大型噴桿懸架系統測試平臺設計與評價方法研究

崔龍飛，薛新宇，樂飛翔，丁素明

大型噴桿懸架系統測試平臺設計與評價方法研究

崔龍飛，薛新宇※，樂飛翔，丁素明

（農業農村部南京農業機械化研究所，南京 210014）

目前噴桿懸架系統的性能田間測試受到測試地形、土壤屬性、駕駛熟練度等隨機因素的影響，需要有一種定量評估噴桿懸架性能的試驗裝置與方法。該文開發了一套噴桿懸架性能室內測試平臺，包括一個多自由度底盤運動模擬平臺、地形起伏模擬平臺及基于NI PXI的同步觸發測控系統。為準確模擬實際的工作環境，在噴霧機作業現場采集了底盤的運動姿態信號和噴桿兩側地形高程數據，并在室內進行精確復現。考慮測試時傳感器安裝位置和不同噴桿理想作業高度的差異，對傳統的Hockley指數進行了修正，并使用標準差、變異系數、修正的Hockley指數等3種指標一起來描述噴桿懸架系統的性能，彌補了各自的局限性。通過噴桿懸架測試平臺先后對28 m噴桿在無懸架、被動懸架、主動懸架等不同工況下進行了測試，多組重復測試結果的變異系數小于5.91%，無懸架時噴桿的Hockley指數為21.60，使用被動懸架時噴桿的Hockley指數為68.37，使用主動傾角控制系統時噴桿的Hockley指數為89.18，使用主動噴臂控制系統時的Hockley指數為92.83，表明測試平臺與評價指標對不同懸架系統有較好的區分度和適用性。該文設計的測試平臺可為噴桿懸架性能參數的限定和評價方法的完善提供參考。

機械化；噴霧；設計；噴桿噴霧機；被動懸架；主動懸架；測試平臺；評價方法

0 引 言

世界人口不斷增長，用于耕作的土地不斷減少，但全球對糧食的需求還在不斷增加[1]。使用噴桿噴霧機對農作物進行病蟲草害的防治，是增加作物的產量的重要途徑之一[2]。隨著噴桿噴霧機向大型化發展，大量的研究指出噴桿滾轉、橫擺等有害運動導致霧滴的沉積分布不均，致使重噴和漏噴現象發生[3-6]。近年來，噴桿懸架系統的理論研究和應用研究越來越多[7-11]，幅寬12 m以上噴桿都開始配備減振懸架系統，使噴嘴與靶標之間保持恒定的距離[12-13]。懸架系統的性能將會成為噴霧機整機評價的重要指標，因此需要可靠的測試平臺和評價方法，在規定的條件下獲得的可重復的測試結果[14-16]。

目前，國際標準ISO 14131: 2005和國標GB/T 24680- 2009中噴霧機噴桿穩定性試驗方法，都明確規定了噴桿穩定性的試驗條件和試驗方法[17-18]。該標準適用于噴桿穩定性和噴桿被動懸架性能的評價，但對于具有地形跟蹤能力的主動懸架，無法單獨使用相對平衡位置的運動量來評價，這類主動控制系統通常采用對目標信號的跟蹤誤差及其統計學參數進行評價。

在噴桿懸架性能的田間試驗方面，德國農業協會通過在場地上布置障礙物開展噴桿懸架性能演示，只能進行可視化的評估[14]。崔龍飛等[19]通過在噴桿末梢安裝超聲波測距傳感器和加速度傳感器，測量在田間測量了噴桿的運動及霧滴沉積分布。Jeon等[20]設計了一套噴桿振動測試裝置，在田間進行了噴桿振動測試，將噴桿動態響應與噴霧沉積分布進行關聯，結果可以用于指導噴桿懸架的設計。然而噴桿懸架性能的田間測試受到很多不確定因素的影響，如測試地形、駕駛員熟練程度等在測試過程中難以精確量化；跑道試驗利用凹凸不平的跑道使噴霧機產生顛簸，以再現的方式模擬田間工況，但對主動懸架還需在跑道兩側布置地形起伏等場景變化，以驗證噴桿地形跟蹤能力。由于大型噴桿的幅寬較大，增加了試驗場地的設計難度[21]。因此，本文根據國標中室內模擬試驗要求，設計了一種噴霧機作業工況室內模擬與測試平臺，以再現的方式研究規定條件下噴桿的運動。

