丘陵地形果园多功能电动作业平台设计与性能研究

杨 涛，吴柏强，李晓晓，黄 波，冉光泽

（1.成都农业科技职业学院机电信息学院，成都 611130；2.成都海逸机电设备有限公司，成都 610199；3.成都大学机械工程学院，成都 610106；4.宜宾市翠屏区农业农村局，四川 宜宾 644000）

丘陵是中国主要的优质果品种植地区，受地形条件与种植模式的影响，丘陵果园机械化程度普遍较低，随着果园产业规模化发展和劳动成本的增加，直接影响到了果农的经济效益［1］。并且，随着青壮年就业观念的转变，农村老龄化现象严重，丘陵耕地已呈现出大面积撂荒的尴尬景象，丘陵地形机械化作业装备关键技术的研究迫在眉睫。此外，中国各种农机总量约2 亿台套，且超过95%的农机使用柴油，这使得每年农机柴油消耗占到全国总消耗量的30%。而且，排放的氮氧化物、二氧化碳及其颗粒物对大气、水土和植物有着较严重的污染。面对传统燃油农机重污染、高能耗、精密性差等现状，2016年，农业农村部印发的《农机装备发展行动方案（2016—2025）》将清洁燃料与新能源农用动力列为重点发展方向［2］。2020 年，中国提出力争2030 年前CO2排放达到峰值，争取2060 年前实现碳中和的目标。碳达峰、碳中和背景下，农机减碳、电动化势在必行，涌现出一批以新能源、自动驾驶等先进信息技术为核心的新型作业平台，推动中国丘陵地形农机向着多功能、小型化、电动化、智能化方向发展［3，4］。

国内外关于电动农机的研究集中在割草机、微耕机、小型拖拉机等方面并处于快速发展阶段。崔志超等［5］针对传统燃油动力作业平台污染大、能源利用率低等问题，设计了一种温室用电动作业平台，能够负载200 kg、最大行驶速度达2 km/h，基本满足温室内果蔬管理、采摘、搬运等农艺要求，但在爬坡能力方面表现较差，不适宜果园场景；曾恒等［6］针对果园、茶园、温室大棚等复杂环境与绿色环保作业要求，研制了轮毂电机驱动的电动拖拉机并运用ADVISOR 仿真分析得出，以1.5 m/s 的速度坡道行驶时最大爬坡度约11°；赵林亭等［7］研制了一机多用的果园自走式小型电动底盘，无线遥控距离达200 m，续航里程17.5 km；吴永栓等［8］研制了一款履带自走式电动多功能作业平台，能够挂载起垄机、旋耕机等机具完成相应的作业；张健等［9］设计了电动遥控履带喷药车，可完成30°的爬坡，具有较强的实用性；刘丽星等［10］基于PID 控制算法研制了集水果采摘、运输、果树修剪等功能于一体的小型电动作业平台，可在10°以下的坡地进行高空农事作业。此外，张金铮等［11］、解福祥等［12］、王锋等［13］、刘妤等［14］、曾山等［15］均开展了三角履带动力学分析或设计开发了三角履带式农用动力底盘，且均在某一方面取得了较好的效果，为该项目作业平台的研制奠定了理论基础。本研究针对中国丘陵地形果园农资转运、林下作业等实际需要以及当前丘陵地形果园农业装备智能化程度不高、用户操作体验差等问题，基于无人驾驶设计理念，摈弃了传动驾驶室设计方案，设计了多功能农用微型电动作业平台（以下简称“作业平台”），以适应丘陵地形农业机械化作业的需要，提高丘陵地形农业机械化水平。

1 整机结构与工作原理

1.1 设计要求与主要性能参数

丘陵地形是果品产业主产区，因地形复杂、道路坡度大等问题，难以开展规模机械化作业，导致丘陵地形农资转运装备、林下作业装备等适应丘陵地形的农业装备严重匮乏。丘陵地形农业装备的主要特点包括多功能、小型化、电动化、智能化，结合农艺要求，确定作业平台主要技术参数，见表1。

