王元杰，潘冠廷，楊福增

(1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)信息研究所，北京市，100081；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院，陜西楊凌，712100)

0 引言

為解決農(nóng)村勞動(dòng)力短缺問題，應(yīng)用于大田、山地、果園、溫室等場(chǎng)景的以無人車為代表的智能農(nóng)機(jī)裝備[1]及其配套智能裝備[2-3]成為智慧農(nóng)業(yè)領(lǐng)域研究熱點(diǎn)。無人車要實(shí)現(xiàn)自主行走、信息采集等功能，必須依賴功能多樣的傳感器，如激光雷達(dá)、攝像頭、溫濕度傳感器等，目前關(guān)于傳感器在農(nóng)機(jī)裝備中應(yīng)用研究已較為常見[4]。在實(shí)際試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，采用柴油機(jī)作為發(fā)動(dòng)機(jī)的農(nóng)機(jī)裝備，由于發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體振動(dòng)較大，會(huì)導(dǎo)致傳感器采集精度降低，誤差增大，嚴(yán)重影響試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性、結(jié)果的準(zhǔn)確性以及傳感器使用壽命[5]。

近年來，已經(jīng)有部分學(xué)者針對(duì)農(nóng)機(jī)裝備振動(dòng)特性開展了部分研究。如劉偉等[6]建立了輪式拖拉機(jī)/農(nóng)具系統(tǒng)的振動(dòng)模型并分析了犁耕作業(yè)工況下的振動(dòng)特性。王麗娟等研究了不同驅(qū)動(dòng)方式對(duì)拖拉機(jī)振動(dòng)特性的影響，發(fā)現(xiàn)拖拉機(jī)在四驅(qū)時(shí)各部位振動(dòng)水平隨車速升高而上升的幅度有所減小，車速越高、牽引負(fù)荷越大時(shí)，四驅(qū)方式對(duì)拖拉機(jī)附帶農(nóng)機(jī)具作業(yè)時(shí)振動(dòng)水平的降低作用越顯著；胡陳君[7]建立了“電動(dòng)微耕機(jī)—土壤”系統(tǒng)的仿真模型，通過設(shè)置模型參數(shù)與仿真參數(shù)，對(duì)系統(tǒng)的振動(dòng)特性進(jìn)行了仿真；承鑒[8]從理論和試驗(yàn)兩方面研究了帶電液懸掛作業(yè)機(jī)組的拖拉機(jī)運(yùn)輸工況下的振動(dòng)特性及主動(dòng)減振控制方法；袁加奇等[9]以常發(fā)CF700型拖拉機(jī)為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)和建立了拖拉機(jī)整車振動(dòng)加速度測(cè)試系統(tǒng)；薛金林等[10]通過仿真和試驗(yàn)相結(jié)合，研究了輪胎胎壓和行駛速度對(duì)駕駛員橫向乘坐振動(dòng)特性的影響。戚得眾等[11]基于ADAMS模型仿真對(duì)丘陵山地智能運(yùn)輸小車的減振系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。這些研究大多為理論或者仿真試驗(yàn)研究，研究結(jié)果的可靠性尚需通過實(shí)際試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

無人車為近年來新興起的智能農(nóng)業(yè)裝備，能夠顯著降低勞動(dòng)強(qiáng)度，可廣泛應(yīng)用于作物表型獲取[12]、開溝犁耕[13]、產(chǎn)后運(yùn)輸[14]等環(huán)節(jié)，在農(nóng)業(yè)中正處于研發(fā)和初級(jí)應(yīng)用階段，因此對(duì)其振動(dòng)特性的分析非常重要。類比于有人車，無人車的主要振動(dòng)源有低頻振動(dòng)和高頻振動(dòng)兩種。本研究以農(nóng)業(yè)農(nóng)村部北方農(nóng)業(yè)裝備科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站研制的丘陵山地?zé)o人車為研究對(duì)象，通過單項(xiàng)測(cè)試和綜合測(cè)試兩項(xiàng)振動(dòng)試驗(yàn)，分析無人車的振動(dòng)特性，并提出了減振綜合措施，為無人車等智能裝備的研發(fā)提供理論參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本研究采用的主要儀器包括：(1)INV3060s振動(dòng)采集儀，使用以太網(wǎng)接口，采樣頻率可設(shè)置到51.2 kHz，擁有24位高精度、高動(dòng)態(tài)范圍、支持多種輸入方式等技術(shù)優(yōu)勢(shì)。(2)INV1861A便攜式8通道應(yīng)變調(diào)理儀，頻率響應(yīng)：DC-10 kHz(-3±1dB,12dB/oct)。(3)INV9832-50型三向加速度傳感器，內(nèi)置IEPE前置放大，靈敏度100 mV/g。

