小型煙草植保機(jī)移動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

劉 路 楊 路 高觀光 李志強(qiáng) 鄭 泉 陳黎卿

(1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 合肥 230036； 2.安徽省智能農(nóng)機(jī)裝備工程實(shí)驗(yàn)室， 合肥 230036)

0 引言

壟作法因其水土保持特性而被大部分丘陵旱地所應(yīng)用，然而其高壟畦溝的特性給田間管理機(jī)械的使用提出了很高的要求。皖南山區(qū)作為全國(guó)主要的煙草種植基地之一，煙草種植行距為1.2 m，壟溝底較窄，約為0.3 m，田頭間距為0.8 m[1-2]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者針對(duì)煙草作業(yè)機(jī)械開(kāi)展了大量的研究。陳曉紅等[3]研制了烤煙覆膜機(jī)壓膜裝置的，其自動(dòng)覆膜技術(shù)對(duì)提高煙苗成活率和降低蟲(chóng)害發(fā)生率具有顯著效果。燕亞民等[4]研制了一種導(dǎo)苗管式煙草移栽機(jī)，其操作簡(jiǎn)單，提高了煙苗的移栽工作效率。張秀麗等[5]為了提高煙草大田中耕培土作業(yè)質(zhì)量和效率，設(shè)計(jì)了復(fù)合切削式煙草中耕培土機(jī)。然而，對(duì)于煙草種植中后期煙葉遮疊環(huán)境下的植保作業(yè)要求，上述研究在田間管理上還具有一定局限性。

煙草中后期便于植保作業(yè)的移動(dòng)平臺(tái)是煙草植保作業(yè)的一個(gè)空缺[6-7]。傳統(tǒng)的植保機(jī)械主要有高地隙植保機(jī)械[8-9]和無(wú)人機(jī)植保等類型，由于煙草種植多以地處丘陵山區(qū)等壟作田塊為主，以高地隙植保機(jī)械為代表的大型機(jī)械難以田間作業(yè)，而無(wú)人機(jī)植保無(wú)法滿足煙草中后期根部的植保需求，因此目前煙草的植保工作仍然以人工背負(fù)式打藥機(jī)為主。煙草中后期葉片大，密度高，對(duì)勞動(dòng)力需求大；另一方面，人工背負(fù)作業(yè)時(shí)易對(duì)煙草葉片造成損傷，同時(shí)農(nóng)藥對(duì)人體也有一定的傷害。

根據(jù)煙草壟作環(huán)境，本文設(shè)計(jì)一款三輪結(jié)構(gòu)輪式移動(dòng)平臺(tái)。針對(duì)壟作環(huán)境田頭轉(zhuǎn)向要求，利用車身姿態(tài)穩(wěn)定臨界條件分析三輪移動(dòng)平臺(tái)系統(tǒng)最大轉(zhuǎn)向角度；根據(jù)不同車速下移動(dòng)平臺(tái)在煙草壟溝環(huán)境下運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性和動(dòng)力分析，確定移動(dòng)平臺(tái)安全行駛速度。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證移動(dòng)平臺(tái)設(shè)計(jì)可靠性，以確保所設(shè)計(jì)的煙草植保移動(dòng)平臺(tái)的行駛性能滿足壟作環(huán)境作業(yè)要求。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

圖1 煙草植保機(jī)移動(dòng)平臺(tái)整機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of tobacco plant protection robot 1.驅(qū)動(dòng)電機(jī) 2.后輪 3.藥箱 4.前輪 5.電池 6.驅(qū)動(dòng)器 7.車身 8.轉(zhuǎn)向電機(jī) 9.編碼器 10.噴頭

煙草植保移動(dòng)平臺(tái)主要由車身、傳動(dòng)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和噴藥系統(tǒng)組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中車身由車架、龍門(mén)架等組成；傳動(dòng)系統(tǒng)由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)減速器等組成；轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由轉(zhuǎn)向電機(jī)、轉(zhuǎn)向減速器、前輪轉(zhuǎn)角傳感器等組成。煙草植保機(jī)移動(dòng)平臺(tái)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

