高稈禾草履帶收獲機(jī)防傾翻預(yù)警系統(tǒng)研究

黃韶炯 劉 文 班 超 王中豪 尤 泳 趙建柱

(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 北京 100083)

0 引言

高稈禾草泛指狼尾草屬一類植株生長(zhǎng)較高的牧草，這類牧草具有很強(qiáng)的適應(yīng)性，是新型的高效經(jīng)濟(jì)作物和能源作物，可作為理想的畜牧飼草。其廣泛種植在南方的山坡地帶，由于地形崎嶇不平和坡度較大，傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)機(jī)械在這類地形作業(yè)時(shí)常發(fā)生失穩(wěn)傾翻等事故，同時(shí)山坡地作業(yè)也一直是農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)問(wèn)題[1-2]，故對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械穩(wěn)定性[3-5]以及相應(yīng)預(yù)警算法[6]的研究十分重要。

國(guó)內(nèi)外對(duì)防傾翻預(yù)警的研究主要是針對(duì)汽車[7-8]、重型車輛[9-10]、鉸接工程車輛[11-13]和輪式車輛[14-16]。NALECZ等[17]將能量?jī)?chǔ)備這一因素作為評(píng)價(jià)車輛安全性的指標(biāo)，定義了預(yù)防翻車能量?jī)?chǔ)備(Rollover prevention energy reserved，RPER)，并采用算法進(jìn)行了實(shí)時(shí)預(yù)警；REKHEJA等[18]提出將側(cè)向加速度和傾角作為預(yù)警的指標(biāo)，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)側(cè)向加速度和傾角來(lái)判斷車的姿態(tài)，進(jìn)而判斷是否報(bào)警，然而上述算法僅通過(guò)側(cè)向加速度、傾角或者載荷轉(zhuǎn)移不足來(lái)預(yù)測(cè)是否有傾翻危險(xiǎn)，實(shí)際效果十分有限。

CHEN等[19]建立了一種新的基于傾翻時(shí)間(Time to rollover，TTR)的動(dòng)態(tài)傾翻預(yù)警算法，不過(guò)對(duì)于一些質(zhì)心變化較大的車輛，選取合適的臨界傾翻角來(lái)計(jì)算TTR十分困難；朱天軍[20]針對(duì)TTR算法和橫向載荷轉(zhuǎn)移率(Lateral load transfer ratio, LTR)算法的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，對(duì)TTR算法進(jìn)行了優(yōu)化，設(shè)計(jì)出使用卡爾曼濾波的預(yù)警系統(tǒng)，以動(dòng)態(tài)LTR數(shù)值作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)未來(lái)時(shí)刻內(nèi)的傾翻進(jìn)行預(yù)測(cè)和報(bào)警；張碩等[21]針對(duì)斜坡直線行駛工況，以斜坡上側(cè)車輪-地面載荷為主要參考量，提出了針對(duì)拖拉機(jī)前、后輪的側(cè)向穩(wěn)定評(píng)價(jià)指標(biāo)——拖拉機(jī)前、后輪的斜坡上側(cè)車輪載荷分配系數(shù)，為拖拉機(jī)防傾翻預(yù)警控制提供了理論基礎(chǔ)。

針對(duì)山坡地作業(yè)面臨的傾翻問(wèn)題，本文對(duì)履帶收獲機(jī)的防傾翻預(yù)警進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)防傾翻預(yù)警系統(tǒng)。通過(guò)多體動(dòng)力學(xué)仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證該防傾翻預(yù)警系統(tǒng)的性能，以實(shí)現(xiàn)防傾翻預(yù)警功能。