表1 作业平台主要技术参数

1.2 整机结构与工作原理

作业平台总体布置及结构见图1，由电池、电机、行走装置、电气系统构成。考虑到作业平台要适应丘陵地形爬坡过坎、果园狭窄场景掉头、低矮果树林下作业的需要，平台采用双车头设计，动力系统使用2 台直流电机，通过万向传动装置将动力传递到左右两侧三角履带轮；转向机构由转向电机驱动转向轮，再通过相应的连杆迫使4 个车轮沿着作业平台行驶方向偏转一个角度，进而实现斜向运动，再配合双向行驶可大幅缩短转弯半径；动力电池位于中间转向机构的正上方，两端放置电气柜与相关传感器，顶部安装有可拆卸的平板，便于安装其他作业装置，同时能够较方便地更换备用电池以满足平台长时间作业的需要。并且，为满足用户一机多用和节约购机成本的需求，作业平台除满足常见的林下运输功能外，还能够搭载施肥、施药、除草、水果采摘（图2a）、运输（图2b）等作业装置以完成相应的作业任务。

图1 作业平台总体布置及结构

图2 作业装置功能

2 关键部件设计

2.1 电机与电池

作业平台在工作中受到坡道阻力、车轮与地面的滚动阻力、加速阻力、空气阻力，其受力分析见图3。因作业平台工作时速度较低且在林下作业，故作业平台工作时空气阻力可以忽略不计。作业平台工作时受到的阻力f可由式（1）计算，为720 N。作业平台牵引力Fq必须克服受到的全部阻力才能够驱动作业平台正常行驶，并且电机的最大功率要满足作业平台最大爬坡度（αmax=30°）与最高车速（vmax=4 km/h）要求。那么，由式（2）计算电机所需的功率P，为3.6 kW。由此，考虑到丘陵地形的复杂工作环境，作业平台前后桥各配备1 个永磁无刷直流电机，功率为2 kW、额定电压为48 V、额定转速为1 000 r/min、最大扭矩为160 N·m。根据续航要求作业平台可连续行驶40 km，则为2 台电机提供电能的电池组容量C可由式（3）计算，为140 Ah。综上，选用4 块单体额定电压12 V、额定电流50 A 的电池串联后再并联形成电池组，即可满足电机工作需要。

图3 作业平台爬坡受力情况

式中，μ为三角履带轮滚动摩擦阻力系数，μ=0.6；δ为作业平台旋转质量换算系数，δ=1.06；m为作业平台质量，m=60 kg；g为重力加速度，g=9.8 m/s2；dv/dt为作业平台行驶速度对时间的微分运算；α 为坡道倾斜角。

式中，Fq为作业平台牵引力，Fq≥f；η为传动效率，η=80%；v为作业平台行驶速度。

式中，Lk为续航里程，Lk=40 km；U为电池组电压，U=48 V；ηmc为电池放电深度，ηmc=90%；ηd1为电池放电效率；ηd2为电机及控制器运行效率，取ηd1=ηd2=90%。

作业平台行驶速度较低，且三角履带轮行走装置与地面接触面积大，受到的摩擦力较大，不易滑动，在横向坡道行驶时受力情况见图4。坡道倾斜角大于倾翻角临界值时，作业平台就会发生倾翻或横向滑移［16］。此时，作业平台沿着坡度方向上的分力必须小于4 个三角履带轮受到的侧向摩擦力，根据力的平衡方程可知最大滑移角γ满足式（4），为31°。同理，作业平台发生侧翻时，受力关系满足式（5），由此，可得到最大倾翻角φ，见式（6）。也就是说，作业平台需要降低重心，以获得较大的倾翻角，进而适应丘陵坡度地形作业场景。由此，三角履带轮行走装置轮距为0.6 m、重心高度为0.25 m、倾翻角度为50°。

图4 作业平台横坡行驶受力情况

式中，γ为最大滑移角；φ为最大倾翻角；B为三角履带轮行走装置轮距，B=0.6 m；h为作业平台重心与横坡垂直距离，h=0.25 m。

2.2 传动机构

作业平台驱动形式采用双电机驱动，前桥和后桥各1 个驱动电机，电机可单独工作，也可同时工作，以满足丘陵地形作业环境的需要。图5 为作业平台传动机构，电机连接齿轮减速装置，再由差速装置、万向传动装置将电机输出的动力传递到左右两侧三角履带驱动轮。由此，传动系统传动比即为三角履带驱动轮转速与电机转速之比，据式（7）计算传动比i0，为1∶5。

