)速扭矩功率

3 結(jié)論

本文對溫室內(nèi)作業(yè)機械化、智能化進行研究，設(shè)計出一臺基于機器視覺的溫室自主移動作業(yè)平臺。為了減少污染將動力驅(qū)動更換為電動，三項交流電機取代原有的柴油動力，減少了尾氣對大棚作物的污染，更加經(jīng)濟環(huán)保。通過更換不同的作業(yè)設(shè)備，可以完成噴藥、播種、施肥及運輸?shù)茸鳂I(yè)，降低了工人的勞動強度，提高生產(chǎn)效率。

（1）完成了溫室自主作業(yè)平臺的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計，包括導航控制系統(tǒng)、電力驅(qū)動系統(tǒng)、變速系統(tǒng)及自主移動作業(yè)平臺的機械結(jié)構(gòu)。

（2）完成了自主移動作業(yè)平臺機械系統(tǒng)的設(shè)計，包括變速箱的設(shè)計，V帶的設(shè)計，三點懸掛機構(gòu)等主要機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，同時完成了液壓升降系統(tǒng)的設(shè)計和蓄電池的選用。

（3）采用機器視覺導航技術(shù)，實時采集大棚內(nèi)的圖像數(shù)據(jù)，并對導航路徑進行擬合，開發(fā)設(shè)計了PID控制器，完成對移動作業(yè)平臺數(shù)據(jù)采集和定位系統(tǒng)的開發(fā)。

（4）完成自主移動作業(yè)平臺視覺導航系統(tǒng)的開發(fā)。整機設(shè)計出由全方位視覺傳感器、人工標識、PC機、PC軟件和作業(yè)車構(gòu)成的可以實現(xiàn)農(nóng)業(yè)機械自動導航的定位系統(tǒng)，完成溫室自主移動作業(yè)平臺的自動控制設(shè)計。