針對玉米移動式采集平臺的設(shè)計

賈朝元 仲紅雨 馮亦工

摘? ?要：文章設(shè)計的移動采集平臺主要用于采樣收集田間植物性狀特征，從全局角度出發(fā)，通過遙遠控制移動采集平臺行走在田間，采集植物性狀特征。為此，根據(jù)田間的種植模式與移動采集平臺設(shè)計對應(yīng)關(guān)系，確定移動采集平臺的相關(guān)設(shè)計參數(shù)，然后確定該移動采集平臺結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計方案。驅(qū)動形式作為該平臺的關(guān)鍵部件，根據(jù)機械設(shè)計和驅(qū)動要求等邊界條件，選用適合的驅(qū)動機構(gòu)和轉(zhuǎn)向機構(gòu)的驅(qū)動形式。

關(guān)鍵詞：移動采集;遙遠控制;驅(qū)動形式

1? ? 移動采集平臺結(jié)構(gòu)總體設(shè)計

移動采集平臺在田間（玉米地）行走時的運動狀態(tài)很大程度上取決于田間（玉米地）土壤物理特性[1]，例如移動采集平臺在田間行走時，當土壤較為松軟且存在凸起或低洼的地形條件時，會降低移動采集平臺的通過性和采集植物性狀信息的采樣準確性，因此保證懸架結(jié)構(gòu)對總體設(shè)計尤為關(guān)鍵[2]。

針對移動采集平臺行走平穩(wěn)性和可靠性問題，本文假設(shè)移動采集平臺在規(guī)范化種植的田間工作，此外考慮到玉米屬于單子葉禾本科植物，植物莖干比較脆弱，需減少人為損害，故該移動采集平臺采用棚架式機械結(jié)構(gòu)[3]，行間距為500 mm左右，株距為100 mm左右。為了更加準確地采樣，移動采集平臺工作過程中采用間歇式行走作業(yè)模式，驅(qū)動機構(gòu)需滿足精準控制和頻繁啟停等精準性和靈活性要求。

1.1? 移動采集平臺總體設(shè)計方案A

移動采集平臺總體設(shè)計方案A由懸架機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)、車體機構(gòu)、采集機構(gòu)以及其他輔助機構(gòu)組成，其中在4個輪胎支架上均安裝了輪轂電機，驅(qū)動移動采集平臺精準可控行走。該設(shè)計方案主要采用非獨立懸架結(jié)構(gòu)，且在阿科爾曼模型基礎(chǔ)上進行了改進，利用差速原理，分析左前輪和右前輪速度變速趨勢正好相反的實際運動形式，滿足了移動采集平臺轉(zhuǎn)向性能需求，具體方案如圖1所示。

雖然該設(shè)計方案能基本滿足間歇行走和急停急走的運動性能要求，但是田間（玉米地）地面條件狹小，玉米秸稈高低程度不太均勻，對移動采集平臺柔性控制和精準控制的要求較高[4]，該設(shè)計方案不盡如人意，因此需要在此基礎(chǔ)上考慮工作環(huán)境的復(fù)雜性，進行相關(guān)的優(yōu)化改進設(shè)計。

1.2? 移動采集平臺總體設(shè)計方案B

移動采集平臺總體設(shè)計方案B旨在設(shè)計出用于自然生長環(huán)境下的田間（玉米地）采集移動采集平臺。田間（玉米地）里狹窄空間和復(fù)雜地形環(huán)境，移動采集平臺采用非獨立懸架機構(gòu)，在小半徑運動范圍內(nèi)，實現(xiàn)四輪獨立自由轉(zhuǎn)向，如圖2所示。當出現(xiàn)凹凸不平的土壤介質(zhì)時，移動采集平臺上的植物性狀采集傳感器可以保持較高的平衡性和穩(wěn)定性，因此，該移動采集平臺可以按照地形地貌變化情況而實時調(diào)整平臺姿態(tài)，以保證移動采集平臺的移動穩(wěn)定性。此外，該移動采集平臺采用輪轂電機驅(qū)動四輪行走，低能耗、低噪音、低污染，符合現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的綠色環(huán)保作業(yè)要求[5]。

在B方案中，移動采集平臺的采集系統(tǒng)硬件包括玉米性狀采集儀器、采集支架以及相關(guān)調(diào)整部分，可以在移動采集平臺移動過程中實現(xiàn)仰視和俯視等不同角度的采集，同時可以調(diào)節(jié)遠近采集行程，滿足多樣化功能需求，移動采集平臺的采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計部分如圖3所示，其中1是移動采集平臺底板，2是導(dǎo)軌，3是鉸手架，4是移動轉(zhuǎn)向平衡手柄。