1.2 工作原理

煙草植保機(jī)在田間作業(yè)時(shí)，作業(yè)人員根據(jù)田間情況遙控植保機(jī)械作業(yè)，其工作原理如圖2所示?？刂浦噶钔ㄟ^(guò)2.4 GHz頻道將指令傳輸給SBUS接收器，根據(jù)SBUS協(xié)議將指令傳達(dá)給STM32單片機(jī)，單片機(jī)通過(guò)解析指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人動(dòng)力系統(tǒng)及噴霧系統(tǒng)的控制，驅(qū)動(dòng)力和轉(zhuǎn)向力由ZM-6615型直流無(wú)刷驅(qū)動(dòng)器通過(guò)調(diào)節(jié)PWM方式進(jìn)行控制。通過(guò)單片機(jī)IO接口為機(jī)器人提供行駛控制信號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人前進(jìn)和后退功能的有效切換[10-13]。遙控功能為后續(xù)噴藥等管理作業(yè)保留擴(kuò)展接口。

表1 煙草植保機(jī)移動(dòng)平臺(tái)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Main structural parameters of tobacco plant protection mobile platform

圖2 工作原理示意圖Fig.2 Working principle diagram

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖3所示，所設(shè)計(jì)的煙草植保移動(dòng)系統(tǒng)采用后輪驅(qū)動(dòng)。傳動(dòng)系統(tǒng)通過(guò)控制器驅(qū)動(dòng)電機(jī)為后軸提供動(dòng)力，其中控制器由STM32單片機(jī)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器組成，驅(qū)動(dòng)器接收單片機(jī)的PWM信號(hào)占空比調(diào)節(jié)電機(jī)的速度。

圖3 傳動(dòng)布置示意圖Fig.3 Schematic of transmission arrangement

移動(dòng)平臺(tái)在水平地面運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所受到的行駛阻力主要包括來(lái)自地面的滾動(dòng)阻力Ff和空氣阻力Fw。在坡道上行駛、加速行駛時(shí)，除上述兩種阻力外，還需要克服平臺(tái)自身重力帶來(lái)的阻力Fi以及為提供加速度產(chǎn)生的加速阻力Fj，因此植保移動(dòng)平臺(tái)在行駛過(guò)程中所受到的阻力為

∑F=Ff+Fw+Fi+Fj

(1)

考慮到煙草植保機(jī)在田間工作時(shí)速度較低的特點(diǎn)，可將速度設(shè)定為定值，忽略加速阻力對(duì)整機(jī)的影響，滾動(dòng)阻力和由重力產(chǎn)生的阻力都與車身重力成正比，因此移動(dòng)平臺(tái)在行駛過(guò)程中所受到的阻力為

Fψ=Ff+Fi=G(f+i)

(2)

其中

i=tanα

(3)

式中Fψ——道路阻力，N

G——車身自身重力，N

f——滾動(dòng)摩擦因數(shù)，取0.1[14]

i——道路坡度

α——道路坡道角

根據(jù)田頭T型通道結(jié)構(gòu)，煙草植保機(jī)移動(dòng)平臺(tái)在田頭轉(zhuǎn)彎時(shí)，車輪靠壟一側(cè)會(huì)入侵至壟坡，壟坡底部坡道角α約為30°，由式(1)～(3)可知，此時(shí)移動(dòng)平臺(tái)的行駛阻力Fψ為408 N。

為確保移動(dòng)平臺(tái)正常行駛，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中車輪所需的驅(qū)動(dòng)力Ft需大于其行駛阻力Fψ，設(shè)計(jì)安全系數(shù)1.5，即

Ft>1.5Fψ=612 N

電機(jī)驅(qū)動(dòng)力計(jì)算式為

(4)

式中Ttq——驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)矩，N·m

r——驅(qū)動(dòng)輪半徑，取150 mm

P——電機(jī)額定功率，kW

n——電機(jī)額定轉(zhuǎn)速，r/min

i0——傳動(dòng)比

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示，經(jīng)計(jì)算其驅(qū)動(dòng)力大于安全行駛阻力612 N。選取額定功率750 W、額定轉(zhuǎn)速為3 000 r/min的直流無(wú)刷電機(jī)，并配套1∶40的減速器。驅(qū)動(dòng)力Ft為637 N，滿足田間工作驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)要求。

