農(nóng)業(yè)機械底盤技術(shù)研究現(xiàn)狀與展望

王韋韋 陳黎卿 楊 洋 劉立超

(1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 合肥 230036； 2.安徽省智能農(nóng)機裝備工程實驗室， 合肥 230036；3.合肥綜合性國家科學(xué)中心人工智能研究院， 合肥 230036)

0 引言

我國農(nóng)機生產(chǎn)和擁有量居世界首位，2018年農(nóng)機總動力達到10.04億千瓦，總量近2億臺，其中拖拉機保有量2 240萬臺、聯(lián)合收獲機206萬臺，截止2019年綜合機械化率為69%。隨著工業(yè)化和城鎮(zhèn)化的加速發(fā)展，社會老齡化加劇、人工勞動成本不斷增加，發(fā)展以現(xiàn)代化、工廠化農(nóng)業(yè)為主體的生產(chǎn)模式成為當(dāng)務(wù)之急。在新形勢與背景下，《中國制造2025》實施綱要把智能農(nóng)機裝備列為重點發(fā)展的十大領(lǐng)域之一[1-2]；在“十四五”科技發(fā)展規(guī)劃中，工廠化農(nóng)業(yè)關(guān)鍵技術(shù)與智能農(nóng)機裝備也被列為重點研發(fā)計劃。

底盤總成是移動式農(nóng)業(yè)動力機械的重要組成部分，其性能直接影響整機的作業(yè)質(zhì)量和效率。底盤支撐、安裝驅(qū)動系統(tǒng)及各部件的總成，并接受驅(qū)動系統(tǒng)的動力，使農(nóng)業(yè)裝備在各種復(fù)雜環(huán)境下運動，不僅要在耕、播、管、收等生產(chǎn)環(huán)節(jié)正常行駛，而且通用底盤上還要安裝其他功能性機構(gòu)，從而實現(xiàn)苗木移栽、林果采收、產(chǎn)品分級、根莖切割等功能。因此，農(nóng)業(yè)機械底盤技術(shù)發(fā)展水平是體現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化和智能化程度的重要標(biāo)志，世界農(nóng)業(yè)裝備強國均將底盤作為智能農(nóng)機裝備研究發(fā)展的核心。

底盤是集傳動、行走、液壓、轉(zhuǎn)向、制動、機-電-液集成控制等技術(shù)于一體的動力機械移動平臺[3]，可以穩(wěn)定、高效、可靠地承載、牽引、外掛其他功能性農(nóng)機具，從而完成農(nóng)業(yè)生產(chǎn)任務(wù)。近年來，國內(nèi)外學(xué)者從“高效、智能、環(huán)?！钡冉嵌瘸霭l(fā)，在四輪驅(qū)動、動力換擋、無級變速、輪距可調(diào)、空氣懸架、懸浮車橋、線控轉(zhuǎn)向、制動防滑、底盤遙控等方面取得了創(chuàng)新性成果，對提升農(nóng)業(yè)裝備底盤作業(yè)性能具有重要意義。本文從傳動系統(tǒng)、行駛系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動系統(tǒng)及底盤遙控技術(shù)等方面闡述國內(nèi)外農(nóng)業(yè)機械底盤技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，結(jié)合不同應(yīng)用環(huán)境下的農(nóng)機底盤需求來分析各系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)的特點、基本原理及典型應(yīng)用，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合我國國情對農(nóng)業(yè)機械底盤技術(shù)的未來發(fā)展方向進行展望，為智能農(nóng)機裝備底盤設(shè)計提供參考。

1 農(nóng)業(yè)機械底盤傳動系統(tǒng)

1.1 布置方案

農(nóng)業(yè)機械底盤傳動系統(tǒng)布置形式按驅(qū)動類型可分為機械式、液力式和電力式[4]。機械式傳動系統(tǒng)是指由發(fā)動機提供動力，依次經(jīng)過離合器、變速箱、驅(qū)動橋、半軸，最后傳遞至車輪，主要適用于農(nóng)用拖拉機、收獲機等底盤傳動系統(tǒng)布置方案；液力式傳動系統(tǒng)是以液體作為傳動介質(zhì)，循環(huán)流動的動能或壓能變化來傳遞或轉(zhuǎn)換能量，主要適用于高地隙植保機、水田插秧機等底盤傳動系統(tǒng)布置方案；電力式傳動系統(tǒng)是指將電動機輸出的動力傳遞至傳動軸或驅(qū)動橋，或多輪轂電機直接驅(qū)動，目前中國一拖集團有限公司的超級無人拖拉機1號、農(nóng)業(yè)采摘機器人等裝備底盤均采用電力式傳動系統(tǒng)布置方案，圖1所示為不同驅(qū)動類型的農(nóng)機裝備。

1.1.1機械式驅(qū)動

機械式四輪驅(qū)動具有良好的越障性、牽引性、坡地穩(wěn)定性，廣泛適用于山區(qū)農(nóng)機底盤傳動系統(tǒng)布置方案，常見的機械式四輪驅(qū)動主要包括：全時四輪驅(qū)動、分時四輪驅(qū)動和適時四輪驅(qū)動。陳黎卿團隊[5-7]為了提高四輪驅(qū)動底盤動力性和行駛穩(wěn)定性，提出一種基于前后軸轉(zhuǎn)速差及車輪滑轉(zhuǎn)率實時觀測的軸間扭矩分配控制策略。張京等[8]針對農(nóng)用輪式機器人轉(zhuǎn)向方式單一、難以適應(yīng)田間地頭轉(zhuǎn)向等問題，設(shè)計了一種四輪獨立驅(qū)動轉(zhuǎn)向農(nóng)用輪式機器人。QUAN等[9]基于擴展阿克曼轉(zhuǎn)向原理設(shè)計了一種適用于作物行間行駛的四輪驅(qū)動移動式農(nóng)用信息獲取機器人。李勇等[10]通過對四輪驅(qū)動拖拉機牽引效率的分析，提出了影響四輪驅(qū)動拖拉機牽引效率的關(guān)鍵因素。

