基于軌道運輸?shù)霓r(nóng)業(yè)智能化生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計

許文超，張亞運

(安徽理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，安徽 淮南　232001)

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基于軌道運輸?shù)霓r(nóng)業(yè)智能化生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計

許文超，張亞運

(安徽理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，安徽 淮南232001)

摘要：為了解決傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)自動化程度低、缺乏統(tǒng)一作業(yè)平臺的問題，提出在農(nóng)田鋪設(shè)地軌系統(tǒng)和空軌系統(tǒng)，構(gòu)建農(nóng)業(yè)智能化生產(chǎn)系統(tǒng)。基于軌道的運輸，搭建了地軌運輸小車、空軌小車和航拍小車，并基于機構(gòu)拓撲結(jié)構(gòu)理論，設(shè)計了四自由度肥料混合播撒機。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，構(gòu)建了農(nóng)產(chǎn)品的拍攝與交易系統(tǒng)、采摘與噴灌系統(tǒng)及收割與施肥系統(tǒng)。該系統(tǒng)為進一步研究農(nóng)業(yè)的智能化生產(chǎn)提供了參考。

關(guān)鍵詞：軌道運輸；農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)；智能化；混聯(lián)機構(gòu)

0引言

隨著新農(nóng)村建設(shè)在全國范圍內(nèi)的覆蓋，農(nóng)村人口的居住結(jié)構(gòu)由分散式轉(zhuǎn)型為聚集式，農(nóng)村的耕地區(qū)域也相應(yīng)聚攏，農(nóng)村耕地的集中經(jīng)營概念被提出[1]。科學(xué)、機械耕作是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的最基本特征，耕地集中經(jīng)營是科學(xué)、機械化耕作的重要前提。建設(shè)新農(nóng)村，實現(xiàn)城鄉(xiāng)一體化，提高農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展水平，要推進耕地集中經(jīng)營[1]。新農(nóng)村建設(shè)下的農(nóng)田集中經(jīng)營，離不開農(nóng)業(yè)智能化生產(chǎn)裝備和技術(shù)的支持。

目前，我國農(nóng)業(yè)種植生產(chǎn)中廣泛使用的設(shè)施不適合于高度智能化的環(huán)境調(diào)控，必須部署智能化關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)工程[2]。農(nóng)業(yè)智能化生產(chǎn)不僅將農(nóng)民從繁重的農(nóng)業(yè)勞動中解放出來，而且能實現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品的高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效、安全。目前，農(nóng)業(yè)智能化生產(chǎn)面臨兩大重要技術(shù)難題：①傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中播種、施肥采摘和收割使用的農(nóng)用機械，缺乏統(tǒng)一的自動化農(nóng)業(yè)作業(yè)平臺，從現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)建設(shè)和“精細農(nóng)業(yè)”的角度考慮，我國的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)應(yīng)構(gòu)建一體化的運輸和作業(yè)平臺，在平臺上搭載各種農(nóng)用機械和農(nóng)業(yè)運輸裝置，從而實現(xiàn)無人化操作和遠程監(jiān)控[3]；②我國偏遠地區(qū)的農(nóng)產(chǎn)品市場銷售渠道窄、信息流通緩慢，從農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的角度考慮，我國推出了“互聯(lián)網(wǎng)+”行動計劃，開發(fā)網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、智能化等技術(shù)，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中推動移動互聯(lián)網(wǎng)、農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)與現(xiàn)代農(nóng)業(yè)結(jié)合，有利于實現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品信息的開放化和共享化。

基于上述背景，提出基于軌道運輸?shù)霓r(nóng)業(yè)智能化生產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)計方案。

1整機結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1　整機結(jié)構(gòu)

基于軌道運輸?shù)霓r(nóng)業(yè)智能化生產(chǎn)系統(tǒng)包括地軌系統(tǒng)、空軌系統(tǒng)、拍攝與交易系統(tǒng)、采摘與噴灌系統(tǒng)、收割與施肥系統(tǒng)。農(nóng)場的四周鋪設(shè)地軌和空軌系統(tǒng)：地軌系統(tǒng)包括橫向基軌、縱向基軌及縱向輔軌；空軌系統(tǒng)包括橫向基軌、縱向基軌、橫向輔軌及軌道支架。采摘與噴灌系統(tǒng)包括采摘機、噴灌機、地軌運輸小車、三自由度機械手、空軌小車、控制系統(tǒng)、網(wǎng)上控制平臺及移動控制終端；收割與施肥系統(tǒng)包括收割機、肥料混合播撒機、地軌運輸小車、控制系統(tǒng)、網(wǎng)上控制平臺及移動控制終端；拍攝檢測與在線交易系統(tǒng)包括X向航拍小車、Y向航拍小車、Z向航拍小車、控制系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)、客戶界面及農(nóng)場主界面。農(nóng)業(yè)智能化生產(chǎn)系統(tǒng)的關(guān)鍵運輸部件分布圖如圖1所示。