試驗(yàn)地點(diǎn)：西北農(nóng)林科技大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院拖拉機(jī)實(shí)驗(yàn)室、力學(xué)實(shí)驗(yàn)室。

本研究的試驗(yàn)對(duì)象為由農(nóng)業(yè)農(nóng)村部北方農(nóng)業(yè)裝備科學(xué)觀測(cè)試驗(yàn)站自主研發(fā)的丘陵山地?zé)o人車，車體整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。振動(dòng)測(cè)試試驗(yàn)系統(tǒng)連接如圖2所示。

圖1 無人車整機(jī)裝配三維圖Fig.1 Entire dimensional assembly drawing of the unmanned hilly and mountainous vehicle

圖2 振動(dòng)測(cè)試試驗(yàn)系統(tǒng)組成Fig.2 Composition of vibration test system

1.2 試驗(yàn)方法

為摸清無人車不同位置振動(dòng)情況，了解并評(píng)價(jià)整體振動(dòng)水平及分布狀況，尋找最佳安裝傳感器位置，在無人車車身布置加速度傳感器，采集振動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1.2.1 測(cè)點(diǎn)布置原則

考慮到后續(xù)無人車相關(guān)傳感器安裝需求，綜合考慮無人車車身可選位置，選取發(fā)動(dòng)機(jī)正上部等11個(gè)位置作為測(cè)點(diǎn)。測(cè)點(diǎn)的選擇原則如下：(1)全面覆蓋車身，包含車體外殼、履帶、底盤、發(fā)動(dòng)機(jī)正上方等11個(gè)點(diǎn)；(2)重點(diǎn)布置傳感器可能安裝的位置，比如車頭車架上可以安裝視覺傳感器，又進(jìn)一步細(xì)化為車架左、中、右及后面幾個(gè)點(diǎn)；(3)傳感器安裝便利和可行性。最終11個(gè)測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示。具體分布位置為：測(cè)點(diǎn)1位于發(fā)動(dòng)機(jī)正上部，測(cè)點(diǎn)2位于機(jī)蓋右后部，測(cè)點(diǎn)3位于車架左前部，測(cè)點(diǎn)4位于車架左后部，測(cè)點(diǎn)5位于車架右后部，測(cè)點(diǎn)6位于車架右前部?jī)?nèi)側(cè)，測(cè)點(diǎn)7位于車架右前部外側(cè)，測(cè)點(diǎn)8位于車架后部中間，測(cè)點(diǎn)9位于車架左側(cè)中部，測(cè)點(diǎn)10位于機(jī)蓋中部靠右側(cè)，測(cè)點(diǎn)11位于車架右前部靠后部。

(a)無人車測(cè)點(diǎn)位置

1.2.2 試驗(yàn)方案

根據(jù)無人車常見工況，采用全面試驗(yàn)法，設(shè)計(jì)了6組測(cè)試試驗(yàn)，布置加速度傳感器，采集振動(dòng)數(shù)據(jù)，選擇最優(yōu)布置方案。并考察測(cè)點(diǎn)位置、油門大小、路面不平度等因素對(duì)無人車振動(dòng)特性的影響，具體試驗(yàn)方案如表1所示。

表1 試驗(yàn)方案Tab.1 Test plan

2 結(jié)果與分析

通過試驗(yàn)獲得了丘陵山地?zé)o人車在各工況下實(shí)測(cè)的加速度，得到各測(cè)點(diǎn)的加速度最大值、加速度最小值、加速度平均值、加速度平均幅值、加速度方根幅值、加速度有效值等結(jié)果，如表2～表6所示。

2.1 單項(xiàng)測(cè)試結(jié)果

通過單項(xiàng)測(cè)試試驗(yàn)，逐個(gè)分析各個(gè)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)表現(xiàn)，利用排除法，選出無人車振動(dòng)最小位置。