圖4 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Drive system structure diagram 1.驅(qū)動(dòng)輪 2.驅(qū)動(dòng)軸 3.直流無(wú)刷電機(jī) 4.減速器

2.2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)

煙草植保機(jī)移動(dòng)平臺(tái)選用三輪模型[15-17]，使整車在田頭轉(zhuǎn)向時(shí)，減小轉(zhuǎn)向輪侵入田壟的距離，提高轉(zhuǎn)向控制魯棒性。同時(shí)，為了解決三輪車模型系統(tǒng)不穩(wěn)定的缺點(diǎn)，前輪采用雙輪機(jī)構(gòu)，增大系統(tǒng)與地面的接觸面積，使移動(dòng)平臺(tái)在轉(zhuǎn)向時(shí)前輪側(cè)偏角減小，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Steering system structure diagram 1.轉(zhuǎn)向輪 2.減速器 3.步進(jìn)電機(jī) 4.編碼器

選用步進(jìn)電機(jī)作為轉(zhuǎn)向電機(jī)，該步進(jìn)電機(jī)為86系列兩相大力矩混合式步進(jìn)電機(jī)，單軸輸出，步距角為1.8°，步距角精度為5%。電機(jī)與轉(zhuǎn)向軸之間用1∶40減速器連接，增大轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)扭矩，避免步進(jìn)電機(jī)低轉(zhuǎn)速狀態(tài)下丟步誤差；另一端安裝編碼器，搭建轉(zhuǎn)向閉環(huán)回路，以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向精準(zhǔn)控制。

根據(jù)圖6可得，植保移動(dòng)平臺(tái)轉(zhuǎn)彎半徑為

圖6 轉(zhuǎn)彎半徑示意圖Fig.6 Turning radius diagram

(5)

(6)

式中l(wèi)——軸距長(zhǎng)度θ——前輪轉(zhuǎn)角

a——步距角γ——脈沖頻率

根據(jù)移動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)，最內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)彎半徑R2與轉(zhuǎn)角θ之間的關(guān)系為

(7)

(8)

式中m——前輪與后內(nèi)側(cè)輪間距

n1——后輪間距

當(dāng)煙草植保機(jī)移動(dòng)平臺(tái)最內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)彎半徑為0.8 m時(shí)，根據(jù)車身參數(shù)所需控制前輪轉(zhuǎn)角θ為50°。

3 多體動(dòng)力學(xué)性能分析

3.1 移動(dòng)平臺(tái)車身建模和仿真分析

利用RecurDyn/Track軟件基于相對(duì)坐標(biāo)系和相對(duì)遞推算法的動(dòng)態(tài)仿真建立煙草植保機(jī)移動(dòng)平臺(tái)車身的多體動(dòng)力學(xué)模型[18-19]，如圖7所示。煙草植保機(jī)移動(dòng)平臺(tái)整體機(jī)械系統(tǒng)較為復(fù)雜，建模仿真僅需對(duì)平臺(tái)行駛系統(tǒng)進(jìn)行分析，本文將整機(jī)簡(jiǎn)化：①將工作部件簡(jiǎn)化為剛體，通過(guò)加載運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真。②省略了不影響仿真的非工作部件，如螺栓、螺母等。③模型參數(shù)主要通過(guò)三維測(cè)量、計(jì)算或試驗(yàn)得到。其中，仿真模型剛體數(shù)為5，運(yùn)動(dòng)自由度為6，運(yùn)動(dòng)副數(shù)目為4。在多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件RecurDyn中對(duì)煙草植保平臺(tái)兩后輪施加相同的驅(qū)動(dòng)副，對(duì)其進(jìn)行轉(zhuǎn)彎半徑的測(cè)量仿真試驗(yàn)。

圖7 煙草植保機(jī)移動(dòng)平臺(tái)仿真模型Fig.7 Simulation model of tobacco plant protection vehicle 1.車身 2.驅(qū)動(dòng)副 3.壟溝

仿真結(jié)果如圖8所示，煙草植保機(jī)移動(dòng)平臺(tái)在前輪轉(zhuǎn)角為50°時(shí)轉(zhuǎn)彎半徑約為0.8 m，與理論計(jì)算結(jié)果相符。

