果園作業(yè)平臺研究進(jìn)展分析*

繆友誼，陳小兵，朱繼平，袁棟，陳偉，丁艷

(農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京市，210014)

0 引言

我國是世界第一大水果生產(chǎn)和消費(fèi)國，2019年我國水果產(chǎn)量達(dá)到1.90億t，果園種植面積達(dá)122 767 khm2，較上年增長3.4%，其中超62%面積的果園位于丘陵山區(qū)[1]。

傳統(tǒng)果園以個(gè)體農(nóng)戶經(jīng)營為主，果樹種植較為分散且地塊面積較小，果樹生長周期中的修枝剪枝、疏花疏果、套袋以及采收等高位作業(yè)農(nóng)藝環(huán)節(jié)多以人工作業(yè)輔以攀爬果樹、搭建簡易扶梯等方式實(shí)現(xiàn)，勞動強(qiáng)度大、危險(xiǎn)系數(shù)高、作業(yè)效率低下，高位作業(yè)用工量占總用工量的50%以上[2]。

近年來，隨著土地集中流轉(zhuǎn)政策推進(jìn)，規(guī)模化、現(xiàn)代化果園的種植面積也逐步擴(kuò)大，其集中經(jīng)營的優(yōu)勢和經(jīng)濟(jì)效益逐步顯現(xiàn)。矮砧寬行密植、精細(xì)管理的現(xiàn)代果園種植模式為農(nóng)業(yè)機(jī)械進(jìn)入果園提供了條件[3]。果園作業(yè)平臺作為可參與果樹全程管理作業(yè)的通用性平臺，符合實(shí)現(xiàn)“一機(jī)多用”的設(shè)計(jì)思路和功能[4]。城市化的推進(jìn)導(dǎo)致果農(nóng)數(shù)量減少和老齡化情況嚴(yán)峻，采用果園作業(yè)平臺輔助人工作業(yè)不僅可以降低勞動強(qiáng)度，而且可以提高生產(chǎn)效率，保證人身安全。

本文介紹了國內(nèi)外果園作業(yè)平臺的研究現(xiàn)狀，在此基礎(chǔ)上對比分析了不同類型果園作業(yè)平臺及關(guān)鍵部件的優(yōu)勢及存在的問題，并提出果園作業(yè)平臺的發(fā)展建議。

1 果園作業(yè)平臺功能與分類

果園作業(yè)平臺是一種適用于不同果樹高度，可輔助工人實(shí)現(xiàn)連續(xù)修枝剪枝、疏花疏果、套袋采收等作業(yè)要求的設(shè)備。其主要包含行走、平臺升降、平臺擴(kuò)展、裝載以及調(diào)平等功能，行走功能用于搭載工人在果樹行間實(shí)現(xiàn)連續(xù)作業(yè)，平臺升降功能用于實(shí)現(xiàn)人員在果樹冠層不同高度保持停留并作業(yè)，平臺擴(kuò)展功能用于拓寬平臺作業(yè)寬度保證人員能夠靠近果樹內(nèi)部，裝載功能用于實(shí)現(xiàn)農(nóng)資或水果果箱的運(yùn)輸和轉(zhuǎn)場，調(diào)平功能用于提供人員作業(yè)時(shí)相對水平的工作場景，確保人員和設(shè)備安全。

從結(jié)構(gòu)型式上可分為懸掛式、牽引式和自走式三種；懸掛式和牽引式果園作業(yè)平臺依靠果園拖拉機(jī)作為動力，其具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、維護(hù)保養(yǎng)方便的特點(diǎn)，但也存在需額外配備果園拖拉機(jī)及整體工作尺寸大、轉(zhuǎn)向不方便等缺點(diǎn)；自走式果園作業(yè)平臺自帶動力，具有較高的靈活性和機(jī)動性，適合國內(nèi)絕大部分果園使用，但配備調(diào)平等功能的中高端機(jī)型則價(jià)格較貴。

