多功能智能平台与控制技术的研究

2019-05-27王东伟何晓宁刘晓东

农机化研究 2019年8期

蒋爽，王东伟，何晓宁，刘晓东，苏鑫，张宁

(青岛农业大学机电工程学院，山东青岛 266109)

0 引言

在我国惠农政策的强力推动下，农业机械化的发展经历了波澜壮阔的10年发展黄金期，取得了举世瞩目的成就，越来越多的农业领域实现了机械化生产，特别是在水稻、小麦等粮食作物及典型经济作物上已基本实现全程机械化生产，农业机械的发展又迈进了一个新的台阶。但是，由于长期以来我国农业机械化的研发重心主要集中于大田作物的生产上，在设施农业、典型经济作物生产及果园林地等中小型地块因其作业空间狭小、相对封闭、地块分散，大型机械存在难以进入的不足，农业装备仍有一些突出问题，如配套动力匮乏、功能欠缺、适应性差等，严重制约着我国农业机械化整体水平的提高。

在大部分非现代化农业生产条件下，农民直接给作物喷药，日积月累，对人体损伤很大。我国以芝麻为代表的典型经济作物虽然基本实现了种、收环节的机械化作业，但由于此类作物的生长形式特殊，其田间管理(尤其是喷药环节)大多仍然需人工完成。现有的喷药机械多存在地隙过低、稳定性不足、对人损伤大的缺点，与其对应的高地隙喷药机械化技术的研究仍然匮乏。此外，我国果园、林地等多数管理作业仍然通过人力来完成，作业成本高、生产效率低、劳动强度大、危险系数高等问题突出，而目前国内针对果园、林地的采摘运输的机械相对较少，亟需发展可以代替人工作业采摘运输的机械，提高果园、林地机械化水平。

1 整机结构及工作原理

1.1 功能要求

1)多功能智能平台要求能够完成果园、林地的采摘运输作业。果园、林地的地面结构比较复杂，平台需要能够方便、准确地在果园、林地灵活地行走，从而实现果园、林地辅助管理机械的功能。

2)多功能智能平台要求能够适应芝麻等典型经济作物的田间管理(尤其是喷药环节)。由于此类作物的生长环境特殊，平台需要能够稳定地完成高地隙喷药作业。

3)目前，基于果园和丘陵等地区地形复杂、作业环境多样性的基本情况，多功能智能平台为适应不同地段幅宽与离地间隙多变的情况，研制了作业幅宽可更换的通用单体分离独立控制机构，以满足不同幅宽的作业要求。平台由两侧的行走装置与中间连接机架构成，通过中间连接机架的更换来实现平台宽度与高低的调节。在对不同农作物进行生产作业时，根据农作物的种植宽度与生长高度，调节横向跨度与纵向高度，实现模块化组合。

4)多功能智能平台具有自主研发的遥控装置，能够利用无线技术及配套操作系统实现100m范围内无线遥控作业，且平台能够通过控制液压电磁阀两端电磁铁的开关量来对液压悬挂系统进行远程调节，极大地提高了液压悬挂系统操作的舒适性和操纵简便性，以及生产效率和工作质量。

1.2 多功能智能平台整机结构

多功能智能平台主要由行走装置、驱动装置、纵向高度调节装置、可拆卸药箱、横向左右调节装置及支撑轮等组成，如图1所示。平台的行走方式是履带式，后面两侧分别有一个驱动轮，每个驱动轮和一个电动机通过链条连接；两个电动机的链轮半径相同，比驱动轮上的链轮半径小。整个机器利用差速原理实现转向，后退时利用电动机的反转来实现。履带上方是升降台，用于整机的纵向高度调节和支撑机器上部的质量。平台主要技术参数如表1所示。

1.上部横向宽度调节装置 2.轮槽 3.药箱 4.纵向高度调节装置 5.行走装置 6.机器顶板 7.驱动装置 8.举升缸 9.支撑轴 10.横向支撑调节装置

名称单位数值多功能智能平台使用质量mskg680多功能智能平台外形尺寸mm1850×1000×650最小离地间隙Hminmm140最大离地间隙Hmaxmm300轴距mm1350履带宽度dmm130履带接地长度L0mm1010

1.3 工作原理

1)用于喷药时的工作原理。当多功能智能平台实现喷药功能时，升降台上板安装有4根支撑轴，整机为高地隙动力平台，中间放置可拆卸的药箱。机器上部安装三点悬挂装置，用来配套喷药设备；通过调节升降台和轮距，可以适应不同的作物。

2)用于牵引时的工作原理。当多功能智能平台实现牵引功能时，拆下升降台上部的方轴和悬挂架、药箱，把升降台降到最低；机器顶部钢板直接和升降台上板连接，安装用于牵引的悬挂装置。

2 关键部件设计

2.1 横向支撑调节装置

机器底部两侧是履带，比较沉重，而且紧密接触地面，要想实现整机横向宽度调节，难度很大。为此，有必要设计一种支撑轮，借用千斤顶使履带悬空，分别将支撑轮放下，便能左右滚动调节宽度。