圖8 轉(zhuǎn)彎半徑仿真結(jié)果Fig.8 Simulation result of turning angles of different corners

3.2 機(jī)器人轉(zhuǎn)向半徑測(cè)試

如圖9所示，測(cè)得煙草植保機(jī)移動(dòng)平臺(tái)最小轉(zhuǎn)彎半徑，保持平臺(tái)前輪轉(zhuǎn)角，低速自轉(zhuǎn)一圈，獲得轉(zhuǎn)向內(nèi)側(cè)車輪和外側(cè)車輪形成內(nèi)外側(cè)軌跡，再對(duì)軌跡進(jìn)行實(shí)際測(cè)量。

圖9 煙草植保機(jī)移動(dòng)平臺(tái)轉(zhuǎn)向試驗(yàn)Fig.9 Turning test of tobacco plant protection robot

經(jīng)測(cè)量，移動(dòng)平臺(tái)在前輪轉(zhuǎn)角為50°時(shí)內(nèi)輪的轉(zhuǎn)彎半徑為0.78 m，滿足0.8 m的轉(zhuǎn)向半徑要求。

3.3 移動(dòng)穩(wěn)定性臨界條件分析

圖10 車身側(cè)翻受力分析Fig.10 Force analysis diagram of car body rollover

3.4 壟間行走仿真分析

在田間行駛過(guò)程中，移動(dòng)平臺(tái)平穩(wěn)性與路面平整度及車輛運(yùn)行速度相關(guān)，為測(cè)試其不同速度驅(qū)動(dòng)下壟間行駛的穩(wěn)定性，分別記錄以0.8、1.0、1.3 m/s在壟溝底部行駛的側(cè)傾角，移動(dòng)平臺(tái)壟溝間行走最大側(cè)傾角在-2°～3°之間，如圖11可知，車身振動(dòng)趨勢(shì)和路面起伏狀態(tài)相近，由于壟溝底部較為平坦，最大側(cè)傾角和振幅隨著車速變化較小，對(duì)車輛平穩(wěn)性影響不大。

圖11 不同速度下側(cè)傾角曲線Fig.11 Rolling angular velocity curves at different speeds

移動(dòng)平臺(tái)田間行駛過(guò)程中，最大側(cè)傾角多出現(xiàn)于田頭轉(zhuǎn)向位置。系統(tǒng)采集3塊不同田塊地面的參數(shù)(均包括田頭轉(zhuǎn)向區(qū)域)，在不同壟作路面參數(shù)下，通過(guò)0.3～1.5 m/s以0.1 m/s遞增的測(cè)試方法，完成移動(dòng)平臺(tái)壟間的行駛仿真，得到最大側(cè)傾角和移動(dòng)平臺(tái)的移動(dòng)平穩(wěn)性，如圖12所示。由圖12可知，移動(dòng)平臺(tái)速度大于1.0 m/s后，側(cè)傾角和側(cè)傾角方差明顯提升，行駛平穩(wěn)性明顯變差。

圖12 煙草植保機(jī)器人仿真結(jié)果分析Fig.12 Simulation results analysis of tobacco plant protection robot

圖14 車身側(cè)傾角變化曲線Fig.14 Changing curves of car body roll angle

4 行駛穩(wěn)定性試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)于煙草種植中后期在安徽宣城煙草實(shí)驗(yàn)基地進(jìn)行，如圖13所示。試驗(yàn)主要包括直線行駛和田頭轉(zhuǎn)向試驗(yàn)，定速行駛試驗(yàn)通過(guò)陀螺儀測(cè)量不同速度下車身側(cè)傾角，根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)分析獲取煙草植保平臺(tái)在壟間的最佳工作速度；車身最大側(cè)傾角試驗(yàn)是測(cè)量煙草植保機(jī)器人在田頭轉(zhuǎn)向時(shí)的側(cè)傾角，以驗(yàn)證植保機(jī)器人在田頭轉(zhuǎn)向的穩(wěn)定性[20-21]。

圖13 田間試驗(yàn)Fig.13 Field test

4.2 田間試驗(yàn)