三種類型果園作業(yè)平臺特點(diǎn)對比如表1所示。從表1可以看出，懸掛式適用于作業(yè)工作量較低的小型傳統(tǒng)果園，除需配備果園拖拉機(jī)外，其余維修保養(yǎng)成本較低；牽引式適用于大型現(xiàn)代化果園，對果園機(jī)耕道和行間距要求嚴(yán)格；自走式對不同地形和模式的果園均有較強(qiáng)的適應(yīng)能力。

表1 不同類型果園作業(yè)平臺特點(diǎn)對比Tab. 1 Comparison of the characteristics of different orchard working platforms

2 果園作業(yè)平臺研究現(xiàn)狀

國外果園作業(yè)平臺研究起步較早，歐美等西方國家早在20世紀(jì)60年代已經(jīng)開始相關(guān)研究與探索。其最先從傳統(tǒng)的高空作業(yè)平臺逐步發(fā)展而來，先后發(fā)展出單工位、多工位作業(yè)平臺(圖1)以及專用收獲平臺等機(jī)型[5]。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采用作業(yè)平臺的桃園工人修剪效率比使用扶梯的工人修剪效率平均提高了34%，收獲效率平均提高了59%；同時(shí)使用作業(yè)平臺的工人手臂抬高、軀干前彎、重復(fù)性、心率和自感勞累程度均低于使用梯子作業(yè)的工人，這使得果園作業(yè)平臺在歐美得到較大規(guī)模應(yīng)用[6-7]。日本則根據(jù)本國丘陵地形多的特點(diǎn)，發(fā)展出適應(yīng)本國地理?xiàng)l件的小型化果園作業(yè)平臺(圖2)[8]。

圖1 雙升降工位果園作業(yè)平臺

我國專門針對果園的作業(yè)平臺研究和使用起步比較晚，2007年由新疆機(jī)械研究院研制的LG-1型自走履帶式多功能果園作業(yè)機(jī)正式亮相，其主要由行走底盤和升降機(jī)構(gòu)組成，搭配空壓機(jī)、發(fā)電機(jī)及噴霧系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)果樹修剪、果園噴藥、果實(shí)采摘、果品運(yùn)輸及動力(照明)發(fā)電等功能[9]。在此基礎(chǔ)上李磊[10]研發(fā)了類似的履帶式作業(yè)平臺。王建超[11]設(shè)計(jì)了懸掛式丘陵山地果園作業(yè)升降平臺，其采用折疊臂式結(jié)構(gòu)升降并具有靜液壓調(diào)平功能，但工作平臺尺寸較小，僅能承載單人作業(yè)。王亞龍等[12-13]先后設(shè)計(jì)了牽引式果園采摘作業(yè)平臺，其包含6個(gè)工作位，僅限于水果采收作業(yè)環(huán)節(jié)使用。

圖2 緊湊型果園升降工作平臺

2.1 底盤系統(tǒng)

由于懸掛式作業(yè)平臺無需底盤系統(tǒng)，而牽引式作業(yè)平臺底盤為無動力底盤，其均采用輪式底盤確保牽引阻力最小化，因此本小節(jié)重點(diǎn)綜述自走式果園作業(yè)平臺底盤。

果園作業(yè)平臺底盤型式主要有輪式和履帶式兩種，根據(jù)動力類型又可分為內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動和電力驅(qū)動。輪式底盤大多采用充氣橡膠輪胎，具有良好的緩沖和減震性能，行駛阻力小、行駛速度高、機(jī)動性好，但在非鋪裝路面附著力小，通過性能較差；履帶式底盤支承面大、接地比壓小，具有良好的通過性和越障能力，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、質(zhì)量大，通常無減震結(jié)構(gòu)，多應(yīng)用于低速行駛場景。