图5 作业平台传动机构

式中，i0为传动比；r1为三角履带驱动轮半径，r1=0.1 m；n0为电机转速，n0=500 r/min。

2.3 行走机构

常见轮式行走机构与地面的接触为线接触，接触面积较小，导致其稳定性较差，难以适应高负荷以及复杂路况作业。履带式底盘能够缓和地面的凹凸不平，地面支撑面积大、接地比压小，通过性、爬坡、越障以及地面适应能力相对轮式底盘均有较好的表现，适合在崎岖的地面上行驶［1］。当前，三角履带轮行走装置主要应用于农业机械与工程机械方面，中国关于三角橡胶履带轮行走装置的研究集中在结构优化、性能分析、测试与试验等方面［17］。作业平台面向的是丘陵地形环境，为提高作业平台的通过性与适应性，行走机构采用独立悬挂，由减震器、弹性撑杆构成，以降低平台的振动。此外，考虑到常见的轮式橡胶车轮难以适应作业平台复杂的作业场景，而三角履带轮行走装置具有通过性强、适应性高、稳定性好、牵引附着性好、接地比压小，能够在潮湿、黏重的地面行走，因此作业平台行走轮采用三角履带，见图6。三角履带轮行走装置由驱动轮、张紧轮、橡胶履带、承重架、减震器等构成，相对轮式行走装置能够大幅提升作业平台的通过性和稳定性，解决了常见轮式动力平台爬坡、越障能力较差的问题。由此，确定三角履带驱动轮半径r1、三角履带仿形轮半径r0、三角履带轮接地长度l0、三角履带驱动轮与仿形轮垂直距离h0等设计参数，见图7。通过性评价指标主要有跨越壕沟宽度L与离地间隙d，跨越壕沟最大宽度可由式（8）计算，为218 mm；最小离地间隙由式（9）计算，即轴中心离地距离为180 mm。也就是说，单个三角履带轮能够轻松跨越宽度为218 mm、深度为180 mm 以内的壕沟，基本满足丘陵地形果园使用场景。

图6 作业平台行驶机构

图7 跨越壕沟示意图

式中，Lmax为跨越壕沟最大宽度；dmin为最小离地间隙；l0为三角履带轮接地长度，l0=320 mm；r0为三角履带仿形轮半径，r0=50 mm；h0为三角履带驱动轮与仿形轮垂直距离h0=130 mm。

单排三角履带轮翻越障碍物高度受到自身尺寸结构的限制，遇到低矮障碍物时，三角履带能够直接翻越并与水平路面形成夹角θ，见图8。当垂直障碍高度达到仿形轮直径时处于越障的临界状况，即为履带能够翻越的最高障碍，其越障高度H可由式（10）、式（11）计算，为148 mm。但是，四驱作业平台在翻越障碍物时，后轮能够继续提供较大的推力推动履带向前运动，这就让翻越更高障碍成为了可能。在遇到较高障碍时，三角履带仿形轮会受到较大阻力，作业平台前桥会在后桥的推动下自动偏转一定的角度，从而使得三角履带侧边接触地面，增强平台越障能力。前桥翻越障碍后，后桥则自动以同样的方式翻越障碍，当全部车轮均翻越障碍后，作业平台反向行驶即可自动将所有车轮旋转到正常行驶状态，见图9。此时，作业平台能够翻越障碍的最大高度可由式（12）计算。由此，得到作业平台能够翻越的最大越障高度为260 mm，基本满足丘陵地形小地块作业场景的需求。作业平台满载时在良好路面上采用最低档位行驶能够通过的最大坡度被称为作业平台的最大爬坡度αmax，由式（13）计算得αmax=30°，符合设计要求。

图8 翻越较低垂直障碍示意图

图9 翻越较高垂直障碍示意图

式中，Gmax为满载时作业平台的总重力，N；FH为平台水平方向牵引力，N；fi为平台受到的运动阻力，N。

综上，与传统两驱梯形履带行走装置相比，作业平台四驱三角履带式行走装置既保留了轮式行走装置良好的减震性能、较快的行驶速度及易操控、机动性好等优点，又具有较大的车轮附着力与较强的通过性，并在爬坡能力、翻越垂直障碍、灵活性等方面都有了较大的提升。

