农业机器人移动平台设计与稳定性分析

2022-06-09宋大海卢智琴李江龙孟庆伟

智慧农业导刊 2022年11期

宋大海，卢智琴，李江龙，孟庆伟

（贵州航天智慧农业有限公司，贵州贵阳 550000）

随着科学技术的进步，我国作为农业大国，实现农业的机械化和现代化是社会发展的必然趋势[1]。农业生产类型的多样性导致农业机器人种类繁多，主要包括嫁接机器人[2]、移栽机器人[3]、喷药机器人[4]、农业信息采集机器人[5]、剪枝机器人[6]以及采摘机器人[7]等。上述各类农业机器人都需要移动平台来实现在农田里的行走，并为农业机器人的作业提供稳定的输出平台，在移动过程中避免对农作物的伤害。

综上所述，结合作物田间管理作业需求，确定了适合作物田间管理作业需求的高地隙移动平台总体结构，并对关键部件进行了设计。对移动平台行走、转向性能进行了分析，确保整机行驶性能良好。同时以理论计算、倾覆仿真的方法分析了移动平台的稳定性，得到其上下坡与横向倾覆角参数。制作了大棚除草高地隙移动平台样机进行了田间试验，结果表明移动平台能满足除草装置的运载与作业需求。

1 整体设计方案

1.1 总体方案

为满足作物田间管理作业需求，需要移动平台有较好的普适性、通过性、机动性与稳定性以应对复杂恶劣的农田环境；能够搭载多个、多种作业装置，实现高效作业、一机多用；可以便捷调节轮距宽窄与地隙高低，满足不同种植行距、不同生长高度植株的作业需求，同时尽可能地保护作业生态；具有良好的行进、调速、转向性能，机动灵活。针对这些需求，设计了一种农业机器人移动平台。

移动平台包括车架、折展机构、轮距调节机构、地隙调节机构、减震机构、动力与控制系统，其整体结构轴测图如图1所示。具体工作方式如下：预先将移动平台调整为地隙最低、轮距最窄、折展机构收起状态进行运输。到达作业地点后，根据农作物实际生长高度、种植行距，通过电动推杆调整轮距与地隙。手动将折展机构抬起展开并锁死，而后装载作业装置。由PC端远程遥控后置两轮毂电机行进、调速或转向，以完成田间作业。

图1 移动平台整体结构图

1.2 技术参数

移动平台主要技术参数见表1。

表1 大棚除草移动平台主要技术参数

2 关键部件设计

2.1 车架

车架整体为龙门架式构型，由型号为欧标4040、材质为6063-T5铝合金的铝型材搭建而成。整体机械结构重量不到70 kg，相比传统重型农业装备而言质量轻巧。铝型材表面阳极氧化，耐潮耐腐蚀，能很好地适用于农田野外环境。同时，铝型材搭建的车架可以根据作业场地、作业装备实际情况作出调整。各部件装置通过铝型材上的凹槽与T型螺栓固定在铝型材上，也能根据实际情况便捷调整。

2.2 折展机构

折展机构对称安装在移动平台两侧，可以展开并提供两个可以安装额外作业装置的扩展平台，可以实现多行作业，能有效提高作业效率。平台车身本体与扩展平台可以根据不同需求，装载不同作业装置以实现一机多用。其结构如图2所示。

图2 折展机构

折展机构中，折展基部与车身固接，相对扩展平台保持固定。扩展平台与折展基部通过合页连接以实现相对转动，通过气弹簧实现折展机构折叠与展开。由于气弹簧不能主动控制，所以在安装时要保证机构展开后活塞杆有一定行程预留，以保证气弹簧始终提供向上推力。在手动将折展机构折叠或展开后，可以利用折展固锁条与T型螺栓紧固，保证其稳定性。

2.3 轮距与地隙调节机构

轮距与地隙调节机构能够实现轮距、地隙的便捷调节，在前行时确保农作物不被损伤，保护作业生态。提高移动平台的普适性与通过性，使之满足不同种植行距、不同生长高度农作物管理作业需求。

轮距调节机构由2个水平、对称布置电动推杆驱动，调节前后状态如图3所示。调节轮距时，电动推杆启动，同步地将移动平台的折展机构、地隙调节机构、减震装置、车轮向两边推动。轮距调节机构可以在移动平台轮距最窄的情况下增加200 mm轮距。在轮距调节推杆伸缩时，移动平台下方有导轨装置辅助支撑。在移动平台完成轮距调节后，可以通过轮距固锁条与T型螺栓紧固。