基于種植模式和地域情況不同的特點(diǎn)，歐美地區(qū)使用大型果園作業(yè)平臺較為廣泛，其中大型作業(yè)平臺以輪式底盤為主，而小型作業(yè)平臺則主要采用履帶式底盤。意大利生產(chǎn)的CROSS系列輪式作業(yè)平臺，如圖3(a)所示，其采用液壓傳動裝置分別獨(dú)立控制4個(gè)車輪，同時(shí)可根據(jù)地形條件調(diào)節(jié)車橋改變底盤最小離地間隙和相對于地面的角度，縱向最大橫向調(diào)節(jié)角度可達(dá)15°，橫向最大橫向調(diào)節(jié)角度可達(dá)25°；意大利開發(fā)的SKY one系列履帶式作業(yè)平臺，如圖3(b)所示，在傳統(tǒng)履帶底盤基礎(chǔ)上，在前側(cè)增加2個(gè)主動支撐輪，并通過液壓油缸實(shí)現(xiàn)對主動支撐輪調(diào)節(jié)控制，同時(shí)底盤具有軌距主動調(diào)節(jié)功能，通過上述結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有效保證了底盤穩(wěn)定性和安全性。

(a) CROSS系列輪式作業(yè)平臺

國內(nèi)研究與國外類似，輪式底盤多用于中大型作業(yè)平臺，小型化作業(yè)平臺以履帶式底盤為主。郝朝會等[14]設(shè)計(jì)的四驅(qū)四轉(zhuǎn)向輪式底盤(圖4(a))，采用8檔機(jī)械式變速箱驅(qū)動行走、液壓驅(qū)動轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)，搭配升降平臺或風(fēng)送噴霧組件實(shí)現(xiàn)不同功能。西北農(nóng)林大學(xué)的候志偉[15]、鄒海兵[16]先后對設(shè)計(jì)的兩輪驅(qū)動作業(yè)平臺進(jìn)行了模型建立與仿真，并進(jìn)行了試制與試驗(yàn)。

在傳統(tǒng)履帶式底盤基礎(chǔ)上，國內(nèi)研究人員根據(jù)自身情況進(jìn)行了各種發(fā)展與創(chuàng)新。袁永偉等[17]設(shè)計(jì)的四履帶多功能農(nóng)用底盤結(jié)構(gòu)(圖4(b))，其兼顧輪式行駛阻力小和履帶式通過性好的特點(diǎn)，同時(shí)具備底盤離地間隙可調(diào)的功能，為履帶式底盤研究開拓了思路；王鋒等設(shè)計(jì)了一種驅(qū)動輪置頂?shù)娜锹膸焦麍@動力底盤(圖4(c))并進(jìn)行了測試驗(yàn)證，結(jié)果表明其最大爬坡角度為15°，最大跨越壕溝寬度為500 mm，最高跨越垂直障礙物高度為528 mm。

(a) 輪式底盤

隨著新能源技術(shù)的發(fā)展，科研人員也逐步轉(zhuǎn)向農(nóng)業(yè)機(jī)械電力化研究。采用電池+電機(jī)的結(jié)構(gòu)無需考慮傳動軸設(shè)計(jì)，輪轂電機(jī)的使用可有效節(jié)約底盤空間，電池則可以根據(jù)底盤重心要求靈活排布。國內(nèi)采用電機(jī)驅(qū)動的輪式底盤作業(yè)平臺還未見相關(guān)研究。趙林亭等[18]、崔志超等[19]分別設(shè)計(jì)了用于果園和溫室的自走式電動底盤作業(yè)平臺，其由兩組直流無刷電機(jī)通過減速機(jī)傳遞至左右兩側(cè)主動輪，進(jìn)而控制兩側(cè)履帶實(shí)現(xiàn)行走功能。

綜上所述，不同底盤關(guān)鍵技術(shù)對比如表2所示。國外輪式底盤技術(shù)發(fā)展和使用較為成熟，以O(shè)RSI為代表的歐美企業(yè)其產(chǎn)品種類豐富，其質(zhì)量經(jīng)市場驗(yàn)證可靠性較好；國外履帶式底盤則依靠其優(yōu)異的配套液壓產(chǎn)品和控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜功能，其技術(shù)先進(jìn)，價(jià)格昂貴。國內(nèi)企業(yè)也緊跟國外一流企業(yè)步伐，例如河北某公司等沿用仿制消化吸收再創(chuàng)新的路線，成功國產(chǎn)化了3GP-155型自走式果園作業(yè)平臺。在履帶底盤研究方向，我國科研人員重點(diǎn)對底盤機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)與試制，對履帶式功能擴(kuò)展與液壓集成技術(shù)研究較少，與國外同類產(chǎn)品還存在較大差距。

