果園多功能視頻遙控作業車的研制

范國強， 王學良， 張曉輝， 馮海明

(1.山東農業大學機械與電子工程學院，山東泰安 271018； 2.山東省園藝機械與裝備實驗室，山東泰安 271018；3.中通客車控股股份有限公司，山東聊城 252000)

近年來我國農業生產方式發展迅速，生產結構不斷升級，果園種植面積日益擴大。隨著我國城鎮化的快速推進和勞動力向城鎮的轉移，果園作業實現機械化的需求越來越迫切。果園作業機械既能夠節省大量的勞動力，又能提高工作效率和作業水平，因此在果園管理作業中具有重要作用。

因為我國果園主要采用矮化密植的種植模式，使得作業空間狹小，所以果園作業的機械化只能依靠小型作業機械。目前我國的果園作業機械主要依靠手動操作，存在勞動強大和作業環境惡劣(粉塵、蚊蟲以及農藥毒性等)等一系列問題。如果能夠實現小型果園作業車的遠程可視化遙控作業，則可以大大提高操作人員的安全性和舒適性。國內部分作業機型雖然可以實現遠程遙控，但存在載重量小、行進速度慢、作業效率低、作業功能單一以及無視頻監控等缺點[1-4]，無法適應現代果園管理的需求。與歐美和日本等發達國家相比，我國的高科技農機遠未廣泛使用[5]。

針對我國國情，本研究設計一款小型多功能視頻遙控作業車，該作業車具有結構緊湊、作業半徑較小和機動靈活的特點，同時可以通過更換多種作業附具來實現多種作業，還可以通過遠程視頻進行遙控作業，可極大地提高操作人員的安全性和舒適性。

1 整機結構與性能

為適應果園狹小作業空間的要求，果園遙控作業車的整機必須結構緊湊，且控制可靠。液壓傳動具有傳動路線簡化、控制方便和功率密度大的優點，因此本機所有作業裝置均采用液壓傳動進行驅動，使得整機結構緊湊。整機結構如圖1所示，它主要由動力系統、液壓傳動系統、遙控系統、車架、行走裝置和輔助工作裝置等組成，其中動力系統主要包括發動機；液壓系統包括齒輪泵、液壓管路、液壓缸以及壓力變送器等；電氣系統包括多路電磁閥、繼電器等。

為適應大棚和矮化果園作業，整個車體設計得比較緊湊。車體通過銷軸連接在行走機架上，發動機通過減震裝置安裝在車體的后半部分，以降低重心，提高整車的穩定性。遙控裝置通過控制多路電磁閥，實現對整臺機器的操控。大臂通過鉸鏈軸安裝在機體后上方，其前端安裝鉸接機架，掛架上有快換銷軸，能夠連接不同的輔助工作裝置(鏟斗、挖掘裝置、開溝機、破碎機、鉆孔施肥器等)。采用Solid Works對樣機進行優化設計與裝配，使得整機零部件布置緊湊，體積較小，設計的三維模型如圖2所示。

整機性能以及結構參數如表1所示。

2 工作原理

汽油機帶動雙聯齒輪泵輸出高壓油，為整個液壓系統提供動力，通過遙控系統控制電磁閥的通斷，進而實現對所有液壓裝置的控制，實現行走、舉升和作業等各種動作。整機液壓系統原理如圖3所示，主要由行走回路、大臂舉升回路以及附具工作回路構成。

表1 作業機主要技術參數

根據行走功率和作業載荷確定齒輪泵、馬達、液壓油缸、系統總流量和發動機功率，由系統流量確定合適的電磁閥[6]。液壓系統的參數如表2所示。

2.1 行走轉向原理

作業車采用液壓馬達直接連接車輪的方式，實現作業車行走。2個定量液壓泵分別控制左右兩側后驅動輪的液壓馬達，通過分別控制2路的2位3通電磁換向閥和3位4通電磁換向閥來控制2個液壓馬達的同步或差速運動，從而實現作業車的直行或轉向。