1.地軌系統(tǒng)　2.空軌系統(tǒng)　3.地軌運輸小車

1.2　工作原理

地軌運輸小車、航拍小車搭載安裝在地軌系統(tǒng)上，地軌系統(tǒng)具有兩自由度，縱向輔軌沿橫向基軌的水平移動和地軌運輸小車沿縱向輔軌的縱向移動。收割機、肥料混合播撒機搭載安裝在地軌運輸小車上。空軌小車和航拍小車搭載安裝在空軌系統(tǒng)上，采摘機、噴灌機搭載安裝在空軌小車上，空軌系統(tǒng)的各單軌間均通過彎軌過渡，便于實現(xiàn)設(shè)備的變軌。

2肥料混合播撒機

2.1　振動混合機構(gòu)的構(gòu)造

基于并聯(lián)機構(gòu)拓撲結(jié)構(gòu)理論優(yōu)選了混聯(lián)機構(gòu)3-SOC{-Ri1//Ri2//Ri3-}-P(i=1～3。其中，R為轉(zhuǎn)動副，P為移動副，//表示平行。作為振動混合機構(gòu)[4]，其由機型為3-SOC{-Ri1//Ri2//Ri3-}的并聯(lián)機構(gòu)串聯(lián)一個移動副構(gòu)成，如圖2所示。其中，定平臺R11//R21//R31，動平臺R13//R23//R33。

3-SOC{-Ri1//Ri2//Ri3-}-P

支路的方位特征POC集為

(1)

并聯(lián)機構(gòu)的POC集為

MPa=Mb1∩Mb2∩Mb3

(2)

其中，t2表示沿著空間2個方向的移動；r1(//R11)表示平行于R11軸線的轉(zhuǎn)動。

由式(2)可以得知并聯(lián)機構(gòu)的自由度為3，既兩平移一轉(zhuǎn)動。因此，可將R11、R21、R31作為主動副，輸入回轉(zhuǎn)運動驅(qū)動動平臺沿X、Y方向平移和繞Z方向的回轉(zhuǎn)。振動混合機構(gòu)Z向的振動是通過兩臺偏心振動電機的同步反向運動合成實現(xiàn)垂直方向的往復(fù)振動[5]。

2.2　振動混合機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計

振動混合機構(gòu)主要由振動漏斗、中位激振電機、動平臺、并聯(lián)振動支鏈、靜平臺及驅(qū)動電機組成，如圖3所示。并聯(lián)振動支鏈由3條相同的運動鏈RRR均勻布置，定平臺上的3個主動副R11、R21、R31由3個普通旋轉(zhuǎn)電機驅(qū)動。兩臺中位激振電機平行安裝在動平臺上，控制兩臺激振電機的同步反向旋轉(zhuǎn)，運動合成后產(chǎn)生Z向振動[6]。

1.振動漏斗　2.中位激振電機　3.靜平臺

2.3　肥料混合播撒機整機結(jié)構(gòu)

肥料混合播撒機由分箱儲料倉、流量控制裝置、支撐架、振動混合機構(gòu)、播撒裝置、微處理器和田間地圖組成，如圖4所示。整機高度約0.8m，長0.6m，寬0.6m。分箱儲料倉安裝在支撐架的頂板上，并通過柔性布套與振動混合機構(gòu)連接。流量控制裝置安裝在分箱儲料倉的下底面，且位于柔性布套中，振動混合機構(gòu)的動平臺通過4根懸掛彈簧懸掛在支撐架上，靜平臺安裝在支撐架的中板上，播撒裝置通過柔性布套與振動混合機構(gòu)連接[7]。農(nóng)田各局部所需的肥料比率及單位面積用量，事先編程存入微處理器中，根據(jù)掃描田野地圖，計算機將信息送往流量控制裝置以控制肥料的播撒[8]。肥料混合播撒機的主要功能是根據(jù)土壤特性和農(nóng)作物的需要，對肥料進行自動化的科學(xué)混施。

1.分箱儲料倉　2.支撐架　3.流量控制裝置

3地軌運輸小車

地軌運輸小車包括驅(qū)動電機、軌輪、縱板、橫梁和搭載板，如圖5所示。驅(qū)動電機為伺服電機，數(shù)量為4個，其輸出軸與軌輪相連接。軌輪與地軌系統(tǒng)的單軌配套使用。地軌運輸小車的搭載板上左右各安裝一個肥料混合播撒機，且縱板和橫梁上均設(shè)有螺紋孔，用于安裝和搭載多種農(nóng)用機械。

1.驅(qū)動電機　2.軌輪　3.縱板　4.橫梁　5.搭載板

4三自由度機械手和空軌小車

空軌小車吊裝在空軌系統(tǒng)的單軌上，用于搭載采摘機、噴灌機，三自由度機械手也安裝在空軌小車上，輔助采摘機、噴灌機生產(chǎn)作業(yè)，如圖6所示。三自由度機械手采用串聯(lián)機械臂設(shè)計，能產(chǎn)生繞空間X、Y、Z軸的旋轉(zhuǎn)運動。對于承載量大、精度要求高的作業(yè)環(huán)境，應(yīng)該采用并聯(lián)機械臂，如基于Delta機構(gòu)的并聯(lián)機械臂。三自由度機械手也以可搭載在地軌運輸小車上使用。