表2 不同底盤關(guān)鍵技術(shù)對比Tab. 2 Comparison of the critical technology of chassis

2.2 升降機(jī)構(gòu)

升降機(jī)構(gòu)主要分為剪叉式、曲臂式、直臂式和鏈條式等型式，果園作業(yè)平臺中使用較多的為剪叉式和曲臂式結(jié)構(gòu)兩種；剪叉式結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性高和承載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)；曲臂式結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)緊湊、轉(zhuǎn)向靈活等優(yōu)點(diǎn)，但其對控制穩(wěn)定性要求較高。

意大利開發(fā)的ZIP 25系列果園作業(yè)平臺(圖5(a))采用一級剪叉式結(jié)構(gòu)，最大舉升載荷為900 kg，搭配的二級伸縮油缸在保證舉升高度前提下，有效減少了底盤占用空間，結(jié)構(gòu)更加緊湊。韓國的Jang[20]設(shè)計(jì)了一種“之”型升降結(jié)構(gòu)(圖5(b))，通過兩組油缸分別控制兩組升降臂實(shí)現(xiàn)平臺的升降功能，實(shí)現(xiàn)最大提升高度為2 500 mm；其由剪叉式結(jié)構(gòu)變形發(fā)展而來，但升降臂為不對稱設(shè)計(jì)，易導(dǎo)致整體受力不均衡，同時(shí)此結(jié)構(gòu)導(dǎo)致作業(yè)平臺角度在升降過程始終處于變化狀態(tài)，增加了控制難度。

高楊等設(shè)計(jì)了由伺服電機(jī)驅(qū)動的多級剪叉機(jī)構(gòu)，其采用絲杠傳動控制升降機(jī)構(gòu)，有效減少了升降機(jī)構(gòu)的位置誤差。江世界等設(shè)計(jì)了果園用多級剪叉式單人操控升降管理機(jī)(圖5(c))并進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果表明其最大升高高度可達(dá)3.5 m。

買合木江·巴吐爾等[21]開發(fā)了曲臂式果園作業(yè)平臺，其最大提升高度達(dá)5 m；席遠(yuǎn)軍等[22]針對5 m以上高度果樹采摘困難的問題，設(shè)計(jì)了由兩組四連桿機(jī)構(gòu)鉸接組成的曲臂式水果采摘作業(yè)平臺(圖5(d))，其最大作業(yè)高度可達(dá)到12 m。

(a) 一級剪叉式

剪叉式結(jié)構(gòu)直上直下的運(yùn)動軌跡決定其作業(yè)半徑為圓柱形，作業(yè)平臺需配備平臺擴(kuò)展功能用于增加人員作業(yè)半徑；一級剪叉結(jié)構(gòu)舉升高度通常為≤2.5 m，2.5～5 m舉升高度需求可采用多級剪叉結(jié)構(gòu)，但隨著級數(shù)變多，其舉升穩(wěn)定性會變差。曲臂式結(jié)構(gòu)運(yùn)動軌跡為半球形，作業(yè)半徑可隨曲臂角度而改變，但需要配備兩路以上液壓油缸，在相同油缸行程條件下舉升高度更高；曲臂式結(jié)構(gòu)舉升高度通常超過5 m，其作業(yè)平臺往往是面積較小的單人作業(yè)平臺，更適宜深入柑橘等樹冠較大的果樹品種作業(yè)。

2.3 調(diào)平機(jī)構(gòu)與控制系統(tǒng)

