丘陵山區(qū)農(nóng)用仿形行走動態(tài)調(diào)平底盤設計與試驗

劉平義 王春燕 李海濤 張蒙蒙 魏文軍 張紹英

(中國農(nóng)業(yè)大學工學院， 北京 100083)

0 引言

我國丘陵山區(qū)農(nóng)田地塊小、不規(guī)則、坡地多、地形復雜[1]，道路運輸困難，同時受勞動力外流及經(jīng)濟水平的制約，導致丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)機械化水平低、作業(yè)安全性差、農(nóng)業(yè)機械化發(fā)展緩慢[2-6]。但丘陵山區(qū)占地面積廣，糧食及油料作物產(chǎn)量在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中所占比重較大，提高丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)機械化水平對我國農(nóng)業(yè)經(jīng)濟的整體發(fā)展具有重要意義。

丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)機械化發(fā)展不僅要提高農(nóng)業(yè)機械的行走通過性和適應性，而且應考慮如何平衡由于地形、車體受力以及機械本體運動等因素引起車體姿態(tài)變化，從而提高機械作業(yè)安全可靠性。目前國內(nèi)外丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)機械研究正朝微型、多功能方向發(fā)展，主要通過降低重心、單維度仿形、變地隙和輪距使底盤具有較高通過性和地形適應性；或通過控制車體實現(xiàn)車體調(diào)平[7-13]。全地形仿形行走動力底盤[14]4組懸臂夾角固定的懸架通過縱向擺動實現(xiàn)多自由度仿形行走，能提高底盤地形適應性和通過性[15-17]。本文在此基礎上進一步對機械本體進行改進，丘陵山區(qū)農(nóng)用仿形行走動態(tài)調(diào)平底盤(以下簡稱仿形調(diào)平底盤)采用懸臂夾角精確可調(diào)的懸架(以下簡稱可調(diào)懸架)，不僅能通過全時多輪驅(qū)動、多自由度仿形實現(xiàn)崎嶇地面的高適應通過性行走，而且通過懸架懸臂夾角調(diào)節(jié)實現(xiàn)車體調(diào)平控制，同時解決丘陵山區(qū)農(nóng)用動力底盤行走、作業(yè)的兩大難題；調(diào)平過程中，傾角傳感器實時測量車體俯仰角和側(cè)傾角，并計算各懸架瞬時調(diào)節(jié)量，通過伸縮機構調(diào)整各懸架懸臂夾角，改變懸架高度，以期實現(xiàn)底盤行走作業(yè)過程中動態(tài)補償調(diào)平。

1 可調(diào)懸架設計

仿形調(diào)平底盤的4組可調(diào)懸架不僅能通過縱向擺動實現(xiàn)仿形行走而且能夠在行走過程中通過懸臂夾角的精確調(diào)整改變懸架高度，平衡由于地形、車體受力以及機械本體運動等因素引起車體姿態(tài)變化，實現(xiàn)車體調(diào)平。因此仿形調(diào)平底盤可在崎嶇地面全時多輪驅(qū)動、多自由度仿形行走，傾角傳感器實時檢測車體側(cè)傾角和俯仰角變化并分別計算各懸架懸臂夾角調(diào)整量，并通過改變4組調(diào)平懸架高度，在多自由度仿形行走基礎上，實現(xiàn)底盤動態(tài)補償車體調(diào)平。

1.1 設計原理

圖1 可調(diào)懸架原理圖Fig.1 Principle diagram of leveling suspension1、6.車輪 2.前懸臂 3.伸縮機構 4.前(后)橋 5.后懸臂

可調(diào)懸架如圖1所示，由前懸臂、伸縮機構、后懸臂3部分組成，其中前、后懸臂等長，前、后懸臂同點鉸接于前(后)橋上，另一端分別與車輪轉(zhuǎn)動連接，伸縮機構分別與前、后懸臂上某一點轉(zhuǎn)動連接。

