金 生，蔣 蘋，楊俊朗，吳 帆，胡文武*

（1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，湖南 長沙 410128；2.湘潭生物機電學(xué)校，湖南 湘潭 411100）

【研究意義】中國南方的果園大多數(shù)處于丘陵山區(qū)，主要依靠人工方式進行水果采摘、運輸，勞動強度大、效率低[1-3]?！厩叭搜芯窟M展】近年來我國眾多研究機構(gòu)針對果園管理機械進行研究，取得一定的進展。2007年中國新疆機械研究院[4]研制出LG-1多功能履帶式果園作業(yè)機械，具有噴藥、平臺升降、運輸、自卸、修剪、采摘等功能。林悅香等[5]研制出適用于丘陵山區(qū)果園施肥、開溝為一體的多功能果園田間管理機，提高了果園管理作業(yè)的效率。黃亮[6]設(shè)計了一種發(fā)動機偏置的果園運輸車，解決了因發(fā)動機安裝位置導(dǎo)致傳統(tǒng)果園運輸機尺寸過大的問題，經(jīng)試驗，樣機能夠滿足在丘陵密集型的果園進行工作?！颈狙芯壳腥朦c】李強[7]研制的履帶自走式果園采摘與修剪綜合作業(yè)平臺，采用履帶底盤，綜合水果采摘、修剪為一體，實現(xiàn)作業(yè)平臺的升降、水果的收集等功能。【擬解決的關(guān)鍵問題】分析現(xiàn)有果園管理機械，普遍采用履帶式底盤以滿足非結(jié)構(gòu)化地形環(huán)境要求；以內(nèi)燃機作為動力輸出，噪音大、振動強、易造成環(huán)境污染；部分平臺未采用調(diào)平裝置，使人員在輔助采摘、水果運輸期間造成不便，安全性有待提高。針對以上存在的問題，研發(fā)一種遙控履帶式電動果園貨箱伺服調(diào)平作業(yè)平臺，以提高采摘期間工作人員的安全性、減少水果在運輸途中的損壞。

1 設(shè)計要求及整機結(jié)構(gòu)

1.1 設(shè)計要求

在具有丘陵山區(qū)地貌的國家農(nóng)業(yè)示范性基地長沙百果園進行實地考察，測量獼猴桃、柑橘等果樹株距、行距，以及考證相關(guān)文獻[8-9]得到如表1 所示的相關(guān)數(shù)據(jù)。根據(jù)所測得數(shù)據(jù)，確定貨箱自適應(yīng)調(diào)平果園作業(yè)平臺相關(guān)參數(shù)，如表2所示。

表1 果園果樹相關(guān)參數(shù)Tab.1 Related parameters of orchard fruit trees

表2 貨箱自適應(yīng)調(diào)平果園作業(yè)平臺尺寸參數(shù)Tab.2 Dimensional parameters of the orchard work platform for adaptive levelling of cargo boxes

1.2 整機結(jié)構(gòu)

整機結(jié)構(gòu)如圖1 所示，貨箱自適應(yīng)調(diào)平果園作業(yè)平臺由底盤行走機構(gòu)、電源與控制器總成、升降機構(gòu)、調(diào)平機構(gòu)與貨箱構(gòu)成。

圖1 貨箱自適應(yīng)調(diào)平果園作業(yè)平臺Fig.1 Dimensional parameters of the orchard work platform for adaptive levelling of cargo boxes

貨箱自適應(yīng)調(diào)平果園作業(yè)平臺作業(yè)期間，通過遙控控制行走電機的正反轉(zhuǎn)，實現(xiàn)作業(yè)平臺的前進、后退、轉(zhuǎn)向及原地掉頭。平臺采用電動液壓站實現(xiàn)貨箱的升降運動（配合剪式舉升機構(gòu)）及貨箱的縱向（前進方向）傾翻調(diào)節(jié)，通過大力矩電動推桿實現(xiàn)貨箱橫向調(diào)平?？刂破魍ㄟ^傾角傳感器檢測貨箱水平角度，配合PID 控制算法，調(diào)節(jié)傾翻調(diào)節(jié)油缸與橫向水平調(diào)節(jié)電機正反轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)貨箱的自動水平控制。