1.空軌系統(tǒng)單軌　2.空軌小車　3.三自由度機械手

5航拍小車

航拍小車包括車架、底板、1對承重輪、1對行走驅(qū)動輪、1對行走輔助輪、1對驅(qū)動電機、無線控制盒、相機連接桿及航拍相機，如圖7所示。航拍小車的相機連接桿采用可伸縮桿設(shè)計，上連接桿的頂端設(shè)有滑塊，安裝在底板的矩形滑槽中，下連接桿底端連接有圓形轉(zhuǎn)盤，圓形轉(zhuǎn)盤可饒垂直軸線實現(xiàn)360°的回轉(zhuǎn)。航拍相機安裝在圓形轉(zhuǎn)盤上。航拍小車的行走驅(qū)動輪由1對型號相同驅(qū)動電機來驅(qū)動。

1.車架　2.行走輔助輪　3.無線控制盒　4.行走驅(qū)動輪

6拍攝與交易系統(tǒng)設(shè)計

拍攝與交易系統(tǒng)包括X向航拍小車、Y向航拍小車、Z向航拍小車、控制系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)、客戶界面、農(nóng)場主界面。控制系統(tǒng)控制航拍小車的移動，鏡頭的伸縮、旋轉(zhuǎn)和切換等動作；網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)在互聯(lián)網(wǎng)上對控制系統(tǒng)進行實時在線控制；客戶界面包括發(fā)出請求模塊、登陸模塊、實操模塊、對話模塊和交易模塊；農(nóng)場主界面包括處理客戶請求模塊、授權(quán)模塊、在線監(jiān)控模塊、導(dǎo)游模塊、對話模塊和交易模塊。客戶向農(nóng)場主發(fā)出觀看請求，農(nóng)場主授權(quán)后，客戶在線登陸系統(tǒng)后，可選擇導(dǎo)游模塊，也可選擇實操模塊，如圖8所示。實操模塊包括X向位移操作手柄、Y向位移操作手柄、Z向位移操作手柄、3D虛擬在線導(dǎo)航路線圖及放大縮小按鈕，如圖9所示。

圖8拍攝與交易系統(tǒng)流程圖

圖9　客戶界面示意圖

7采摘、噴灌、收割和施肥系統(tǒng)

在農(nóng)產(chǎn)品需要施肥、噴灌、采摘和收割時，農(nóng)場主通過移動控制終端登陸網(wǎng)上控制平臺，調(diào)度收割機、肥料混合播撒機、地軌運輸小車、采摘機、噴灌機及空軌小車進行作業(yè)；同時，調(diào)整航拍小車的位置，對農(nóng)產(chǎn)品的施肥、噴灌、采摘和收割的作業(yè)過程進行遠程監(jiān)控，如圖10、圖11所示。

圖10　采摘與噴灌系統(tǒng)流程圖

圖11　收割與施肥系統(tǒng)流程圖

8結(jié)論

1)提出了基于空軌和地軌系統(tǒng)的農(nóng)業(yè)智能化生產(chǎn)系統(tǒng)，并在軌道系統(tǒng)上搭載地軌運輸小車和空軌小車，從而為農(nóng)用機械提供統(tǒng)一的搭載作業(yè)平臺。

2)基于并聯(lián)機構(gòu)拓撲結(jié)構(gòu)理論，優(yōu)選振動混合機構(gòu)的機型為混聯(lián)3RRR-P，設(shè)計了四自由度肥料混合播撒機，與地軌運輸小車搭配使用。

3)基于航拍小車、地軌運輸小車及空軌小車構(gòu)建了農(nóng)產(chǎn)品拍攝與交易系統(tǒng)、采摘與噴灌系統(tǒng)及收割與施肥系統(tǒng)，實現(xiàn)了農(nóng)產(chǎn)品的智能化生產(chǎn)和遠程操控。

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The Design of Intelligent Agricultural Manufacturing System Based on Rail Transport

Xu Wenchao, Zhang Yayun

(Anhui University of Science and Technology, Huainan 232001, China)

Abstract：The traditional agricultural manufacturing lack unified operation platform and its automotive level is low,in order to build intelligent agricultural manufacturing system,the proposal to lay ground and air track system in farmland is putting forward. The ground rail transport car、air track car、aerial car is constructed based on rail transport,a 4-DOF fertilizer hybrid Seeding machine based on topological structure theory in mechanism is constructed as well.On this basis,the filming and trading systems、picking and sprinkler system、harvest and fertilization system of agricultural products is constructed in combination with the Internet of things technology.The system provides reference for further research on the intelligent agricultural manufacturing.

Key words：rail transport; agricultural production system; intelligent; hybrid mechanism

中圖分類號：S231;S233

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)10-0208-05

作者簡介：許文超(1992-)，男，安徽亳州人，碩士研究生，(E-mail)wenchaoxu521@163.com。

基金項目：國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目(201310361043)

收稿日期：2015-11-23

專利項目：國家發(fā)明專利(201310618048.4)