農(nóng)業(yè)機(jī)器人移動平臺設(shè)計(jì)與穩(wěn)定性分析

宋大海，盧智琴，李江龍，孟慶偉

（貴州航天智慧農(nóng)業(yè)有限公司，貴州 貴陽 550000）

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，我國作為農(nóng)業(yè)大國，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的機(jī)械化和現(xiàn)代化是社會發(fā)展的必然趨勢[1]。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)類型的多樣性導(dǎo)致農(nóng)業(yè)機(jī)器人種類繁多，主要包括嫁接機(jī)器人[2]、移栽機(jī)器人[3]、噴藥機(jī)器人[4]、農(nóng)業(yè)信息采集機(jī)器人[5]、剪枝機(jī)器人[6]以及采摘機(jī)器人[7]等。上述各類農(nóng)業(yè)機(jī)器人都需要移動平臺來實(shí)現(xiàn)在農(nóng)田里的行走，并為農(nóng)業(yè)機(jī)器人的作業(yè)提供穩(wěn)定的輸出平臺，在移動過程中避免對農(nóng)作物的傷害。

綜上所述，結(jié)合作物田間管理作業(yè)需求，確定了適合作物田間管理作業(yè)需求的高地隙移動平臺總體結(jié)構(gòu)，并對關(guān)鍵部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)。對移動平臺行走、轉(zhuǎn)向性能進(jìn)行了分析，確保整機(jī)行駛性能良好。同時以理論計(jì)算、傾覆仿真的方法分析了移動平臺的穩(wěn)定性，得到其上下坡與橫向傾覆角參數(shù)。制作了大棚除草高地隙移動平臺樣機(jī)進(jìn)行了田間試驗(yàn)，結(jié)果表明移動平臺能滿足除草裝置的運(yùn)載與作業(yè)需求。

1 整體設(shè)計(jì)方案

1.1 總體方案

為滿足作物田間管理作業(yè)需求，需要移動平臺有較好的普適性、通過性、機(jī)動性與穩(wěn)定性以應(yīng)對復(fù)雜惡劣的農(nóng)田環(huán)境；能夠搭載多個、多種作業(yè)裝置，實(shí)現(xiàn)高效作業(yè)、一機(jī)多用；可以便捷調(diào)節(jié)輪距寬窄與地隙高低，滿足不同種植行距、不同生長高度植株的作業(yè)需求，同時盡可能地保護(hù)作業(yè)生態(tài)；具有良好的行進(jìn)、調(diào)速、轉(zhuǎn)向性能，機(jī)動靈活。針對這些需求，設(shè)計(jì)了一種農(nóng)業(yè)機(jī)器人移動平臺。

移動平臺包括車架、折展機(jī)構(gòu)、輪距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、地隙調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、減震機(jī)構(gòu)、動力與控制系統(tǒng)，其整體結(jié)構(gòu)軸測圖如圖1所示。具體工作方式如下：預(yù)先將移動平臺調(diào)整為地隙最低、輪距最窄、折展機(jī)構(gòu)收起狀態(tài)進(jìn)行運(yùn)輸。到達(dá)作業(yè)地點(diǎn)后，根據(jù)農(nóng)作物實(shí)際生長高度、種植行距，通過電動推桿調(diào)整輪距與地隙。手動將折展機(jī)構(gòu)抬起展開并鎖死，而后裝載作業(yè)裝置。由PC端遠(yuǎn)程遙控后置兩輪轂電機(jī)行進(jìn)、調(diào)速或轉(zhuǎn)向，以完成田間作業(yè)。

圖1 移動平臺整體結(jié)構(gòu)圖

1.2 技術(shù)參數(shù)

移動平臺主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 大棚除草移動平臺主要技術(shù)參數(shù)

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 車架

車架整體為龍門架式構(gòu)型，由型號為歐標(biāo)4040、材質(zhì)為6063-T5鋁合金的鋁型材搭建而成。整體機(jī)械結(jié)構(gòu)重量不到70 kg，相比傳統(tǒng)重型農(nóng)業(yè)裝備而言質(zhì)量輕巧。鋁型材表面陽極氧化，耐潮耐腐蝕，能很好地適用于農(nóng)田野外環(huán)境。同時，鋁型材搭建的車架可以根據(jù)作業(yè)場地、作業(yè)裝備實(shí)際情況作出調(diào)整。各部件裝置通過鋁型材上的凹槽與T型螺栓固定在鋁型材上，也能根據(jù)實(shí)際情況便捷調(diào)整。