1.1.2液力式驅(qū)動

靜液壓驅(qū)動底盤具有輕量化、功率密度高、無級變速、轉(zhuǎn)向靈活性強等特點。英國國立農(nóng)機研究所于1956年成功研制第一臺液壓驅(qū)動的農(nóng)用拖拉機，20世紀70年代，歐美市場在自走式聯(lián)合收獲機上普及了靜液壓驅(qū)動系統(tǒng)。近年來，全液壓底盤驅(qū)動技術(shù)在國外先進高地隙植保機、高速插秧機、收獲機上得到大范圍應(yīng)用，并融合電子、信息等先進技術(shù)，使其性能得到大幅度提高[11-12]。張華等[13]為滿足復(fù)雜農(nóng)林環(huán)境下植保噴霧作業(yè)需求，提出了一種全液壓驅(qū)動的柔性智能化噴霧機底盤。WANG等[14]針對用液壓動力分流式無級變速拖拉機在啟動時換擋質(zhì)量不佳，基于換擋質(zhì)量的指令時間、離合器壓力控制指令電壓等參數(shù)提出了一種利用解映射得到控制參數(shù)的匹配規(guī)律。綜合文獻[15-16]可知，靜液壓驅(qū)動底盤利于實現(xiàn)自動化、智能化控制和遠程操縱，滿足對當(dāng)代農(nóng)業(yè)機械自動化、智能化的要求，具有廣闊的市場前景。

1.1.3電力式驅(qū)動

電力式驅(qū)動底盤具有低能耗、無污染、噪聲低、傳動效率高等顯著特點，符合新能源背景下電動農(nóng)機驅(qū)動底盤傳動系統(tǒng)布置方案，目前電力式驅(qū)動主要包括：傳統(tǒng)集中式驅(qū)動(直接替換內(nèi)燃機)、分布式驅(qū)動(直聯(lián)式電驅(qū)動車橋)、輪邊或輪轂電機驅(qū)動，采用鉛酸蓄電池供電和永磁無刷電機作動力源[17]。YUKO等[18]設(shè)計了一款功率10 kW純電動拖拉機，與等功率內(nèi)燃機驅(qū)動的拖拉機作業(yè)能耗對比試驗，田間行走和耕作所需的能源消耗可減少約70%。李同輝等[19]提出了一種純電動拖拉機的雙電機多模動力耦合驅(qū)動系統(tǒng)，實現(xiàn)多種驅(qū)動模式協(xié)調(diào)控制，提高整機驅(qū)動效率。劉路等[20]為了適應(yīng)煙草植保行農(nóng)藝要求，設(shè)計了一款四輪輪轂電機驅(qū)動的植保機移動平臺。為滿足復(fù)雜的田間作業(yè)需求，電機的適用性、電池的續(xù)航里程、專用的電力式驅(qū)動控制系統(tǒng)是未來電動農(nóng)業(yè)機械底盤的研究重點。

1.2 離合器

離合器在農(nóng)用機械傳動系統(tǒng)中是直接與驅(qū)動系統(tǒng)相連接的部件，其功用是保證底盤平穩(wěn)起步，減輕輪齒間的沖擊以及限制傳動系統(tǒng)過載。根據(jù)傳遞動力的方式分為摩擦式離合器、液力離合器等[21]。摩擦式離合器可分為單作用式和雙作用式，其中雙作用摩擦式離合器將動力同時傳遞至變速箱和動力輸出裝置(PTO)，主要適用于中小型拖拉機、收獲機傳動系統(tǒng)中，典型的有獨立操縱和聯(lián)動操縱的雙作用摩擦式離合器[22]。液力離合器通過施加壓力使得濕式摩擦片與片中間的油液擠出接合得很緊而傳遞扭矩，其中多片濕式離合器廣泛用于對平穩(wěn)性要求較高的自動變速器和無級變速器。廖湘平等[23]為了解決液粘調(diào)速離合器摩擦副偏磨問題，提出了一種新型雙活塞結(jié)構(gòu)液粘調(diào)速離合器；傅生輝等[24]針對大功率拖拉機動力換擋過程中濕式離合器充油壓力實際值與理想值之間存在偏差的問題，提出了一種基于緊格式動態(tài)線性化的離合器壓力無模型自適應(yīng)預(yù)測控制(Model free adaptive predictive control，MFAPC)算法，以實現(xiàn)離合器油缸壓力的跟隨控制。

1.3 動力換擋技術(shù)及變速箱

變速箱是農(nóng)業(yè)動力機械傳動系統(tǒng)的核心部件之一，直接影響整機的動力性、經(jīng)濟性、平順性和舒適性。20世紀80年代，動力換擋變速箱開始在拖拉機、收獲機動力傳動系統(tǒng)中得到應(yīng)用[25-26]。目前，國外大部分拖拉機廠商都提供帶有動力換擋變速裝置的拖拉機，如意大利蘭蒂尼(Landini)公司的Legend 系列，荷蘭Ford 公司的30 系列，法國雷諾公司的175-74T2系列，Caterpillar公司的Challenger65系列，美國Case公司的CX系列、Magnum系列，意大利Same公司的Silver系列等[27-29]。與國外相比，國內(nèi)的動力換擋技術(shù)比較落后，早期應(yīng)用于工程機械上，目前，中國一拖集團、福田雷沃重工、山東常林、五征集團、常州東風(fēng)和江蘇常發(fā)等農(nóng)機制造企業(yè)開展了拖拉機動力換擋技術(shù)的研究，并已有部分產(chǎn)品進入農(nóng)機市場[30-31]。

