自走式喷杆喷雾机的平衡机构分析

金晶 翟恩昱 苏婷 李建平

摘 要：针对现有自走式喷杆喷雾机的设计重心高导致重心不稳，从而使得喷杆摇晃导致喷洒不均匀。本论文利用山地平衡车的平衡机构和喷杆式喷雾机相结合，对其进行了改进。其运作原理主要是通过“动态稳定”理论分析，利用内部陀螺仪判断车身所处的姿势状态，结合内部处理器计算出适当的指令后可以驱动马达，因而达到平衡效果。借助MATLAB/Simulink仿真平台，结果显示，在喷雾机三种速度下，平衡机构可以在2-3s短时间内使得喷杆稳定，对提高自走式喷雾机的工作稳定性具有很大的实用价值。

关键词：平衡机构;动态稳定性;自走式喷杆喷雾机;MATLAB/Simulink仿真

1 引言

1.1 研究背景

喷杆式喷雾机主要分为悬挂式喷杆喷雾机和自走式喷杆喷雾机，中农立华丰茂植保机械有限公司制造的3WX-500悬挂式喷雾机[1]需要与25.74kw以上的拖拉机套配使用，不仅不环保，仍旧存在人为操作失误的可能性。我国现阶段的主要植保机械是各种自走式喷杆喷雾机，涵盖价格几万元的简易三轮喷杆喷雾机，200多万元四轮驱动进口机型和创新的电动遥控喷杆喷雾机[2]，遥控自走式喷杆喷雾机，虽然实现了智能遥控，安全性高，但是在喷杆稳定性与喷洒均匀方面仍存在着问题。自走式喷杆喷雾机具有作业效率高、安全性能高、药液量分布均匀、喷洒质量好等特点[3]，目前广泛用于温室，大田，草坪，苗圃等等场合。

尽管自走式喷杆喷雾机目前应用广泛，但是它在作业时的稳定性研究还有很大的提升空间。例如，喷杆喷雾机较为适用于田间作业，由于设计的重心比较高，当水箱注入药液后，其流动性强，从而导致重心不稳。当地面坡度过大或者在高地埂时，由于喷雾机自身的不稳定，很容易发生倾覆[4]。为了提高喷雾机作业的稳定性，大部分提高是对自走式地盘机架的设计研究，例如平衡底盘机构[5]，但是平衡底盘结构也存在着不稳定性，例如，当喷雾机作业时，底座会随着地块高低起伏而晃动。受此影响，喷杆就会随底座摆动，这样容易使喷杆摇晃倾斜而刮伤作物，甚至会因此而损坏喷杆。有的喷杆喷雾机上虽然装有喷杆平衡系统，但其设计技术往往都是采用超声波/红外线测距、电子传感器及液压平衡调节器等组合[6]。这样的平衡机构不仅结构复杂，成本也十分高昂，使得许多生产企业和用户望而却步。

1.2 研究目的和意义

针对上述问题，利用山地平衡车的平衡机构与喷雾机相结合可以从应付路况方面大大提高喷杆以及喷雾机自身的稳定性。现在市场上的平衡车种类也是各种各样，如简易双轮平衡车，还有孙亚飞等人研制的自動避障双轮平衡车[7]，采用微处理器和姿态传感器，利用PID控制算法，在此基础上利用超声波测距技术，实现了自动避障功能;靳培峰等人研制的智能双轮平衡车[8]，基于动态稳定原理保持平衡。但是这些平衡车自身的平衡机构有的造价昂贵，有的无法自动避障，维持稳定性，很难运用于喷杆喷雾机。本论文所选取的平衡机构具有三轮结构，更加稳定，不仅可以实现喷杆喷雾机的自走，还能通过手机连接遥控，同时机构自身也装有制动手柄。利用山地平衡车的平衡机构与喷雾机相结合可以实现喷雾机爬坡，在沙地，沼地前行，可以适用于温室，大田，草坪，苗圃等等场合。

基于可以调节喷杆倾角的MATLAB/Simulink仿真平台，使自走式喷杆喷雾机在低速、中速、高速三种状态下行驶，得出的计算与仿真结果表明，自走式喷杆喷雾机可以利用该平衡机构在不同速度下平稳运行，提升了喷杆的稳定性。