横向支撑调节装置主要由支撑架、支撑轮及弹簧3部分组成，如图2所示。横向支撑调节装置以摩托车的支撑架为基础，利用弹簧的弹力使支撑架保持水平和竖直状态。支撑架水平时，弹簧为自然状态；当放下支撑架使之竖直向下时，弹簧是拉伸状态。支撑架上安装小轮，其作用是支撑机器的质量，更重要的是在履带悬空时方便整机左右滚动调节，但需要借助千斤顶才能使履带悬空，放下支撑架。

1.弹簧柱 2.支撑架 3.支撑轮

2.2 机器上部横向宽度调节装置

2.2.1 基本结构

机器上部横向宽度调节装置主要由机器两侧间方轴、机器顶部钢板、悬挂架调节支撑轮、轮槽及钢板侧方小轮等组成，如图3所示。

1.顶部钢板 2.悬挂架调节支撑轮 3.轮槽 4.钢板侧方小轮 5.方轴

两侧用两根方轴连接，每根轴上每隔同一间隔设有孔，通过改变销轴的位置改变轴伸出的长短，从而改变整机的左右间距。顶部的钢板由两块钢板组成，一块钢板的两端有槽，另一块两端各有两个轮子，两块钢板滚动接触。最顶端有悬挂架，悬挂架一端固定在一块钢板上，另一端有轮子，可以在另一块的钢板上的轨道上滑动。这样，悬挂架的质量即能由两块钢板共同支撑，同时横向宽度改变时悬挂架的位置能保持不变。

2.2.2 相关参数设计和校核

机器升降台以上的质量(药箱除外)都由4根方轴支撑，整机左右两侧也由两根方轴连接。在机器工作的过程中，方轴受到来自各方面的力，为了防止方轴产生变形，需要对方轴强度进行校核。计算时，应根据方轴的载荷和受到的应力大小。

1)扭转强度的校核。也就是说要在计算时根据轴受到的扭矩，得出方轴的强度。虽然只能片面地反映出方轴的强度，但也能作为一个方面。方轴的扭转强度条件为

(1)

式中τT—扭转时的切向应力；

T—方轴所受扭矩；

W—轴的抗扭截面系数；

d—轴的抗扭截面系数。

2)弯矩、扭矩合成强度计算。完成轴的设计以后，轴的形状、长度、直径已经确定，则轴的结构尺寸可以确定，作用在轴上的扭矩和弯矩也可以计算出来。

3)疲劳强度的校核。此校核的前提是确定轴的结构尺寸和所有的变应力，然后找几个危险截面，最后计算安全系数S，即

(2)

当只存在法应力时，则

(3)

当只存在切向应力时，则

(4)

4)根据静强度条件对轴校核。当载荷作用在轴上时，总会出现峰值，也就是最大载荷。根据静强度校核实质就是根据最大载荷进行校核。进行静强度校核的条件为

(5)

式中SSCσ—危险截面上面的静强度安全系数；

SSσ—单计算轴向力及弯矩的安全系数；

SSτ—单计算扭矩的安全系数；

SS—根据屈服强度的安全系数。

2.3 纵向高度调节装置

纵向高度调节装置由升降台上板、内臂外臂、下滚轮及举升缸组成，如图4所示。升降台采用的是单层剪叉液压升降台，机器顶部有悬挂架，还有内燃机、药箱等重物，要想实现整机纵向高度调节，液压是必不可少的。本设计利用升降台的原理实现上下升降调节，每个升降台由1根液压柱控制。本文利用液压同步回路，包括1个电动机和1个液压泵，通过液压泵泵油和泄油完成整机的升降。

1. 升降台上板 2.内臂 3.外臂 4.下滚轮 5.升降台下板 6.举升缸

3 多功能智能平台控制系统设计

多功能智能平台的无线控制系统主要包括对其供电的供电模块、用以发射无线信号的遥控终端、用以接受无线信号的无线接收模块、用以检测工作状态是否正常的传感器模块、液压电磁阀组及其发现问题后并报警的报警装置，如图 5所示。在选择控制器时，需严格按照多功能作业平台的作业要求及多功能智能平台的功能实现来进行选择，通过在无线控制器上观察及操作，以便实时掌握多功能智能平台的动向，并准确地控制多功能智能平台的运动状态。

图5 多功能智能平台控制系统总体方案

intelligent platform

4 试验分析

4.1 行驶直线性测试

行驶直线性是通过多功能平台行驶一段距离后偏离原定方向的量来评价平台在不操纵转向机构时保持直线行驶的性能，行驶直线性能的好坏对转向机构的磨损及作业质量等产生一定的影响，因此有必要对平台行驶直线性进行测试。

4.2 试验方法及结果

试验方案：平坦且干硬的土地上划出长度为30m的试验区间并在区间内画出中心线用作多功能智能平台的理想状态下的行驶路线，使多功能智能平台在不适用无线遥控器上左右摇杆的情况下平稳地驶过试验区间，然后测量多功能智能平台行驶路线与试验区间中心线的偏离值；在完成测量后仔细按照以上步骤重复试验2次，取3次结果偏离值的平均值作为多功能智能平台与中心线的偏移值，最终经过代入方程式得到偏驶率ε(%)，即

(6)

其中，δS为平台相对中心线的偏使量(m)；S为平台的测试区间长度(m)。

本试验中，规定样机往左偏移行驶为正。试验过程如图6所示，试验测量的相关数据如表2所示。