目前農(nóng)業(yè)機械底盤用變速器主要有以下幾種類型：動力換擋自動變速箱(Power shift transmission，PST)、液力機械式自動變速箱(Automatic transmission，AT)、電控機械式自動變速箱(Automated mechanical transmission，AMT)、液壓機械式無級自動變速箱(Hydro-mechanical continuously variable transmission，HMCVT)和靜液壓無級自動變速箱(Hydraulic static transmission，HST)[32-33]。表1列舉了國內(nèi)外典型農(nóng)用變速箱的種類、工作原理、特點及機型應(yīng)用情況。

表1 農(nóng)業(yè)機械底盤用典型變速箱工作原理、特點及應(yīng)用車型

動力換擋控制策略是自動變速箱的核心技術(shù)之一，隨著智能化控制技術(shù)的不斷進步，動力換擋控制策略也將朝著智能化方向發(fā)展，以油門踏板開度、發(fā)動機轉(zhuǎn)速和負載需求來確定最優(yōu)擋位，以適應(yīng)當(dāng)前的作業(yè)狀態(tài)[34-38]。同時，提高電液系統(tǒng)可靠性也是未來動力換擋智能控制的研究方向。

1.4 輪距可調(diào)式驅(qū)動橋

目前驅(qū)動橋分兩大類：輪邊行星減速結(jié)構(gòu)的驅(qū)動橋，主要適用于平原、旱地等環(huán)境下的農(nóng)機底盤；龍門式驅(qū)動橋，為非行星減速的雙極減速車橋，主要適用于園藝、水田等工作環(huán)境下的農(nóng)機底盤[39-40]。為了滿足不同農(nóng)作物種植行距的農(nóng)藝要求，能夠?qū)崿F(xiàn)動力底盤輪距根據(jù)作物行距自適應(yīng)調(diào)整，具有輪距可調(diào)功能的驅(qū)動車橋成為研究熱點，輪距可調(diào)式驅(qū)動橋插入底盤橫梁中，輪距調(diào)節(jié)油缸的活塞端通過油缸連接銷鉸接到底盤橫梁上焊接的油缸固定耳，輪距調(diào)節(jié)油缸的活塞桿端通過螺栓連接到驅(qū)動橋橫管底端的螺紋孔上，當(dāng)調(diào)節(jié)油缸伸縮時，驅(qū)動橋橫管就能在底盤橫梁內(nèi)滑動，從而實現(xiàn)底盤的輪距調(diào)節(jié)功能[41]。劉平義等[42]針對農(nóng)用底盤輪距隨農(nóng)作物行距變化而適應(yīng)性調(diào)整的技術(shù)需求，基于輪距調(diào)整聯(lián)動轉(zhuǎn)向原理，設(shè)計一種輪距可調(diào)式轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋，有效提高了農(nóng)用底盤在田間作業(yè)的適應(yīng)性。劉宏新等[43]以輕量化和高通過性為目標(biāo)，設(shè)計了一種適用于水田自走式驅(qū)動底盤的鋁制轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋。

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2 農(nóng)業(yè)機械底盤行駛系統(tǒng)

2.1 底盤調(diào)平系統(tǒng)

調(diào)平系統(tǒng)主要應(yīng)用于丘陵山區(qū)、果園等農(nóng)業(yè)機械底盤，根據(jù)底盤的傾斜程度計算出調(diào)節(jié)量，并通過液壓缸、懸架或輪距進行車身全向調(diào)平來適用作業(yè)地形。國外農(nóng)機底盤調(diào)平系統(tǒng)主要圍繞降低重心、控制車體等方向發(fā)展[44-45]。美國約翰迪爾公司研發(fā)了適用于坡地作業(yè)的聯(lián)合收獲機調(diào)平系統(tǒng)，通過控制供油回路通斷的方式，實現(xiàn)車體調(diào)平[46]。HOEHN等[47]研究了一種應(yīng)用于耕作機具的調(diào)平系統(tǒng),可實時調(diào)節(jié)耕作機具與地面的高度,有利于保持恒定的土壤切削深度。國內(nèi)主要圍繞果園升降平臺、農(nóng)機具全向調(diào)平控制系統(tǒng)、丘陵山地拖拉機調(diào)平系統(tǒng)研究較多，齊文超等[48]提出基于平行四桿機構(gòu)和雙車架機構(gòu)的車身橫/縱向調(diào)平方案，設(shè)計了一種基于雙閉環(huán)PID算法的全向調(diào)平丘陵山地拖拉機。金誠謙等[49]采用鉸鏈五桿機構(gòu)，結(jié)合電液控制技術(shù)，設(shè)計一種履帶式聯(lián)合收獲機全向調(diào)平底盤及其電液控制系統(tǒng)，實現(xiàn)底盤橫/縱向傾斜調(diào)整。

