無(wú)線遠(yuǎn)程操控果園自平衡運(yùn)輸車(chē)設(shè)計(jì)

石少健 陳燕慧

摘?要：介紹了一種無(wú)線遠(yuǎn)程操控果園自平衡運(yùn)輸車(chē)的設(shè)計(jì)。通過(guò)SolidWorks三維建模，對(duì)組成平衡車(chē)的機(jī)械結(jié)構(gòu)及工作原理進(jìn)行了詳細(xì)的敘述，使其具備能夠維持動(dòng)態(tài)平衡的運(yùn)輸特性，并對(duì)整車(chē)的設(shè)計(jì)觀念、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)行了分析。將無(wú)線遠(yuǎn)程操控果園自平衡運(yùn)輸車(chē)與傳統(tǒng)的果園運(yùn)輸裝置進(jìn)行對(duì)比，突出其能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程操控的先進(jìn)性，以及能夠適用于果園內(nèi)各種復(fù)雜道路的應(yīng)用性;能夠滿足采摘業(yè)相關(guān)需求。

關(guān)鍵詞：遠(yuǎn)程操控;自平衡車(chē);結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

0?引言

隨著城鎮(zhèn)化水平的推進(jìn)、農(nóng)村勞動(dòng)力的減少及土地集約化的推進(jìn)，農(nóng)業(yè)機(jī)械化的發(fā)展將是必然趨勢(shì)[1]。傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)機(jī)械在一定程度上解決了大部分勞動(dòng)問(wèn)題，像大型農(nóng)用機(jī)械的推廣使用，能夠以成倍的工作速度完成人們難以完成的工作量，提高勞動(dòng)效率。在信息技術(shù)不斷發(fā)展的背景下，農(nóng)業(yè)科技領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了進(jìn)一步的發(fā)展，將電子信息技術(shù)完善應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械中，能夠借助電子信息技術(shù)這一手段來(lái)推進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械的現(xiàn)代化進(jìn)程，進(jìn)而為農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展奠定基礎(chǔ)[2]。電子信息技術(shù)的應(yīng)用轉(zhuǎn)變了傳統(tǒng)的農(nóng)用機(jī)械設(shè)計(jì)方式，并促使農(nóng)業(yè)機(jī)械朝著智能化、自動(dòng)化方向發(fā)展。丘陵山地水果產(chǎn)業(yè)是典型的丘陵山地農(nóng)業(yè)，而丘陵山地果園的機(jī)械化運(yùn)輸已成為丘陵山地果園作業(yè)的核心需求[3]。桃樹(shù)、蘋(píng)果、葡萄等一些果樹(shù)枝干較為低矮，一些大型的農(nóng)用運(yùn)輸機(jī)械無(wú)法進(jìn)入果園，只能作為外部運(yùn)輸工具;再加上果園內(nèi)道路復(fù)雜崎嶇，水果在采摘搬運(yùn)過(guò)程利用人力運(yùn)輸方式（小推車(chē)、挑擔(dān)、抱）必將浪費(fèi)大量勞動(dòng)力，出現(xiàn)效率低下的問(wèn)題，而且容易磕碰造成損傷，嚴(yán)重影響果品質(zhì)量。

1?設(shè)計(jì)目標(biāo)與整體技術(shù)參數(shù)

針對(duì)果園內(nèi)各種環(huán)境因素綜合分析，

設(shè)計(jì)主要有兩個(gè)目標(biāo)：一是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，無(wú)線遠(yuǎn)程操控，操作靈活，經(jīng)濟(jì)性好，綠色環(huán)保，在丘陵山地等復(fù)雜地形通過(guò)能力強(qiáng);二是滿足果園內(nèi)果樹(shù)與果樹(shù)之間距離要求，以及運(yùn)輸路線中較大枝干的高度要求。 整體技術(shù)參數(shù)如表所示。

2?總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

無(wú)線遠(yuǎn)程操控果園自平衡運(yùn)輸車(chē)主要由動(dòng)力裝置、自平衡裝置、無(wú)線遠(yuǎn)程操控裝置、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、行駛機(jī)構(gòu)等組成。該車(chē)采用坦克履帶車(chē)的結(jié)構(gòu)形式，由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)履帶驅(qū)動(dòng)輪，從而使左右雙履帶進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，通過(guò)無(wú)線遠(yuǎn)程操控裝置搭配電子控制模塊對(duì)整車(chē)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，結(jié)合實(shí)地場(chǎng)景路況，選擇最優(yōu)化的運(yùn)輸方向;當(dāng)車(chē)子通過(guò)陡峭路面，控制中心利用對(duì)平面兩個(gè)自由度監(jiān)測(cè)及控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)廂的動(dòng)態(tài)平衡控制。該運(yùn)輸車(chē)總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，各裝置結(jié)構(gòu)緊湊，提高了可操作性?？傮w結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.1?動(dòng)力裝置選擇

動(dòng)力裝置由位于車(chē)體底盤(pán)中48 V無(wú)刷直流輪轂電機(jī)、電子調(diào)速器以及遠(yuǎn)程接收機(jī)組成，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力供應(yīng)。

根據(jù)已確定的參數(shù)規(guī)格，計(jì)算運(yùn)輸車(chē)以滿載工況在最大爬坡度路面上行駛時(shí)直流電動(dòng)機(jī)所需要的功率大小。綜合考慮該運(yùn)輸車(chē)極限工況，選擇的直流電動(dòng)機(jī)功率應(yīng)不小于0.21 kW，所以選用額定功率為0.5 kW的直流無(wú)刷輪轂電機(jī)作為該運(yùn)輸車(chē)的動(dòng)力裝置。