2.4 转向机构

常见农业装备一般采用的是需要较大转弯半径的前轮转向机构，即使部分能够四轮原地转向的作业装备，其转弯半径也至少是车长的一半，难以适应丘陵小地块作业场景［18］。作业平台采用4 轮同向转向机构，见图10，由转向电机、转向驱动轮、滑动推杆、弹性撑杆等部件构成，转向机构位于车架中间。转向时，转向驱动轮转动使得滑动推杆滑动一定的距离，迫使前后车轮沿着同一方向偏转相同的角度β，见图11。考虑到车轮转向偏转角度越大、阻力越大，设计最大偏转角度（βmax=45°）。自动转向过程中，首先由自动驾驶系统车轮角度传感器获取目标位置B与作业平台当前位置A的直线距离DAB以及纵向夹角ϕ，当ϕ≤βmax时，车轮偏转角β=ϕ，行驶距离DAB即可到达目标位置；当ϕ>βmax，转向控制系统将自动分2 步完成，第一次车轮偏转角行驶距离到达B″位置，然后，第二次车轮偏转角继续反向行驶距离即可到达目标位置B′。由此，作业平台自动转向过程中沿着横向方向行驶的最大距离Dx与纵向行驶的最大距离Dy分别满足式（14）、式（15）。这样，就使得作业平台能斜向运动，缩短了作业平台变道移动距离，并且，平台采用双车头设计，可避免小车狭窄场景必须转向或调头的情况，从而提高了环境适应性。此外，作业平台传动系统中安装有差速装置，在必要时差速装置可锁紧一侧的车轮传动轴，迫使该侧车轮停止转动，另一侧车轮传动轴则以2 倍速度转动，两侧车轮就形成了速度差，外侧车轮行驶速度较快，迫使作业平台以内侧车轮接地点为圆心做圆弧曲线行驶，进而完成90°转向，见图12。其最小转弯半径rmin可由式（16）计算，为0.95 m。与常见的前轮转向机构相比，作业平台转向机构所需的转向空间远小于前轮转向所需的空间，并且能够轻松到达横向某个目标位置，更适宜丘陵狭窄场景作业。

图10 转向机构

图11 四轮转向示意图

图12 作业平台差速转向示意图

式中，DAB为目标位置与作业平台当前位置的直线距离；Dx为目标位置与作业平台横向垂直距离；Dy为纵向行驶的最大距离；rmin为最小转弯半径；B为作业平台轮距；L0为作业平台轴距，L0=0.6 m。

3 试验分析

为验证作业平台设计方案的可行性以及降低样机研发成本，以选定的电机额定参数为计算基础，核算作业平台动力性能相关参数。因作业平台速度较低，忽略作业平台空气阻力。并且，从电机外特性曲线可以了解到随着电机转速的逐渐增大，电机功率达到恒定值，但随着电机转速继续增大，电机输出转矩将逐步减小。那么，电机转速nm与车速v关系符合式（17）、加速度a符合式（18）、爬坡度α′满足式（19）、电池续航能力符合式（20）。经计算可知，作业平台最高车速为4 km/h、最大爬坡度为30°、电池续航能力为4 h，基本满足设计和使用要求。

式中，v为车速；nm为电机转速，r/min；R为三角履带滚动半径，m。

式中，a为加速度；D为作业平台动力因素，D=为作业平台旋转质量换算系数。

式中，α′为爬坡度；L′k为理论续航里程，km。

为进一步验证设计参数是否满足丘陵地形作业要求以及降低样机开发中的试错成本，团队制作了1∶5 样机实物模型，见图13。结合现行《GB/T 5667—2008 农业机械生产试验方法》，在成都农业科技职业学院崇州现代农业创新创业科技示范园果园真实场景中对作业平台样机模型进行各工况试验，尤其对作业平台动力性、跨越壕沟、翻越垂直障碍能力进行了试验，结果见表2、表3、表4、表5。结果表明，作业平台样机模型各项性能指标达到预期设计值，能应对复杂环境，最大跨越壕沟宽度为4 cm，翻越垂直障碍高度为5 cm，最小转弯半径为20 cm，基本能够适应壕沟、坡道等场景。本研究设计的作业平台技术方案可行，基本适应果园作业要求。

图13 作业平台1∶5 实物模型

表2 模型性能参数

表3 作业平台模型试验分析结果

表4 跨越壕沟试验结果

表5 翻越垂直障碍试验结果

4 小结

1）本研究在满足丘陵地形作业要求的同时，尽量提升用户驾驶体验，以降低用户劳动强度。根据相关农艺要求，确定了作业平台主要技术参数，运用三角履带轮行走装置设计了适应丘陵地形的四驱作业平台，并分别对传动机构、行走机构、转向机构与动力系统关键机构展开研究，为后期进一步开展适宜丘陵地形微型电动农机自动驾驶系统做好铺垫。

2）制作了1∶5 样机模型，并据此对其动力性、跨越壕沟、翻越障碍等性能进行了测试与分析，重点验证了自动驾驶系统设计方案的可行性，为节省农机新产品开发成本提供了新思路。