多功能智能平臺(tái)與控制技術(shù)的研究

蔣 爽，王東偉，何曉寧，劉曉東，蘇 鑫， 張 寧

(青島農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266109)

0 引言

在我國(guó)惠農(nóng)政策的強(qiáng)力推動(dòng)下，農(nóng)業(yè)機(jī)械化的發(fā)展經(jīng)歷了波瀾壯闊的10年發(fā)展黃金期，取得了舉世矚目的成就，越來(lái)越多的農(nóng)業(yè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了機(jī)械化生產(chǎn)，特別是在水稻、小麥等糧食作物及典型經(jīng)濟(jì)作物上已基本實(shí)現(xiàn)全程機(jī)械化生產(chǎn)，農(nóng)業(yè)機(jī)械的發(fā)展又邁進(jìn)了一個(gè)新的臺(tái)階。但是，由于長(zhǎng)期以來(lái)我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化的研發(fā)重心主要集中于大田作物的生產(chǎn)上，在設(shè)施農(nóng)業(yè)、典型經(jīng)濟(jì)作物生產(chǎn)及果園林地等中小型地塊因其作業(yè)空間狹小、相對(duì)封閉、地塊分散，大型機(jī)械存在難以進(jìn)入的不足，農(nóng)業(yè)裝備仍有一些突出問(wèn)題，如配套動(dòng)力匱乏、功能欠缺、適應(yīng)性差等，嚴(yán)重制約著我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化整體水平的提高。

在大部分非現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件下，農(nóng)民直接給作物噴藥，日積月累，對(duì)人體損傷很大。我國(guó)以芝麻為代表的典型經(jīng)濟(jì)作物雖然基本實(shí)現(xiàn)了種、收環(huán)節(jié)的機(jī)械化作業(yè)，但由于此類作物的生長(zhǎng)形式特殊，其田間管理(尤其是噴藥環(huán)節(jié))大多仍然需人工完成?，F(xiàn)有的噴藥機(jī)械多存在地隙過(guò)低、穩(wěn)定性不足、對(duì)人損傷大的缺點(diǎn)，與其對(duì)應(yīng)的高地隙噴藥機(jī)械化技術(shù)的研究仍然匱乏。此外，我國(guó)果園、林地等多數(shù)管理作業(yè)仍然通過(guò)人力來(lái)完成，作業(yè)成本高、生產(chǎn)效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、危險(xiǎn)系數(shù)高等問(wèn)題突出，而目前國(guó)內(nèi)針對(duì)果園、林地的采摘運(yùn)輸?shù)臋C(jī)械相對(duì)較少，亟需發(fā)展可以代替人工作業(yè)采摘運(yùn)輸?shù)臋C(jī)械，提高果園、林地機(jī)械化水平。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 功能要求

1)多功能智能平臺(tái)要求能夠完成果園、林地的采摘運(yùn)輸作業(yè)。果園、林地的地面結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，平臺(tái)需要能夠方便、準(zhǔn)確地在果園、林地靈活地行走，從而實(shí)現(xiàn)果園、林地輔助管理機(jī)械的功能。

2)多功能智能平臺(tái)要求能夠適應(yīng)芝麻等典型經(jīng)濟(jì)作物的田間管理(尤其是噴藥環(huán)節(jié))。由于此類作物的生長(zhǎng)環(huán)境特殊，平臺(tái)需要能夠穩(wěn)定地完成高地隙噴藥作業(yè)。

3)目前，基于果園和丘陵等地區(qū)地形復(fù)雜、作業(yè)環(huán)境多樣性的基本情況，多功能智能平臺(tái)為適應(yīng)不同地段幅寬與離地間隙多變的情況，研制了作業(yè)幅寬可更換的通用單體分離獨(dú)立控制機(jī)構(gòu)，以滿足不同幅寬的作業(yè)要求。平臺(tái)由兩側(cè)的行走裝置與中間連接機(jī)架構(gòu)成，通過(guò)中間連接機(jī)架的更換來(lái)實(shí)現(xiàn)平臺(tái)寬度與高低的調(diào)節(jié)。在對(duì)不同農(nóng)作物進(jìn)行生產(chǎn)作業(yè)時(shí)，根據(jù)農(nóng)作物的種植寬度與生長(zhǎng)高度，調(diào)節(jié)橫向跨度與縱向高度，實(shí)現(xiàn)模塊化組合。

