多功能果園遙控作業(yè)平臺的研究

河北農(nóng)業(yè)大學(xué)現(xiàn)代科技學(xué)院 佟嘉瑋 江東博 姚文特 楚若于 孫立成 李孟玉 萬一

1 研究多功能果園遙控作業(yè)平臺的意義

近年來，隨著農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化調(diào)整和農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化的快速發(fā)展，蘋果已成為推動農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展和我國蘋果優(yōu)勢區(qū)及特色產(chǎn)區(qū)農(nóng)民脫貧致富、鄉(xiāng)村振興的支柱產(chǎn)業(yè)。先進的果園機械裝備是節(jié)約資源消耗、提高經(jīng)濟效益、降低勞動強度、提高生產(chǎn)效率、提升果品品質(zhì)的重要保證。然而，我國現(xiàn)階段的果園機械裝備水平不能很好地滿足果園地形復(fù)雜及“輕簡、省力、高效、安全”的果園生產(chǎn)實際需求，已成為掣肘我國果園產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的瓶頸問題。

為適應(yīng)現(xiàn)代果園管理精細化、生產(chǎn)高效化的發(fā)展需求，本項目面向河北“重點發(fā)展的7大類特色產(chǎn)業(yè)之一的水果產(chǎn)業(yè)”及“加快推進農(nóng)業(yè)機械化和農(nóng)機裝備產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級實施意見中提及的18種重點農(nóng)業(yè)機械之一的果品機械”，針對目前我國矮砧密植果園生產(chǎn)機械化水平低、勞動強度大、生產(chǎn)效率低、作業(yè)危險性高等現(xiàn)狀，研發(fā)一款輕簡省力、安全可靠、便捷實用的多功能果園生產(chǎn)遙控電動作業(yè)平臺，項目選題符合國家及河北省相關(guān)產(chǎn)業(yè)政策及社會需求，項目研究成果可有效減少果園用工、提高作業(yè)效率、改善工作環(huán)境，對發(fā)展綠色果業(yè)、改善生態(tài)環(huán)境、提升果品質(zhì)量、提高果業(yè)效益等具有重要意義。

2 多功能果園遙控作業(yè)平臺的設(shè)計原理

2.1 作業(yè)平臺動力系統(tǒng)及線路設(shè)計

依據(jù)作業(yè)平臺的工作環(huán)境及其最大作業(yè)速度、最大爬坡角度、續(xù)駛里程等主要技術(shù)參數(shù)，對電池、驅(qū)動電機、電機控制器等進行選型計算。

2.2 作業(yè)平臺機械系統(tǒng)設(shè)計

作業(yè)平臺行駛系統(tǒng)（車架、車輪、前后車橋）、傳動系統(tǒng)（變速器、減速器、差速器、半軸）、制動系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、防傾翻機構(gòu)等關(guān)鍵機構(gòu)及其零部件的設(shè)計計算與仿真分析。

圖1 變速器

圖2 差速器

2.3 作業(yè)平臺控制系統(tǒng)設(shè)計

硬件系統(tǒng)設(shè)計。主要包括電源、驅(qū)動電機、PC機、無線視頻接收器、無線控制指令發(fā)射器、視頻采集卡、視頻發(fā)射器、控制信號接收器、驅(qū)動繼電器、傳感器等硬件的選型與匹配性設(shè)計。

圖3 無線視頻接收器

圖4 驅(qū)動繼電器

2.4 作業(yè)平臺樣機試制及性能測試

依據(jù)最終確定的設(shè)計方案，進行標準件采購及關(guān)鍵零部件加工，完成作業(yè)平臺整機裝配與調(diào)試；對作業(yè)平臺樣機的行走、制動、自動調(diào)平、防傾翻及電控性能、安全性能等進行測試分析，對不足之處進行優(yōu)化與改進。

3 多功能果園遙控作業(yè)平臺要點

3.1 不同的地形裝置的選擇

果園規(guī)劃合理，平整度和通過性較好的果園作業(yè)平臺行走機構(gòu)一般采用輪式機構(gòu)，相較于履帶式行走機構(gòu)，輪式機構(gòu)具有行走速度快操作簡單后期維護成本低等優(yōu)點[1]，升降機構(gòu)主要有剪叉式折臂式堯階梯式和伸縮臂式等類型。果園分布于丘陵山區(qū)，苗木行株距設(shè)置小，因此，作業(yè)平臺要尺寸小且多用履帶式行走機構(gòu)，履帶式結(jié)構(gòu)相較于輪式機構(gòu)速度慢但更加穩(wěn)定，以樞軸式擺動懸掛機構(gòu)作為行走裝置的履帶底盤自走式采摘車，該車特點是輪距寬，重心低，爬坡能力強，越溝性能較好，行走穩(wěn)定性高，適用于15度~30度的坡地。

圖5 樞軸式擺動懸掛機構(gòu)

3.2 人員與機械配備

果園的操作者多為農(nóng)民，文化程度普遍偏低，這就要求平臺操作方法簡單、可靠性高、便于維護修理。在對現(xiàn)代果園進行修剪，疏花疏果，果實采摘等作業(yè)時，工作人員往往需要到距離地面一定高度的地方作業(yè)，勞動難度大，安全性難以保障。同時，隨著城市化進程的加快，果農(nóng)老齡化現(xiàn)象嚴重，勞動力身體素質(zhì)下降，因此，農(nóng)機裝置要簡單可靠，易操作，安全性高。現(xiàn)代化蘋果園必然是機械化作業(yè)的果園，要求果園農(nóng)事操作技術(shù)極大簡化，用工量減少，水肥施用可實現(xiàn)與樹體生長規(guī)律一致的可控性施用，利用率提高。