1)工況1：從表2可以看出，測(cè)點(diǎn)2、測(cè)點(diǎn)3、測(cè)點(diǎn)4和測(cè)點(diǎn)5的加速度最大值均小于100 m/s2，加速度最小值均大于-100 m/s2，而測(cè)點(diǎn)1的加速度最大值達(dá)452.2 m/s2，加速度最小值達(dá)-454.3 m/s2，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他幾個(gè)測(cè)點(diǎn)。比較加速度平均幅值，測(cè)點(diǎn)1的加速度平均幅值為49.83 m/s2，遠(yuǎn)大于測(cè)點(diǎn)2、測(cè)點(diǎn)3、測(cè)點(diǎn)4和測(cè)點(diǎn)5，根據(jù)這兩個(gè)指標(biāo)，可以判斷測(cè)點(diǎn)1振動(dòng)過大，不適合作為傳感器安裝點(diǎn)。

表2 丘陵山地?zé)o人車工況1振動(dòng)摸底試驗(yàn)時(shí)域統(tǒng)計(jì)結(jié)果Tab.2 Time domain statistical results of unmanned hilly and mountainous vehicle vibration diagnostic test under working condition 1

在測(cè)點(diǎn)2、測(cè)點(diǎn)3、測(cè)點(diǎn)4、測(cè)點(diǎn)5這4個(gè)測(cè)點(diǎn)中，測(cè)點(diǎn)2的加速度有效值高達(dá)122 m/s2，這表明測(cè)點(diǎn)2位置的振動(dòng)強(qiáng)度較大，這也不利于傳感器的穩(wěn)定性。因此可以判斷，測(cè)點(diǎn)2不適合作為傳感器安裝位置。

2)工況2：從表3可以看出，選擇加速度最大值、加速度最小值作為判斷指標(biāo)時(shí)，測(cè)點(diǎn)2、測(cè)點(diǎn)3、測(cè)點(diǎn)4的加速度最大值均小于100 m/s2，加速度最小值均大于-100 m/s2，而測(cè)點(diǎn)1的加速度最大值超過500 m/s2，加速度最小值小于-300 m/s2，測(cè)點(diǎn)4的加速度最大值大于200 m/s2，加速度最小值小于-200 m/s2，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于測(cè)點(diǎn)2、測(cè)點(diǎn)3、測(cè)點(diǎn)4。結(jié)合加速度平均幅值比較，可以判斷這5個(gè)測(cè)點(diǎn)加速度平均幅值關(guān)系為測(cè)點(diǎn)1>測(cè)點(diǎn)5>測(cè)點(diǎn)2>測(cè)點(diǎn)3>測(cè)點(diǎn)4。因此，測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)5由于振動(dòng)起伏太大，不適合作為傳感器安裝點(diǎn)。

表3 丘陵山地?zé)o人車工況2振動(dòng)摸底試驗(yàn)時(shí)域統(tǒng)計(jì)結(jié)果Tab.3 Time domain statistical results of unmanned hilly and mountainous vehicle vibration diagnostic test under working condition 2

在測(cè)點(diǎn)2、測(cè)點(diǎn)3、測(cè)點(diǎn)4這3個(gè)測(cè)點(diǎn)中，測(cè)點(diǎn)2的加速度有效值高達(dá)128 m/s2，這表明測(cè)點(diǎn)2對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)位置的振動(dòng)起伏較大，這也不利于傳感器的穩(wěn)定性。因此可以判斷，對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)2也不適合作為傳感器安裝位置。

測(cè)點(diǎn)7加速度平均幅值17.26 m/s2、加速度方根幅值13.03 m/s2和加速度有效值28.77 m/s2均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于該組其他測(cè)點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果，因此測(cè)點(diǎn)7不作為候選。其次比較測(cè)點(diǎn)6，雖然測(cè)點(diǎn)6加速度平均幅值表現(xiàn)比較好(5.613 m/s2)，但是加速度有效值也較大(8.988 m/s2)，即振動(dòng)強(qiáng)度較大，因此測(cè)點(diǎn)6不作為候選；測(cè)點(diǎn)3、測(cè)點(diǎn)8和測(cè)點(diǎn)9各組數(shù)據(jù)表現(xiàn)相差不大，綜合比較下來，測(cè)點(diǎn)3各組數(shù)據(jù)表現(xiàn)比較均衡，因此，作為第1排名候選位置；測(cè)點(diǎn)9綜合表現(xiàn)(加速度平均幅值、加速有效值)好于測(cè)點(diǎn)8，因此選擇測(cè)點(diǎn)9作為候選排名第2位。

