一種果園除草底盤設(shè)計與仿真

曾俊豪 高巧明 黃貴東 張星 潘棟 姜丙超 黃東輝 曹鵬鋮

摘? 要：為現(xiàn)代化密植果園設(shè)計一款體積小巧、動作靈活、成本低廉的除草底盤結(jié)構(gòu).在介紹該底盤的整體結(jié)構(gòu)和工作原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計了可自動升降的變割草高度機(jī)構(gòu);對底盤的轉(zhuǎn)向性能、穩(wěn)定性能和越障性能進(jìn)行理論分析計算，使用有限元技術(shù)對底盤主體支撐框架進(jìn)行分析仿真.分析結(jié)果表明：在滿載四輪著地狀態(tài)下，最大變形發(fā)生在支撐框架中間，共振發(fā)生起始頻率為67 Hz;底盤可實現(xiàn)多種轉(zhuǎn)彎半徑轉(zhuǎn)向和原地轉(zhuǎn)向，最大越障高度為40.5 mm，可以在38°的坡面上穩(wěn)定工作，具有實際場景應(yīng)用價值.

關(guān)鍵詞：果園除草;底盤;設(shè)計;仿真

中圖分類號：TH6∶S22? ? ? ? ? ?DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2021.03.009

0? ? 引言

果園面積廣闊，土壤肥沃，果樹株間非常適宜雜草生長.雜草大量生長會和果樹搶奪養(yǎng)分，傳播病蟲害，極大影響果樹的生長和果品的產(chǎn)量和質(zhì)量.園間雜草管理不當(dāng)會導(dǎo)致果樹減產(chǎn)10%～20%[1]，因此，株間除草是林果業(yè)降低管理成本和增產(chǎn)豐收的重要舉措之一.

國內(nèi)外學(xué)者對除草底盤進(jìn)行了很多研究，開發(fā)了多種類型的除草機(jī)器人.劉承東等[2]研究了基于履帶式移動底盤的除草機(jī)器人，該機(jī)器人使用機(jī)器視覺技術(shù)識別雜草，控制機(jī)械手臂將雜草拔除.唐鵬飛等[3]研究了基于四驅(qū)麥克納姆輪的除草機(jī)器人移動平臺，研究出自動控制效率更高的控制算法，能更迅速移動到有雜草的位置，通過機(jī)械手臂將雜草拔除.但由于機(jī)械手臂作為除草的末端執(zhí)行器效率太低，并不適合實際除草場景的作業(yè)需求.

本文基于一款暢銷的手推油動果園除草機(jī)進(jìn)行數(shù)字化、自動化改造，增加了電驅(qū)動行走系統(tǒng)、油電混合增程系統(tǒng)和基于STM32主控芯片的控制執(zhí)行系統(tǒng)，可實現(xiàn)遠(yuǎn)程操控.該底盤具備以下特點：1）體積小，能夠很好地適應(yīng)矮化密植果園種植模式;2）行走機(jī)構(gòu)易于根據(jù)果樹種植特點進(jìn)行路徑規(guī)劃和除草作業(yè);3）具有較高的穩(wěn)定性能和一定的越障性能.針對上述問題，綜合考慮果園行間行走環(huán)境、相關(guān)農(nóng)藝要求和降低制造成本，選用輪式小車車架作為底盤主體支撐框架.

1? ? 除草底盤總體方案設(shè)計

1.1? ?整體結(jié)構(gòu)

相比較于手推油動果園除草機(jī)，該款果園除草底盤由小車車架、電機(jī)減速器、驅(qū)動電機(jī)、萬向輪、發(fā)動機(jī)、發(fā)電機(jī)等組成.手推油動果園除草機(jī)如圖1所示，果園除草底盤結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示.車架前端安裝萬向輪，后端安裝驅(qū)動輪，車架安裝小型燃油發(fā)動機(jī)和直流發(fā)電機(jī)，掛載可變高度割草機(jī)構(gòu).除草底盤外形尺寸參數(shù)如表1所示.

1.2? ?工作原理

該除草底盤由兩套能源系統(tǒng)組成：1）裝載蓄電池，蓄電池提供電能給驅(qū)動電機(jī)以及全部用電器，并儲存和平滑發(fā)電機(jī)所發(fā)出的電能;2）小型汽油發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的動力由離合器分別通過皮帶輪帶動直流發(fā)電機(jī)發(fā)電和通過花鍵嚙合將動力傳輸給割草? ? ?刀片.

變高度割草機(jī)構(gòu)的變割草高度調(diào)節(jié)通過主控芯片控制直線推桿，實現(xiàn)整套割草系統(tǒng)整體相對于地面高度變化[4].由于平行四桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動的性質(zhì)，通過該升降方式，割草刀片始終與地面平行，割草效果最好[5-6].變割草高度機(jī)構(gòu)交替運(yùn)動示意圖如圖3? ? ?所示.

