自走式遙控噴藥車的設(shè)計(jì)

楊一，張鋒偉，宋學(xué)鋒，許淵，王鋒，李青

（730070 甘肅省 蘭州市 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院）

0 引言

自走式遙控噴藥車可以在各類農(nóng)作物整個生長期內(nèi)不受限制地完成農(nóng)藥噴灑作業(yè)，尤其是針對胡麻作物的中后期植保作業(yè)，可以做到不傷苗、不壓苗，且噴灑效率高。由于是遠(yuǎn)程控制，可防止操作員中毒，適用于與胡麻等莖稈同高作物生長期的噴藥作業(yè)[1]。

在病蟲害防治和疾病控制以及植保機(jī)械領(lǐng)域，西方一些發(fā)達(dá)國家在這些方面的技術(shù)較完善，基本達(dá)到了自動化水平，而在我國尚處于起步階段，植保機(jī)械數(shù)量短缺，技術(shù)落后，功能單一，無法滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的植保要求。我國目前廣泛使用的噴藥機(jī)械以原始手動操作機(jī)械、小型化為主，主要有3WFZ-12 型自走高桿噴藥機(jī)[2]，3WPZ-1600 型玉米高架自走式噴藥機(jī)[3]，3WP-1200 型噴桿噴藥機(jī)等[4]。由于農(nóng)田與普通公路不同，對作業(yè)機(jī)械的動力性能和穩(wěn)定性要求較高，因此，研究和設(shè)計(jì)一種具有良好平臺動力和高穩(wěn)定性可遠(yuǎn)程控制的噴藥車具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

本文針對國內(nèi)外市場噴藥車的種類和特色以及發(fā)展現(xiàn)狀，結(jié)合相關(guān)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)，制定了自走式遙控噴藥車的整體設(shè)計(jì)方案，并對關(guān)鍵部件進(jìn)行了具體分析與研究。整機(jī)結(jié)構(gòu)大多采用鋼結(jié)構(gòu)，通過焊接與鉸接兩種方式組裝了整個噴藥車。應(yīng)用單片機(jī)技術(shù)和紅外遙感技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了自走式噴藥車機(jī)的行走、轉(zhuǎn)向、噴桿的升降折疊等遠(yuǎn)程控制以及噴藥車車輪橫向間距的調(diào)整[5]，以適應(yīng)不同的行距需求。噴藥架伸縮機(jī)構(gòu)可增大噴藥車噴灑作業(yè)面積[6]。根據(jù)胡麻機(jī)械化植保相關(guān)農(nóng)藝要求及機(jī)械化標(biāo)準(zhǔn)[7]，確定了整機(jī)及各部分的零件大小與尺寸，對自走式遙控噴藥車進(jìn)行了Solidworks 建模與試制[8]。試制完成后對整機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)彎半徑實(shí)驗(yàn)、爬坡性能實(shí)驗(yàn)以及整機(jī)胡麻田間噴霧試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：自走式遙控噴霧車在田間最小轉(zhuǎn)彎半徑為2.1 m，最大爬坡角度為40°，轉(zhuǎn)向靈敏，動力充沛，行駛穩(wěn)定，噴霧植保效果好，能夠滿足胡麻等高桿農(nóng)作物田間試驗(yàn)的要求。

1 自走式遙控噴藥車的設(shè)計(jì)

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

自走式遙控噴藥車的三維模型結(jié)構(gòu)如圖1 所示。噴藥作業(yè)時(shí)由操作員給出啟動信號，然后執(zhí)行相應(yīng)的操作，同時(shí)通過操作員遠(yuǎn)程遙控給出噴藥信號，噴藥泵開啟執(zhí)行噴藥作業(yè)。當(dāng)需要調(diào)節(jié)噴藥架高度時(shí)，操作員通過遙控器發(fā)出信號使第一電推桿接通電流，使活塞開始運(yùn)動帶動噴藥架的升降運(yùn)動；當(dāng)需要轉(zhuǎn)向時(shí)或倒車時(shí)，同樣由操作員給相應(yīng)的信號，通過傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)帶動車輪實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向和倒車。作業(yè)結(jié)束后，操作員可通過手持遙控器給出信號，使得第二電推桿通電，其活塞推動兩側(cè)噴藥架置于折疊狀態(tài)。另外，在作業(yè)前，為了適應(yīng)不同種植模式的胡麻作業(yè)噴藥需求，操作員可通過轉(zhuǎn)動絲桿、調(diào)節(jié)支腿伸出量來實(shí)現(xiàn)輪距的調(diào)節(jié)[9]。