3)工況3：從表4結(jié)果來看，測(cè)點(diǎn)4加速度最大值、加速度最小值均大于前兩組測(cè)值，但是測(cè)點(diǎn)3振幅卻保持穩(wěn)定。測(cè)點(diǎn)1、測(cè)點(diǎn)2、測(cè)點(diǎn)5通過前兩組試驗(yàn)已經(jīng)排除，因此不再分析。

表4 丘陵山地?zé)o人車工況3振動(dòng)摸底試驗(yàn)時(shí)域統(tǒng)計(jì)結(jié)果Tab.4 Time domain statistical results of unmanned hilly and mountainous vehicle vibration diagnostic test under working condition 3

測(cè)點(diǎn)4的加速度平均幅值僅為5.408 m/s2，微大于測(cè)點(diǎn)3的5.092 m/s2，這表明測(cè)點(diǎn)4的平均起伏情況同測(cè)點(diǎn)3表現(xiàn)相當(dāng)。同樣，測(cè)點(diǎn)4的加速度有效值7.644 m/s2也僅大于測(cè)點(diǎn)3的6.864 m/s2，表明測(cè)點(diǎn)4的穩(wěn)定性也較好。因此可以將測(cè)點(diǎn)4作為傳感器安裝位置候選排名第2位，而測(cè)點(diǎn)3作為候選排名第1位。

4)工況4：從表5可以看出，綜合比較測(cè)點(diǎn)3、測(cè)點(diǎn)8、測(cè)點(diǎn)10和測(cè)點(diǎn)11，四個(gè)測(cè)點(diǎn)加速度最大值、加速度最小值集中在-100～100 m/s2之間，測(cè)點(diǎn)8的加速度有效值在4個(gè)測(cè)點(diǎn)中最大，不適合作為傳感器安裝位置。測(cè)點(diǎn)11加速度平均幅值和加速度有效值均大于測(cè)點(diǎn)10和測(cè)點(diǎn)3，因此測(cè)點(diǎn)11不作為傳感器安裝位置候選。在該組試驗(yàn)中，測(cè)點(diǎn)10加速度平均幅值4.642 m/s2，加速度有效值6.273 m/s2，這2個(gè)指標(biāo)均優(yōu)于測(cè)點(diǎn)3，因此將測(cè)點(diǎn)10作為候選排名第1位，測(cè)點(diǎn)3作為候選排名第2位，結(jié)合其他工況試驗(yàn)結(jié)果，測(cè)點(diǎn)4為第3位，測(cè)點(diǎn)9為第4位。

表5 丘陵山地?zé)o人車工況4振動(dòng)摸底試驗(yàn)時(shí)域統(tǒng)計(jì)結(jié)果Tab.5 Time domain Statistical results of unmanned hilly and mountainous vehicle vibration diagnostic test under working condition 4

5)工況5：通過本組試驗(yàn)考察測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)穩(wěn)定性。從表6可以看出，測(cè)點(diǎn)10在本組試驗(yàn)中，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)油門加大，加速度最大值高達(dá)238 m/s2，而加速度最小值低達(dá)-222 m/s2，這說明測(cè)點(diǎn)10的穩(wěn)定性較差，不適合作為傳感器安裝位置。

表6 丘陵山地?zé)o人車工況5振動(dòng)摸底試驗(yàn)時(shí)域統(tǒng)計(jì)結(jié)果Tab.6 Time domain statistical results of unmanned hilly and mountainous vehicle vibration diagnostic test under working condition 5

6)無人車正常發(fā)動(dòng)，不行走，油門最大，測(cè)點(diǎn)位置同第1組。該組結(jié)果是為試驗(yàn)油門大小對(duì)丘陵山地?zé)o人車振動(dòng)影響所進(jìn)行，結(jié)果在2.2.1節(jié)分析。

通過上述結(jié)果分析，可以得出，選擇的11個(gè)測(cè)點(diǎn)中，測(cè)點(diǎn)1、測(cè)點(diǎn)2、測(cè)點(diǎn)5、測(cè)點(diǎn)6、測(cè)點(diǎn)7、測(cè)點(diǎn)8、測(cè)點(diǎn)10均因?yàn)樵囼?yàn)結(jié)果不穩(wěn)定被排除；而剩余的測(cè)點(diǎn)3、測(cè)點(diǎn)4、測(cè)點(diǎn)9這3個(gè)測(cè)點(diǎn)中，加速度平均幅值、加速度有效值均比較小，因此作為傳感器安裝候選點(diǎn)。而測(cè)點(diǎn)3在不同工況下各測(cè)試指標(biāo)比較穩(wěn)定，作為最適合安裝傳感器位置，測(cè)點(diǎn)4和測(cè)點(diǎn)9可根據(jù)傳感器功能要求進(jìn)行安裝選擇。