1.2 關鍵參數(shù)設計

參照選定的輪胎直徑d，懸架關鍵參數(shù)(圖2、3)分別為：

(1)懸臂長l

為確保底盤在凹凸不平地面上的行走通過性，調(diào)平懸架的懸臂長l為

l=k1d

式中k1——懸臂長度系數(shù)，k1≥1

(2)伸縮機構安裝位置l1

伸縮機構安裝在懸臂上，安裝位置l1為

l1=k2l

式中k2——安裝定位系數(shù)，0

(3)懸臂夾角θ

前后懸臂圍繞鉸接點轉(zhuǎn)動，懸臂夾角發(fā)生變化。當懸臂壓力角ρ達到許用壓力角a時，懸臂夾角最大值θmax(圖2)為θmax=2a。

圖2 懸臂夾角最大值示意圖Fig.2 Diagram of maximum cantilever angle

圖3 懸臂夾角最小值示意圖Fig.3 Diagram of minimum cantilever angle

為避免底盤調(diào)平過程中同一懸架2個車輪干涉，限制車輪之間最小距離d0，此時懸臂夾角最小θmin(圖3)為

(4)仿形角δ

懸架仿形可實現(xiàn)地形自適應行走，為避免車體傾翻，限制仿形角δ為

0°<δ≤90°

(5)伸縮機構長度S

通過伸縮機構控制懸臂夾角，根據(jù)懸臂夾角θ，可求出S為

(6)懸架高度h

底盤動態(tài)調(diào)平過程中，根據(jù)仿形角δ，可求出懸架高度h為

2 仿形調(diào)平底盤設計

2.1 設計原理

仿形調(diào)平底盤主要由調(diào)平懸架、車架、前橋和后橋等組成(圖4)。該底盤前橋與車架鉸接，前橋在轉(zhuǎn)向機構的作用下相對車架在水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動，完成前橋轉(zhuǎn)向功能；后橋與車架固定連接。4組可調(diào)懸架依據(jù)給定的軸距L和輪距B以車架中央縱向平面對稱分別安裝在前橋和后橋上，可實現(xiàn)縱向平面一定范圍內(nèi)擺動仿形，并通過懸臂夾角精確調(diào)整實現(xiàn)底盤調(diào)平。

圖4 底盤組成原理圖Fig.4 Configuration of chassis1.車架 2.前橋 3.后橋 4.調(diào)平懸架

2.2 關鍵參數(shù)設計

當每組懸架懸臂夾角最大時，同側(cè)前后懸架相鄰的2個懸臂車輪不能相互干涉，仿形調(diào)平底盤軸距應滿足條件

底盤可調(diào)節(jié)俯仰角范圍與底盤車身結構參數(shù)有關(圖5)，前橋懸架懸臂夾角最大不超過2倍許用壓力角，后橋懸架后懸臂車輪中心不超過懸架與后橋鉸接點的鉛垂線，因此車身最大俯仰角βmax為

(1)

式中γ——后橋仿形角

圖5 俯仰角最大值示意圖Fig.5 Diagram of maximum pitch

同理，底盤可調(diào)節(jié)側(cè)傾角范圍也與底盤車身結構參數(shù)有關(圖6)，一側(cè)調(diào)節(jié)到最大懸臂夾角，另一側(cè)調(diào)節(jié)到最小懸臂夾角，得到最大側(cè)傾角αmax為

(2)

圖6 側(cè)傾角最大值示意圖Fig.6 Diagram of maximum roll

2.3 底盤調(diào)平原理

根據(jù)四點支撐平臺調(diào)平原理[18](圖7)，采用“中心點”不動調(diào)平方法。建立靜坐標系OX0Y0Z0，X0OY0與水平面平行，O點位于車架上表面幾何中心，X0軸與底盤速度方向平行。在車架上表面建立動坐標系(OXYZ)，兩坐標系共用同一坐標原點O，當?shù)妆P在崎嶇不平地面上運動時，兩坐標軸產(chǎn)生側(cè)傾角α和俯仰角β。

圖7 四點支撐平臺坐標系旋轉(zhuǎn)示意圖Fig.7 Coordinate rotation diagram of platform with four points support

兩坐標系轉(zhuǎn)換矩陣[19]近似為

對于車架上任意點P，靜坐標系內(nèi)P(XP0，YP0，ZP0)與動坐標系內(nèi)該點P(Xp，Yp，Zp)關系為

(3)

求出P點Z坐標差值為

ΔH=Zp-ZP0=-βXP0-αYP0

(4)

當?shù)妆P產(chǎn)生側(cè)傾角α和俯仰角β后，對應任意懸架鉸接點Pi，4組懸架仿形擺角為δi(i=1，2，3，4)(圖8)，各懸架高hi為

(5)