2.2 折展機(jī)構(gòu)

折展機(jī)構(gòu)對稱安裝在移動平臺兩側(cè)，可以展開并提供兩個可以安裝額外作業(yè)裝置的擴(kuò)展平臺，可以實(shí)現(xiàn)多行作業(yè)，能有效提高作業(yè)效率。平臺車身本體與擴(kuò)展平臺可以根據(jù)不同需求，裝載不同作業(yè)裝置以實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 折展機(jī)構(gòu)

折展機(jī)構(gòu)中，折展基部與車身固接，相對擴(kuò)展平臺保持固定。擴(kuò)展平臺與折展基部通過合頁連接以實(shí)現(xiàn)相對轉(zhuǎn)動，通過氣彈簧實(shí)現(xiàn)折展機(jī)構(gòu)折疊與展開。由于氣彈簧不能主動控制，所以在安裝時要保證機(jī)構(gòu)展開后活塞桿有一定行程預(yù)留，以保證氣彈簧始終提供向上推力。在手動將折展機(jī)構(gòu)折疊或展開后，可以利用折展固鎖條與T型螺栓緊固，保證其穩(wěn)定性。

2.3 輪距與地隙調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

輪距與地隙調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)輪距、地隙的便捷調(diào)節(jié)，在前行時確保農(nóng)作物不被損傷，保護(hù)作業(yè)生態(tài)。提高移動平臺的普適性與通過性，使之滿足不同種植行距、不同生長高度農(nóng)作物管理作業(yè)需求。

輪距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)由2個水平、對稱布置電動推桿驅(qū)動，調(diào)節(jié)前后狀態(tài)如圖3所示。調(diào)節(jié)輪距時，電動推桿啟動，同步地將移動平臺的折展機(jī)構(gòu)、地隙調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、減震裝置、車輪向兩邊推動。輪距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)可以在移動平臺輪距最窄的情況下增加200 mm輪距。在輪距調(diào)節(jié)推桿伸縮時，移動平臺下方有導(dǎo)軌裝置輔助支撐。在移動平臺完成輪距調(diào)節(jié)后，可以通過輪距固鎖條與T型螺栓緊固。

圖3 輪距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

地隙調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)由4個電動推桿驅(qū)動，各電動推桿豎直、平行布置如圖4所示。調(diào)節(jié)地隙時，電動推桿啟動，同步地將移動平臺的車身、輪距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、折展機(jī)構(gòu)抬起。移動平臺的地隙調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)可以在離地間隙最低基礎(chǔ)上再升高100 mm。

圖4 地隙調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

2.4 減震裝置

減震裝置采用彈簧減震，安裝在移動平臺側(cè)面下方兩根型材之間。減震裝置能夠緩沖移動平臺行進(jìn)時的震動與沖擊，為搭載的作業(yè)裝置提供穩(wěn)定的作業(yè)環(huán)境。該裝置還可以被用以調(diào)節(jié)地隙，通過手動調(diào)節(jié)減震彈簧安裝位置，為移動平臺增加60 mm的離地間隙。

2.5 動力與控制系統(tǒng)

移動平臺控制系統(tǒng)如圖5所示，包括基于STM32微處理器的硬件模塊、基于ROS操作系統(tǒng)的軟件模塊、用作人機(jī)交互界面的顯示器、實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信的定向路由器、提供系統(tǒng)動力的汽油發(fā)電機(jī)。

圖5 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

硬件模塊主體為BW-DR03輪轂電機(jī)控制器（深圳藍(lán)鯨智能公司生產(chǎn)）。該驅(qū)動器以STM32嵌入式微處理器為核心，能實(shí)現(xiàn)高精度里程計(jì)、PID閉環(huán)調(diào)控、串口收發(fā)解碼等功能。