4)多功能智能平臺(tái)具有自主研發(fā)的遙控裝置，能夠利用無(wú)線技術(shù)及配套操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)100m范圍內(nèi)無(wú)線遙控作業(yè)，且平臺(tái)能夠通過(guò)控制液壓電磁閥兩端電磁鐵的開(kāi)關(guān)量來(lái)對(duì)液壓懸掛系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)，極大地提高了液壓懸掛系統(tǒng)操作的舒適性和操縱簡(jiǎn)便性，以及生產(chǎn)效率和工作質(zhì)量。

1.2 多功能智能平臺(tái)整機(jī)結(jié)構(gòu)

多功能智能平臺(tái)主要由行走裝置、驅(qū)動(dòng)裝置、縱向高度調(diào)節(jié)裝置、可拆卸藥箱、橫向左右調(diào)節(jié)裝置及支撐輪等組成，如圖1所示。平臺(tái)的行走方式是履帶式，后面兩側(cè)分別有一個(gè)驅(qū)動(dòng)輪，每個(gè)驅(qū)動(dòng)輪和一個(gè)電動(dòng)機(jī)通過(guò)鏈條連接；兩個(gè)電動(dòng)機(jī)的鏈輪半徑相同，比驅(qū)動(dòng)輪上的鏈輪半徑小。整個(gè)機(jī)器利用差速原理實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，后退時(shí)利用電動(dòng)機(jī)的反轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。履帶上方是升降臺(tái)，用于整機(jī)的縱向高度調(diào)節(jié)和支撐機(jī)器上部的質(zhì)量。平臺(tái)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

1.上部橫向?qū)挾日{(diào)節(jié)裝置 2.輪槽 3.藥箱 4.縱向高度調(diào)節(jié)裝置 5.行走裝置 6.機(jī)器頂板 7.驅(qū)動(dòng)裝置 8.舉升缸 9.支撐軸 10.橫向支撐調(diào)節(jié)裝置

名稱單位數(shù)值多功能智能平臺(tái)使用質(zhì)量mskg680多功能智能平臺(tái)外形尺寸mm1850×1000×650最小離地間隙Hminmm140最大離地間隙Hmaxmm300軸距mm1350履帶寬度dmm130履帶接地長(zhǎng)度L0mm1010

1.3 工作原理

1)用于噴藥時(shí)的工作原理。當(dāng)多功能智能平臺(tái)實(shí)現(xiàn)噴藥功能時(shí)，升降臺(tái)上板安裝有4根支撐軸，整機(jī)為高地隙動(dòng)力平臺(tái)，中間放置可拆卸的藥箱。機(jī)器上部安裝三點(diǎn)懸掛裝置，用來(lái)配套噴藥設(shè)備；通過(guò)調(diào)節(jié)升降臺(tái)和輪距，可以適應(yīng)不同的作物。

2)用于牽引時(shí)的工作原理。當(dāng)多功能智能平臺(tái)實(shí)現(xiàn)牽引功能時(shí)，拆下升降臺(tái)上部的方軸和懸掛架、藥箱，把升降臺(tái)降到最低；機(jī)器頂部鋼板直接和升降臺(tái)上板連接，安裝用于牽引的懸掛裝置。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 橫向支撐調(diào)節(jié)裝置

機(jī)器底部?jī)蓚?cè)是履帶，比較沉重，而且緊密接觸地面，要想實(shí)現(xiàn)整機(jī)橫向?qū)挾日{(diào)節(jié)，難度很大。為此，有必要設(shè)計(jì)一種支撐輪，借用千斤頂使履帶懸空，分別將支撐輪放下，便能左右滾動(dòng)調(diào)節(jié)寬度。

橫向支撐調(diào)節(jié)裝置主要由支撐架、支撐輪及彈簧3部分組成，如圖2所示。橫向支撐調(diào)節(jié)裝置以摩托車(chē)的支撐架為基礎(chǔ)，利用彈簧的彈力使支撐架保持水平和豎直狀態(tài)。支撐架水平時(shí)，彈簧為自然狀態(tài)；當(dāng)放下支撐架使之豎直向下時(shí)，彈簧是拉伸狀態(tài)。支撐架上安裝小輪，其作用是支撐機(jī)器的質(zhì)量，更重要的是在履帶懸空時(shí)方便整機(jī)左右滾動(dòng)調(diào)節(jié)，但需要借助千斤頂才能使履帶懸空，放下支撐架。

1.彈簧柱 2.支撐架 3.支撐輪

2.2 機(jī)器上部橫向?qū)挾日{(diào)節(jié)裝置

2.2.1 基本結(jié)構(gòu)

機(jī)器上部橫向?qū)挾日{(diào)節(jié)裝置主要由機(jī)器兩側(cè)間方軸、機(jī)器頂部鋼板、懸掛架調(diào)節(jié)支撐輪、輪槽及鋼板側(cè)方小輪等組成，如圖3所示。