图3 轮距调节机构

地隙调节机构由4个电动推杆驱动，各电动推杆竖直、平行布置如图4所示。调节地隙时，电动推杆启动，同步地将移动平台的车身、轮距调节机构、折展机构抬起。移动平台的地隙调节机构可以在离地间隙最低基础上再升高100 mm。

图4 地隙调节机构

2.4 减震装置

减震装置采用弹簧减震，安装在移动平台侧面下方两根型材之间。减震装置能够缓冲移动平台行进时的震动与冲击，为搭载的作业装置提供稳定的作业环境。该装置还可以被用以调节地隙，通过手动调节减震弹簧安装位置，为移动平台增加60 mm的离地间隙。

2.5 动力与控制系统

移动平台控制系统如图5所示，包括基于STM32微处理器的硬件模块、基于ROS操作系统的软件模块、用作人机交互界面的显示器、实现远程通信的定向路由器、提供系统动力的汽油发电机。

图5 控制系统结构框图

硬件模块主体为BW-DR03轮毂电机控制器（深圳蓝鲸智能公司生产）。该驱动器以STM32嵌入式微处理器为核心，能实现高精度里程计、PID闭环调控、串口收发解码等功能。

远程遥控的PC端与移动平台上的工控机，二者软件模块均基于ROS操作系统。PC端通过操控键盘输出指令信息，利用定向路由器远程通信控制工控机，工控机通过RS232串口通信与电机控制器控制轮毂电机实现指令信息。此外，工控机外接有触摸显示器，用以实现人机交互。

驱动系统选用2个定制的轮毂电机后置驱动，单个轮毂电机额定功率为500 W，最大行进速度为6 km/h。轮毂电机内置有霍尔传感器，可以将速度信息反馈给工控机。

移动平台上方可以放置汽油发电机为系统提供220 V电源。汽油机型号为LP280OIE（重庆隆鹏公司生产），其额定功率为2.2 kW，一次燃料加注完成后能保证移动平台连续作业7 h，后续可随时补充燃料。汽油机输出的电力通过变压器将220 V交流电转化为36 V直流电为轮毂电机供电，其余用电设备通过专门的电源适配器供电。

3 行驶性能分析

在作业时移动平台需要良好的机动能力以实现行走、转向的功能，所以对其行走性能、转向性能进行分析。移动平台行进、调速与转向均由后置的两轮毂电机实现。

3.1 行进性能分析

为确保移动平台有足够动力装载作业装置行驶，对轮毂电机功率进行校核，以确保其有良好的行走性能。轮毂电机最大功率应当同时满足最大速度下平地行进、一定速度下爬坡和加速时的功率需求。但移动平台主要实现对作业装置的平稳运载，对加速性能要求不高，故只考虑最大速度下平地行进、一定速度下爬坡时的功率需求。

移动平台在平地以最大速度行进时所需功率为：

式中：P1-最大速度平地行进所需总功率，kW；m-整车质量，kg；g-重力加速度，一般取 9.8m/s2；f-滚动阻力系数；Cd-风阻系数；A-迎风面积，m2；vmax-最大车速，km/h。

移动平台整车质量略取大，为m=100 kg。参考汽车理论[8-9]，取滚动阻力系数f=0.15、风阻系数Cd=0.3。以移动平台正视图横截面计算迎风面积，得A=0.74 m2。而最大车速vmax=6 km/h。将所得参数代入式（1）中，得P1=0.25 kW。

移动平台以一定速度爬坡时所需功率为：

式中：P2-一定速度爬坡时所需功率，kW；v-爬坡车速，km/h；θ-最大爬坡角，°。

预设移动平台爬坡车速v为2 km/h时的最大爬坡度为30°，此时爬坡角度θ为16.7°。代入式（2）得P2=0.23 kW。

驱动系统最大功率应满足：

式中：P-驱动系统最大功率，kW。

而单个轮毂电机功率额定功率为0.50 kW，满足最大速度下平地行进、一定速度下爬坡时的功率需求。

3.2 转向性能分析

传统车辆转向多依靠特定转向机构，不可避免地有较大转弯半径。而移动平台可以通过两轮毂电机速度差实现灵活转向，并且省去了中间传动机构，这种转向方式被称为滑移转向或差速转向[10-11]。构建移动平台滑移转向运动模型如图6所示。