1 整機(jī)參數(shù)及質(zhì)心位置的測(cè)定

根據(jù)GB/T 3871.15—2006和GB/T 3871.2—2006《農(nóng)業(yè)拖拉機(jī)試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行質(zhì)心位置和整機(jī)參數(shù)的測(cè)定。收獲機(jī)質(zhì)心的位置主要由質(zhì)心與驅(qū)動(dòng)輪軸之間的水平距離a、質(zhì)心與地面之間的距離h和質(zhì)心與縱向中心平面的距離e表示，整機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。履帶收獲機(jī)測(cè)量及計(jì)算數(shù)據(jù)如表1所示。

圖1 整機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖Fig.1 Schematic of whole machine structure parameters1.驅(qū)動(dòng)輪 2.導(dǎo)向輪 3.支重輪

表1 履帶收獲機(jī)測(cè)量及計(jì)算數(shù)據(jù)Tab.1 Crawler harvester measurement and calculation data

2 整機(jī)穩(wěn)定性仿真

2.1 模型及約束建立

為了更準(zhǔn)確地展現(xiàn)整機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，采用RecurDyn軟件進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真[22-23]。為減少計(jì)算量，提高仿真效率，首先將整機(jī)的車身、車架和割臺(tái)等部件合并簡(jiǎn)化成一個(gè)剛性整體并導(dǎo)入RecurDyn軟件中，履帶行駛系統(tǒng)采用軟件的低速履帶模塊進(jìn)行參數(shù)化建模，整機(jī)模型如圖2所示。整機(jī)模型約束類型如表2所示。

圖2 整機(jī)模型Fig.2 Model of harvester

表2 履帶收獲機(jī)模型約束類型Tab.2 Constraint types and relations of crawler harvester model

對(duì)整機(jī)添加動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)力，根據(jù)收獲機(jī)實(shí)際工作速度約為7.2 km/h，為兩側(cè)的驅(qū)動(dòng)輪添加運(yùn)動(dòng)約束函數(shù)STEP(TIME，0.1，0，1，298 d)。

2.2 仿真結(jié)果與分析

首先建立滿足寬度和加速距離要求的坡道，整個(gè)坡道由橫向坡道和縱向坡道組成，查閱收獲機(jī)的工作環(huán)境，設(shè)置仿真附著條件為常見(jiàn)的黏土地。整個(gè)坡道模型如圖3所示。

圖3 坡道模型Fig.3 Model of ramp

2.2.1橫向坡道行駛穩(wěn)定性分析

履帶收獲機(jī)在橫向坡道行駛時(shí)，上側(cè)履帶所受壓力相對(duì)于在平地上會(huì)減小，且坡度越大上側(cè)壓力越小，發(fā)生傾翻失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)也就越高[24]。

在仿真軟件中設(shè)置整機(jī)在橫向坡道等高線行駛，速度為7.2 km/h，從0°開(kāi)始逐漸增加橫向坡度角，通過(guò)履帶收獲機(jī)的側(cè)傾角、兩側(cè)履帶壓力的變化和仿真狀況可以反映出是否發(fā)生傾翻。實(shí)際的仿真情況如圖4所示。

圖4 橫向坡道行駛仿真Fig.4 Simulations of cross-slope driving

當(dāng)橫向坡度增加至11°時(shí)，整機(jī)在轉(zhuǎn)向工況下側(cè)傾角隨時(shí)間變化曲線如圖5所示，結(jié)果顯示整機(jī)前2 s行駛平穩(wěn)，當(dāng)2 s后開(kāi)始轉(zhuǎn)向時(shí)，側(cè)傾角逐漸增大，曲線發(fā)散不收斂，實(shí)際顯示發(fā)生傾翻失穩(wěn)現(xiàn)象直至倒地。

圖5 坡度為11°轉(zhuǎn)向時(shí)側(cè)傾角變化曲線Fig.5 Change curve of roll angle when turning at slope of 11°