1.頂部鋼板 2.懸掛架調(diào)節(jié)支撐輪 3.輪槽 4.鋼板側(cè)方小輪 5.方軸

兩側(cè)用兩根方軸連接，每根軸上每隔同一間隔設(shè)有孔，通過(guò)改變銷軸的位置改變軸伸出的長(zhǎng)短，從而改變整機(jī)的左右間距。頂部的鋼板由兩塊鋼板組成，一塊鋼板的兩端有槽，另一塊兩端各有兩個(gè)輪子，兩塊鋼板滾動(dòng)接觸。最頂端有懸掛架，懸掛架一端固定在一塊鋼板上，另一端有輪子，可以在另一塊的鋼板上的軌道上滑動(dòng)。這樣，懸掛架的質(zhì)量即能由兩塊鋼板共同支撐，同時(shí)橫向?qū)挾雀淖儠r(shí)懸掛架的位置能保持不變。

2.2.2 相關(guān)參數(shù)設(shè)計(jì)和校核

機(jī)器升降臺(tái)以上的質(zhì)量(藥箱除外)都由4根方軸支撐，整機(jī)左右兩側(cè)也由兩根方軸連接。在機(jī)器工作的過(guò)程中，方軸受到來(lái)自各方面的力，為了防止方軸產(chǎn)生變形，需要對(duì)方軸強(qiáng)度進(jìn)行校核。計(jì)算時(shí)，應(yīng)根據(jù)方軸的載荷和受到的應(yīng)力大小。

1)扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度的校核。也就是說(shuō)要在計(jì)算時(shí)根據(jù)軸受到的扭矩，得出方軸的強(qiáng)度。雖然只能片面地反映出方軸的強(qiáng)度，但也能作為一個(gè)方面。方軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件為

(1)

式中τT—扭轉(zhuǎn)時(shí)的切向應(yīng)力；

T—方軸所受扭矩；

W—軸的抗扭截面系數(shù)；

d—軸的抗扭截面系數(shù)。

2)彎矩、扭矩合成強(qiáng)度計(jì)算。完成軸的設(shè)計(jì)以后，軸的形狀、長(zhǎng)度、直徑已經(jīng)確定，則軸的結(jié)構(gòu)尺寸可以確定，作用在軸上的扭矩和彎矩也可以計(jì)算出來(lái)。

3)疲勞強(qiáng)度的校核。此校核的前提是確定軸的結(jié)構(gòu)尺寸和所有的變應(yīng)力，然后找?guī)讉€(gè)危險(xiǎn)截面，最后計(jì)算安全系數(shù)S，即

(2)

當(dāng)只存在法應(yīng)力時(shí)，則

(3)

當(dāng)只存在切向應(yīng)力時(shí)，則

(4)

4)根據(jù)靜強(qiáng)度條件對(duì)軸校核。當(dāng)載荷作用在軸上時(shí)，總會(huì)出現(xiàn)峰值，也就是最大載荷。根據(jù)靜強(qiáng)度校核實(shí)質(zhì)就是根據(jù)最大載荷進(jìn)行校核。進(jìn)行靜強(qiáng)度校核的條件為

(5)

式中SSCσ—危險(xiǎn)截面上面的靜強(qiáng)度安全系數(shù)；

SSσ—單計(jì)算軸向力及彎矩的安全系數(shù)；

SSτ—單計(jì)算扭矩的安全系數(shù)；

SS—根據(jù)屈服強(qiáng)度的安全系數(shù)。

2.3 縱向高度調(diào)節(jié)裝置

縱向高度調(diào)節(jié)裝置由升降臺(tái)上板、內(nèi)臂外臂、下滾輪及舉升缸組成，如圖4所示。升降臺(tái)采用的是單層剪叉液壓升降臺(tái)，機(jī)器頂部有懸掛架，還有內(nèi)燃機(jī)、藥箱等重物，要想實(shí)現(xiàn)整機(jī)縱向高度調(diào)節(jié)，液壓是必不可少的。本設(shè)計(jì)利用升降臺(tái)的原理實(shí)現(xiàn)上下升降調(diào)節(jié)，每個(gè)升降臺(tái)由1根液壓柱控制。本文利用液壓同步回路，包括1個(gè)電動(dòng)機(jī)和1個(gè)液壓泵，通過(guò)液壓泵泵油和泄油完成整機(jī)的升降。