2.2 空氣懸架

懸架按照彈性元件的類型可分為螺旋彈簧懸架、空氣彈簧懸架和油氣彈簧懸架。圖2所示為獨立式立軸空氣彈簧懸架系統(tǒng)總成；目前，國外大部分噴霧機制造企業(yè)都提供帶有四輪獨立式空氣懸架系統(tǒng)的高地隙植保機，如John Deere、HAGIE、AGCO、AgriFac等自走式噴霧機企業(yè)[50-51]。與國外相比，國內(nèi)現(xiàn)代農(nóng)裝公司的ZWG-3000A、五征集團的ZWP4-2000高地隙自走式噴霧機懸架系統(tǒng)都采用獨立式空氣彈簧，中小機型懸架系統(tǒng)均采用螺旋彈簧或未安裝彈性元件。近年來，關(guān)于多氣囊、復(fù)合材料彈性元件研究受到較高的關(guān)注[52-53]。陳雨等[54]基于傳統(tǒng)的空氣懸架系統(tǒng)引入尼龍摩擦阻尼器，設(shè)計了一種適用于高地隙農(nóng)機底盤的獨立式立軸空氣懸架系統(tǒng)；王云超等[55]提出了一種基于體積壓縮率和體積壓縮速率的真實氣體多變指數(shù)模型，囊式蓄能器的氣體多變指數(shù)模型為更加準確研究油氣懸架系統(tǒng)真實特性奠定了基礎(chǔ)。YIN等[56]開展氣-油乳狀液的配方油對空氣懸掛支柱的非線性剛度和阻尼特性的影響，得出了乳狀液的體積模量和質(zhì)量密度隨氣體體積分數(shù)的變化規(guī)律。因此，空氣彈簧懸架具有非線性彈性特性好、懸架行程大、負載能力強、剛度和阻尼可調(diào)等特點，廣泛應(yīng)用超高地隙植保機底盤懸架系統(tǒng)。

2.3 農(nóng)用子午線輪胎

農(nóng)用輪胎是輪式移動底盤的核心部件之一，按照胎體結(jié)構(gòu)可分為斜交線輪胎和子午線輪胎，圖3所示為3種不同功用的農(nóng)用輪胎。由于農(nóng)用子午線輪胎具有出色的牽引力、自清潔能力、舒適性和路面操控靈活性等特點，成為農(nóng)業(yè)裝備輪胎的首選[57]。目前，世界農(nóng)用輪胎子午化率已達90%左右，歐洲輪胎技術(shù)組織標(biāo)準手冊在20世紀70年代已制定出農(nóng)業(yè)子午線輪胎系列和產(chǎn)品標(biāo)準，而我國農(nóng)用子午線輪胎仍處于逐步取代斜交線輪胎階段，截止2019年農(nóng)用輪胎子午化率僅65%左右。為突破制約我國農(nóng)用子午線輪胎發(fā)展的技術(shù)瓶頸，應(yīng)研發(fā)適用于水田高漂浮農(nóng)用子午線輪胎和旱田壟溝農(nóng)用子午線輪胎，改變國內(nèi)生產(chǎn)農(nóng)業(yè)子午線輪胎品種單一化的現(xiàn)狀，國內(nèi)玲瓏輪胎、中策橡膠、三角輪胎、昌豐輪胎等企業(yè)也開始研發(fā)生產(chǎn)農(nóng)用子午線輪胎[58-59]。2020年中國國際農(nóng)機展中，多款國產(chǎn)化農(nóng)業(yè)子午線輪胎方案亮相，其中拖拉機TM600、TM700、TM800系列子午線輪胎單寬胎、噴藥機TM150系列子午線輪胎、收獲機TM3000系列子午線輪胎的成功應(yīng)用，提升了終端用戶的使用便利性和高效性，從而大幅促進農(nóng)業(yè)耕作增產(chǎn)增收[60-61]。

2.4 農(nóng)用履帶

履帶移動式底盤具有接地比壓小、附著性能好、轉(zhuǎn)彎半徑小、越障能力強等優(yōu)點，在坡地、粘重、潮濕地及沙土地使用時性能顯著。按照履帶結(jié)構(gòu)形式可分為組合式履帶底盤和整體式履帶底盤。其中組合式履帶多用于履帶式農(nóng)業(yè)機器人底盤，常見的可分為帶履帶臂和不帶履帶臂2種，帶履帶臂的又被稱為履腿復(fù)合式機器人，整體式履帶多用于大功率、重負荷、山區(qū)農(nóng)業(yè)裝備底盤，如履帶自走式拖拉機、履帶自走式果園采摘機、履帶自走式行間噴霧機等[62-63]。根據(jù)履帶材料不同分為金屬履帶底盤和橡膠履帶底盤，橡膠履帶接地比壓低，對土壤破壞程度輕，尤其適于低濕地、沙壤土質(zhì)區(qū)作業(yè)。表2為不同結(jié)構(gòu)形式的履帶底盤結(jié)構(gòu)特點及應(yīng)用情況。

表2 農(nóng)用履帶分類

2.5 懸浮式轉(zhuǎn)向車橋

懸浮式前橋是指在剛性前橋的基礎(chǔ)上加裝帶有自動水平協(xié)調(diào)控制裝置和懸架剛性閉鎖裝置的懸浮機構(gòu)，其主要通過懸浮機構(gòu)的液壓油缸伸縮動作來緩和凹凸不平地面引起的沖擊載荷對底盤的沖擊，衰減由于路況與行駛速度相互作用而產(chǎn)生的低頻振動，從而達到底盤的緩沖、減振的效果。圖4為電控懸浮式轉(zhuǎn)向車橋結(jié)構(gòu)。目前，國外大功率輪式拖拉機底盤行駛系統(tǒng)均裝配懸浮式彈性前橋，約翰迪爾的6210R型拖拉機采用該類型前橋，提升農(nóng)用動力底盤前輪與地面的接觸效率，增加整機的行駛速度和穩(wěn)定性[64-65]。而國內(nèi)由于核心關(guān)鍵零部件研發(fā)能力不足，動力底盤前橋系統(tǒng)仍多數(shù)采用剛性前橋系統(tǒng)，拖拉機前橋系統(tǒng)仍多數(shù)采用剛性前橋系統(tǒng)，由于缺乏衰減振動的有效部件，很大程度上制約著拖拉機舒適性的提升，已難以適應(yīng)高端農(nóng)機的發(fā)展需求[66-68]。國內(nèi)學(xué)者對前橋懸架系統(tǒng)及關(guān)鍵技術(shù)的研究仍處于起步階段，且主要集中在懸架特性分析等方面。其中，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)毛恩榮團隊率先開展大功率拖拉機電控懸浮式前橋懸架系統(tǒng)振動控制研究，并設(shè)計了一種基于插裝式比例閥液壓系統(tǒng)回路的懸架參數(shù)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，可實現(xiàn)多種模式的前橋懸架阻尼調(diào)節(jié)[69]。