兩側(cè)履帶壓力變化曲線如圖6所示，在仿真開(kāi)始后，坡道上側(cè)履帶壓力會(huì)達(dá)到穩(wěn)態(tài)值10.4 kN附近，下側(cè)履帶壓力會(huì)達(dá)到穩(wěn)態(tài)值30.23 kN附近，在2 s后開(kāi)始轉(zhuǎn)向時(shí)，兩側(cè)履帶的壓力會(huì)發(fā)生劇烈波動(dòng)，上側(cè)履帶對(duì)地壓力會(huì)先減小至0，然后出現(xiàn)整機(jī)傾翻，下側(cè)履帶也會(huì)因傾翻使壓力呈減小趨勢(shì)，直到壓力減小為0，結(jié)果顯示兩側(cè)履帶壓力差在19.83 kN時(shí)，即橫向載荷轉(zhuǎn)移率為0.49時(shí)，會(huì)發(fā)生傾翻。故整機(jī)在轉(zhuǎn)向工況下臨界傾翻角為11°。

圖6 兩側(cè)履帶壓力變化曲線Fig.6 Change curves of track pressure on both sides

當(dāng)橫向坡度增加至24°時(shí)，如圖7所示，整機(jī)在直行時(shí)，側(cè)傾角變化曲線在24°附近短時(shí)波動(dòng)，最后無(wú)法收斂，實(shí)際顯示發(fā)生傾翻，直至倒地。故整機(jī)直行的橫向臨界傾翻角為24°。

圖7 橫向坡度為24°直行時(shí)側(cè)傾角變化曲線Fig.7 Change curve of roll angle when going straight at lateral slope of 24°

2.2.2縱向坡道行駛穩(wěn)定性分析

履帶收獲機(jī)在縱向坡道行駛時(shí)，如果速度控制不當(dāng)，上坡時(shí)會(huì)有機(jī)頭上揚(yáng)的危險(xiǎn)，下坡時(shí)會(huì)有機(jī)尾上揚(yáng)的危險(xiǎn)。在仿真環(huán)境中逐漸增加縱向坡度，觀察仿真情況。結(jié)果顯示：當(dāng)縱向坡度增加至31°時(shí)，整機(jī)在上坡時(shí)無(wú)風(fēng)險(xiǎn)，但在下坡時(shí)，如圖8所示，會(huì)發(fā)生傾翻失穩(wěn)，俯仰角變化曲線如圖9所示；當(dāng)縱向坡度增加至33°時(shí)，如圖10所示，整機(jī)在縱向上坡時(shí)會(huì)傾翻，俯仰角變化曲線如圖11所示。

圖8 縱向下坡行駛仿真Fig.8 Simulation of longitudinal downward driving

圖9 縱向坡度為31°下坡時(shí)整機(jī)俯仰角變化曲線Fig.9 Change curve of pitch angle when angle was 31° for longitudinal downward slope

圖10 縱向上坡行駛仿真Fig.10 Simulation of longitudinal upward driving

圖11 縱向坡度為33°上坡時(shí)整機(jī)俯仰角變化曲線Fig.11 Changes of pitch angle when angle was 33° for longitudinal upward slope

3 傾翻試驗(yàn)與防傾翻預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 整機(jī)靜態(tài)傾翻試驗(yàn)

如圖12所示，在河北省石家莊市無(wú)極縣對(duì)收獲機(jī)進(jìn)行橫向和縱向的小角度靜態(tài)傾翻試驗(yàn)，來(lái)近似模擬收獲機(jī)在山坡地的側(cè)傾狀態(tài)，本次試驗(yàn)采用杭州均泰稱重設(shè)備制造有限公司的拉力傳感器來(lái)測(cè)量向上的拉力，準(zhǔn)確度等級(jí)Ⅲ級(jí)，額定稱量5 000 kg，額定分度值2 kg，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

圖12 整機(jī)靜態(tài)傾翻試驗(yàn)Fig.12 Static tipping tests of whole machine

表3 試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Test results

由試驗(yàn)結(jié)果推導(dǎo)可得，收獲機(jī)橫向臨界傾翻角為24.7°，縱向上坡臨界傾翻角為34.2°，縱向下坡臨界傾翻角為31.8°，仿真與試驗(yàn)相比，誤差分別為2.83%、3.51%和2.52%，誤差均在合理范圍內(nèi)，驗(yàn)證了仿真模型的正確性。