圖1 整機(jī)三維模型Fig.1 3D model of whole machine

1.2 設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)胡麻機(jī)械化植保相關(guān)農(nóng)藝要求，確定的整機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 整機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main parameters of machine

2 關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)

2.1 整機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

自走式遙控噴藥車控制系統(tǒng)主要包括噴藥機(jī)的行走、轉(zhuǎn)向、噴桿升降、折疊，液位檢測和報(bào)警裝置。系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)框圖如圖2 所示，主要由單片機(jī)系統(tǒng)模塊、無線電遙控模塊、電源模塊、直流無刷步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊等組成。

圖2 系統(tǒng)硬件部分設(shè)計(jì)框圖Fig.2 System hardware design block diagram

通過分析各種單片微控制器在實(shí)際應(yīng)用中的優(yōu)缺點(diǎn)，系統(tǒng)選擇型號為STC80C52 的英特爾8位單片機(jī)，并設(shè)計(jì)了紅外芯片和其他器件的模型。單片機(jī)最小系統(tǒng)的主要作用是為系統(tǒng)提供振蕩時(shí)鐘、電源和硬件復(fù)位功能?？刂葡到y(tǒng)主要結(jié)構(gòu)如圖3 所示。單片機(jī)資源分配見表2。

圖3 控制系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Main structure diagram of control system

表2 單片機(jī)資源分配表Tab.2 SCM resource allocation

2.2 無線電遙控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

自走式噴藥車的遙控部分采用紅外遙控技術(shù)，它是利用無線電信號作為遙控指令來完成各種指定動作，一般由發(fā)射器和接收器兩部分組成，本系統(tǒng)選用 HT6421 型紅外芯片。當(dāng)操作員按下命令鍵后，通過編碼電路對命令鍵進(jìn)行編碼，再傳給調(diào)制電路將命令密鑰調(diào)制到適當(dāng)?shù)男盘栴l帶，通過放大電路將信號放大，接收器接收并驗(yàn)證信號，然后通過解調(diào)電路、解碼電路將信號轉(zhuǎn)換成微處理器可以接收的信號用于讀寫[10]。

發(fā)射器電路選擇HT6221 20/SOP 解碼芯片，X1 和X2 作為455 kHz 諧振輸出，VDD 和VSS連接到電源的接地引腳，DOUT 是數(shù)據(jù)地址的輸出端口，AIN 是低位地址碼的掃描輸入端，R1-R4 和C1-C8 分別是垂直和水平鍵盤矩陣，D7 是二進(jìn)制系統(tǒng)的最高數(shù)據(jù)位。

根據(jù)噴藥車實(shí)際需求，在發(fā)射模塊中設(shè)計(jì)了9 個按鍵，9 個按鍵的分配見表3。

表3 按鍵名稱功能表Tab.3 Key names and functions

行走轉(zhuǎn)向裝置的工作原理如圖4 所示。工作時(shí)，操作員通過遙控器給出信號，主控制單元接收到信號后，接通電機(jī)電源啟動電機(jī)，將動力傳輸?shù)綔p速器驅(qū)動車輪向前行駛[11]。行駛過程中，當(dāng)路面平整度較差時(shí)，通過車前的前橋擺動仿形結(jié)構(gòu)可以保證整機(jī)水平狀態(tài)，同時(shí)也有效防止了藥箱內(nèi)藥液外濺撒漏。當(dāng)操作員給出倒車或者停車信號時(shí)，主控單元接收到信號控制電機(jī)斷電或反轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)停車和倒車。

圖4 行走轉(zhuǎn)向裝置示意圖Fig.4 Walking steering device

噴桿升降折疊裝置的工作原理如圖5 所示。操作人員給出信號，主控單元接收信號并發(fā)出信號使電推桿通電。當(dāng)一級電推通電伸縮時(shí)，驅(qū)動四桿機(jī)構(gòu)連接桿擺動，實(shí)現(xiàn)噴桿整體的升降[12]。升降過程為：當(dāng)主支架兩側(cè)二級電推桿完全伸出時(shí)，翼支架在推力作用下轉(zhuǎn)動，直到與主支架夾角為0°，此時(shí)翼支架呈展開狀態(tài)；當(dāng)二級電推桿完全回縮時(shí)，翼支架在推桿拉力作用下旋轉(zhuǎn)至收攏狀態(tài)，此時(shí)與主支架夾角為90°。