4.2.1田間勻速行駛試驗(yàn)

移動(dòng)平臺(tái)勻速(0.8、1.0、1.3 m/s)在煙草田間遙控行駛測(cè)試試驗(yàn)，利用陀螺儀記錄平臺(tái)在不同速度下行走的側(cè)傾角，如圖14所示。

由圖14可知，在3次試驗(yàn)中，側(cè)傾角在很小的范圍內(nèi)進(jìn)行波動(dòng)。當(dāng)速度為0.8 m/s時(shí)，其最大側(cè)傾角在10.3°；當(dāng)車速為1.0 m/s時(shí)，試驗(yàn)最大側(cè)傾角為11.7°；當(dāng)車速為1.3 m/s時(shí)，試驗(yàn)最大側(cè)傾角為16.3°，試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果相似。根據(jù)效率優(yōu)先原則，在穩(wěn)定性狀況相近時(shí)，速度快實(shí)際作業(yè)效率高，煙草植保機(jī)器人的最佳作業(yè)速度在1.0 m/s左右。

4.2.2最大側(cè)傾角試驗(yàn)

對(duì)移動(dòng)平臺(tái)在煙草田頭進(jìn)行轉(zhuǎn)向試驗(yàn)，設(shè)定最高移動(dòng)作業(yè)速度1.0 m/s，經(jīng)多次試驗(yàn)記錄移動(dòng)平臺(tái)在煙草田頭轉(zhuǎn)向入侵壟溝時(shí)的側(cè)傾角，測(cè)得的數(shù)據(jù)如表2所示。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)測(cè)量，植保平臺(tái)在通過(guò)田頭轉(zhuǎn)向時(shí)車身最大側(cè)傾角為14.38°，最大側(cè)傾角遠(yuǎn)小于側(cè)翻臨界條件30°。在轉(zhuǎn)向試驗(yàn)中車身均沒(méi)有發(fā)生側(cè)翻，因此，設(shè)計(jì)的煙草植保機(jī)移動(dòng)平臺(tái)在田頭轉(zhuǎn)向正常運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不會(huì)發(fā)生側(cè)翻，滿足高壟畦溝環(huán)境下煙草植保移動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)需求。

經(jīng)測(cè)試，平臺(tái)在水平路面能夠達(dá)到的最小轉(zhuǎn)彎半徑為0.8 m；當(dāng)車身速度在1.0 m/s以內(nèi)作業(yè)時(shí)，其最大側(cè)傾角為14.38°，機(jī)器人在高壟畦溝實(shí)際作業(yè)過(guò)程中具有良好的轉(zhuǎn)彎性能及運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性。

表2 田頭轉(zhuǎn)向最大側(cè)傾角Tab.2 Maximum inclination angle of cornering (°)

5 結(jié)論

(1)針對(duì)煙草壟作環(huán)境，對(duì)傳動(dòng)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等關(guān)鍵部件進(jìn)行設(shè)計(jì)，最小轉(zhuǎn)彎半徑為0.8 m，滿足煙草田間直線行駛、田頭轉(zhuǎn)向等需求，能夠以1.0 m/s速度行駛，達(dá)到預(yù)期的作業(yè)效果。

(2)利用RecurDyn/Track進(jìn)行仿真分析，在前輪轉(zhuǎn)角為50°時(shí)，轉(zhuǎn)彎半徑為800 mm，符合設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果；在壟溝行走時(shí)其側(cè)傾角在-2°～3°之間波動(dòng)，變化幅度較小，穩(wěn)定性較高。

(3)通過(guò)試驗(yàn)穩(wěn)定性測(cè)試，分析煙草植保機(jī)移動(dòng)平臺(tái)田間行駛性能。試驗(yàn)結(jié)果表明，植保平臺(tái)能夠在煙草壟底行駛，穩(wěn)定性良好，左右擺動(dòng)幅度為3°，沒(méi)有損壞煙草作物；當(dāng)作業(yè)速度為1.0 m/s時(shí)，最大側(cè)傾角為14.38°，沒(méi)有超過(guò)其發(fā)生側(cè)翻的臨界角度，能夠安全通過(guò)。