調(diào)平系統(tǒng)旨在調(diào)節(jié)工作部件的角度，確保工作面處于相對水平狀態(tài)，其主要包含調(diào)平機(jī)構(gòu)、執(zhí)行部件和控制部件，自動調(diào)平還需平臺狀態(tài)檢測傳感器。調(diào)平技術(shù)在軍事和工程機(jī)械領(lǐng)域使用較為廣泛，隨著技術(shù)發(fā)展，農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域也逐漸引入該技術(shù)用于改善作業(yè)質(zhì)量，例如山地拖拉機(jī)和激光平地機(jī)等。

國外調(diào)平技術(shù)研究較早，其針對不同硬件開發(fā)出了適用各種場景的調(diào)平控制系統(tǒng)。瑞典某集團(tuán)將超聲波傳感器應(yīng)用到調(diào)平系統(tǒng)中用于控制瀝青攤鋪機(jī)作業(yè)平整度。華盛頓州立大學(xué)為除草機(jī)器人設(shè)計(jì)了帶有IMU的控制器模塊，通過傳感器獲得機(jī)器人的姿態(tài)信息，并經(jīng)計(jì)算后輸出長度變化量實(shí)現(xiàn)自動調(diào)平。美國某公司在坡地電液式聯(lián)合收割機(jī)車身調(diào)平系統(tǒng)基礎(chǔ)上，研發(fā)了全自動式車身調(diào)平聯(lián)合收割機(jī)。YI提出了一種激光調(diào)平平臺，通過激光測量技術(shù)獲得了更高的平臺調(diào)平精度。不同于其他作業(yè)部件，果園作業(yè)平臺調(diào)平功能直接影響人員所處環(huán)境，對提高操控性和人身安全性具有重要意義。

王小龍、劉大為等[23-24]設(shè)計(jì)了一種“方向+角度”的調(diào)平機(jī)構(gòu)，可在0～15°范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)平工作，但其必須先進(jìn)行橫軸方向回轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)，隨后進(jìn)行縱軸方向角度調(diào)節(jié)的兩次先后調(diào)平順序，調(diào)平過程繁瑣、無法適應(yīng)動態(tài)工作場景。楊傳龍等設(shè)計(jì)的多功能全液壓果園作業(yè)平臺，采用左右調(diào)平底盤與前后車橋同心鉸接結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)結(jié)果表明前后調(diào)平最大調(diào)平誤差為0.5°，左右調(diào)平最大調(diào)平誤差為1.5°。分析其調(diào)平精度差異較大原因可知，相同油缸伸縮量條件下，油缸位置離旋轉(zhuǎn)中心越遠(yuǎn)，其調(diào)節(jié)精度越高，為調(diào)平機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了借鑒。Fan等[25]以懸臂梁為基礎(chǔ)，在懸掛式作業(yè)平臺上設(shè)計(jì)了一種靜液壓三角調(diào)平結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)結(jié)果表明其最大載荷可達(dá)150 kg，提升過程中的調(diào)平誤差不超過2°。

劉凱等[26-27]設(shè)計(jì)了基于雙STC89C52單片機(jī)的調(diào)平系統(tǒng)，設(shè)計(jì)精度滿足2°，橫向、縱向極限角調(diào)平時(shí)間小于20 s。于泳超等[28]分析了增量式PID控制系統(tǒng)在不同干擾下的調(diào)平性能；房懷英等[29]以4點(diǎn)支撐的調(diào)平系統(tǒng)為基礎(chǔ)，對比了PID和模糊PID控制方法對調(diào)平精度和調(diào)平時(shí)間的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明模糊PID控制能顯著縮短調(diào)平時(shí)間；王冰[30]采用了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對調(diào)平系統(tǒng)進(jìn)行控制，并采用改進(jìn)PSO算法優(yōu)化PID神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)值，仿真結(jié)果表明PID神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制較經(jīng)典PID控制有較強(qiáng)的解耦能力，且調(diào)平速度有較大幅度提升。楊徑等采用了角度誤差控制調(diào)平法，通過檢測縱傾角和側(cè)傾角，計(jì)算調(diào)平油缸所需行程目標(biāo)值，虛擬樣機(jī)試驗(yàn)表明調(diào)平誤差最大不超過0.5°。