2 平衡机构工作原理与结构设计

本文研究的平衡机构由控制主板、三轴陀螺仪结合加速度传感器、电机、电池以及车轮等内置模块构成。当车身处于不稳定工作状态时，三轴陀螺仪将迅速反馈信息给控制主板，控制主板内含的传感器模块、运算模块等将计算数据将信息传达给电机。电机控制驱动模块，控制车轮的水平移动角度稳定机构，间接稳定喷杆，保持了喷雾机喷洒的均匀高效。

2.1 整机结构设计

一种利用山地平衡车平衡机构的喷杆喷雾机，如图1所示，包括行走装置、供药装置、动力装置、喷杆装置。供药装置包含两个相互连通的药箱，两个药箱同等体积，分别固定在山地平衡车的前后两个脚踏板上;喷杆装置为五段可折叠式喷杆，如图2所示，a为喷杆水平展开简图，b为喷杆折叠时简图喷杆的主架固定在药箱前的支架上。喷杆上等距设有若干喷头，药箱出口通过输液管连接至喷头，每个喷头前的输液管上均设有截止阀;动力装置为液压泵和电动机，液压泵进口端连接水箱出口，出口端连接药箱进口。

当行走装置（1）运行时，外部三轮结构可以增加该装置的稳定性，并且供药装置（2）以及喷杆装置（3）全部固定在行走装置（1）上，其机身与喷杆稳定性取决于平衡机构的稳定性。

2.1.1 平衡机构原理

平衡运作原理主要是通过“动态稳定”理论分析，利用内部陀螺仪判断车身所处的姿势状态，结合内部处理器计算出适当的指令后可以驱动马达，因而达到平衡效果。运作原理的核心机构是三轴陀螺仪结合传感器，原理可简述为只要给陀螺仪的转子一个力，它可以同时测量出6个方向的位置，还包括物体移动轨，使它快速旋转，它的转速可以达到每分钟几十万转从而长时间工作。一个旋转的三轴陀螺仪所指的方向在不受外力影响下是不会改变的。其作用主要是可以测量运动物体的角速度，从而判断物体的运动状态。

三轴陀螺仪的应用相当广泛，何巧云研究的飞机自动飞行控制器[9]控制和稳定飞机的角运动和重心运动，三轴陀螺仪应用在反馈控制过程中并且确切掌握了飞机的运动状态;李亚飞等人研究的汽车智能辅助驾驶仪[10]将三轴陀螺仪与各类传感器相结合，可以收集车内车外的环境数据并进行动静物体的辨识与侦察，从而使得驾驶者在最短时间内可以察觉安全风险，提高了驾驶的安全性;还有史一翔研究的基于三轴陀螺仪的姿态解算误差补偿方法[11]以及建立带有温度参数的三轴MEMS陀螺仪误差模型[12]提高自制惯性测量系统的测量精度等。从中可见三轴陀螺仪的应用已经相当成熟。它的组成主要结构分别是：陀螺仪帧、螺旋轴、转子和万向坐标系。当三轴陀螺仪应用于本文的平衡机构，通过三轴陀螺仪与加速传感器配合可以通过测量沿着一个轴或者多个轴的角速度，追踪捕捉到三维空间的完整运动，从而知道平衡车的位置，起到了GPS定位的作用。除此，还可以校正行走装置的前行方向，依靠重力移动改变转向。这就是平衡机构用于自走式喷杆喷雾机在爬坡或者避障时还能保证喷雾机以及喷杆稳定的原理。

3 工作稳定性分析

为了实现喷雾机以及喷杆在作业时的稳定性从而使得药液均匀喷洒，本文对喷雾机的车轮和喷杆重心以及移动角度进行了量化分析，得出了车轮在水平面倾斜角度与喷杆摆动角度的关系，获得了平衡机构如何稳定喷杆的数据。

5 结语

（1）本论文中的喷雾机在 三种速度下，平衡机构可以在2-3s短时间内调整机身，使喷杆保持平衡状态，达到平衡效果，实现均匀喷洒;

（2）利用山地平衡车的平衡机构，不仅让喷雾机实现自走，并且喷雾机可以实现爬坡，在湿软草地前行等等，弥补了现有喷雾机工作范围的局限，适合多场合应用;

（3）本文研究的自走式喷杆喷雾机不仅具有自我调节平衡的能力，并且机构小巧，便于携带，具有广阔的市场前景，有利于农业的发展。

基金项目：江苏省高校自然科学研究面上项目（16KJB210006）;南京林业大学大学生科技创新项目（201810298012Z）。

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