3.2 基于壓力傳感器和傾角傳感器的預(yù)警算法與評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)

針對(duì)常見(jiàn)的基于傾角傳感器的預(yù)警方式容錯(cuò)率低和誤差大等問(wèn)題，提出一種適用于山坡地履帶收獲機(jī)的防傾翻預(yù)警方法。具體算法流程如圖13所示。

利用傾角傳感器預(yù)警的臨界值，設(shè)置橫向坡度達(dá)到23°或縱向坡度達(dá)到30°時(shí)發(fā)出一級(jí)報(bào)警。壓力傳感器的預(yù)警方法為采用橫向載荷轉(zhuǎn)移率[25]來(lái)判斷，計(jì)算表達(dá)式為

式中FL——左坡道履帶垂直載荷

FR——右坡道履帶垂直載荷

LTR在0～1之間不斷變化，按前文仿真的臨界條件，傾翻時(shí)LTR為0.5，將LTR為0.45設(shè)置為一級(jí)警報(bào)，LTR為0.35和0.3分別為二級(jí)和三級(jí)警報(bào)。

無(wú)論是傾角傳感器還是壓力傳感器的算法，只要是有一個(gè)達(dá)到報(bào)警條件便會(huì)直接報(bào)警，增加了系統(tǒng)的容錯(cuò)性。同時(shí)該預(yù)警算法引入了測(cè)量前側(cè)支重輪壓力的方法，提高了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，對(duì)防傾翻預(yù)警有積極作用。

3.3 模型機(jī)預(yù)警系統(tǒng)構(gòu)建

預(yù)警系統(tǒng)的硬件部分包含MPU6050型三軸傳感器、高精度薄膜壓力傳感器、信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊、Arduino單片機(jī)、警示燈以及蜂鳴器等，硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖14所示。預(yù)警系統(tǒng)的軟件部分主要采用Arduino編程軟件根據(jù)預(yù)警算法邏輯對(duì)預(yù)警程序進(jìn)行編寫。

圖14 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.14 Block diagram of hardware system

為保證比例模型的合理性和可靠性，以高稈禾草履帶收獲機(jī)為原型，依照模型理論按1∶140的比例搭建了收獲機(jī)模型，如圖15所示。其中，以質(zhì)量塊作為模型機(jī)配重布置在前部，電池和驅(qū)動(dòng)模塊安裝在中后部，壓力傳感器安裝在支重輪的外圈，三軸傳感器安裝在車架靠近質(zhì)心的位置。

圖15 收獲機(jī)原型及其比例模型Fig.15 Crawler harvester and its scale model1.單片機(jī) 2.三軸傳感器 3.質(zhì)量塊 4.壓力傳感器

試驗(yàn)前調(diào)試好系統(tǒng)的軟件和硬件，放平整機(jī)，對(duì)陀螺儀進(jìn)行校準(zhǔn)，消除零飄。模擬收獲機(jī)作業(yè)時(shí)的實(shí)際環(huán)境搭建試驗(yàn)臺(tái)并覆土，為了確保試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，規(guī)劃固定的行駛路徑，標(biāo)注合適的轉(zhuǎn)向點(diǎn)。試驗(yàn)中單片機(jī)實(shí)時(shí)計(jì)算整機(jī)的橫向載荷轉(zhuǎn)移率，遇到危險(xiǎn)工況會(huì)發(fā)出分級(jí)警報(bào)，采集傾角傳感器數(shù)據(jù)的上位機(jī)同樣會(huì)在臨界時(shí)發(fā)出警報(bào)。試驗(yàn)結(jié)束后處理傳感器采集的信息。

3.4 模型機(jī)固定轉(zhuǎn)向路徑試驗(yàn)