3 農(nóng)業(yè)機械底盤轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的功用是利用外部驅(qū)動力矩操縱轉(zhuǎn)向機構(gòu)使得農(nóng)機底盤按照既定的路徑方向行駛。隨著農(nóng)業(yè)裝備的智能化、高效化發(fā)展，農(nóng)機行駛和作業(yè)過程中對于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的要求也越來越高，農(nóng)業(yè)機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)類型有：機械式轉(zhuǎn)向、液壓助力轉(zhuǎn)向、電動助力轉(zhuǎn)向、電控液壓助力轉(zhuǎn)向以及線控轉(zhuǎn)向[70-71]。

3.1 液壓助力轉(zhuǎn)向

液壓助力轉(zhuǎn)向(Hydraulic power steering，HPS)具有輸出力矩大、轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性高、使用靈活和故障率低等優(yōu)點，是目前農(nóng)用高地隙底盤中主流的助力轉(zhuǎn)向技術(shù)，主要包括機械助力式液壓助力和全液壓助力兩種類型。其中齒輪齒條式和循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器為傳統(tǒng)液壓助力系統(tǒng)的重要組成部件[72-73]。國外19世紀初期開始研發(fā)液壓驅(qū)動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，Case Crop公司生產(chǎn)的Patriot 4430型噴霧機首次采用四輪液壓助力轉(zhuǎn)向。陳黎卿等[74]為了實現(xiàn)無人操作的輔助駕駛系統(tǒng)，在原有的高地隙植保機液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)基礎(chǔ)上并聯(lián)一套轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)，輔助駕駛狀態(tài)時，液壓油在優(yōu)先閥的作用下經(jīng)比例換向閥到達轉(zhuǎn)向油缸，工作時利用驅(qū)動控制器控制比例閥芯移動，實現(xiàn)對液壓油流量、方向的精確控制，完成輔助駕駛工況下的自動轉(zhuǎn)向。扈凱等[75]研制了一種適用于高地隙噴霧機的多模式液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，并采用PID控制算法和壓力補償系統(tǒng)確保變載荷下轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制精度和底盤穩(wěn)定性。

3.2 電動助力轉(zhuǎn)向

3.3 電控液壓助力轉(zhuǎn)向

電控液壓助力轉(zhuǎn)向(EHPS)是在傳統(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加電子控制系統(tǒng)，對系統(tǒng)的流量和轉(zhuǎn)閥等相關(guān)參數(shù)進行調(diào)節(jié)，從而改變轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的助力特性，降低損耗，靈敏度增加，穩(wěn)定性提高。按照液壓助力轉(zhuǎn)向閥體特性參數(shù)，控制類型分為電磁節(jié)流閥流量調(diào)節(jié)式、轉(zhuǎn)向閥扭轉(zhuǎn)剛度調(diào)節(jié)式、轉(zhuǎn)向閥閥口參數(shù)調(diào)節(jié)式。主要采用在常流量系統(tǒng)的高壓油路和低壓回路之間加上一個旁通電磁閥，電控單元控制電磁閥的可變閥口大小，實現(xiàn)轉(zhuǎn)向閥的流量調(diào)節(jié)[83-84]；張聞宇等[85-86]設(shè)計了一種摩擦輪式電控液壓助力轉(zhuǎn)向裝置，通過摩擦輪驅(qū)動拖拉機方向盤從而帶動全液壓助力閥轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)驅(qū)動拖拉機前輪轉(zhuǎn)向；施國標(biāo)等[87]基于無人駕駛模式設(shè)計了融合液壓助力轉(zhuǎn)向和電動助力轉(zhuǎn)向的電液復(fù)合轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，并提出一種自適應(yīng)雙閉環(huán)轉(zhuǎn)向跟蹤控制策略，有效降低轉(zhuǎn)向角度跟蹤誤差，具有隨速助力、主動回力等優(yōu)點；楊洋等[88]設(shè)計了基于直流電機與全液壓助力器直聯(lián)的自動轉(zhuǎn)向機構(gòu)及其電控系統(tǒng)。通過在轉(zhuǎn)向驅(qū)動電機輸出軸安裝電磁離合器和轉(zhuǎn)向柱扭矩傳感器實現(xiàn)人工駕駛模式和自動駕駛模式的自動切換，圖6所示為電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