图6 滑移转向运动模型

从图6中几何关系可得：

在移动平台小角度运动时，远离转向中心O一侧轮胎（图6中为右侧轮胎）多走过的弧度近似为一段直线：

多走的距离由两侧轮胎速度差决定：

由式（5）-（7）得：

式中：θ1-车身绕转向中心转动角度，°；θ2-车身相对水平线偏转角度，°；θ3-转向运动中航向角变化量，°；d-右侧轮胎多走距离，mm；L0-轮距，mm；Δv-两侧轮胎速度差，km/h；Δt-转向运动时间，s；vr-右侧轮胎速度，km/h；vl-左侧轮胎速度，km/h。

在实际应用中，预先设定转向时两侧轮毂电机速度差为固定值，控制转向时间即可实现特定角度转向。当两轮毂电机等速反向运动，甚至可以实现转向半径为0的原地转向。

4 稳定性分析

高地隙移动平台重心较高，为确保移动平台在有坡度的地面行驶或作业时不至于倾覆，需要分析移动平台的稳定性[12-13]。在移动平台缓慢行驶或静止的情况下，忽略平台空气阻力、轮胎弹性变形等因素进行分析。

4.1 纵向稳定性分析

移动平台上坡或下坡时，可能会发生纵向倾覆。以移动平台上坡的情况进行力学分析，得到如图7所示的受力分析图。

图7 移动平台纵向稳定性分析

建立其平衡方程如下：

式中：FN1-前轮所受支撑力，N；FN2-后轮所受支撑力，N；G-移动平台所受重力，N；α1-上坡状态纵向倾覆角，°；Ff1-前轮所受摩擦力，N；Ff2-后轮所受摩擦力，N；h-重心至地面垂直距离，mm；L1-重心至前轮水平距离，mm；L2-重心至后轮水平距离，mm。

移动平台前轮支撑力为0，即FN1=0 N时，移动平台纵向倾覆，此时：

同理，移动平台下坡时纵向倾覆角为：

式中：α2-下坡状态纵向倾覆角，°。

利用Solidworks软件对移动平台进行质量属性分析，得重心高度h=821.46 mm，重心与前轮、后轮水平距离分别为L1=293.81 mm、L2=315.19 mm。将所得参数代入式（11）、（12）中，得到移动平台上下坡纵向倾覆角分别为 α1=20.99°、α2=19.68°。

4.2 横向稳定性分析

当移动平台左右车身不在同一水平面上时，可能会发生横向倾覆。此时移动平台受力情况如图8所示。

图8 移动平台横向稳定性分析

当高侧轮所受支撑力为0时移动平台横向倾覆，此时：

式中：L3-重心至单侧轮胎水平距离，mm；β-横向倾覆角，°。

移动平台左右结构基本对称，那么重心至单侧轮胎水平距离即一半轮距，故L3=365.00 mm。将所得参数代入式（14）中，可得移动平台横向倾覆角为β=23.96°。

由公式（11）、（12）、（14）可以看出，移动平台稳定性与重心高度、左右两侧轮胎轮距、前后两端轮胎轴距有关。轮距、轴距越大，平台重心高度越低，稳定性就越好，抗倾覆能力就越强。

5 稳定性仿真

在以理论分析的方法计算得出移动平台倾覆角后，利用Solidworks Motion进行稳定性仿真进一步验证。

5.1 仿真过程

通过进行翻转试验来获得倾覆角参数，试验平台与试验过程如图9所示。

图9 仿真实验示意图

对移动平台三维模型进行极端处理，即调整其为地隙最高、轮距最窄状态，从稳定性分析的理论计算中可得出此时移动平台的稳定性最差。在移动平台上施加汽油机等负载，分别进行上下坡与横向行驶的倾覆仿真。

仿真时先添加重力场，设置重力方向与重力加速度数值。设置移动平台轮胎与平板为实体接触，二者材料分别为Rubber（Dry）、Steel（Dry）。修改静态摩擦系数为1，取较大静摩擦系数以防止仿真过程中轮胎发生滑移。其余参数如刚度、力指数、阻尼、穿透度等采用系统默认值。设置旋转马达驱动平板转动，运动形式为等速，旋转速度为1 RPM。