圖8 懸架仿形角調(diào)整示意圖Fig.8 Adjustment diagram of suspension’s adaptive angle

懸架高度差Δhi為

Δhi=-βXi0-αYi0

(6)

伸縮機構兩端分別轉(zhuǎn)動，連接于兩懸臂中心，長度Si為

(7)

假設各懸架懸臂夾角初始角為θi0，分別調(diào)至θi實現(xiàn)調(diào)平，變化量分別為Δθi；此時各懸架仿形擺角為δ′i；各懸架高度變化為Δh′i，各懸架高度h′i為

(8)

對應懸架高度變化Δh′i，懸臂夾角變化Δθi為

Δθi=θi-θi0

(9)

該時間內(nèi)近似取

聯(lián)立式(6)、(8)、(9)推導出各懸架瞬時調(diào)平懸臂夾角θi為

(10)

根據(jù)各懸架瞬時調(diào)平懸臂夾角θi，可求出伸縮機構長度S′i、伸縮機構調(diào)整量ΔS′i以及懸架高度h′i。

(11)

ΔS′i=S′i-Si

(12)

(13)

底盤運動過程中實時檢測側(cè)傾角αi、俯仰角βi(i=1,2,3,4)，根據(jù)式(7)～(13)可求得4組懸架瞬時調(diào)平懸臂夾角θ′i，通過伸縮機構調(diào)整量ΔS′i，得到4個懸架高度h′i，實現(xiàn)底盤調(diào)平。

3 底盤仿真分析

參考中小型拖拉機東方紅500，根據(jù)GB/T 2979—2008中：農(nóng)用拖拉機驅(qū)動輪普通斷面斜交結構輪胎，選用規(guī)格4.00-10型低氣壓輪胎[20]，直徑d=500 mm，底盤總質(zhì)量G=400 kg，d0=50 mm，k1=1.6，k2=0.5，a=75°，代入1.2節(jié)關鍵參數(shù)計算式，所設計的底盤關鍵參數(shù)如表1所示。

表1 底盤主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of chassis

將以上參數(shù)代入式(1)、(2)中，計算出該底盤最大側(cè)傾角和俯仰角為22.71°和15.58°。

3.1 虛擬樣機模型

根據(jù)底盤主要參數(shù)，利用三維建模軟件建立仿形調(diào)平底盤三維模型,如圖9所示。

圖9 底盤示意圖Fig.9 Chassis schematic1.減速驅(qū)動電動機 2.絲杠電動機 3.前橋 4.車架 5.雙軸傾角傳感器 6.后橋 7.調(diào)平懸架 8.車輪

圖10 虛擬樣機仿真模型Fig.10 Motion simulation model of chassis

導入ADAMS中進行仿真分析。經(jīng)過模型簡化，賦予材質(zhì)，添加約束，選用ADAMS自帶的Fiala輪胎模型、road_3d_roof_example.rdf地面，以及對8個車輪同時添加驅(qū)動等步驟，建立樣機仿真模型[21]，如圖10所示。

3.2 仿形調(diào)平底盤仿真分析

丘陵山區(qū)大多數(shù)地面凹凸不平，仿真過程中分析地面基本特征后簡化為單一波形和連續(xù)波形2種地面并建立參考坐標系；考慮到設計適用性，對地面參數(shù)沒有采取定量數(shù)值描述，而是考慮底盤與通過地面的尺寸制約比例關系，使用底盤的特征關鍵參數(shù)對地面特征關鍵參數(shù)進行比例關系描述。在同等條件下，對比仿形調(diào)平底盤“不調(diào)平”(鎖定各懸架懸臂夾角)和“調(diào)平”(允許懸架懸臂夾角在合理范圍內(nèi)變化)2種工況的側(cè)傾角和俯仰角變化，檢驗調(diào)平效果。

參照平谷果園地面參數(shù)，在ADAMS中添加幅值為0.5d、波長為2d的單一波形障礙物(圖11)，對底盤沿X軸行走作業(yè)進行模擬仿真，對比仿形調(diào)平底盤“不調(diào)平”和“調(diào)平”兩種工況的側(cè)傾角和俯仰角變化，檢驗調(diào)平效果。