3.3 功能要求

農(nóng)機功能要全面，履帶式多功能果園作業(yè)平臺特點是一機多用（采摘，修剪，噴藥，運輸，動力發(fā)電等）、1.5 m內(nèi)自由升降、配備的可拆卸式發(fā)電機可為平臺作業(yè)或照明提供用電、低地隙底盤保證其通過性好、可實現(xiàn)360度原地轉(zhuǎn)向。平臺采用平行四連桿升降機構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，升降過程平穩(wěn)，可通過遙控控制平臺在丘陵山地靈活作業(yè)，采用雙向調(diào)平模式保證平臺始終處于水平位置，可對整機部分進行拆卸并完成噴藥、開溝施肥的功能。在遙控方面，裝置可通過遙控器在60 m范圍內(nèi)控制平臺轉(zhuǎn)向、前進、停車、左右伸展。該平臺可加大作業(yè)人員采收范圍并提高作業(yè)效率[2]。

3.4 技術(shù)要求與結(jié)構(gòu)設(shè)計

平臺進行升降和行進作業(yè)時采用機電液一體化控制策略，即電動控制，液壓傳動，機械執(zhí)行。軟件方面，該平臺采用液壓傳動、電液比例技術(shù)以及模糊PID控制方案為整體控制策略，并采用STM32單片機為核心控制芯片。硬件方面，該平臺采用了適當?shù)膫鞲衅鲗舨媸缴禉C構(gòu)進行實時監(jiān)控，提高了作業(yè)安全性，并且采用合適的液壓元件搭建了升降模塊的液壓回路，該設(shè)計的優(yōu)點是操作簡單，可實時監(jiān)控保證平臺運行穩(wěn)定，具有自適應(yīng)能力和故障診斷能力，可減少機器損耗、延長機器使用壽命。動力方面，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，電動作業(yè)平臺已經(jīng)成為發(fā)展趨勢，主要依靠以下幾方面優(yōu)勢：一是電動車依托電機驅(qū)動，不需要中冷系統(tǒng)散熱，因而不需要大面積進氣格柵為冷卻液散熱。二是電動車依托電機驅(qū)動，底盤上不需要安裝排氣筒和油箱，節(jié)省出大面積的底盤空間，節(jié)省出的部分空間被電池組占據(jù)，其他空間可提高作業(yè)平臺的通過性。三是與柴油車相比，電動車的高效區(qū)間更加寬泛，無須增設(shè)變速箱，有較好的操控性能。穩(wěn)定性方面：根據(jù)我國果園的分布特點，對于可調(diào)平式果園作業(yè)平臺的需求越來越迫切，因此，要選用低延時的傳感器，設(shè)計合理的機械結(jié)構(gòu)減輕慣性擺動，安裝時減輕各種零部件之間的摩擦。控制方面，加入遙控技術(shù)，操作人員可遠距離控制平臺前進，后退，轉(zhuǎn)向和平臺升降等，果園作業(yè)平臺可自動感知外部環(huán)境進而對行進路線自動導(dǎo)航。

4 多功能果園遙控作業(yè)平臺的特點以及優(yōu)勢

（1）依據(jù)作業(yè)平臺的工作環(huán)境及其最大作業(yè)速度、最大爬坡角度、續(xù)駛里程等主要技術(shù)參數(shù)，對電池、驅(qū)動電機、電機控制器等進行選型計算，有以下幾方面優(yōu)勢：一是電動車依托電機驅(qū)動，不需要中冷系統(tǒng)散熱，因而不需要大面積進氣格柵為冷卻液散熱，二是電動車依托電機驅(qū)動袁底盤上不需要安裝排氣筒和油箱，節(jié)省出大面積的底盤空間，遙節(jié)省出的部分空間被電池組占據(jù)，其他空間可提高作業(yè)平臺的通過性，三是與柴油車相比，電動車的高效區(qū)間更加寬泛，無需增設(shè)變速箱，有較好的操控性能。

（2）可調(diào)平式作業(yè)平臺能準確無誤完成調(diào)平功能，克服了地面起伏不平導(dǎo)致影響角度傳感器對信號的采集的問題；同時解決了升降速度過快導(dǎo)致工作臺出現(xiàn)慣性擺動的問題。

（3）機電液一體化：運用液壓和電液比例技術(shù)，果園作業(yè)平臺能夠?qū)崿F(xiàn)無極變速，通過改變傳動比，使平臺的傳動系數(shù)與發(fā)動機工況達到最佳匹配，從而提高工作效率。

（4）融入導(dǎo)航與遙控技術(shù)：通過在果園作業(yè)平臺中加入導(dǎo)航技術(shù)，果園作業(yè)平臺可自動感知外部環(huán)境進而對行進路線自動導(dǎo)航遙通過加入遙控技術(shù)，操作人員可遠距離控制平臺前進、后退、轉(zhuǎn)向和平臺、升降等。