（1）移動采集平臺底板設(shè)計。在運動過程中平臺要求有很好的剛度和強度，同時也要求質(zhì)量輕便，因此設(shè)計采用AL6061材料，選用8 mm厚的AL6061基板，尺寸：1 000 mm× 1 000 mm×8 mm。底板主要是用于支撐水平調(diào)節(jié)仿形機構(gòu)，使得移動采集平臺在移動過程中保證水平。

（2）水平調(diào)節(jié)仿形機構(gòu)設(shè)計。水平調(diào)節(jié)仿行機構(gòu)主要由一條豎直導(dǎo)軌、一條水平導(dǎo)軌和鉸手架組成。豎直導(dǎo)軌采用鋁型材，與橫向?qū)к壷g通過鉸手架連接，通過調(diào)節(jié)豎直導(dǎo)軌可以采集不同高度的玉米，通過調(diào)節(jié)橫向?qū)к壙梢栽龃笥衩撞杉鞯臋M向距離，便于采集車身不容易到達的地方的玉米。橫向?qū)к壓拓Q直導(dǎo)軌都由采用40的鋁型材。豎直導(dǎo)軌的長度1 000 mm，水平導(dǎo)軌的長度1 200 mm。

（3）鉸手架設(shè)計。鉸手架主要用于連接水平調(diào)節(jié)仿行機構(gòu)的水平導(dǎo)軌和豎直導(dǎo)軌以及連接水平導(dǎo)軌和移動采集平臺。選用AL6061鋁合金。

（4）移動采集平臺移動轉(zhuǎn)向平衡手柄設(shè)計。移動采集平臺主要作用是安裝采集機械手和安裝攝像頭，因此在設(shè)計過程中應(yīng)留有與采集機械手支架的安裝孔和攝像頭的放置位置。選用AL606鋁合金材料。

2? ? 移動采集平臺關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1? 懸架的選擇

懸架分為非獨立懸架和獨立懸架，當采用非獨立懸架時，移動采集平臺的左前輪和右前輪安裝在同一個實心車橋上，左后輪和右后輪安裝在一個實心車橋上，當一側(cè)的車輪受到?jīng)_擊而傾斜時，另一側(cè)的車輪也會對應(yīng)產(chǎn)生傾斜，左右兩輪相互牽連，傾斜角度近似保持一致，不但利于移動采集平臺的穩(wěn)定性，還可以減少因傾斜而引起的輪胎磨損[6]。移動采集平臺的左前輪和右前輪分別安裝在前實心車橋上，左后輪和右后輪分別安裝在后實心車橋上，左右兩側(cè)的車輪胎在一定程度上借助避震彈簧來實現(xiàn)載荷的緩沖與傳遞，當某一側(cè)輪胎受到?jīng)_擊而傾斜時，其沖擊力和變形對另一側(cè)輪胎產(chǎn)生的傾斜影響可以忽略不計，會誘發(fā)移動采集平臺平穩(wěn)性降低[7]。

綜合對比以上兩種懸架形式，非獨立懸架對輪胎的磨耗小，有利于移動采集平臺的操控感保持一致，同時也保證了田間玉米性狀采集移動采集平臺行走過程中穩(wěn)定性和可靠性[8]，因此，本文移動采集平臺優(yōu)先選用非獨立懸架進行相關(guān)的設(shè)計。

2.2? 非獨立懸架的設(shè)計

移動采集平臺的非獨立懸架使得左前輪和右前輪安裝在前車橋上，左后輪和右后輪安裝在后車橋上，左右兩側(cè)的車輪胎借助非獨立懸架中避震彈簧來實現(xiàn)載荷的緩沖與傳遞，使得輪胎沖擊而傾斜后對另一側(cè)輪胎產(chǎn)生的傾斜影響大幅度降低，非獨立懸架的具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

綜合對比以上兩種懸架形式，非獨立懸架對輪胎的磨耗小，有利于移動采集平臺的操控感保持一致，且非獨立懸架的構(gòu)造比較簡單，制造成本和維修成本都比較低。此外，非獨立懸架要比獨立懸架所占用的空間較小，可降低車底板的高度相對更加穩(wěn)定一些，同時也保證了田間玉米性狀采集移動采集平臺行走過程中穩(wěn)定性和可靠性，因此本文移動采集平臺優(yōu)先選用非獨立懸架進行相關(guān)的設(shè)計。

