多功能果园遥控作业平台的研究

河北农业大学现代科技学院 佟嘉玮 江东博 姚文特 楚若于 孙立成 李孟玉 万一

1 研究多功能果园遥控作业平台的意义

近年来，随着农业产业结构的优化调整和农产品产业化的快速发展，苹果已成为推动农业结构调整、区域经济发展和我国苹果优势区及特色产区农民脱贫致富、乡村振兴的支柱产业。先进的果园机械装备是节约资源消耗、提高经济效益、降低劳动强度、提高生产效率、提升果品品质的重要保证。然而，我国现阶段的果园机械装备水平不能很好地满足果园地形复杂及“轻简、省力、高效、安全”的果园生产实际需求，已成为掣肘我国果园产业可持续发展的瓶颈问题。

为适应现代果园管理精细化、生产高效化的发展需求，本项目面向河北“重点发展的7大类特色产业之一的水果产业”及“加快推进农业机械化和农机装备产业转型升级实施意见中提及的18种重点农业机械之一的果品机械”，针对目前我国矮砧密植果园生产机械化水平低、劳动强度大、生产效率低、作业危险性高等现状，研发一款轻简省力、安全可靠、便捷实用的多功能果园生产遥控电动作业平台，项目选题符合国家及河北省相关产业政策及社会需求，项目研究成果可有效减少果园用工、提高作业效率、改善工作环境，对发展绿色果业、改善生态环境、提升果品质量、提高果业效益等具有重要意义。

2 多功能果园遥控作业平台的设计原理

2.1 作业平台动力系统及线路设计

依据作业平台的工作环境及其最大作业速度、最大爬坡角度、续驶里程等主要技术参数，对电池、驱动电机、电机控制器等进行选型计算。

2.2 作业平台机械系统设计

作业平台行驶系统（车架、车轮、前后车桥）、传动系统（变速器、减速器、差速器、半轴）、制动系统和转向系统、防倾翻机构等关键机构及其零部件的设计计算与仿真分析。

图1 变速器

图2 差速器

2.3 作业平台控制系统设计

硬件系统设计。主要包括电源、驱动电机、PC机、无线视频接收器、无线控制指令发射器、视频采集卡、视频发射器、控制信号接收器、驱动继电器、传感器等硬件的选型与匹配性设计。

图3 无线视频接收器

图4 驱动继电器

2.4 作业平台样机试制及性能测试

依据最终确定的设计方案，进行标准件采购及关键零部件加工，完成作业平台整机装配与调试；对作业平台样机的行走、制动、自动调平、防倾翻及电控性能、安全性能等进行测试分析，对不足之处进行优化与改进。

3 多功能果园遥控作业平台要点

3.1 不同的地形装置的选择

果园规划合理，平整度和通过性较好的果园作业平台行走机构一般采用轮式机构，相较于履带式行走机构，轮式机构具有行走速度快操作简单后期维护成本低等优点[1]，升降机构主要有剪叉式折臂式尧阶梯式和伸缩臂式等类型。果园分布于丘陵山区，苗木行株距设置小，因此，作业平台要尺寸小且多用履带式行走机构，履带式结构相较于轮式机构速度慢但更加稳定，以枢轴式摆动悬挂机构作为行走装置的履带底盘自走式采摘车，该车特点是轮距宽，重心低，爬坡能力强，越沟性能较好，行走稳定性高，适用于15度~30度的坡地。

图5 枢轴式摆动悬挂机构

3.2 人员与机械配备

果园的操作者多为农民，文化程度普遍偏低，这就要求平台操作方法简单、可靠性高、便于维护修理。在对现代果园进行修剪，疏花疏果，果实采摘等作业时，工作人员往往需要到距离地面一定高度的地方作业，劳动难度大，安全性难以保障。同时，随着城市化进程的加快，果农老龄化现象严重，劳动力身体素质下降，因此，农机装置要简单可靠，易操作，安全性高。现代化苹果园必然是机械化作业的果园，要求果园农事操作技术极大简化，用工量减少，水肥施用可实现与树体生长规律一致的可控性施用，利用率提高。

3.3 功能要求

农机功能要全面，履带式多功能果园作业平台特点是一机多用（采摘，修剪，喷药，运输，动力发电等）、1.5 m内自由升降、配备的可拆卸式发电机可为平台作业或照明提供用电、低地隙底盘保证其通过性好、可实现360度原地转向。平台采用平行四连杆升降机构，结构简单，升降过程平稳，可通过遥控控制平台在丘陵山地灵活作业，采用双向调平模式保证平台始终处于水平位置，可对整机部分进行拆卸并完成喷药、开沟施肥的功能。在遥控方面，装置可通过遥控器在60 m范围内控制平台转向、前进、停车、左右伸展。该平台可加大作业人员采收范围并提高作业效率[2]。

3.4 技术要求与结构设计

平台进行升降和行进作业时采用机电液一体化控制策略，即电动控制，液压传动，机械执行。软件方面，该平台采用液压传动、电液比例技术以及模糊PID控制方案为整体控制策略，并采用STM32单片机为核心控制芯片。硬件方面，该平台采用了适当的传感器对剪叉式升降机构进行实时监控，提高了作业安全性，并且采用合适的液压元件搭建了升降模块的液压回路，该设计的优点是操作简单，可实时监控保证平台运行稳定，具有自适应能力和故障诊断能力，可减少机器损耗、延长机器使用寿命。动力方面，随着科学技术的不断发展，电动作业平台已经成为发展趋势，主要依靠以下几方面优势：一是电动车依托电机驱动，不需要中冷系统散热，因而不需要大面积进气格栅为冷却液散热。二是电动车依托电机驱动，底盘上不需要安装排气筒和油箱，节省出大面积的底盘空间，节省出的部分空间被电池组占据，其他空间可提高作业平台的通过性。三是与柴油车相比，电动车的高效区间更加宽泛，无须增设变速箱，有较好的操控性能。稳定性方面：根据我国果园的分布特点，对于可调平式果园作业平台的需求越来越迫切，因此，要选用低延时的传感器，设计合理的机械结构减轻惯性摆动，安装时减轻各种零部件之间的摩擦。控制方面，加入遥控技术，操作人员可远距离控制平台前进，后退，转向和平台升降等，果园作业平台可自动感知外部环境进而对行进路线自动导航。

4 多功能果园遥控作业平台的特点以及优势

（1）依据作业平台的工作环境及其最大作业速度、最大爬坡角度、续驶里程等主要技术参数，对电池、驱动电机、电机控制器等进行选型计算，有以下几方面优势：一是电动车依托电机驱动，不需要中冷系统散热，因而不需要大面积进气格栅为冷却液散热，二是电动车依托电机驱动袁底盘上不需要安装排气筒和油箱，节省出大面积的底盘空间，遥节省出的部分空间被电池组占据，其他空间可提高作业平台的通过性，三是与柴油车相比，电动车的高效区间更加宽泛，无需增设变速箱，有较好的操控性能。

（2）可调平式作业平台能准确无误完成调平功能，克服了地面起伏不平导致影响角度传感器对信号的采集的问题；同时解决了升降速度过快导致工作台出现惯性摆动的问题。

（3）机电液一体化：运用液压和电液比例技术，果园作业平台能够实现无极变速，通过改变传动比，使平台的传动系数与发动机工况达到最佳匹配，从而提高工作效率。

（4）融入导航与遥控技术：通过在果园作业平台中加入导航技术，果园作业平台可自动感知外部环境进而对行进路线自动导航遥通过加入遥控技术，操作人员可远距离控制平台前进、后退、转向和平台、升降等。