1. 升降臺(tái)上板 2.內(nèi)臂 3.外臂 4.下滾輪 5.升降臺(tái)下板 6.舉升缸

3 多功能智能平臺(tái)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

多功能智能平臺(tái)的無(wú)線控制系統(tǒng)主要包括對(duì)其供電的供電模塊、用以發(fā)射無(wú)線信號(hào)的遙控終端、用以接受無(wú)線信號(hào)的無(wú)線接收模塊、用以檢測(cè)工作狀態(tài)是否正常的傳感器模塊、液壓電磁閥組及其發(fā)現(xiàn)問(wèn)題后并報(bào)警的報(bào)警裝置，如圖 5所示。在選擇控制器時(shí)，需嚴(yán)格按照多功能作業(yè)平臺(tái)的作業(yè)要求及多功能智能平臺(tái)的功能實(shí)現(xiàn)來(lái)進(jìn)行選擇，通過(guò)在無(wú)線控制器上觀察及操作，以便實(shí)時(shí)掌握多功能智能平臺(tái)的動(dòng)向，并準(zhǔn)確地控制多功能智能平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

圖5 多功能智能平臺(tái)控制系統(tǒng)總體方案

intelligent platform

4 試驗(yàn)分析

4.1 行駛直線性測(cè)試

行駛直線性是通過(guò)多功能平臺(tái)行駛一段距離后偏離原定方向的量來(lái)評(píng)價(jià)平臺(tái)在不操縱轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)時(shí)保持直線行駛的性能，行駛直線性能的好壞對(duì)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的磨損及作業(yè)質(zhì)量等產(chǎn)生一定的影響，因此有必要對(duì)平臺(tái)行駛直線性進(jìn)行測(cè)試。

4.2 試驗(yàn)方法及結(jié)果

試驗(yàn)方案：平坦且干硬的土地上劃出長(zhǎng)度為30m的試驗(yàn)區(qū)間并在區(qū)間內(nèi)畫(huà)出中心線用作多功能智能平臺(tái)的理想狀態(tài)下的行駛路線，使多功能智能平臺(tái)在不適用無(wú)線遙控器上左右搖桿的情況下平穩(wěn)地駛過(guò)試驗(yàn)區(qū)間，然后測(cè)量多功能智能平臺(tái)行駛路線與試驗(yàn)區(qū)間中心線的偏離值；在完成測(cè)量后仔細(xì)按照以上步驟重復(fù)試驗(yàn)2次，取3次結(jié)果偏離值的平均值作為多功能智能平臺(tái)與中心線的偏移值，最終經(jīng)過(guò)代入方程式得到偏駛率ε(%)，即

(6)

其中，δS為平臺(tái)相對(duì)中心線的偏使量(m)；S為平臺(tái)的測(cè)試區(qū)間長(zhǎng)度(m)。

本試驗(yàn)中，規(guī)定樣機(jī)往左偏移行駛為正。試驗(yàn)過(guò)程如圖6所示，試驗(yàn)測(cè)量的相關(guān)數(shù)據(jù)如表2所示。

圖6 樣機(jī)行駛直線性測(cè)試

試驗(yàn)次序偏駛量δs/m10.36220.4733-0.125平均值0.236

將平均值代入公式中，計(jì)算值為 0.78%。對(duì)照GJB4111.5-2000 標(biāo)準(zhǔn)可知：多功能智能平臺(tái)行駛直線性能優(yōu)良，提升了作業(yè)質(zhì)量。

5 結(jié)論

1)設(shè)計(jì)的多功能智能平臺(tái)能滿足不同幅寬的作業(yè)要求，且解決了特定作業(yè)環(huán)境所需配套動(dòng)力多樣、懸掛機(jī)具更換工作繁雜等技術(shù)問(wèn)題。

2)獨(dú)立浮動(dòng)雙側(cè)行走方式是多功能智能平臺(tái)技術(shù)突破的核心，兩側(cè)電機(jī)相互獨(dú)立，工作時(shí)不相互影響，從而實(shí)現(xiàn)了平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)與轉(zhuǎn)向。當(dāng)左右兩條履帶的速度相同時(shí)，平臺(tái)實(shí)現(xiàn)前進(jìn)或后退；當(dāng)左右兩條履帶的速度不同時(shí)，平臺(tái)進(jìn)行轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)。

3)該平臺(tái)采用電能作為驅(qū)動(dòng)能源，通過(guò)自主研發(fā)的遙控裝置，利用無(wú)線技術(shù)及配套操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)100m范圍內(nèi)無(wú)線遙控作業(yè)且通過(guò)遠(yuǎn)程控制液壓電磁閥兩端電磁鐵的開(kāi)關(guān)量來(lái)調(diào)節(jié)液壓懸掛系統(tǒng)，極大地提高了液壓懸掛系統(tǒng)操作的簡(jiǎn)捷性和舒適性。