2.2 綜合結(jié)果分析

2.2.1 油門大小對(duì)丘陵山地?zé)o人車振動(dòng)的影響

選擇測(cè)點(diǎn)8作為振動(dòng)結(jié)果評(píng)估點(diǎn)，考察工況2、工況4和工況6這3種工況下，對(duì)無人車振動(dòng)性能的影響。分析表7，工況2條件下，無人車加速度最大值為57.33 m/s2，加速度最小值為-55.36 m/s2；工況4條件下，加速度最大值為104.1 m/s2，比工況2增大了81.58%，加速度最小值為-83.19 m/s2，比工況2減小了50.27%；工況6條件下，加速度最大值為92.1 m/s2，比工況2增大了60.65%，加速度最小值為-118.7 m/s2，比工況2減小了114.4%。油門大小對(duì)無人車振動(dòng)最大值最小值有顯著影響。

表7 發(fā)動(dòng)機(jī)油門大小對(duì)丘陵山地?zé)o人車振動(dòng)的影響Tab.7 Effects of the size of gas on unmanned hilly and mountainous vehicle vibration

工況2條件下，無人車加速度平均幅值為4.57 m/s2，在工況4條件下，加速度平均幅值為17.98 m/s2，比工況2增大了297.1%；在工況6條件下，加速度平均幅值為19.14 m/s2，比工況2增大了322.8%。油門大小對(duì)無人車加速度平均幅值有顯著影響。

工況4條件下，加速度有效值為20.49 m/s2，比工況2條件下增大了160.72%；工況6條件下，加速度有效值為23.71 m/s2，比工況2條件下增大了201.69%。油門大小對(duì)無人車加速度有效值有顯著影響。

通過以上分析可知，油門大小對(duì)丘陵山地?zé)o人車振動(dòng)有顯著影響。

2.2.2 路面不平度對(duì)丘陵山地?zé)o人車振動(dòng)的影響

1)實(shí)測(cè)分析。分別選擇測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)5作為觀測(cè)點(diǎn)。工況為工況2和工況3。路面為水泥路面。

分析表8中測(cè)點(diǎn)1結(jié)果，工況3相對(duì)工況2，加速度最大值變化率為-1.78%，加速度最小值變化率為-9.15%?？梢钥闯?，路面不平度對(duì)測(cè)點(diǎn)1加速度最大值和加速度最小值影響可以忽略。測(cè)點(diǎn)1加速度平均幅值變化率為-24.5%，加速度方根幅值變化率為-23.4%，加速度有效值變化率為-24.87%，且工況3相對(duì)工況2，數(shù)值反而小幅度降低。其原因主要是由于本丘陵山地?zé)o人車振動(dòng)主要是由于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)引起，路面不平度僅占很小比重，其變化率也可以認(rèn)為誤差較大引起。

表8 路面對(duì)丘陵山地?zé)o人車振動(dòng)的影響Tab.8 Effects of road on the vibration of unmanned hilly and mountainous vehicle

分析測(cè)點(diǎn)5結(jié)果可知工況3相對(duì)于工況2的加速度最大值變化率為131.1%，加速度最小值變化率為103%。路面對(duì)測(cè)點(diǎn)5加速度最大值和加速度最小值影響顯著。測(cè)點(diǎn)1加速度平均幅值變化率為-14.45%，加速度方根幅值變化率為-13.97%，加速度有效值變化率為-15.12%。其原因和測(cè)點(diǎn)1相同。

2)模擬分析。因發(fā)動(dòng)機(jī)在發(fā)動(dòng)狀態(tài)高頻振動(dòng)過大，導(dǎo)致路面不平度對(duì)于無人車振動(dòng)影響不顯著。而根據(jù)常識(shí)判斷可知，無人車在不同路面行駛時(shí)，振動(dòng)必定會(huì)有差異。因此本研究采用RecurDyn軟件對(duì)無人車車體進(jìn)行建模，分析不同路面對(duì)于無人車振動(dòng)影響。建模時(shí)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，因此在仿真環(huán)境下無人車行走時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)并未產(chǎn)生振動(dòng)，無人車車體的振動(dòng)全部為路面不平度和隨機(jī)激勵(lì)引起的低頻振動(dòng)。