2 關(guān)鍵機構(gòu)設(shè)計

2.1 履帶底盤行走機構(gòu)

2.1.1 履帶式底盤結(jié)構(gòu) 如圖2所示，包括履帶、電機、支撐輪、驅(qū)動輪、電氣系統(tǒng)、蓄電池總成等結(jié)構(gòu)。

圖2 作業(yè)平臺履帶底盤結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the work platform tracked chassis structure

2.1.2 電機的選取 傳動系統(tǒng)采用一級鏈傳動[10]，鏈傳動的傳動效率為0.91，電動機的傳動效率為0.8，此時傳動裝置的傳動效率η=0.91 × 0.8=0.728。

總傳動比i：

式中Z1=16，Z2=33，計算得i=0.48，vmax為3 km/h，r：驅(qū)動輪半徑，0.05 m。由此，計算可得最高速度下，經(jīng)行星齒輪減速后電機輸出轉(zhuǎn)速為n=332 r/min。

根據(jù)整機滿載時質(zhì)量、設(shè)計的最高車速。得到作業(yè)平臺平地行駛功率[10]：

式中μ為平臺移動時的動摩擦因數(shù)，取0.5[10]；m：平臺負載時整機質(zhì)量，取700 kg；g：重力加速度，取9.8 m/s2；vmax：為作業(yè)平臺在爬坡時速度，取3 km/h；η：傳動效率，取0.728。計算可得FL=3 430 N，PL=3.93 KW，由于作業(yè)平臺在工作時需要進行調(diào)速控制等操作、以及丘陵山地的工作環(huán)境限制，因此選取電機額定功率為2 KW，輸出轉(zhuǎn)速為500 r/min（經(jīng)電機自帶減速箱減速后的輸出轉(zhuǎn)速），額定電壓60 V，額定電流30 A的龍輝電機廠生產(chǎn)的減速箱集成式電磁制動直流電機。一級鏈傳動采用龍輝電機廠配套生產(chǎn)的530 雙排的鏈條和牙盤，大齒輪Z1為33，小齒輪Z2為16，鏈條54節(jié)。

2.1.3 蓄電池組選取 作業(yè)平臺動力源主要依靠蓄電池提供能量，電池總電壓要與電機的電壓相符合，因此選用60 V 的蓄電池。通過走訪農(nóng)戶調(diào)查一臺果園管理機械在水果成熟時每天合計工作3～4 h。設(shè)定電動作業(yè)平臺每天需要以1 km/h爬坡1 h，平地以2 km/h行駛2 h進行計算。

因此，爬坡時需要電量為：

式中v爬坡：爬坡時的速度，取1 km/h；：爬坡時的速度，取1 km/h；T1：取1 h；U：蓄電池組電壓，取60 V，計算可得爬坡時需要電量為45.23A·H。

平地行駛時需要的電量為：

式中FL：平地行駛時功率，取FL=3 430 N；v平地：平地行駛時速度，取2 km/h；T2：取2 h；U：蓄電池組電壓，取60 V，0.9是電池的放電效率；計算可得平地行駛時需要電量96.95 A·H。

因此需要的蓄電池總電量[11]C=C1+C2=45.23+96.94=142.17 A·H。

根據(jù)計算結(jié)果，以及貨箱自適應(yīng)調(diào)平果園作業(yè)平臺在丘陵山區(qū)作業(yè)條件惡劣等問題的分析，電池組可選用泰源鋰電新能源生產(chǎn)的60 V,150 A·H 的磷酸鐵鋰蓄電池作為能量源。