2? ? 底盤性能分析

2.1? ?轉(zhuǎn)向性能

除草底盤采用兩側(cè)驅(qū)動差速實現(xiàn)不同轉(zhuǎn)彎半徑轉(zhuǎn)向[7-8].由于萬向輪具有隨動的特點，在轉(zhuǎn)向的過程中萬向輪的轉(zhuǎn)角受地面摩擦反作用力，輪子的旋轉(zhuǎn)中心指向O點.底盤在繞O點勻速旋轉(zhuǎn)過程中，萬向輪也隨之勻速擺動，保持其指向[9].除草底盤轉(zhuǎn)向分析示意圖如圖4所示.

如圖4（a）所示，當(dāng)內(nèi)外驅(qū)動輪速度[V1、V2]等大且同向時，萬向輪不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，保持直線行走狀態(tài).如圖4（b）所示，當(dāng)內(nèi)外驅(qū)動輪速度[V1、V2]大小不同但方向相同時，左右萬向輪由于隨動效應(yīng)產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)角度分別為[γ1、γ2]，繞速度瞬心[O]轉(zhuǎn)彎，實際的轉(zhuǎn)彎半徑[R]與內(nèi)、外驅(qū)動輪的速度差大小有關(guān)，內(nèi)外速度差越小，轉(zhuǎn)彎半徑越大，內(nèi)外速度差越大，轉(zhuǎn)彎半徑越小.如圖4（c）所示，當(dāng)內(nèi)外驅(qū)動輪速度[V1、V2]等大且反向時，繞速度瞬心[O]轉(zhuǎn)彎，實際的轉(zhuǎn)彎半徑[R]為寬度B的一半，實現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向，此時左右萬向輪由于隨動效應(yīng)產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)角度分別為[γ1、γ2].

2.2? ?越障性能

果園地面通常會有石塊、土包和草垛，為了保障除草底盤正常作業(yè)，需要擁有一定的越障性能.該底盤在園間作業(yè)時行走速度較慢，跨越障礙的過程可簡化為靜力學(xué)問題.建立力學(xué)模型分別分析除草底盤前輪越障和后輪越障工況[10-11].

2.2.1? ?前輪越障

除草底盤只有后輪有動力輸出，前輪只有支承作用，不能提供向前的牽引力.底盤前輪越障受力分析如圖5（a）所示.前輪越障時動力完全由后驅(qū)動輪與地面之間的摩擦力提供.前輪越障力學(xué)平衡方程為：

[μF2=F1cosβF1sinβ+F2=GGa+μF2DF2=F2Lsinβ=1-2H1DF]? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中： [F1]——障礙物對前輪法向作用力，[F2]——地面對后驅(qū)動輪法向作用力，G——整機(jī)質(zhì)心處所受重力，[μ]——地面附著系數(shù)，[β]——前輪與障礙夾角，[DF]——前輪直徑，[H1]——前輪越障高度.

聯(lián)立可得前輪越障高度為：

[H1=DF21-sinarctanL-μDF2-aμa]? ? ?（2）

2.2.2? ? 后輪越障

除草底盤后輪越障時動力由后驅(qū)動輪與地面間摩擦力和障礙物間摩擦力提供.底盤前輪越障受力分析如圖5（b）所示.后輪越障力學(xué)平衡方程為：

[μF2sinγ=F2cosγF2sinγ+μF2cosγ=GμF2DR2+F1L+μF2DR2=GL-bsinγ=1-2H2DR]? ? （3）

式中：[γ]——后輪與障礙夾角，[DR]——后輪直徑，[H2]——后輪越障高度.

聯(lián)立可得后輪越障高度為：

[H2=DR21-sinarctan1μ]? ? ? ? ? ? ? ? ?（4）

2.2.3? ? 越障性能分析總結(jié)

一般情況下，該除草底盤不會在天氣惡劣的情況下進(jìn)行除草作業(yè). 依據(jù)文獻(xiàn)[12]，當(dāng)?shù)孛娓稍飼r，地面附著系數(shù)可取[μ=0.8].測量底盤前輪直徑? ? ? [DF=180] mm，后輪直徑[DR=400] mm，根據(jù)表1技術(shù)參數(shù)，可計算出[H1=] 40.5 mm，[H2=44].0 mm.由于除草底盤只有后輪驅(qū)動，在園間實際運(yùn)行時，園間地面狀態(tài)、障礙物的類型以及是否為平地行走或者是在坡面上行走這些外部條件都會改變除草底盤實際跨越障礙的能力.