2.2 輔助裝置工作原理

如圖3所示，當左路的2位3通電磁換向閥和相應的3位4通電磁換向閥通電后，則接通當前回路的附具位置控制油缸，通過改變閥芯位置控制大臂油缸伸縮，從而實現大臂的舉升。附具是主要的工作裝置，為靈活地適應工作環境，須要適時調整附具位置。連通右路的2位3通電磁換向閥和相應的3位4通電磁換向閥，則接通當前回路控制附具的油缸伸縮，實現附具位置的調整。

表2 液壓系統參數

2.3 遙控系統工作原理

上位機監控系統通過通信模塊實現對下位機即作業車的遠程監控和操作，下位機同時連接多路電磁閥，通過電磁閥控制各個液壓回路的通斷，進而控制液壓馬達、液壓缸的動作，從而實現對作業車行走和各種作業的控制。圖4為遙控系統的總體結構。

2.3.1 遙控系統硬件構成 遙控系統主要由遠程遙控端、通信中轉站和車載受控端組成。遠程監控端利用視頻采集軟件開發工具包(software development kit，簡稱SDK)的二次開發技術實現下位機系統采集的視頻信息和處理的數據信息在顯示屏上的實時顯示，同時也可以通過功能控制無線網絡聯系車載受控系統，其硬件系統包括PC機、無線視頻接收器、無線控制指令發射器、視頻采集卡和RS-485轉化器等。

通信中轉站是聯系監控中心和作業車的無線傳輸系統。該系統的功能控制網絡和視頻信號網絡是2個相互獨立的系統。功能控制網絡由無線微波收發器組成，其信號遵循一定的編碼協議，系統通電后自動搭建無線網絡，視頻信號網絡采用視頻收發器進行傳輸，采用專用的1.2 G頻段。

車載受控端的遙控部件主要由STM32控制器、攝像頭、視頻發射器、控制信號接收器和驅動繼電器等各類傳感器組成。

2.3.2 遙控軟件結構 遙控軟件主要包括監控中心軟件、通信協議、下位機系統程序等三大系統。

2.3.2.1 上位機系統 監控中心系統即上機位系統，監控中心軟件是基于VC++開發的視頻采集和動作控制監控軟件，其結構功能如圖5所示。

2.3.2.2 下位機系統 下位機軟件系統是主要的控制系統，負責信息的采集上傳和執行器的動作控制[7-8]。其軟件系統流程如圖6所示。

2.3.2.3 通信協議 通信協議是上位機與下位機之間上傳下達的重要橋梁，通信系統控制信號采用自定義協議格式，數據信號傳遞以幀為基本單位，所有數據均采用十六進制格式[9-11]。本系統不論上傳還是下發，均要求有應答幀，在規定時間內若無回復則重新發送，連續5次無回復，則須要復位重啟，這是為系統設計的心跳包機制[12]，可有效避免因信號故障導致作業車失控的現象。

3 樣機性能試驗

為驗證樣機的可靠性，檢測作業車各項性能，在山東農業大學農學試驗站對設計的樣機進行相關測試。

本次試驗分為2個階段，共試驗20次。第1階段為指令試驗，遙控距離為50 m，試驗次數為10次，試驗中作業車可準確快速執行前進、倒退、轉彎、大臂舉升、附具位置調整等操作，且監控的視頻圖像清晰流暢。第2階段為載荷試驗階段，遙控距離為300 m，試驗次數為10次，作業車順利完成380 kg沙土的鏟取和裝載工作。整機性能測試如表3所示。試驗證明，整機運行平穩，動作控制可靠，監控端視頻清晰流暢，指令傳輸迅速，樣機響應迅速。

4 結論

針對密植果園作業空間狹窄的特點，采用液壓傳動系統，研制一種可遠程視頻遙控的小型作業車。該作業車具有結構緊湊、作業半徑較小和機動靈活的特點，同時可以更換多種作業附具實現多種作業。

針對密植果園作業中存在的安全性和舒適性較差問題，基于VC++開發一套由遠程遙控端、通信中轉站和車載受控端組成的遠程視頻遙控系統，可實現對作業車的遠程視頻遙控。試驗證明，該遙控系統動作控制可靠，監控端視頻清晰流暢，指令傳輸迅速，樣機響應迅速，能夠滿足果園作業要求。

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表3 整機性能測試

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