綜上所述，不同調(diào)平結(jié)構(gòu)對比如表3所示。國內(nèi)果園作業(yè)平臺的調(diào)平機(jī)構(gòu)以電液控制為主，因角度誤差調(diào)平策略控制簡單，使用最為廣泛。而控制系統(tǒng)以經(jīng)典PID算法為核心，結(jié)合模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等方法，使調(diào)節(jié)響應(yīng)速度和精度更高。

表3 不同調(diào)平結(jié)構(gòu)效果對比Tab. 3 Comparison of the effects of different leveling structures

2.4 安全性研究

果園作業(yè)平臺安全性研究主要集中在兩個(gè)方面，一是整機(jī)重心較高，導(dǎo)致易在平整但角度較大路面發(fā)生翻車事故；二是果園作業(yè)環(huán)境相對復(fù)雜，道路崎嶇，造成車輛本身角度變化劇烈引起的傾翻事故。

Schofield等[31]針對高重心車輛提出了一種基于側(cè)傾角的防側(cè)翻車策略，同時(shí)限制橫擺角速度和橫搖角，并通過控制器分配制動力防止車輛翻滾。Wang等[32]建立了具有橫向載荷轉(zhuǎn)移的7自由度車輛動態(tài)模型，提出了基于車輛姿態(tài)參數(shù)實(shí)時(shí)調(diào)整的車輛運(yùn)動穩(wěn)定性控制方法，并依托車輛比例模型進(jìn)行運(yùn)動穩(wěn)定性控制試驗(yàn)，研究結(jié)果表明車輛傾斜角度和角速度變化對車輛運(yùn)動穩(wěn)定性有較大影響，根據(jù)上述參數(shù)對車輛速度進(jìn)行控制，可以保持車輛的穩(wěn)定性，防止在運(yùn)動過程中傾覆。

劉奎等[33]對三輪自走式升降平臺進(jìn)行了安全性分析，建立了作業(yè)過程中三個(gè)輪胎受力的數(shù)學(xué)模型，得出了作業(yè)平臺在升降工作時(shí)整機(jī)不傾覆的結(jié)論，但其研究僅局限較為平坦的路面和機(jī)具靜止的條件下，不適用于坡道與動態(tài)過程。朱余清等[34]以提高整車抗側(cè)翻的性能為設(shè)計(jì)目標(biāo)，優(yōu)化了整車總體布置，并根據(jù)履帶式運(yùn)輸車的質(zhì)心高度，分析了樣機(jī)在各狀態(tài)下的縱向極限坡度角。

趙鵬等[35]將最大側(cè)傾穩(wěn)定角和橫向載荷轉(zhuǎn)移率(LTR)作為調(diào)平作業(yè)平臺傾翻穩(wěn)定性評價(jià)指標(biāo)，研究結(jié)果表明作業(yè)平臺調(diào)平后最大側(cè)傾穩(wěn)定角度值提高、LTR值降低，有效提高了作業(yè)平臺抗傾覆性和作業(yè)穩(wěn)定性。王永振等[36]以傾翻預(yù)警時(shí)間和橫向載荷轉(zhuǎn)移率為傾翻指標(biāo)，設(shè)計(jì)了防傾翻控制系統(tǒng)，采取主動制動和制動轉(zhuǎn)向兩種方式避免車輛傾翻，但可靠性有待進(jìn)一步驗(yàn)證。張昊等[37]以加速度、坡度為參數(shù)，采用“穩(wěn)定系數(shù)法”建立了防側(cè)翻預(yù)警系統(tǒng)，有效提高了作業(yè)人員和裝備的安全系數(shù)。張攀等[38]分析了不同工況下高空作業(yè)平臺中剪叉式舉升機(jī)構(gòu)所受載荷，并建立了剪叉式舉升機(jī)構(gòu)作業(yè)平臺剛?cè)狁詈夏Ｐ?。仿真結(jié)果表明，墜落沖擊力和周期作用力對剪叉式舉升機(jī)構(gòu)振動影響較大，對果園作業(yè)平臺安全作業(yè)提供了重要參考價(jià)值。