在噴桿室內模擬試驗方面，模擬試驗按照統一的條件進行重復與對比。Hostens等[22]研制了首個用于噴霧機底盤振動研究的六自由度運動平臺，負載質量500 kg，可以實現幅值1 Hz（幅值100 mm）到10 Hz（幅值1 mm）的運動復現。德國聯邦農業和林業生物研究中心建立了六自由度的液壓振動試驗臺，用于研究田間運動狀態下噴桿的噴霧分布均勻性[23]。Deprez等[24]綜合了六自由度振動試驗臺掃頻測試和解析模型的優勢，對噴桿纜繩懸架進行了混合建模。Herbst等[25]設計了一種升降平臺模擬噴桿下方地形起伏變化，對噴桿高度控制系統的性能進行了測試，但忽略底盤晃動對噴桿穩定性的影響。Tahmasebi等[26-28]設計了一種伺服電機直驅的噴桿平衡系統及測試試驗臺，僅能提供噴霧機底盤的擾動輸入。由于噴霧機底盤晃動、地形起伏是影響懸架控制系統性能的2個重要因素，現有研究都未能同時予以考慮。

為了將噴桿受到的底盤晃動和地形起伏變化2種擾動同時在室內復現，本文設計了一種噴桿懸架系統性室內測試平臺，通過大型噴桿六自由度動態模擬平臺、地形起伏模擬平臺及NI PXI測控系統實現了噴桿田間作業模擬、運動測試和性能評價等。借助該平臺對被動懸架、主動懸架和無懸架分別作用下噴桿的運動進行了測試。考慮噴桿運動與施藥質量的影響，根據噴桿的幅寬和作業高度，對傳統Hockley指數的計算方法進行了修正，使用修正的Hockley指數和標準差、變異系數等統計學指標一起定量的評價不同噴桿懸架系統的性能。

1 噴桿懸架常見類型和工作原理

根據是否有執行器提供動力，噴桿懸架總體可以分為：被動懸架、主動懸架2種。無懸架連接是指噴桿直接固定于底盤車架上，噴桿隨著底盤一起運動。被動懸架通常由彈簧、阻尼和連桿機構等組成，使噴桿隔離高頻激勵，但傳遞了低頻振動。對于噴桿被動懸架系統，主要擾動輸入主要是車體晃動。

主動懸架系統通常又包括主動傾角系統和主動噴臂系統2類[29]，主動傾角控制系統通過液壓缸實現噴桿整體傾斜角的調整，主動噴臂系統則通過2個液壓缸單獨控制左、右噴臂實現傾角的調節，都是依靠外力使噴桿和地面保持平行。接近距離傳感器時刻監視噴桿距離地面的高度。通過濾除噪聲及控制器計算處理，給執行器提供適當的指令信號，控制油缸驅動噴桿的運動。主動控制器的響應主要是依據田間地形變化，超聲波傳感器（或傾角傳感器）測得噴臂離地高度（或噴桿角度）后反饋給控制器，控制器發送指令信號，液壓執行器動作驅動噴桿角度（或噴臂的高度）調整。主動懸架可以減輕駕駛員的負擔，尤其是高速作業時[29]。

噴桿作業過程中受到的田間隨機擾動主要有2種，一種是噴霧機行駛過程中底盤的滾轉運動，即當行駛過不平整的土壤地面、或胎壓不一致時，底盤的側傾角不斷變化，導致噴桿控制器的性能降低[30]。另一種是大范圍的地形起伏造成噴臂兩端的高度差變化，噴臂下方的地形發生了顯著的變化，這種情況主要出現在丘陵山地，需要主動懸架調整噴桿的角度。

2 測試平臺設計

為了客觀的測量和評價噴桿主動懸架系統的性能，噴桿受到的底盤晃動和噴臂下方地形坡度變化都應能夠準確的在室內復現。設計的地形起伏模擬平臺用于模擬噴臂下方的地形起伏變化，開發了大型噴桿六自由度動態模擬平臺用于模擬噴霧機田間行駛過程中底盤的運動，搭建了基于PXI總線的測控系統實現地形起伏模擬平臺、六自由度動態模擬平臺的同步觸控以及數據采樣。為了準確的模擬實際工作環境，在多個地區噴霧機作業現場采集底盤和噴桿的運動數據，構建了激勵譜數據庫。

2.1 噴霧機底盤運動模擬平臺

噴霧機在田間作業時，底盤具有多個運動自由度，而基于Stewart并聯機構的六自由度運動平臺具有剛度大、載荷自重比高、運動平穩的特點。根據噴桿噴霧機田間運動工況實測數據的頻譜特征，與北京星光凱明動感仿真模擬器中心合作開發了大型噴桿六自由度動態模擬平臺（型號6-SDOF），具有噴桿動態模擬專用的田間激勵譜復現功能和激勵譜數據庫拓展功能。