遠(yuǎn)程遙控的PC端與移動平臺上的工控機(jī)，二者軟件模塊均基于ROS操作系統(tǒng)。PC端通過操控鍵盤輸出指令信息，利用定向路由器遠(yuǎn)程通信控制工控機(jī)，工控機(jī)通過RS232串口通信與電機(jī)控制器控制輪轂電機(jī)實(shí)現(xiàn)指令信息。此外，工控機(jī)外接有觸摸顯示器，用以實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。

驅(qū)動系統(tǒng)選用2個定制的輪轂電機(jī)后置驅(qū)動，單個輪轂電機(jī)額定功率為500 W，最大行進(jìn)速度為6 km/h。輪轂電機(jī)內(nèi)置有霍爾傳感器，可以將速度信息反饋給工控機(jī)。

移動平臺上方可以放置汽油發(fā)電機(jī)為系統(tǒng)提供220 V電源。汽油機(jī)型號為LP280OIE（重慶隆鵬公司生產(chǎn)），其額定功率為2.2 kW，一次燃料加注完成后能保證移動平臺連續(xù)作業(yè)7 h，后續(xù)可隨時補(bǔ)充燃料。汽油機(jī)輸出的電力通過變壓器將220 V交流電轉(zhuǎn)化為36 V直流電為輪轂電機(jī)供電，其余用電設(shè)備通過專門的電源適配器供電。

3 行駛性能分析

在作業(yè)時移動平臺需要良好的機(jī)動能力以實(shí)現(xiàn)行走、轉(zhuǎn)向的功能，所以對其行走性能、轉(zhuǎn)向性能進(jìn)行分析。移動平臺行進(jìn)、調(diào)速與轉(zhuǎn)向均由后置的兩輪轂電機(jī)實(shí)現(xiàn)。

3.1 行進(jìn)性能分析

為確保移動平臺有足夠動力裝載作業(yè)裝置行駛，對輪轂電機(jī)功率進(jìn)行校核，以確保其有良好的行走性能。輪轂電機(jī)最大功率應(yīng)當(dāng)同時滿足最大速度下平地行進(jìn)、一定速度下爬坡和加速時的功率需求。但移動平臺主要實(shí)現(xiàn)對作業(yè)裝置的平穩(wěn)運(yùn)載，對加速性能要求不高，故只考慮最大速度下平地行進(jìn)、一定速度下爬坡時的功率需求。

移動平臺在平地以最大速度行進(jìn)時所需功率為：

式中：P1-最大速度平地行進(jìn)所需總功率，kW；m-整車質(zhì)量，kg；g-重力加速度，一般取 9.8m/s2；f-滾動阻力系數(shù)；Cd-風(fēng)阻系數(shù)；A-迎風(fēng)面積，m2；vmax-最大車速，km/h。

移動平臺整車質(zhì)量略取大，為m=100 kg。參考汽車?yán)碚揫8-9]，取滾動阻力系數(shù)f=0.15、風(fēng)阻系數(shù)Cd=0.3。以移動平臺正視圖橫截面計(jì)算迎風(fēng)面積，得A=0.74 m2。而最大車速vmax=6 km/h。將所得參數(shù)代入式（1）中，得P1=0.25 kW。

移動平臺以一定速度爬坡時所需功率為：

式中：P2-一定速度爬坡時所需功率，kW；v-爬坡車速，km/h；θ-最大爬坡角，°。

預(yù)設(shè)移動平臺爬坡車速v為2 km/h時的最大爬坡度為30°，此時爬坡角度θ為16.7°。代入式（2）得P2=0.23 kW。

驅(qū)動系統(tǒng)最大功率應(yīng)滿足：

式中：P-驅(qū)動系統(tǒng)最大功率，kW。

而單個輪轂電機(jī)功率額定功率為0.50 kW，滿足最大速度下平地行進(jìn)、一定速度下爬坡時的功率需求。

3.2 轉(zhuǎn)向性能分析

傳統(tǒng)車輛轉(zhuǎn)向多依靠特定轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，不可避免地有較大轉(zhuǎn)彎半徑。而移動平臺可以通過兩輪轂電機(jī)速度差實(shí)現(xiàn)靈活轉(zhuǎn)向，并且省去了中間傳動機(jī)構(gòu)，這種轉(zhuǎn)向方式被稱為滑移轉(zhuǎn)向或差速轉(zhuǎn)向[10-11]。構(gòu)建移動平臺滑移轉(zhuǎn)向運(yùn)動模型如圖6所示。