3.4 線控轉(zhuǎn)向

線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(Steer-by-wire，SBW)取消了傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中轉(zhuǎn)向盤到轉(zhuǎn)向執(zhí)行器間的機械連接，實現(xiàn)底盤輕量化；SBW系統(tǒng)由路感反饋總成、轉(zhuǎn)向執(zhí)行總成、控制器以及相關(guān)傳感器組成[89-91]。圖7為線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)原理圖，路感反饋總成主要包括轉(zhuǎn)向盤、路感電機、減速器和扭矩轉(zhuǎn)角傳感器等。其中路感反饋控制策略是SBW系統(tǒng)中的核心技術(shù)，根據(jù)駕駛意圖、車輛狀況與路況等參數(shù)，通過CAN總線連接至ECU并實時輸出路感反饋力矩指令，實現(xiàn)農(nóng)機裝備轉(zhuǎn)向的完全自動化[92-96]。隨著定位導(dǎo)航、無人駕駛、無人作業(yè)等技術(shù)的發(fā)展，SBW系統(tǒng)逐漸成為農(nóng)業(yè)機械主流轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。劉軍等[97]設(shè)計一種基于GPS/INS數(shù)據(jù)融合的線控轉(zhuǎn)向農(nóng)業(yè)機械自動導(dǎo)航系統(tǒng)，上位機將位置、速度、姿態(tài)等信息利用CAN總線發(fā)送給主控制器，并根據(jù)相應(yīng)的路徑跟蹤控制策略計算出目標(biāo)前輪轉(zhuǎn)角，控制轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機驅(qū)動至目標(biāo)轉(zhuǎn)角。魯植雄團隊[98-99]設(shè)計一種拖拉機線控液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，并開展轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的靜態(tài)隨機轉(zhuǎn)動試驗、蛇形試驗、雙紐線試驗、穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗以及轉(zhuǎn)向瞬態(tài)響應(yīng)試驗，結(jié)果表明線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)綜合了液壓和線控技術(shù)的優(yōu)點，在保證大扭矩輸出的同時，又具有轉(zhuǎn)向靈敏、便于安裝等特點。

4 農(nóng)業(yè)機械底盤制動系統(tǒng)

主動制動系統(tǒng)有效減少了駕駛員制動過程中的經(jīng)驗性操作，實現(xiàn)制動精確化、智能化控制。高端農(nóng)業(yè)機械底盤集成電控制動防抱死系統(tǒng)(Anti-lock braking system，ABS)，在此基礎(chǔ)上，驅(qū)動防滑控制系統(tǒng)(Acceleration slip regulation，ASR)、電子穩(wěn)定系統(tǒng)(Electronic stability program，ESP)的發(fā)展極大提高了農(nóng)用車輛、拖拉機等的行駛安全性。目前，防滑和防側(cè)翻成為農(nóng)業(yè)機械底盤制動系統(tǒng)研究的熱點。

4.1 制動防滑技術(shù)

防滑控制系統(tǒng)主要包括制動防滑系統(tǒng)、驅(qū)動防滑系統(tǒng)兩種。其中制動防滑系統(tǒng)(ABS)是防止拖拉機等農(nóng)業(yè)機械在制動過程中車輪被抱死滑移，使得制動力達到最大，縮短制動距離，并且能夠提高制動過程中的底盤方向穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)向操縱能力；為防止拖拉機在起步、轉(zhuǎn)向、加速等驅(qū)動過程中車輪發(fā)生滑轉(zhuǎn)，部分學(xué)者將智能傳感控制理論引入到ABS、ASR研究領(lǐng)域[100-102]。馮彥彪等[103]依據(jù)整機實際參數(shù)構(gòu)建最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率的控制模型，基于模糊PID控制器作為滑轉(zhuǎn)率的控制器，實時監(jiān)測滑轉(zhuǎn)率的誤差以及誤差變化率來決定輸出轉(zhuǎn)矩大小，能夠滿足農(nóng)機底盤在復(fù)雜路面上的控制需要。毛罕平團隊[104-105]設(shè)計一種四輪液壓驅(qū)動高地隙底盤轉(zhuǎn)向防滑控制系統(tǒng)，并提出了基于轉(zhuǎn)速比差值的PID控制策略，系統(tǒng)調(diào)控平均誤差為1.25%，滿足轉(zhuǎn)速比差值為0.01～0.05的控制要求，能夠有效消除高地隙噴霧機轉(zhuǎn)向時打滑現(xiàn)象；陳黎卿等[106]提出了一種基于改進人群搜索算法PSO的拖拉機驅(qū)動防滑控制策略，實時更新目標(biāo)滑轉(zhuǎn)率，實現(xiàn)自適應(yīng)調(diào)整PID控制參數(shù)；周倩倩等[107]設(shè)計了全時四驅(qū)液壓驅(qū)動噴霧機模糊防滑控制系統(tǒng)，機具在高速行駛時，未開啟防滑控制時相對滑轉(zhuǎn)率均值為0.110，開啟后相對滑轉(zhuǎn)率均值為0.035。

4.2 防側(cè)翻技術(shù)

