运载平台典型工况运动稳定性分析

汪逸飞

摘  要：温室运载平台自重小，重心高，受到温室内部道路不平的影响，工作人员在作业过程中易发生侧翻。文章针对两种典型工况下，分析了辅助轮的数量、是否有工作人员作业对运动稳定性的影响。通过构建数学模型，推导得到转弯不侧翻的临界车速以及上下坡不侧翻的临界坡面角度。为运载平台的安全稳定运动提供了理论依据。

关键词：温室运载平台;倾翻;稳定性

中图分类号：TH21         文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2019）17-0009-03

Abstract： The greenhouse carrier platform has small self-weight and high center of gravity， which is affected by the uneven road inside the greenhouse， and the staff are prone to rollover in the course of operation. In view of two typical working conditions， this paper analyzes the influence of the number of auxiliary wheels and whether there are workers on the stability of motion. By constructing the mathematical model， the critical speed of turning without rollover and the critical slope angle of uphill and downhill without rollover are deduced. It provides a theoretical basis for the safe and stable movement of the carrier platform.

Keywords： greenhouse carrier platform; rollover; stability

1 概述

隨着近年来机器人技术的成熟，温室农业机器人由于其在降低劳动强度、提高作业效率上的出色表现，也在逐渐地普及。作为温室机器人里比较重要的分支，温室运载平台的设计研究在我国内较少，主要集中在郑州大学[1]和上海交通大学[2]。而在国外，技术发展较为成熟，包括日本的Torri[3]团队、西班牙的Sánchezhermosilla[4]团队等均研制出较高水准的温室机器人。

温室运载平台作为一款小型农用车辆，受到温室内部道路不平及本身重心较高的影响，工作人员在作业过程中最容易发生危险状况就是侧翻。目前国内研究侧翻稳定性，一般按照车辆的不同有两种研究方法。一种是以起重机系列为代表的，稳定力矩研究法[5]。一种是以乘用车系列为代表的，准静态研究方法[6]。但是由于温室运载平台的特殊性，其兼具了普通乘用车速度较快和起重机重心较高的特点，因此对于温室运载平台这类农用机器人的侧翻稳定性研究较少，有较大研究价值。

本文根据温室运载平台的特点，结合了起重机和乘用车在侧翻稳定性研究方面的主要方法，分工况更加全面地对这个其稳定性进行研究，以期能对温室运载平台提供一定理论基础。

2 温室运载平台侧翻稳定性模型

如图1所示，温室运载平台主要承担在温室内部物料运载的任务，同时可搭载不同的作业部件，以实现一机多能的效果。温室运载平台的侧翻稳定性，是指在不同工况条件下，抵抗自重或惯性力引起的侧翻的能力。

2.1 轮距计算

为了提升温室运载平台的整体侧翻稳定性，运载平台底盘前后各有一个辅助轮的安装接口，在作业过程中，在作业空间允许的情况下，工作人员可进行选装。根据辅助轮的数量，本文的研究分为了无辅助轮、二轮辅助和四轮辅助三种不同的工作情况。

2.2 侧翻稳定性的测评方法

目前侧翻稳定性的分析计算方法主要有三种，分别为力矩不等式法、稳定性安全系数法和按临界倾覆载荷标定额定起重量法[9]。本文采用目前主流的力矩不等式法，该方法也被GB/T3811-2008所采用，而且在欧美国家也有很广泛的应用。力矩法的原理较为简单，其核心就是求得运载平台的侧翻力矩与稳定力矩，运载平台的侧翻稳定条件为：

根据不同的工况，可得出不同的力矩不等式，通过这些不等式，即可求得运载平台的侧翻的临界条件。

2.3 工况分析

为了简化分析与计算过程，本文选取了两种具有针对性的工况来进行侧翻稳定性的研究：

（1）准静态转弯工况：研究运载平台在转弯或调头时，升降台高度与转弯速度对侧翻稳定性的影响。

（2）上下坡工况：研究运载平台在上下坡时，最大的坡道角。

3 温室运载平台侧翻稳定性分析计算

3.1 准静态转弯工况

准静态转弯指的就是运载平台稳态转向时的工况。当运载平台准静态转弯时，受力分析如图2所示：

式中，B为等效轮距，Hg为温室运载平台高度方向等效质心位置，r为转弯半径。为取极限值，现取转弯半径r为最小转弯半径rmin。

联立上面各式，并将得到的侧翻临界条件带入Matlab中仿真，可得在不同工作状态下（辅助轮数量、有无工作人员）运载平台临界转弯速度的明细表，如表1所示。

由仿真结果也可看出，温室运载平台在转弯或调头过程中，载有工作人员与否影响很大，同时辅助轮也有着很出色的提高临界车速的效果。但由于该款温室运载平台的车速较低（5-8km/h），在不发生特殊事件的情况下，均能保证运载平台的顺利转弯和调头。

3.2 上下坡工况

上下坡工况研究的是温室运载平台在上下坡时，在不同工况条件下，运载平台的临界坡道角。与前两种工况不同的是，由于运载平台车身较长，辅助轮的数量影响较小，因此此工况不考虑辅助轮安装带来的前后轮距的影响。当运载平台上下坡时，对其进行受力分析，如图3所示：

式中，L为前后轮轮距，A为温室运载平台长度方向等效质心位置，Hg为温室运载平台高度方向等效质心位置。

将侧翻临界条件带入Matlab计算，最大坡道角明细表如表2所示。

从表2可以看出，在相同情况下，上坡比下坡更容易引起温室运载平台的倾翻。在升降台高度一致时，有人工况下坡道临界角大概是无人工况下的一半，影响很明显。同时，升降台降至最低点时，也普遍会比升至最高点时高将近一倍，影响也同样很明显。

4 结论

（1）本文结合起重机及普通乘用车侧翻稳定性研究的方法，提出了一种针对温室运载平台这种有独特结构和使用环境的农用机器人的侧翻稳定性研究思路。

（2）针对温室运载平台不同的工作状态，分两种工况进行研究。同时根据安装的辅助轮数量和是否有工作人员作业等情况，对两种工况继续进行细分，这使得最终的结果更具实用性。

参考文献：

[1]马世榜.关于农业温室自动化作业平台的研究——行走机构及导引控制方式[D].郑州大学，2009.

[2]陈小波.自走式温室喷雾机承载平台的设计与研究[D].上海交通大学，2011.

[3]Torii T. Research in autonomous agriculture vehicles in Japan [J]. Computers & Electronics in Agriculture， 2000，25（1-2）：133-153.

[4]Sánchezhermosilla J， González R， Rodríguez F， et al. Mechatronic description of a laser autoguided vehicle for greenhouse operations[J]. Sensors， 2013，13（1）：769-784.

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[6]汪一立.车辆货物约束系统侧翻力学特性的研究[D].武汉理工大学，2010.

[7]赵亮，张正龙，韦宏法，等.重型车侧翻特性理论分析及防侧翻支架设计[J].工程设計学报，2014（1）：75-79.

[8]张肇伟.YTQU160履带式起重机抗倾覆稳定性研究[D].长安大学，2012.

[9]石磊.起重机抗倾覆稳定性分析探究[J].中国机械，2015（3）：89-90.

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[12]吴心平，汪元波，杨宗田.刚性汽车的纵向极限稳定性分析[J].汽车实用技术，2011（9）：51-53.