圖5 噴桿升降折疊裝置Fig.5 Boom lifting and folding device

3 自走式噴藥車的性能試驗(yàn)分析

根據(jù)前期的整機(jī)總體方案要求以及三維模型設(shè)計(jì)，對遠(yuǎn)程遙控式噴霧車進(jìn)行了試制。為了驗(yàn)證整機(jī)在加速行駛、恒速行駛、轉(zhuǎn)向停車、噴桿升降、噴桿折疊等過程的可控性以及人機(jī)結(jié)合效果，對其進(jìn)行了相關(guān)的調(diào)試和試驗(yàn)驗(yàn)證。3WP4-1100 型自走式噴藥車試驗(yàn)主要為整機(jī)性能試驗(yàn)，包括行駛轉(zhuǎn)向、爬坡性能以及胡麻田間行駛噴霧實(shí)驗(yàn)。整機(jī)性能實(shí)驗(yàn)場地選擇在陜西惠途智能裝備有限公司實(shí)驗(yàn)基地，胡麻田間行駛噴霧試驗(yàn)是在甘肅省白銀市景泰縣條山農(nóng)場試驗(yàn)基地進(jìn)行的。

試驗(yàn)結(jié)果表明：整機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)、轉(zhuǎn)彎靈活可靠，行駛過程中未發(fā)生翻車失速現(xiàn)象，噴霧效果良好，經(jīng)過一定時(shí)間的觀察，植保效果也良好。同時(shí)，通過操作員遙控噴桿能平穩(wěn)實(shí)現(xiàn)升降和折疊。整個測試過程主控信號接收和反饋迅速，每一環(huán)節(jié)都可通過遙控精準(zhǔn)控制。整機(jī)初步達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，已具備田間試驗(yàn)的相關(guān)條件。

4 結(jié)論

在胡麻等植物的生長過程中，對于其病蟲害的防治是重要的環(huán)節(jié)之一。本文通過分析現(xiàn)有的國內(nèi)外植保機(jī)械現(xiàn)狀以及胡麻機(jī)械化植保作業(yè)過程中存在的操作靈敏性差、機(jī)器運(yùn)輸困難、自動化程度低、藥物對操作人員的傷害等問題，設(shè)計(jì)了一種可遠(yuǎn)程遙控的自走式噴藥車，通過對整機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)、性能試驗(yàn)等展開研究，得出以下結(jié)論；

（1）通過對3WP4-1100 型自走式噴藥車整機(jī)的設(shè)計(jì)，給出了系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)和相關(guān)農(nóng)藝要求，并描述了控制系統(tǒng)、無線遙控系統(tǒng)、噴桿升降裝置、轉(zhuǎn)向裝置等關(guān)鍵部件的基本設(shè)計(jì)原理。

（2）根據(jù)前期的整機(jī)總體方案要求以及三維模型設(shè)計(jì)，對遠(yuǎn)程遙控式噴霧車進(jìn)行了試制，試制完成后對整機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)彎半徑實(shí)驗(yàn)、爬坡性能實(shí)驗(yàn)以及整機(jī)胡麻田間噴霧實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：遠(yuǎn)程遙控式噴霧車在田間最小轉(zhuǎn)彎半徑為2.1 m，最大爬坡角度為40°，轉(zhuǎn)向靈敏、動力充沛、行駛穩(wěn)定、噴霧植保效果好等能夠滿足胡麻等高桿農(nóng)作物田間實(shí)驗(yàn)的要求。

但是通過模擬仿真分析發(fā)現(xiàn)，遠(yuǎn)程遙控自走式的噴藥車機(jī)身在前進(jìn)過程中存在顛簸，運(yùn)行速度時(shí)刻發(fā)生變化，但總體保持平穩(wěn)狀態(tài)，這主要是輪胎接觸的顆粒床體狀況不同所致，需要進(jìn)一步研究整機(jī)在作業(yè)過程中如何避免顛簸和振動。在整機(jī)性能試驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，整機(jī)控制靈敏性較好，能基本實(shí)現(xiàn)啟停、轉(zhuǎn)向、噴藥、噴桿升降、折疊等功能，但在行走轉(zhuǎn)向過程中出現(xiàn)了車輪同步性差和轉(zhuǎn)向卡頓問題，因此有必要進(jìn)一步改進(jìn)整機(jī)的驅(qū)動方式與轉(zhuǎn)向方式。