由于拖拉機、高地隙植保機等機體重心位置動態(tài)變化范圍較大，易發(fā)生側(cè)翻現(xiàn)象[108-109]。近年來學(xué)者圍繞農(nóng)機底盤側(cè)翻機理、傾翻保護裝置的自動部署及智能化設(shè)計開展研究。國內(nèi)外關(guān)于側(cè)翻機理的研究主要集中在拖拉機動力學(xué)行為特征描述與穩(wěn)定性評價等方面，由于模型約束條件較多，很難反映整機系統(tǒng)的全時動力學(xué)行為；將虛擬仿真技術(shù)與實驗等手段相結(jié)合，通過改進的橫向載荷轉(zhuǎn)移率、側(cè)翻預(yù)測時間、靜態(tài)穩(wěn)定系數(shù)等方法評價拖拉機側(cè)向穩(wěn)定性[110-111]；部分學(xué)者基于拖拉機前輪轉(zhuǎn)角、輪胎與地面的接觸狀態(tài)等來研究不同階段的拖拉機側(cè)翻特性，為側(cè)翻預(yù)警提供研究基礎(chǔ)，提高拖拉機的駕駛安全性[112-113]。金智林等[113]分析駕駛員因素影響汽車側(cè)翻穩(wěn)定性的機理，提出的融合駕駛員的人-車閉環(huán)系統(tǒng)差動制動防側(cè)翻控制策略，既可彌補駕駛經(jīng)驗不足又可克服駕駛員生理及心理的限制，有效提高汽車防側(cè)翻能力。秦嘉浩等[114-115]以反作用動量飛輪為執(zhí)行元件，提出了將動量飛輪置于拖拉機前部，取代傳統(tǒng)靜態(tài)配重的同時可主動提供防側(cè)翻力矩。裝備飛輪的拖拉機與無控制組對比可多次實現(xiàn)整機的防側(cè)翻控制，使整機防側(cè)翻性能得到明顯改善。張碩等[116]將前后輪輪胎類型、前配重質(zhì)量、前后輪距和機具位置6個影響因素作為控制因子，分析拖拉機斜坡直線行駛工況下側(cè)向穩(wěn)定性貢獻度，結(jié)果表明：對拖拉機斜坡上側(cè)前、后輪側(cè)向穩(wěn)定性影響最大的控制因子為前配重質(zhì)量和后輪距。

5 農(nóng)業(yè)機械底盤遙控技術(shù)

5.1 線控底盤

線控底盤系統(tǒng)是農(nóng)機裝備智能駕駛的核心技術(shù)之一，滿足遙控駕駛、自動駕駛的線控底盤控制器ECU作為智能農(nóng)機裝備的核心主控制單元，如圖8所示，通過CAN總線等方式與線控點火、線控油門、線控離合器、線控轉(zhuǎn)向、線控制動、線控換擋、線控空氣懸架等系統(tǒng)進行信息交互，通過對接收到的信息處理，判斷各個子控制單元和整機系統(tǒng)的行駛狀態(tài)，做出安全、合理的指令，從而使各個子控制單元協(xié)調(diào)、安全的工作，實現(xiàn)底盤遙控、自動駕駛的功能。目前，從執(zhí)行端來看，線控油門、線控轉(zhuǎn)向、線控制動等技術(shù)在農(nóng)機機械底盤上的應(yīng)用相對成熟[117]，實現(xiàn)底盤線控換擋的一個技術(shù)瓶頸是無級變速和動力換擋，德國采埃孚(ZF)公司、意大利卡拉羅(Carraro)等企業(yè)比較成熟的農(nóng)機用動力換擋技術(shù)及產(chǎn)品；目前國內(nèi)有中國一拖集團、福田雷沃重工、五征集團等主機企業(yè)和配套企業(yè)研究動力換擋技術(shù)。底盤線控技術(shù)的發(fā)展大大降低了駕駛員對移動底盤的操作參與度，是未來農(nóng)機裝備實現(xiàn)輔助駕駛、遙控駕駛及無人駕駛的基礎(chǔ)。

5.2 底盤遙控技術(shù)

底盤遙控技術(shù)指駕駛員利用遙控云端對移動底盤發(fā)送轉(zhuǎn)向、加速、制動以及具體底盤安裝附件的噴藥、采摘、升降等指令信號，實現(xiàn)農(nóng)機裝備云端遙控作業(yè)、智慧管理等功能；從傳播指令信號的載體大體可分為紅外線遙控、超聲波遙控和無線電遙控。受農(nóng)田作物遮擋的影響，無線電遙控技術(shù)具有無方向性、穿透力強、遙控距離遠等優(yōu)勢，成為農(nóng)業(yè)機械底盤云端管理中傳遞信號的首選；國內(nèi)外開展大量農(nóng)機裝備遙控技術(shù)應(yīng)用研究，主要采用的無線通信模塊有WiFi、LoRa網(wǎng)關(guān)、大功率網(wǎng)橋等[118-119]；基于線控底盤的基礎(chǔ)，主操縱端控制平臺根據(jù)人機交互界面觀察到的位于底盤上安裝的攝像頭實時回傳的田間環(huán)境及整機位姿信息，輸入方向盤轉(zhuǎn)角、踏板位移等指令到上位機，遠端車載控制單元通過無線網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)獲取指令并控制底盤實現(xiàn)遠程駕駛，同時不斷檢測各傳感器的信號以繼續(xù)調(diào)整各機構(gòu)轉(zhuǎn)角或位移。

6 展望

隨著5G移動互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等高端技術(shù)與現(xiàn)代制造業(yè)相結(jié)合，未來所預(yù)期的智能底盤的目標(biāo)設(shè)置是以優(yōu)化農(nóng)業(yè)裝備底盤可靠性、舒適性、安全性以及通用底盤平臺設(shè)計為研究重點，農(nóng)機底盤作為智能農(nóng)機裝備和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)信息化網(wǎng)絡(luò)的一個重要“橋梁”，未來應(yīng)從以下幾方面取得發(fā)展：