圖11 單一波形地面調(diào)平仿真Fig.11 Leveling simulation in single waveform ground

由圖12可知，仿形調(diào)平底盤“不調(diào)平”工況下最大側(cè)傾角4.21°，最大俯仰角1.39°；“調(diào)平”工況下最大側(cè)傾角0.31°，最大俯仰角0.29°。仿形調(diào)平底盤在單輪越障仿形過程中，可在0.5°精度范圍內(nèi)實現(xiàn)動態(tài)調(diào)平。

圖12 單一波形地面2種工況的俯仰角、側(cè)傾角對比曲線Fig.12 Comparison curves of roll and pitch angles in single waveform ground

同理添加幅值為3.5d、波長為11L連續(xù)波形地面，對底盤偏離XOZ平面45°斜向行走作業(yè)進行模擬仿真(圖13)，對比仿形調(diào)平底盤“不調(diào)平”和“調(diào)平”2種工況的側(cè)傾角和俯仰角變化，檢驗調(diào)平效果。

圖13 連續(xù)波形地面調(diào)平仿真Fig.13 Leveling simulation in continuous waveform ground

如圖14所示，仿形調(diào)平底盤“不調(diào)平”工況下最大側(cè)傾角10.34°，最大俯仰角9.97°；“調(diào)平”工況下最大側(cè)傾角0.23°，最大俯仰角0.33°。仿形調(diào)平底盤在多自由度仿形行走過程中，可在0.5°精度范圍內(nèi)實現(xiàn)動態(tài)調(diào)平。

圖14 連續(xù)波形地面2種工況的俯仰角、側(cè)傾角對比曲線Fig.14 Comparison curves of roll and pitch angles in continuous waveform ground

4 試驗

4.1 試制參數(shù)

參照微耕機尺寸試制自適應調(diào)平底盤小比例樣機(圖15)，底盤主要參數(shù)：車輪半徑65 mm，軸距600 mm，輪距400 mm，懸臂長度200 mm；各懸架懸臂夾角分別采用功率12 W、工作行程為82.94～193.19 mm、配備42絲杠電動機及驅(qū)動器的滾珠絲杠進行調(diào)節(jié)，懸臂夾角變化范圍49°～150°，懸架最大調(diào)整高度130.23 mm；底盤總質(zhì)量25 kg。考慮到4組懸架仿形角變化對懸架高度實時影響較小，因此參照各仿形角初值取近似值代入，簡化試驗裝置。車架上安裝型號為LVT426T的雙軸數(shù)字型傾角傳感器，采用非接觸式測量原理，能實時輸出當前俯仰角和側(cè)傾角，精度0.1°，計算機作為上位機接收數(shù)據(jù)。

圖15 底盤樣機Fig.15 Prototype of chassis

4.2 控制模塊設計

調(diào)平控制程序主要包括數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理、控制核心算法、控制量輸出、人機界面、中斷處理、數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)通信等模塊。雙軸數(shù)字型傾角傳感器與上位機采用RS232協(xié)議通訊方式，通過USB 2.0 to DB9 Adapter Cable傳輸所采集的側(cè)傾角和俯仰角信息；應用LabVIEW軟件的mathscript模塊對式(7)～(13)進行編程計算4組滾珠絲杠運動量，并實時記憶絲杠橫向運動狀態(tài)，循環(huán)動態(tài)運行；應用NI公司的MyRIo產(chǎn)品作控制器，絲杠電動機及驅(qū)動器發(fā)送脈沖，控制步進電動機的速度和方向。整個車體的調(diào)平需要4個步進電動機的協(xié)調(diào)合作，并采用PID對其位置進行精確控制，整個控制流程如圖16所示。

圖16 控制流程圖Fig.16 Control flow chart

4.3 土槽對比試驗

在中國農(nóng)業(yè)大學工學院智能型土壤-機器-植物系統(tǒng)實驗室土槽進行精確對比試驗。在土槽內(nèi)人工堆砌幅值為0.5d、波長為d的單一波形，仿形調(diào)平底盤一側(cè)車輪順著波形方向依次通過；堆砌幅值為3d，波長為8L的連續(xù)波形地面，仿形調(diào)平底盤與波形方向傾斜某一角度通過，樣機速度為0.6 km/h。圖17a為單一波形地面試驗，圖17b為連續(xù)波形地面試驗。分別對比仿形調(diào)平底盤“不調(diào)平”和“調(diào)平”2種工況的側(cè)傾角和俯仰角變化，檢驗調(diào)平效果。