無人車建模及道路建模如文獻(xiàn)[15]所述。仿真時(shí)間為20 s，仿真步長(zhǎng)100。選擇無人車底盤加速度時(shí)域分布曲線，作為考察無人車振動(dòng)性能指標(biāo)。選擇水泥路面、砂壤土、粘土和干砂土四種路面，無人車以一檔速度在四種路面上行駛?？疾炻访娌黄蕉葘?duì)無人車振動(dòng)性能的影響。選擇底盤垂向加速度為考察指標(biāo)，其變化規(guī)律如圖4所示。

圖4 路面狀況對(duì)無人車底盤加速度影響時(shí)域分布圖Fig.4 Influence of roads on unmanned hilly and mountainous vehicle chassis acceleration time domain distribution

從圖4可以看出，在四種路面上，路面狀況對(duì)無人車底盤加速度影響各不相同。從總體規(guī)律來看，在第3 s，無人車進(jìn)入穩(wěn)定行駛后，在四種路面上，底盤加速度均呈現(xiàn)平穩(wěn)狀況，無明顯起伏波動(dòng)(因底盤加速度3 s 后趨于穩(wěn)定，因此圖4僅展示前6 s仿真結(jié)果)。表9是無人車在四種路面上行駛，底盤加速度輸出值及參數(shù)計(jì)算值。

表9 底盤加速度輸出值及參數(shù)計(jì)算值Tab.9 Chassis acceleration output parameter values and calculated values

從表9可以看出，無人車進(jìn)入平穩(wěn)行駛后，一檔速度下，在水泥路面上，無人車底盤加速度最小，為1 105.73 mm/s2，而在其他三種路面上，底盤加速度分別為2 003.95 mm/s2，1 967.23 mm/s2和1 132.03 mm/s2，相對(duì)于在水泥路面上，分別增加了81.23%，77.91%和1.31%。無人車以一檔速度行駛時(shí)，在水泥路面和干砂土路面上底盤振動(dòng)最小，這是因?yàn)檫@兩種路面的不平度相對(duì)較小。而在砂壤土和粘土路況下，由于這兩種土壤性質(zhì)決定路面不平度較大，從而導(dǎo)致了無人車振動(dòng)相對(duì)較大。

無人車在四種路況下，底盤加速度平均值為1 552.24 mm/s2，標(biāo)準(zhǔn)偏差高達(dá)500.74，表明無人車在四種路況下，底盤加速度有較大的離散程度，也就意味著樣本穩(wěn)定程度較低，說明無人車底盤振動(dòng)受路況影響較大。

比較四種路面下，無人車底盤加速度值的變異系數(shù)為32.26%，一般而言，變異系數(shù)在20%以下，樣本有統(tǒng)計(jì)意義，這表明，無人車由于在四種路況下，底盤加速度值變化較大，導(dǎo)致失去了統(tǒng)計(jì)意義，同樣表明路況對(duì)無人車底盤加速度影響較大。

3 討論

3.1 主要振源分析

丘陵山地?zé)o人車的主要振源分為高頻振動(dòng)、低頻振動(dòng)和隨機(jī)振動(dòng)[16]。高頻振動(dòng)振源主要來源于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)往復(fù)運(yùn)動(dòng)所形成的一次、二次諧波振動(dòng)是高頻振動(dòng)的主要部分。高頻周期性振動(dòng)對(duì)零部件的壽命有影響，并產(chǎn)生噪聲。低頻振源主要來源于地面不平度和隨機(jī)激振。地面不平度是引起丘陵山地?zé)o人車低頻隨機(jī)振動(dòng)(0～20 Hz)的主要振動(dòng)源，是影響丘陵山地?zé)o人車行駛平順性和零部件壽命的主要因素。