2.2?傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

該運(yùn)輸車(chē)的傳動(dòng)裝置為實(shí)現(xiàn)降速增扭以及保證動(dòng)力的持續(xù)輸出，采用電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)小鏈輪與驅(qū)動(dòng)輪大鏈輪之間鏈傳動(dòng)，根據(jù)預(yù)期相關(guān)參數(shù)對(duì)鏈傳動(dòng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.3?行駛機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

行駛機(jī)構(gòu)單邊設(shè)計(jì)由一條履帶、一個(gè)驅(qū)動(dòng)輪、一個(gè)導(dǎo)向輪、四個(gè)支重輪、四個(gè)緩沖彈簧等組成。驅(qū)動(dòng)輪將傳動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換成履帶運(yùn)轉(zhuǎn)的動(dòng)力，從而帶動(dòng)導(dǎo)向輪、支重輪轉(zhuǎn)動(dòng);導(dǎo)向輪根據(jù)驅(qū)動(dòng)輪相對(duì)位置而定，目的在于引導(dǎo)履帶能夠正確繞轉(zhuǎn)，并可以防止履帶跑偏和越軌;緩沖彈簧對(duì)支重輪起緩解沖擊壓力以及調(diào)整履帶的彈性松緊度作用。

2.4?自平衡裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

運(yùn)輸車(chē)通過(guò)陡峭的路面時(shí)，自平衡裝置自動(dòng)實(shí)時(shí)保持車(chē)廂平衡。該裝置主要由伺服電動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)支座、法蘭以及支座底板等組成，且位于底盤(pán)中部凸臺(tái)上;采用單片機(jī)實(shí)時(shí)讀取IMU（Inertial measurement unit）慣性傳感器MPU6050內(nèi)角度和角速度信號(hào)數(shù)據(jù)，并應(yīng)用卡爾曼融合濾波方式和 PID 控制算法進(jìn)行信號(hào)處理[4]，最終輸出相應(yīng)的補(bǔ)償信號(hào)（PWM）控制伺服電機(jī)，來(lái)維持運(yùn)輸車(chē)車(chē)廂動(dòng)態(tài)平衡;該裝置在最底部存在兩個(gè)伺服電動(dòng)機(jī)，被用來(lái)控制X（前后）方向;在第二層支座底板還存在著另外兩個(gè)控制Y（左右）軸方向的伺服電動(dòng)機(jī);其中第一層與第二層高度差250 mm，X、Y軸方向最大為±45°的補(bǔ)償角度，大于該運(yùn)輸車(chē)最大爬坡度22°，能夠應(yīng)對(duì)多種果園地形;為提高車(chē)斗的穩(wěn)定性以及避免單個(gè)機(jī)械搖臂應(yīng)力集中問(wèn)題，在兩個(gè)方向上各安放兩個(gè)相距500 mm同步運(yùn)行的伺服電動(dòng)機(jī)，同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)機(jī)械搖臂，使負(fù)荷均勻分散開(kāi)。結(jié)構(gòu)如圖2所示。

當(dāng)運(yùn)輸車(chē)以滿載工況條件在最大爬坡度路面上直線行駛時(shí)，相應(yīng)的整個(gè)運(yùn)輸車(chē)與水平路面存在一定的夾角，若要使車(chē)廂由傾斜狀態(tài)向水平動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)變，則伺服電機(jī)應(yīng)根據(jù)補(bǔ)償信號(hào)轉(zhuǎn)動(dòng)相應(yīng)的補(bǔ)償角度[5]。

2.5?遠(yuǎn)程操控裝置設(shè)計(jì)

智能化農(nóng)業(yè)，是指通過(guò)電子信息技術(shù)的邏輯運(yùn)算、傳導(dǎo)和傳遞，發(fā)揮適宜指令指揮科研儀器、農(nóng)業(yè)機(jī)械來(lái)完成正確的動(dòng)作，最終實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和管理的智能化[6]。該運(yùn)輸車(chē)秉承智能化設(shè)計(jì)原則，在控制方面采用無(wú)線遠(yuǎn)程操控利用BOYUAVT×102D（1W+OSD）高清圖像傳輸裝置搭配使用WFT09II遙控器與接收機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程控制。

根據(jù)裝置實(shí)際測(cè)評(píng)使用情況，高清圖像傳輸裝置能夠在3 km內(nèi)使實(shí)現(xiàn)視頻高清傳輸，滿足遠(yuǎn)距離操控使用需求。WFT09II遙控器能夠在空曠地1 km內(nèi)穩(wěn)定操控，能夠滿足當(dāng)前果園現(xiàn)狀及使用需求。

3?結(jié)論

該無(wú)線遠(yuǎn)程操控果園自平衡運(yùn)輸車(chē)采用剛性底盤(pán)履帶運(yùn)輸車(chē)結(jié)構(gòu)形式，再搭配上自平衡裝置和無(wú)線遠(yuǎn)程操控裝置，使整車(chē)具有智能化、可靠性高、靈活可操作、性能安全穩(wěn)定的特點(diǎn)，解決了運(yùn)輸車(chē)行駛，人必須與車(chē)跟隨的問(wèn)題，以及保證車(chē)廂在裝有負(fù)載的工況下實(shí)時(shí)保持其動(dòng)態(tài)平衡，極大的降低了水果在果園采摘運(yùn)輸時(shí)因磕碰造成的損傷，完美的適應(yīng)丘陵山地以及大棚等環(huán)境地形，降低廣大果農(nóng)的勞動(dòng)力，提高經(jīng)濟(jì)效益，具有良好的發(fā)展前景。

參考文獻(xiàn)：

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