(1)加強基礎(chǔ)理論研究和關(guān)鍵零部件性能優(yōu)化

國內(nèi)雖然在農(nóng)業(yè)機械底盤技術(shù)與系統(tǒng)組成部件研發(fā)方面展開了相關(guān)研究，但是基礎(chǔ)理論研究方面有待于進一步突破完善，以大功率拖拉機底盤動力換擋控制規(guī)律為例，應(yīng)突破機械、電控、液壓等基礎(chǔ)研究，提升關(guān)鍵零部件制造工藝；以水田深泥腳插秧機底盤打滑工況為例，需要探究底盤輪胎-泥壤打滑互作機理，輪胎打滑狀態(tài)參數(shù)識別與前后扭矩分配控制策略等系統(tǒng)理論。農(nóng)機底盤基本都在潮濕環(huán)境下服役，常常與土壤、秸稈、雨水等接觸，銹蝕破損嚴重，現(xiàn)有的農(nóng)機底盤傳統(tǒng)系統(tǒng)部件(離合器、變速器、驅(qū)動橋等)的密封性差易產(chǎn)生零件腐蝕，因此，研制耐磨防腐密封基礎(chǔ)零件是保證底盤關(guān)鍵部件具備較佳性能的基礎(chǔ)。同時，底盤用關(guān)鍵零部件的標(biāo)準化、系列化、通用化程度相對降低，零部件的適應(yīng)性有待提高。因此，針對不同區(qū)域土壤特性、作業(yè)環(huán)節(jié)、適應(yīng)工況及技術(shù)需求的差異，進行同類底盤零部件歸并、參數(shù)分擋，構(gòu)建底盤通用件庫、標(biāo)準件庫、系統(tǒng)模塊庫，為實現(xiàn)農(nóng)機裝備底盤智能化設(shè)計提供支撐。

(2)底盤平臺化與輕量化設(shè)計

通用底盤平臺化設(shè)計是未來農(nóng)機裝備發(fā)展的要求及趨勢，根據(jù)適用水田、旱地、山區(qū)、果園、茶園、設(shè)施大棚等作業(yè)環(huán)境差異，實施通用底盤模塊化設(shè)計策略，將含子系統(tǒng)數(shù)量相同、作業(yè)環(huán)節(jié)類同的農(nóng)機裝備底盤平臺化，開發(fā)同功率級別的通用移動式動力底盤，通過更換輪胎和履帶、調(diào)整軸距、更換系統(tǒng)部件以及在底盤上安裝功能性附件等形式，實現(xiàn)通用底盤差異化功用；進一步加強探究影響覆蓋底盤產(chǎn)品范圍的關(guān)鍵因素和影響結(jié)構(gòu)性能的關(guān)鍵參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，實現(xiàn)不同種類底盤和不同規(guī)格的同類底盤的通用化設(shè)計；通過選用輕質(zhì)材料、優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計和選擇先進制造工藝等來降低油耗、增加續(xù)航里程，實現(xiàn)底盤輕量化設(shè)計。其中，高強度鋼、鋁合金和碳纖維復(fù)合材料等制造底盤傳動系統(tǒng)的變速箱、驅(qū)動橋殼體，懸架系統(tǒng)的控制臂、橫向穩(wěn)定桿、副車架鑄鋁等復(fù)合材料的使用將成為研究重點；隨著無人作業(yè)模式的推廣應(yīng)用，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)選用電動助力轉(zhuǎn)向及線控轉(zhuǎn)向有助于實現(xiàn)底盤輕量化，轉(zhuǎn)向器支架管柱、轉(zhuǎn)向電機殼體等部分使用鋁合金材料以期達到減重效果；制動系統(tǒng)集成化、行駛系統(tǒng)中鋁合金鑄旋、鎂合金鍛造車輪等是輕量化的方向。此外在新能源農(nóng)機裝備上，底盤減重可以增加續(xù)航里程，因此簡化傳統(tǒng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，發(fā)展直聯(lián)式電驅(qū)動車橋、輪轂電機驅(qū)動的新能源底盤技術(shù)是未來輕量化發(fā)展方向。

(3)底盤智能化控制與信息化管理

隨著定位導(dǎo)航、輔助駕駛、無人駕駛等技術(shù)在農(nóng)業(yè)裝備生產(chǎn)中應(yīng)用范圍的不斷擴大和全球智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的發(fā)展，農(nóng)機裝備底盤的信息化與智能化將得到更大幅度的提升，以智能化控制技術(shù)為核心，突破底盤各子系統(tǒng)作業(yè)狀態(tài)參數(shù)和作業(yè)環(huán)境感知傳感器的研究與開發(fā)，建立機內(nèi)機外多參數(shù)融合的智能調(diào)控策略決策，實現(xiàn)底盤精準、高效、穩(wěn)定行駛；結(jié)合智能感知、智能決策、智能驅(qū)動、智能管控等技術(shù)，底盤無人化、多機協(xié)同化作業(yè)將成為未來智能驅(qū)動底盤技術(shù)發(fā)展的新亮點和新方向。

底盤信息化管理是農(nóng)機高效作業(yè)基礎(chǔ)，不僅僅是農(nóng)機作業(yè)效率的提升，更是指整個農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的高效運行。底盤作為未來智能農(nóng)機裝備的“雙腿”，是整個農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的一個生產(chǎn)執(zhí)行單元，一方面，與生產(chǎn)者、企業(yè)或相關(guān)服務(wù)機構(gòu)相聯(lián)通，可實現(xiàn)對農(nóng)機裝備群體作業(yè)狀態(tài)的實時監(jiān)控，一旦底盤各子系統(tǒng)發(fā)生異常，則可及時采取應(yīng)對措施，同時，各種作業(yè)數(shù)據(jù)被上傳至相應(yīng)的服務(wù)器，經(jīng)綜合處理、分析后，分類入庫，對農(nóng)機裝備底盤的維護、故障預(yù)測以及同類產(chǎn)品的前期設(shè)計、后期升級換代均有極其重要的參考價值；另一方面，移動式智能農(nóng)機裝備與目標(biāo)用戶保持聯(lián)網(wǎng)通訊，可隨時響應(yīng)用戶的使用要求，按需分配機具類型、數(shù)量以及功率級別等，以最少的投入達到最佳的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益，實現(xiàn)有限農(nóng)業(yè)資源的最優(yōu)分配和高效利用，確保整個農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)高效。