綜上所述，目前主要通過以下5種指標(biāo)反映車輛傾翻穩(wěn)定性，如表4所示。

表4 常用車輛穩(wěn)定性評價(jià)指標(biāo)Tab. 4 Common vehicle stability evaluation indicators

3 存在問題

隨著傳統(tǒng)果園改造的不斷推進(jìn)及果園專用機(jī)械新產(chǎn)品補(bǔ)貼范圍和力度逐步加大，果園作業(yè)平臺的市場及需求也越來越大。果園作業(yè)平臺作為配合人工及其他工作部件作業(yè)的重要輔助機(jī)械，雖然在實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)揮了積極作用，但仍存在較多不足。

3.1 專用底盤缺乏

國內(nèi)果園作業(yè)平臺在傳統(tǒng)農(nóng)用運(yùn)輸機(jī)具底盤基礎(chǔ)上發(fā)展而來，四驅(qū)四轉(zhuǎn)向輪式底盤由于機(jī)械式傳動底盤結(jié)構(gòu)限制，導(dǎo)致作業(yè)平臺不可避免出現(xiàn)類似卡車的車頭結(jié)構(gòu)，而小型履帶式底盤還存在整體接地長度短，導(dǎo)致其前后穩(wěn)定性反而不如側(cè)向穩(wěn)定性的問題。果園作業(yè)平臺對平臺初始高度和整機(jī)重心分布有著嚴(yán)格的要求，現(xiàn)有底盤結(jié)構(gòu)不適應(yīng)作業(yè)平臺需求，應(yīng)重視開發(fā)適用于高重心場景的專用果園作業(yè)平臺底盤，滿足底盤高度低、重心分布均勻的特殊要求。

3.2 關(guān)鍵部件性能差距大

國內(nèi)作業(yè)平臺與國外同類產(chǎn)品差距主要在于液壓機(jī)構(gòu)與控制等關(guān)鍵技術(shù)。國內(nèi)已有機(jī)具在平臺靜態(tài)調(diào)平性能方面與國外差距較小，調(diào)節(jié)精度可達(dá)1°以內(nèi)，但動態(tài)調(diào)平性能與國外同類機(jī)型差距較大。液壓泵、變量控制閥等零部件產(chǎn)品精度和質(zhì)量不能滿足調(diào)平精度和響應(yīng)時(shí)間需求，在動態(tài)性能調(diào)控控制方面，控制算法策略與調(diào)平速度、作業(yè)行走速度等匹配問題也是設(shè)計(jì)難點(diǎn)。

3.3 整機(jī)輔助配套裝備不完善

平臺擴(kuò)展性小，“一機(jī)多用”配套設(shè)備不完善?，F(xiàn)有果園作業(yè)平臺主要以載人作業(yè)為主，使用工具主要包含手持式梳花機(jī)、氣動修剪機(jī)、電動套袋機(jī)等，所用小型工具與果園作業(yè)平臺相互獨(dú)立，無依附關(guān)系，但其僅依靠自身動力無法滿足長時(shí)間作業(yè)需求，應(yīng)根據(jù)作業(yè)機(jī)具動力需求提供氣、電及液壓動力輸出端口。水果收獲環(huán)節(jié)已有的果實(shí)輸送與收集裝箱設(shè)備則無法與之安裝匹配，同時(shí)也無法實(shí)現(xiàn)平臺果箱裝卸貨功能，應(yīng)預(yù)留提供擴(kuò)展安裝接口及裝卸軌道。