圖6 滑移轉(zhuǎn)向運(yùn)動模型

從圖6中幾何關(guān)系可得：

在移動平臺小角度運(yùn)動時，遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)向中心O一側(cè)輪胎（圖6中為右側(cè)輪胎）多走過的弧度近似為一段直線：

多走的距離由兩側(cè)輪胎速度差決定：

由式（5）-（7）得：

式中：θ1-車身繞轉(zhuǎn)向中心轉(zhuǎn)動角度，°；θ2-車身相對水平線偏轉(zhuǎn)角度，°；θ3-轉(zhuǎn)向運(yùn)動中航向角變化量，°；d-右側(cè)輪胎多走距離，mm；L0-輪距，mm；Δv-兩側(cè)輪胎速度差，km/h；Δt-轉(zhuǎn)向運(yùn)動時間，s；vr-右側(cè)輪胎速度，km/h；vl-左側(cè)輪胎速度，km/h。

在實(shí)際應(yīng)用中，預(yù)先設(shè)定轉(zhuǎn)向時兩側(cè)輪轂電機(jī)速度差為固定值，控制轉(zhuǎn)向時間即可實(shí)現(xiàn)特定角度轉(zhuǎn)向。當(dāng)兩輪轂電機(jī)等速反向運(yùn)動，甚至可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向半徑為0的原地轉(zhuǎn)向。

4 穩(wěn)定性分析

高地隙移動平臺重心較高，為確保移動平臺在有坡度的地面行駛或作業(yè)時不至于傾覆，需要分析移動平臺的穩(wěn)定性[12-13]。在移動平臺緩慢行駛或靜止的情況下，忽略平臺空氣阻力、輪胎彈性變形等因素進(jìn)行分析。

4.1 縱向穩(wěn)定性分析

移動平臺上坡或下坡時，可能會發(fā)生縱向傾覆。以移動平臺上坡的情況進(jìn)行力學(xué)分析，得到如圖7所示的受力分析圖。

圖7 移動平臺縱向穩(wěn)定性分析

建立其平衡方程如下：

式中：FN1-前輪所受支撐力，N；FN2-后輪所受支撐力，N；G-移動平臺所受重力，N；α1-上坡狀態(tài)縱向傾覆角，°；Ff1-前輪所受摩擦力，N；Ff2-后輪所受摩擦力，N；h-重心至地面垂直距離，mm；L1-重心至前輪水平距離，mm；L2-重心至后輪水平距離，mm。

移動平臺前輪支撐力為0，即FN1=0 N時，移動平臺縱向傾覆，此時：

同理，移動平臺下坡時縱向傾覆角為：

式中：α2-下坡狀態(tài)縱向傾覆角，°。

利用Solidworks軟件對移動平臺進(jìn)行質(zhì)量屬性分析，得重心高度h=821.46 mm，重心與前輪、后輪水平距離分別為L1=293.81 mm、L2=315.19 mm。將所得參數(shù)代入式（11）、（12）中，得到移動平臺上下坡縱向傾覆角分別為 α1=20.99°、α2=19.68°。

4.2 橫向穩(wěn)定性分析

當(dāng)移動平臺左右車身不在同一水平面上時，可能會發(fā)生橫向傾覆。此時移動平臺受力情況如圖8所示。

圖8 移動平臺橫向穩(wěn)定性分析

當(dāng)高側(cè)輪所受支撐力為0時移動平臺橫向傾覆，此時：

式中：L3-重心至單側(cè)輪胎水平距離，mm；β-橫向傾覆角，°。

移動平臺左右結(jié)構(gòu)基本對稱，那么重心至單側(cè)輪胎水平距離即一半輪距，故L3=365.00 mm。將所得參數(shù)代入式（14）中，可得移動平臺橫向傾覆角為β=23.96°。

由公式（11）、（12）、（14）可以看出，移動平臺穩(wěn)定性與重心高度、左右兩側(cè)輪胎輪距、前后兩端輪胎軸距有關(guān)。輪距、軸距越大，平臺重心高度越低，穩(wěn)定性就越好，抗傾覆能力就越強(qiáng)。