2.3? ?坡面穩(wěn)定性

丘陵山地果園種植坡面大小不等，除草底盤作業(yè)過程中的穩(wěn)定性會受坡面夾角大小的影響，不同附著系數(shù)的地面摩擦力與坡面夾角關(guān)系、底盤質(zhì)心高度與坡面夾角關(guān)系如圖6、圖7所示.假設(shè)除草底盤在坡面上不發(fā)生失穩(wěn)（傾翻和滑移），重點研究其傾翻臨界角和滑移臨界角[13-14].

2.3.1? ?縱向坡面穩(wěn)定性

圖8為除草底盤坡面穩(wěn)定性分析示意圖.當(dāng)除草底盤分別以上坡和下坡狀態(tài)縱向靜止于坡面上時，受力分析圖如圖8（a）和圖8（b）所示.即將發(fā)生橫向傾翻時，建立力學(xué)平衡方程：

[hGsinθPF=bGcosθPFhGsinθPR=aGcosθPR]? ? ? ? ? ? ? ? （5）

由式（5）可推導(dǎo)得到上坡發(fā)生縱向傾翻的坡面臨界夾角[θPF]和下坡發(fā)生縱向傾翻的坡面臨界夾角[θPR]分別為：

[θPF=arctanbhθPR=arctanah]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（6）

進(jìn)一步地，當(dāng)?shù)妆P即將發(fā)生縱向滑移時，其重力沿坡面水平方向分力大于或等于地面對車輪的摩擦反力，上坡縱向滑移臨界角[θSF]和下坡縱向滑移臨界角[θSR]滿足等式：

[μGcosθSF=GsinθSFμGcosθSR=GsinθSR]? ? ? ? ? ? ? （7）

可推導(dǎo)發(fā)生縱向滑移的坡面臨界夾角為：

[θSF=θSR=arctanμ]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （8）

除草底盤工況較為復(fù)雜，縱向傾翻和縱向滑移可能存在共同臨界夾角.分別研究上坡狀態(tài)與下坡狀態(tài)的臨界夾角，[θPF=θSF]，[θPR=θSR]，即：

[μF=bhμR=ah]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （9）

式中：[μF]——上坡狀態(tài)同時發(fā)生縱向傾翻和縱向滑移時的地面附著系數(shù)，[μR]——下坡狀態(tài)同時發(fā)生縱向傾翻和縱向滑移時的地面附著系數(shù).

由理論推導(dǎo)可知，當(dāng)工作所處的坡面夾角為[θ<θS<θP]時，該底盤既不發(fā)生縱向滑移，也不發(fā)生縱向傾翻;坡面夾角為[θS<θ<θP]，該底盤將在發(fā)生縱向傾翻之前發(fā)生縱向滑移;坡面夾角為[θP<θ<θS]，該底盤將在發(fā)生縱向滑移之前發(fā)生縱向? ? ?傾翻.

2.3.2? ? 橫向坡面穩(wěn)定性

除草底盤橫向靜止于與地面夾角為[θP']的坡面上，受力分析如圖8（c）所示.當(dāng)?shù)妆P即將發(fā)生橫向傾翻時，建立力學(xué)平衡方程：

[hGsinθP'=B2GcosθP']? ? ? ? ? ? ?（10）

由式（10）可推導(dǎo)得到發(fā)生橫向傾翻的坡面臨界夾角為：

[θP'=arctanB2h]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （11）

進(jìn)一步地，當(dāng)?shù)妆P即將發(fā)生橫向滑移時，其重力沿坡面水平方向分力大于或等于地面對車輪的摩擦反力，滑移臨界角滿足等式：

[μGcosθS'=GsinθS']? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（12）

可推導(dǎo)得發(fā)生縱向滑移的坡面臨界夾角為：

[θS'=arctanμ]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（13）

除草底盤工況較為復(fù)雜，橫向傾翻和橫向滑移可能存在共同臨界夾角，當(dāng)[θP'=θS']時，即：

[μ=B2h]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（14）

由理論推導(dǎo)可知：當(dāng)工作所處的坡面夾角為[θ<θS'<θP']時，該底盤既不發(fā)生橫向滑移，也不發(fā)生橫向傾翻;坡面夾角為[θS'<θ<θP']，該底盤將在發(fā)生橫向傾翻之前發(fā)生橫向滑移;坡面夾角為[θP'<θ<θS']，該底盤將在發(fā)生橫向滑移之前發(fā)生橫向? ? 傾翻.

2.3.3? ?坡面穩(wěn)定性總結(jié)

除草底盤在坡面作業(yè)時的傾翻角和下滑角與其自身的尺寸參數(shù)有關(guān)，需根據(jù)其相關(guān)的尺寸參數(shù)進(jìn)行計算.根據(jù)表1底盤尺寸參數(shù)，可計算得在坡面作業(yè)時的縱向極限傾翻角、橫向極限傾翻角和下滑角，可總結(jié)出該底盤在坡面作業(yè)時的穩(wěn)定性數(shù)據(jù).除草底盤穩(wěn)定性數(shù)據(jù)匯總?cè)绫?所示.