3.4 宜機(jī)化改造需求和困難大

我國丘陵地區(qū)果園面積占比大，具備手動或自動調(diào)平功能的果園作業(yè)平臺最大調(diào)節(jié)角度多在20°以內(nèi)，可滿足平地及小坡度丘陵地區(qū)使用需求。而坡度在20°以上的丘陵地區(qū)無相匹配機(jī)型可用，過大的調(diào)節(jié)角度給機(jī)具設(shè)計(jì)造成更大的困難和挑戰(zhàn)，同時(shí)也無法保證整機(jī)安全性，亟需對大坡度丘陵山地果園宜機(jī)化改造，可參考傳統(tǒng)糧食種植中“陡坡+梯田”種植模式，為機(jī)具進(jìn)入行間作業(yè)提供便利條件，這為丘陵山地宜機(jī)化改造提出巨大挑戰(zhàn)。

4 展望

4.1 加強(qiáng)底盤研發(fā)

在目前農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合還不夠完善的情況下，可借鑒國外技術(shù)，加強(qiáng)專用底盤技術(shù)和產(chǎn)品研發(fā)，發(fā)展輪距/軌距可調(diào)式底盤結(jié)構(gòu)，拓寬使用場景，為農(nóng)機(jī)適應(yīng)農(nóng)藝要求提供了新思路。通過引入虛擬樣機(jī)等技術(shù)，快速實(shí)現(xiàn)果園作業(yè)平臺專用底盤產(chǎn)品系列化、多樣化。

4.2 創(chuàng)新電動作業(yè)平臺種類開發(fā)

新能源作為我國重點(diǎn)突破與發(fā)展方向之一，農(nóng)業(yè)機(jī)械也逐步引入新能源技術(shù)，結(jié)合果園作業(yè)平臺工作速度平緩、整機(jī)輸出功率平穩(wěn)、極限輸出功率時(shí)間短的工作模式，可在電動履帶式底盤研究基礎(chǔ)上，開展電動輪式底盤以及電動升降、電動調(diào)平等技術(shù)研究與開發(fā)，充分發(fā)揮新能源無尾氣和噪音污染的優(yōu)勢。

4.3 不斷優(yōu)化調(diào)平控制能力

隨著機(jī)—電—液的不斷融合發(fā)展，高精度的傳感器以及控制更精準(zhǔn)的液壓調(diào)節(jié)閥等液壓元器件應(yīng)用越來越廣泛，結(jié)合進(jìn)一步優(yōu)化的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能調(diào)平控制算法，使得整體調(diào)平性能更加完善，確保用戶獲得更好的安全保障和操控體驗(yàn)。

4.4 提高整機(jī)智能化水平

復(fù)雜的田間作業(yè)環(huán)境十分依賴人工判斷與干預(yù)，作為載人輔助作業(yè)機(jī)具，應(yīng)當(dāng)將安全性放在首要位置。隨著智能感知及智能導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展，智能化輔助安全技術(shù)也逐步應(yīng)用到農(nóng)業(yè)機(jī)械上，引入路徑規(guī)劃、自主導(dǎo)航、智能避障、主動調(diào)平等智能化技術(shù)提升機(jī)具操控性與安全性。

5 結(jié)語

在我國現(xiàn)代化果園面積逐步擴(kuò)大、用工成本也逐漸增大的背景下，如何提高綜合機(jī)械化率成為影響果業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重點(diǎn)因素之一，果園作業(yè)平臺作為有效提高田間管理生產(chǎn)效率的重要手段和工具，其發(fā)展具有重要意義。目前我國的果園作業(yè)平臺研究已有一定基礎(chǔ)，未來作業(yè)平臺仍以自走式結(jié)構(gòu)為主。針對現(xiàn)有機(jī)型無專用底盤、關(guān)鍵部件性能差距大、擴(kuò)展性不足、安全性差的問題，提出應(yīng)以保證作業(yè)人員安全為首要前提，著力完善和提高機(jī)器底盤與調(diào)平技術(shù)研究，引導(dǎo)整機(jī)向智能化程度高、適應(yīng)性強(qiáng)、擴(kuò)展性豐富方向發(fā)展的建議。