根據(jù)前文仿真結(jié)果，調(diào)整橫向坡度分別為10°、12°和14°，進(jìn)行轉(zhuǎn)向工況的試驗(yàn)，每個(gè)坡度進(jìn)行10組試驗(yàn)，每次試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)為4.5 s，前3 s為整機(jī)啟動(dòng)、加速和穩(wěn)定直行階段，后1.5 s為轉(zhuǎn)向階段，如圖16所示，橫向坡度為10°和12°時(shí)，模型機(jī)在2.8 s和3.6 s分別達(dá)到正向和反向的最大側(cè)傾角，接著分別達(dá)到穩(wěn)態(tài)側(cè)傾角11.5°左右。當(dāng)橫向坡度為14°時(shí)，正常直行時(shí)側(cè)傾角在15°附近波動(dòng)，在達(dá)到3 s時(shí)側(cè)傾角不收斂，結(jié)果顯示模型機(jī)在橫向坡度為14°轉(zhuǎn)向時(shí)會(huì)發(fā)生傾翻。該試驗(yàn)對(duì)整機(jī)防傾翻預(yù)警系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗(yàn)證。

圖16 臨界傾翻角試驗(yàn)曲線Fig.16 Changes of critical tipping angle test

其中設(shè)置的坡度略小于實(shí)際用傳感器測(cè)出的側(cè)傾角，主要由于傳感器誤差和坡度測(cè)量誤差所導(dǎo)致。動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)向臨界傾翻角為14°，略大于整機(jī)仿真時(shí)的情況，這主要是因?yàn)槟Ｐ椭谱髡`差以及附著條件差異。

試驗(yàn)過(guò)程中同時(shí)記錄左右兩側(cè)履帶的垂直載荷變化，并計(jì)算橫向載荷轉(zhuǎn)移率。如圖17所示，整機(jī)的橫向載荷轉(zhuǎn)移率最大值為0.96，此時(shí)試驗(yàn)結(jié)果顯示已經(jīng)發(fā)生傾翻，在發(fā)生傾翻前最大橫向載荷轉(zhuǎn)移率為0.54。

圖17 橫向載荷轉(zhuǎn)移率變化曲線Fig.17 Change curve of lateral load transfer ratio

4 結(jié)論

(1)按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算得整機(jī)質(zhì)心與驅(qū)動(dòng)輪軸之間的水平距離a為944.5 mm、質(zhì)心高度h為1 080.4 mm、質(zhì)心與縱向中心平面距離e為27.9 mm，為后續(xù)仿真和試驗(yàn)提供了數(shù)據(jù)。

(2)根據(jù)測(cè)得的參數(shù)，建立了整機(jī)仿真模型，并進(jìn)行了仿真分析和傾翻試驗(yàn)。在橫向坡道直行工況下，仿真和試驗(yàn)的臨界傾翻角分別為24°和24.7°，相對(duì)誤差為2.83%；在轉(zhuǎn)向工況下，仿真和試驗(yàn)的臨界傾翻角分別為11°和14°，臨界傾翻橫向載荷轉(zhuǎn)移率分別為0.49和0.54，相對(duì)誤差分別為21.4%和9.2%；在縱向上坡工況下，仿真和試驗(yàn)的臨界傾翻角分別為33°和34.2°，相對(duì)誤差為3.51%；在縱向下坡工況下，仿真和試驗(yàn)的臨界傾翻角分別為31°和31.8°，相對(duì)誤差為2.52%。

(3)提出了一種適用于山坡地帶收獲機(jī)作業(yè)的防傾翻預(yù)警算法，參考仿真分析及傾翻試驗(yàn)的數(shù)據(jù)，設(shè)置了評(píng)價(jià)整機(jī)傾翻危險(xiǎn)性的指標(biāo)及評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)壓力傳感器和傾角傳感器共同監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)預(yù)警功能，提升了預(yù)警系統(tǒng)的可靠性。