此外丘陵山地?zé)o人車在作業(yè)時(shí)，由于不同地段的土壤物理機(jī)械性質(zhì)不一致，受耕作速度、農(nóng)機(jī)具作業(yè)機(jī)構(gòu)與土壤間的相互作用，以及降雨量等原因的影響，振動(dòng)特性均在某一范圍內(nèi)波動(dòng)。加上由于土路、茬地、鄉(xiāng)村道路等均無恒定的特性，所有這些因素構(gòu)成作業(yè)阻力在時(shí)間歷程上產(chǎn)生微小起伏波動(dòng)，這種波動(dòng)就形成了無人車完全隨機(jī)性質(zhì)的激勵(lì)。

3.2 減振措施

綜合考慮丘陵山地?zé)o人車工況、車體設(shè)計(jì)等因素，結(jié)合本研究試驗(yàn)結(jié)果和他人綜合成果[17-19]，提出以下減振措施：(1)發(fā)動(dòng)機(jī)引起的高頻振動(dòng)是本無人車振動(dòng)的最主要來源，因此最有效的減振措施為減小發(fā)動(dòng)機(jī)引起的高頻振動(dòng)。主要減振措施包括：在發(fā)動(dòng)機(jī)底部加裝彈簧板，減小發(fā)動(dòng)機(jī)引起的車架振動(dòng)；選用振動(dòng)較小的發(fā)動(dòng)機(jī)，在條件成熟的時(shí)候更換無人車柴油發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力為電池動(dòng)力，是最有效的減振措施。(2)地面不平度是引起低頻振動(dòng)主要來源，在水泥路面和干砂土路面下，無人車振動(dòng)較小；在砂壤土和粘土路況下，丘陵山地?zé)o人車振動(dòng)相對(duì)較大。本車應(yīng)用范圍為廣大丘陵山地地區(qū)，路況多樣復(fù)雜，通過限定行駛路面來減小振動(dòng)不可行，但部分傳感器功能可在振動(dòng)較小路面開啟；增加通過阻尼的方式來減小相關(guān)振動(dòng)，具體措施為更換本車采用的剛性履帶為橡膠履帶，減振效果需通過后續(xù)試驗(yàn)測(cè)出。(3)減少車輛行駛時(shí)的隨機(jī)激勵(lì)，比如選擇障礙物較少行駛路線等。

4 結(jié)論

本研究通過設(shè)計(jì)振動(dòng)試驗(yàn)，對(duì)丘陵山地?zé)o人車振動(dòng)特性進(jìn)行了綜合測(cè)試分析，取得的主要結(jié)論如下。

1)以農(nóng)業(yè)農(nóng)村部北方農(nóng)業(yè)裝備科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站研制的丘陵山地?zé)o人車為研究對(duì)象，通過進(jìn)行單項(xiàng)測(cè)試和綜合測(cè)試兩項(xiàng)振動(dòng)試驗(yàn)，分析了無人車的整車振動(dòng)特性，并提出了減振綜合措施，為無人車等智能裝備的研發(fā)提供理論層面參考依據(jù)。

2)在測(cè)點(diǎn)選擇的單項(xiàng)測(cè)試中，測(cè)點(diǎn)3即車架左前部由于各項(xiàng)指標(biāo)表現(xiàn)良好，在無人車正常行走，油門1/2位置，掛1檔工況下，測(cè)點(diǎn)3的加速度最大值為47.4 m/s2，加速度最小值為-50.36 m/s2，加速度平均幅值僅為5.092 m/s2，加速度有效值僅為6.864 m/s2，說明測(cè)點(diǎn)3振動(dòng)表現(xiàn)更為穩(wěn)定；測(cè)點(diǎn)3(車架左前部)是無人車整車最合適安裝傳感器位置。

3)在綜合結(jié)果分析中，無人車發(fā)動(dòng)機(jī)油門對(duì)加速度最大值、加速度最小值、加速度平均幅值、加速度方根幅值、加速度有效值均有顯著影響。三種工況同一測(cè)點(diǎn)時(shí)，油門1/2和油門3/4相比較初始油門，加速度平均幅值增大297.1%和322.8%，即油門大小對(duì)丘陵山地?zé)o人車振動(dòng)有顯著影響。而通過仿真試驗(yàn)結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，路面不平度對(duì)于無人車振動(dòng)也有顯著影響。在水泥路面工況下，無人車底盤加速度最小，為1 105.73 mm/s2，而在其他三種路況下，底盤加速度分別增加了81.23%，77.91%和1.31%?？梢钥闯鰺o人車以一檔速度行駛時(shí)，在水泥路面和干砂土路面下，底盤振動(dòng)最小。