圖17 地面調(diào)平試驗Fig.17 Leveling tests on ground

對讀取的試驗數(shù)據(jù)進行分析，得出樣機在試驗過程中的側(cè)傾角和俯仰角變化曲線如圖18、19所示。由圖18可知，底盤“不調(diào)平”時最大側(cè)傾角4.24°，最大俯仰角1.75°，“調(diào)平”時最大側(cè)傾角0.86°，最大俯仰角0.83°。由圖19可知，底盤“不調(diào)平”時最大側(cè)傾角9.94°，最大俯仰角6.70°，“調(diào)平”最大側(cè)傾角0.98°，最大俯仰角0.95°。調(diào)平過程中底盤傾角在1°內(nèi)波動，實現(xiàn)了底盤動態(tài)調(diào)平，驗證了調(diào)平方法的可行性、理論分析計算及仿真的正確性。試驗結果和仿真值差值主要來自人工堆砌地形、地面特征參數(shù)誤差，以及試驗測量誤差。

圖18 單一波形地面調(diào)平試驗效果Fig.18 Results of leveling test on single waveform ground

圖19 連續(xù)波形地面調(diào)平試驗效果Fig.19 Results of leveling test on serial waveform ground

4.4 自然地面驗證試驗

選取自然地面，分別進行凹凸不平地面(圖20a)、左右側(cè)坡(圖20b)以及上下坡(圖20c、20d)的仿形調(diào)平驗證。

圖20 自然地面調(diào)平試驗Fig.20 Leveling test on natural ground

試驗表明,在凹凸不平地面上，仿形調(diào)平底盤4組懸架懸臂夾角會根據(jù)地形起伏實時調(diào)整各懸架懸臂夾角；左右側(cè)坡時，仿形調(diào)平底盤左右同側(cè)的2組懸架懸臂夾角會分別隨著地形高(低)增大或(縮小)懸臂夾角；上下坡時，前后2組懸架懸臂夾角會分別隨著地勢高(低)增大或(縮小)懸臂夾角。對讀取的試驗數(shù)據(jù)進行分析，得出樣機在自然地面試驗過程中的俯仰角和側(cè)傾角變化曲線如圖21所示。

圖21 自然地面調(diào)平試驗驗證效果Fig.21 Results of leveling test on natural ground

試驗數(shù)據(jù)表明,底盤在自然地面行走時，調(diào)平過程穩(wěn)定工況時，俯仰角和側(cè)傾角在1°內(nèi)波動，能夠?qū)崿F(xiàn)底盤動態(tài)調(diào)平，驗證了調(diào)平方法的可行性、理論分析計算及仿真的正確性。將建筑物作為參考，車體實時保持水平行走，仿形調(diào)平底盤可應用于復雜地面作業(yè)，能夠滿足丘陵山區(qū)農(nóng)用底盤作業(yè)要求。

5 結論

(1)提出了一種丘陵山區(qū)農(nóng)用仿形行走動態(tài)調(diào)平底盤。底盤4組調(diào)平懸架的懸臂夾角可精確調(diào)節(jié)，不僅能在崎嶇地面上實現(xiàn)全時多輪驅(qū)動、多自由度仿形行走，而且通過懸架懸臂夾角調(diào)節(jié)實現(xiàn)車體調(diào)平控制，同時解決丘陵山區(qū)農(nóng)用動力底盤行走、作業(yè)的兩大難題。

(2)底盤在仿形行走過程中，傾角傳感器實時測量車身傾斜角度，并計算出各懸架懸臂夾角瞬時調(diào)節(jié)量，精確調(diào)整各懸架懸臂夾角，實現(xiàn)底盤動態(tài)補償調(diào)平。建立虛擬樣機三維模型，并導入動力學分析軟件ADAMS中進行仿真分析，底盤在多自由度仿形行走過程中，可在0.5°精度范圍內(nèi)實現(xiàn)動態(tài)調(diào)平。

(3)研制了小比例樣車，土槽以及自然地面試驗驗證底盤在多自由度仿形行走過程中，可在1°精度范圍內(nèi)實現(xiàn)動態(tài)調(diào)平。土槽和自然地面試驗驗證了農(nóng)用仿形行走動態(tài)調(diào)平底盤的可行性以及仿真分析的正確性，為丘陵山區(qū)農(nóng)用動力底盤推廣應用提供了理論參考。

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