2.2 升降機構(gòu)設(shè)計

2.2.1 升降油缸力學(xué)分析 將升降機構(gòu)受力模型簡化如圖3所示，圖中，B、C處均為可移動滾輪，A、D處為鉸鏈連接，以A點為坐標原點，AD為Y 軸，AB為X 軸建立直角坐標系。P、Q為兩端耳環(huán)安裝位置，均垂直安裝于橫梁處，b、d為上下兩端耳環(huán)高度，油缸推力作用于E、J銷軸處。其中c為OP間距離，a為OQ間距離。

圖3 升降機構(gòu)受力簡圖Fig.3 Stress diagram of lifting mechanism

根據(jù)虛位移原理[12]可得：

由式可知液壓缸推力隨著起升角γ，以及油缸與水平面夾角θ的變化而變化，在剪叉臂長l，液壓缸安裝參數(shù)a、b、c、d為定值時，液壓缸推力隨γ的變化如圖4所示。

由圖4可知液壓缸推力在初始提升時推力最大。若要提高液壓油缸的利用率，則合理排布液壓缸安裝參數(shù)降低液壓缸的最大推力，即對液壓缸安裝參數(shù)a、b、c、d進行仿真優(yōu)化。

圖4 升降機構(gòu)液壓缸推力圖Fig.4 Thrust diagram of hydraulic cylinder of lifting mechanism

2.2.2 仿真優(yōu)化 Amesim 軟件建立降及調(diào)平系統(tǒng)的模型如圖5 所示，通過建立升降系統(tǒng)模型分別對a、b、c、d4 個參數(shù)進行單因素仿真分析，設(shè)置4 因素初始值a=150 mm，b=20 mm，c=450 mm，d=40 mm。分別得到a、b、c、d4個因素按照一定比例變化時，對初始狀態(tài)液壓油缸提升推力的仿真圖像如圖6所示。

圖5 升降及調(diào)平系統(tǒng)仿真模型Fig.5 Simulation model of lifting and leveling system

由圖6可知，隨著a、c值的增大液壓缸初始提升時推力逐漸變??；b、d值的增大液壓缸初始提升時推力逐漸變大；a、d值的增大會使液壓缸在初始提升階段推力波動較小，b、c值的增大會使液壓缸在初始提升階段推力波動較大。通過genetic algorithm 優(yōu)化方法得出優(yōu)化后的a、b、c、d4 個參數(shù)的取值，在液壓缸安裝位置不干涉其余部件為前提，最終修正得到優(yōu)化值如表3所示，優(yōu)化前后液壓缸推力對比如圖7所示，與優(yōu)化前相比較液壓缸推力明顯減小，優(yōu)化后液壓缸在初始提升階段需要提供推力25 980 N，比優(yōu)化前28 590 N降低9%。

圖7 優(yōu)化前后液壓缸推力對比Fig.7 Comparison of hydraulic cylinder thrust before and after optimization

表3 a、b、c、d值優(yōu)化前后對比Tab.3 Comparison of a、b、c、d values before and after optimization

圖6 不同參數(shù)變化對液壓缸初始提升時推力影響Fig.6 Influence of different parameter changes on thrust during initial lifting of hydraulic cylinder

計算可得：P≥13.2 MPa

式（11）中：F：液壓缸推力，S：液壓缸直徑取0.05 m。

根據(jù)計算選用凱瑞祥液壓定制的DC 60 V、功率2 KW、壓強為16 Mpa 的三路電磁閥的微型液壓站，以滿足壓強、電壓與作業(yè)平臺相關(guān)參數(shù)的匹配。