2.3? 移動采集平臺驅(qū)動電機的選擇

移動采集平臺的驅(qū)動電機通?？梢苑譃橹绷?、交流伺服電機、直流無刷電機以及步進電機等4種類型，而且每一種驅(qū)動電機應(yīng)用要求各不相同，在田間玉米地中行駛，若選擇步進電機作為驅(qū)動電機，遇到凹凸不平的地面，很容易因為過載而出現(xiàn)丟步現(xiàn)象;當選擇直流無刷電機作為驅(qū)動電機時，該驅(qū)動電機啟動轉(zhuǎn)矩大，過載能力強但控制精度較低，調(diào)速可控性較差。由于直流伺服電機在低頻特性、矩頻特性、運動性能、控制精度等許多性能方面都優(yōu)于步進電機，故本機采用伺服電機和伺服控制系統(tǒng)。為保證移動采集平臺的運行與控制要求，需要對直流伺服電機進行選型計算[9]。

2.3.1? 驅(qū)動電機功率的計算

已知電機的輸出功率為P，電機旋轉(zhuǎn)過程中的摩擦系數(shù)為μ，且該系數(shù)取0.12，移動采集平臺總體重量為500 kg，根據(jù)驅(qū)動電機功率與移動采集平臺重量之間的對應(yīng)關(guān)系，計算移動采集平臺運行速度v為0.8 m/s時，驅(qū)動電機的功率為：

P=μ×m×g×v（1）

其中，g為重力加速度，取9.8 m/s2。由公式（1）計算可得，驅(qū)動電機的輸出功率P為581.5 W，結(jié)合本移動采集平臺由4個驅(qū)動電機驅(qū)動，則每一個驅(qū)動電機的輸出功率必須大于145.6 W，綜合考慮控制系統(tǒng)用電情況，采用24 V電壓驅(qū)動，其單個驅(qū)動電機的輸出功率應(yīng)該為150 W。

2.3.2? 驅(qū)動電機扭矩和轉(zhuǎn)速的計算

移動采集平臺在田間玉米地行走運動過程中，受到土壤等阻尼的影響，其摩擦行為如下：滾動摩擦力遠比最大靜止摩擦力小，因此只要在啟動瞬間滿足最大靜止摩擦力的需求，移動采集平臺就可以正常行走。根據(jù)機構(gòu)的動力學(xué)特性可知，直徑與速度之間存在反比例關(guān)系，當直徑增大時驅(qū)動力減小，當直徑減小時驅(qū)動力增大。已知驅(qū)動電機輸出轉(zhuǎn)矩為T，驅(qū)動輪的旋轉(zhuǎn)半徑為R，驅(qū)動電機數(shù)目為N，且N取4，驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)矩計算公式為：

（2）

根據(jù)驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)矩計算參數(shù)表可知，驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)矩為T=8.52 N.m，起動時需要克服的最大靜摩擦力為15.34 N.m。

已知移動采集平臺的驅(qū)動輪的驅(qū)動直徑為D，則驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速n的計算公式為：

（3）

當移動采集平臺的運行速度v為0.8 m/s時，驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速為201 r/min。

3? ? 結(jié)語

文章主要進行移動采集平臺的總體設(shè)計以及驅(qū)動形式和電池的選擇研究工作。首先根據(jù)田間玉米地實際工況條件制定了兩套總體設(shè)計方案，二者擇優(yōu)選擇移動采集平臺B方案，且對B方案進行了較為詳細的說明解釋。然后對移動采集平臺的關(guān)鍵部件懸架機構(gòu)進行相關(guān)設(shè)計參數(shù)校核分析，經(jīng)過校核均滿足設(shè)計需求。通過計算匹配確定了移動采集平臺的動力總成部分，選擇了直流無刷電機作為驅(qū)動電機，為后續(xù)控制設(shè)計工作的開展奠定了基礎(chǔ)。

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[9]KAZOU A ，NIIYAMA.Analysis of toursimal stiffmess share rati of truck frame[J].Techniral Paper Series，1991（2）：18-21.

Design of mobile acquisition platform for maize

Jia Chaoyuan， Zhong Hongyu， Feng Yigong

（Jiangsu Shennong Agricultural Equipment Co.， Ltd.， Huaian 223001， China）

Abstract：The mobile acquisition platform designed in this paper is mainly used to sample and collect the characteristics of plant traits in the field. From the global point of view， it can collect the characteristics of plant traits by remote control mobile acquisition platform walking in the field. Therefore， according to the corresponding relation between the planting pattern in the field and the mobile acquisition platform design， the relevant design parameters of the mobile acquisition platform are determined， and the overall design scheme of the mobile acquisition platform structure is determined. The driving form is the key part of the platform， according to the boundary conditions such as mechanical design and driving requirements， the suitable driving mechanism and steering mechanism are selected.

Key words：mobile acquisition; remote control; driving form