5 穩(wěn)定性仿真

在以理論分析的方法計(jì)算得出移動平臺傾覆角后，利用Solidworks Motion進(jìn)行穩(wěn)定性仿真進(jìn)一步驗(yàn)證。

5.1 仿真過程

通過進(jìn)行翻轉(zhuǎn)試驗(yàn)來獲得傾覆角參數(shù)，試驗(yàn)平臺與試驗(yàn)過程如圖9所示。

圖9 仿真實(shí)驗(yàn)示意圖

對移動平臺三維模型進(jìn)行極端處理，即調(diào)整其為地隙最高、輪距最窄狀態(tài)，從穩(wěn)定性分析的理論計(jì)算中可得出此時移動平臺的穩(wěn)定性最差。在移動平臺上施加汽油機(jī)等負(fù)載，分別進(jìn)行上下坡與橫向行駛的傾覆仿真。

仿真時先添加重力場，設(shè)置重力方向與重力加速度數(shù)值。設(shè)置移動平臺輪胎與平板為實(shí)體接觸，二者材料分別為Rubber（Dry）、Steel（Dry）。修改靜態(tài)摩擦系數(shù)為1，取較大靜摩擦系數(shù)以防止仿真過程中輪胎發(fā)生滑移。其余參數(shù)如剛度、力指數(shù)、阻尼、穿透度等采用系統(tǒng)默認(rèn)值。設(shè)置旋轉(zhuǎn)馬達(dá)驅(qū)動平板轉(zhuǎn)動，運(yùn)動形式為等速，旋轉(zhuǎn)速度為1 RPM。

5.2 仿真結(jié)果

通過仿真分析，得到移動平臺在縱向上坡、縱向下坡、橫向行駛3種狀態(tài)下，傾覆一側(cè)輪胎接觸力峰值曲線如圖10所示。傾覆一側(cè)輪胎接觸力穩(wěn)定為0值后，意味著移動平臺發(fā)生側(cè)翻。結(jié)合旋轉(zhuǎn)馬達(dá)轉(zhuǎn)速，可以計(jì)算得出此時平板對應(yīng)角位移，即移動平臺傾覆角。

圖10 傾覆一側(cè)輪胎接觸力曲線圖

從仿真圖解可以看出，3種情況下移動平臺傾覆一側(cè)輪胎接觸力分別在3.37 s、3.25 s、3.87 s后穩(wěn)定為0值，即發(fā)生傾覆。那么計(jì)算得出傾覆角參數(shù)見表2。

表2 穩(wěn)定性仿真結(jié)果

仿真結(jié)果與理論計(jì)算得出的傾覆角數(shù)值基本一致，說明結(jié)果可靠。取理論計(jì)算與傾覆仿真2種分析方法中傾覆角數(shù)值較小的為最終解，那么確定移動平臺地隙最高輪距最窄時縱向上坡傾覆角、縱向下坡傾覆角、橫向側(cè)翻傾覆角分別為 20.22°、19.50°、23.22°。

移動平臺上下坡與橫向行駛傾覆角均大于預(yù)設(shè)的最大爬坡角，說明移動平臺穩(wěn)定性滿足使用需求。

6 結(jié)束語

（1）結(jié)合農(nóng)作物管理作業(yè)需求，確定農(nóng)業(yè)機(jī)器人移動平臺總體方案，并對折展機(jī)構(gòu)、輪距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、地隙調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、減震機(jī)構(gòu)、動力與控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。所設(shè)計(jì)的移動平臺可以實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用、多行作業(yè)、輪距地隙便捷調(diào)節(jié)、靈活機(jī)動。

（2）對移動平臺行進(jìn)、轉(zhuǎn)向性能進(jìn)行了分析。確定選用的輪轂電機(jī)滿足最大速度下平地行進(jìn)、一定速度下爬坡時的功率需求。構(gòu)建了移動平臺滑移轉(zhuǎn)向的運(yùn)動模型，得到了控制移動平臺轉(zhuǎn)向的具體條件方法。

（3）分別以理論受力分析，和基于Solidworks Motion傾覆仿真的方法分析了移動平臺穩(wěn)定性，2種方法結(jié)果基本一致，得到移動平臺地隙最高輪距最窄時縱向上坡傾覆角、縱向下坡傾覆角、橫向側(cè)翻傾覆角分別為20.22°、19.50°、23.22°。