2.3 調(diào)平系統(tǒng)設(shè)計

2.3.1 數(shù)學(xué)模型 縱向調(diào)平機械結(jié)構(gòu)簡化后如圖8 所示，DC為剪叉升降結(jié)構(gòu)上部，AF1為橫向調(diào)平的下支撐面，BE1為縱向調(diào)平油缸。假設(shè)平臺處于水平狀態(tài)時，AFx與DC重合（x取1，2），此時GE0為縱向調(diào)平油缸未伸縮時的狀態(tài)，即油缸原長為GE0，其中DE0=DE1=DE2。GE1、GE2為不同坡度下縱向調(diào)平油缸伸長情況。

圖8 縱向調(diào)平簡圖Fig.8 Schematic diagram of longitudinal leveling

由此可以得到縱向調(diào)平油缸伸長量與坡道角度之間關(guān)系：

式中，α為∠E0DE1、∠E2DE1均為縱向坡度角，取(0°～30°)；L1為縱向調(diào)平油缸伸長量。

橫向調(diào)平機械結(jié)構(gòu)簡化后如圖9所示，C1D1為貨箱平臺簡圖，O1A1為電動推桿簡圖，O1B1，O1B2為所做的輔助線。當平臺處于水平狀態(tài)時電動推桿與平臺狀態(tài)如三角形O1A1B1所示；當平臺發(fā)生左右橫向傾斜時，電動推桿與平臺狀態(tài)如三角形O1A2B2所示，其中O1A1為電動推桿初始長度。

圖9 橫向調(diào)平簡圖Fig.9 Schematic diagram of horizontal leveling

由此可以得到橫向調(diào)平油缸伸長量或縮短量L2與橫向坡道角度β1（-15°～15°）之間關(guān)系：

2.3.2 調(diào)平策略 研究采用雙軸傾角傳感器(MPU6050)檢測貨箱橫向、縱向傾斜角度，通過位置式PID控制算法，控制電動液壓站電機的轉(zhuǎn)速以及電動推桿伸縮速度，從而實現(xiàn)貨箱在縱向與橫向維度的水平調(diào)節(jié)。

并且規(guī)定貨箱傾角偏差值在±1.5°時不調(diào)平（即e0的數(shù)值為1.5°），避免多次動作損壞調(diào)平機構(gòu)。PID算法如下所示。

通過試湊法確定PID算法的參數(shù)為Kp=0.106,Ki=0.316,Kd=0.168。

式中：Kp比例系數(shù)；Ki：積分系數(shù)；Kd：微分系數(shù)；ek：第k次采樣傾角偏差值；k：采樣序；ek-1：第k-1次采樣傾角偏差值。

3 結(jié)果與分析

3.1 續(xù)航時間測試

續(xù)航時間測試試驗地點選擇湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)車輛實訓(xùn)中心旁水泥路面，采用電動汽車能量消耗率和行駛里程試驗方法（GB/T 18386—2017）[13]中的等速法（1.5±0.075）km/h，對電動水果采摘與運輸平臺的續(xù)航時間進行測試。設(shè)置電池剩余電量低于10%自動報警，平臺高度降至最低，在載質(zhì)量200 kg 條件下，每隔0.5 h 通過人機交互界面記錄蓄電池剩余電量值。最終試驗結(jié)果如圖10 所示。結(jié)果表明，當蓄電池電量達到10%，續(xù)航時間可達到3.4 h。

圖10 續(xù)航時間測試Fig.10 Battery life test

3.2 平臺動態(tài)調(diào)平測試

通過預(yù)先搭建的調(diào)平測試裝置，設(shè)計不同坡面角度，測試作業(yè)平臺在上坡期間的動態(tài)調(diào)平性能。試驗現(xiàn)場如圖11 所示。作業(yè)平臺以1 km/h 速度上坡，利用傾角傳感器實時記錄平臺的角度值。每個坡面角度分別測試5次，記錄貨箱姿態(tài)數(shù)據(jù)。