由計算得知，除草底盤在泥土坡面上作業(yè)時，其傾翻角和下滑角與底盤重心高度[h]、重心位置到支撐軸軸心的距離、泥土路面的附著系數(shù)[μ]相關(guān)聯(lián).分析得知：重心高度越低，底盤穩(wěn)定性越好;車軸寬度越大，底盤穩(wěn)定性越好.因此，盡量降低底盤重心位置是布置的關(guān)鍵.由表2數(shù)據(jù)可認(rèn)為該除草底盤在坡面夾角[≤]38.7°的斜坡上能保持正常工作姿態(tài)，不會發(fā)生傾翻或滑移.

根據(jù)對果園坡度的分析可知，坡度夾角在8°～15°范圍內(nèi)的果園在我國分布最廣，極少果園種植坡度超過35°，超過35°的果園已不適合種植果樹[15].故本除草底盤在坡面上工作的整機(jī)穩(wěn)定性能滿足國內(nèi)絕大部分果園除草作業(yè)的需求.

3? ? 底盤基架有限元仿真分析

底盤起到承載和安裝總成的作用，直接受到地面激勵，故底盤基架力學(xué)性能起到至關(guān)重要的作用.將底盤基架導(dǎo)入Workbench，設(shè)置材料為合金鋼，設(shè)置彈性模量為2.1×1011 N/m2，材料密度為? ?7 700 kg/m3，泊松比為0.28，屈服強(qiáng)度為6.2×108 N/m2.按照底盤最大整備質(zhì)量120 kg加載，對靜止?fàn)顟B(tài)下的底盤基架進(jìn)行靜應(yīng)力仿真分析，分析結(jié)果如圖9所示.

對底盤基架進(jìn)行無約束的自由模態(tài)分析，分析前9階結(jié)果，分析結(jié)果如圖10所示.

由圖可以看出，在底盤四輪著地狀態(tài)下，變形主要發(fā)生在基架鋼骨結(jié)構(gòu)上.根據(jù)受載仿真結(jié)果表明，最大變形處變形量為0.04 mm，設(shè)置較大余量是為了增強(qiáng)該底盤在非結(jié)構(gòu)性路面上的剛度，避免發(fā)生較大變形.分析該基架前9階自由模態(tài)，可認(rèn)為第7階自由模態(tài)為該基架共振發(fā)生的起始頻率，為67 Hz，而小型汽油發(fā)動機(jī)經(jīng)過二級減震，激勵振動的能量頻率約為30 Hz的低頻，底盤在進(jìn)行除草作業(yè)時低速行走，可以將地面激勵的振動忽略，故可認(rèn)為該基架避開共振發(fā)生頻率[16-17].該基架結(jié)構(gòu)能夠滿足果園除草的作業(yè)需求，也能作為后續(xù)迭代產(chǎn)品的開發(fā)平臺.

4? ? 結(jié)論

根據(jù)現(xiàn)代化密植果園種植模式，基于一款暢銷的油動手推式除草機(jī)進(jìn)行自動化改造，設(shè)計了一款除草底盤，對底盤性能進(jìn)行了理論分析，并對底盤基架進(jìn)行了有限元分析.分析結(jié)果表明：

1）該底盤可實現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向;縱向上、下坡極限傾翻角分別為63.4°和48.9°，橫向極限傾翻角為50.2°，極限滑移角為38.7°，前、后輪的越障高度分別為40.5 mm和44.0 mm.

2）最大變形發(fā)生在基架鋼管結(jié)構(gòu)中部;該底盤基架共振發(fā)生起始頻率為67 Hz，發(fā)動機(jī)激勵震動的頻率距離共振發(fā)生的頻率比較遠(yuǎn).

3）該底盤結(jié)構(gòu)性能參數(shù)滿足使用要求，可認(rèn)為對該款手推油動果園除草機(jī)的改造是成功的，為小型智能農(nóng)機(jī)裝備發(fā)展提供了研究思路.

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Design and simulation of a kind of orchard mowing chassis

ZENG Junhao， GAO Qiaoming*， HUANG Guidong， ZHANG Xing， PAN Dong， JIANG Bingchao， HUANG Donghui， CAO Pengcheng

（School of Mechanical and Traffic Engineering， Guangxi University of Science and Technology，

Liuzhou 545006， China）

Abstract： A small， flexible and low-cost mowing chassis structure has been designed for the modern? orchard which adapts to mechanization and high density planting.The overall structure and working principle of the chassis are introduced， and a variable cutting height mechanism that can automatically rise and fall is designed; the steering performance， stability performance and obstacle crossing? ? ? ? ? ?performance of the chassis are analyzed and calculated， and the finite element technology is used to