圖11 調(diào)平測試Fig.11 Leveling test

試驗結(jié)果如表4所示，滿載時平臺調(diào)平誤差平均值在0°～1.5°以內(nèi)，動態(tài)調(diào)平時間和坡道以及載質(zhì)量有一定關(guān)系，在橫向角度20°，縱向角度10°以內(nèi)，調(diào)平時間小于4.5 s?？梢詫崿F(xiàn)作業(yè)平臺在坡道行駛期間作業(yè)平臺的水平狀態(tài)，保持貨物運輸?shù)姆€(wěn)定性。

表4 動態(tài)調(diào)平性能測試Tab.4 Dynamic leveling performance test

3.3 果園試驗

果園試驗主要檢測作業(yè)平臺在果園行走期間的貨箱調(diào)平性能，林間轉(zhuǎn)彎性能，升降性能。試驗于2021年6月在湖南長沙百果園基地進行，選取不同地形10°和15°的縱坡、5°和-5°的橫坡。驗證兩種不同坡面作業(yè)平臺調(diào)平性能。記錄作業(yè)平臺以1 km/h的行駛與貨箱姿態(tài)數(shù)據(jù)，以及作業(yè)平臺最小轉(zhuǎn)彎半徑、升降高度。

果園調(diào)平試驗結(jié)果如圖12所示，作業(yè)平臺在較大縱坡行駛、或橫向行駛遇到障礙物時能夠迅速使貨箱調(diào)平，并且調(diào)平后角度均可保持在-2°～2°；基本性能測試如表5 所示，升降高度最高為1.52 m，舉升液壓系統(tǒng)能夠舉升的質(zhì)量為300 kg，可靠性好，與仿真200 kg舉升性能相比提高100 kg，最小轉(zhuǎn)彎半徑0.89 m，最高行駛速度為4 km/h，滿足作業(yè)平臺在果園或林間的工作要求。

圖12 自動調(diào)平試驗Fig.12 Automatic leveling test

表5 性能測試Tab.5 Performance test

4 結(jié)論與討論

1）針對南方丘陵山區(qū)果園采摘與運輸要求，設(shè)計了一種電動水果輔助采摘與運輸平臺，采用蓄電池供電，環(huán)境污染小，噪音低；底盤行走裝置結(jié)構(gòu)簡單，尺寸小，適應(yīng)于行間距小的果園行走；貨箱自適應(yīng)調(diào)平裝置滿足采摘、運輸時的平穩(wěn)性。利用遙控控制機具前進、后退、轉(zhuǎn)彎，平臺的升降、調(diào)平等功能，操作簡便。

2）試驗測得作業(yè)平臺在水泥路面的續(xù)航里程可達3.4 h，升降高度最高為1.52 m，舉升質(zhì)量為300 kg，最小轉(zhuǎn)彎半徑為0.89 m，最高行駛速度為4 km/h，空載時貨箱動態(tài)調(diào)平誤差保持在1°，滿載時貨箱動態(tài)調(diào)平誤差保持在1.5°以內(nèi)，在設(shè)計的最大爬坡角度縱向20°，橫向12°以內(nèi)，調(diào)平時間均小于4.5 s；果園試驗中選取不同地形10°和15°的縱坡、以及-10°和-5°的橫坡，自動調(diào)平期間貨箱的傾斜角度可保持在-2°～2°，相關(guān)試驗性能滿足設(shè)計要求。

3）通過試驗發(fā)現(xiàn)，液壓油缸的速度對調(diào)平響應(yīng)性有一定影響，使得在坡度大的路面，油缸伸縮速度慢，調(diào)平響應(yīng)性不夠快。并且作業(yè)平臺在過坡道拐點時，不能有效觀測坡道地形地貌，導(dǎo)致其通過性變差、平穩(wěn)性降低。針對調(diào)平響應(yīng)性及過坡道拐點問題有待進行下一步研究。

致謝：湖南省教育廳優(yōu)秀青年基金項目（20B292）和湖南省研究生科研創(chuàng)新項目（CX20200667）同時對本研究給予了資助，謹致謝意！