六自由度動態模擬平臺主要由6條驅動腿、動平臺、基座組成，每個驅動腿包含伺服驅動器、伺服電機、滾轉絲杠等元件，其中交流伺服電機選用意大利PHASE公司U310F型永磁同步無刷伺服電機，額定轉速3 000 r/min，額定功率27 kW，轉矩86 N·m；伺服驅動器選用PHASE AXMⅡ35型；位置傳感器選用海德漢ECN 413型絕對值編碼器，精度：1024線/轉；電動缸選用THK公司HBN型的滾珠絲杠，絲杠直徑40 mm，缸筒外徑150 mm，缸內桿直徑80 mm，絲杠導程10 mm，有效行程550 mm，傳動效率90%。由電機額定轉速、轉矩和導程可計算出電動缸額度速度0.5 m/s，額定推力43.74 kN，峰值推力56.86 kN（按照電機額定扭矩的1.3倍計算）。

控制系統采用分布式控制方式，控制系統主要硬件由主控計算機（SIMATIC IPC847E，西門子）、測試計算機（IPC610H，研華）、輸入輸出板卡（PCI1750U，研華）、伺服電機、傳感器、繼電器等組成。測試計算機實現對整個系統狀態監控，主控計算機主要實現指令下達、運動解算、實時控制等功能。為了方便測試時噴桿的安裝，避免噴臂觸碰地面，上平臺的安裝平面半徑大于2 m，平臺的中位高度2.65 m，滿足大多數的噴桿性能測試要求。

動態模擬平臺建成的主要性能指標：試件的最大質量2 000 kg，轉動慣量4.5×105kg·m2，工作頻寬0.01～35 Hz，縱向、側向、垂向3個方向平動范圍±0.36 m，平動加速度范圍±9.8 m/s2，滾轉、俯仰、偏航3個方向轉動范圍±10°，角加速度范圍±180°/s2。

2.2 地形起伏模擬平臺設計

噴桿主動懸架的控制系統多數使用超聲波傳感器作為距離探測元件，通常安裝在噴桿的左右噴臂上。為了驗證控制系統的精度，設計了地形起伏模擬試驗臺，其控制原理如圖1所示。實物如圖2所示，在豎直方向往復運動的反射面板模擬地形的起伏變化，地形起伏模擬試驗臺的硬件由NI PXI控制計算機、DSP控制器、永磁同步電機（AKM33，Kollmorgen）、驅動器（AKD-B00606，Kollmorgen）、超聲波反射板、絲杠滑塊及2個激光測距傳感器（LTF12UC2LDQ，Banner）等組成。為了實現地形起伏模擬平臺位置跟蹤功能，地形起伏模擬試驗臺的控制系統采用上下位機控制技術，以NI PXI控制計算機作為上位機，由NI PXIe 1078機箱、PXIe 8840控制器、PXIe 6358多功能I/O板卡等硬件組成，選擇圖形化編程工具LabVIEW進行人機界面軟件開發，用于讀取事先采集的地形高程數據文件，然后通過串口發送給下位機DSP控制器。

圖1 地形起伏模擬平臺控制原理

1.地形起伏模擬平臺 2.六自由度平臺控制臺 3.激光測距傳感器 4.超聲波傳感器 5.主動懸架控制器 6.NI PXI測控平臺 7.六自由度平臺 8.噴桿鐘擺式主動懸架

下位機采用DSP處理器（TMS320F 28335，Texas Instruments）作為主控芯片，主要功能是接收上位機發送的位置指令，控制伺服電機的轉動，通過滾珠絲杠實現反射板的軌跡跟蹤。硬件電路包括通信系統，數模變換及放大電路和位置檢測電路。交流伺服電機位置伺服系統采用采用基于id=0矢量控制[31]，電流環、速度環、位置環三閉環控制結構如圖1中所示。激光測距傳感器檢測反射板的位置作為位置環的反饋信號；絕對值編碼器檢測電機的轉速作為速度環的反饋，電流傳感器實時檢測電機的電流作為電流控制器的反饋，控制電機轉矩，提高電機響應速度。反射板的行程為±500 mm，最大位置跟蹤誤差6.83 mm。

搭建的大型噴桿懸架性能測試平臺總體如圖2所示，測試時地形模擬平臺的超聲波反射板必須處于噴桿上超聲波傳感器的正下方，然后將其升至距離噴桿600 mm的位置，啟動地形高度模擬平臺和六自由度運動平臺，當噴桿主動控制系統中的超聲波傳感器檢測到反射板高度變化以后，控制執行器調整噴桿的姿態。

試驗過程中，為了記錄噴桿測點到反射板的距離，另外使用2個激光傳感器安裝在噴桿兩側，貼近噴桿上原有超聲波距離傳感器安裝，記錄試驗過程中噴桿測點相對反射板的位置，使用動態傾角傳感器（IG-500N，SBG）安裝在噴桿中心位置，用于監測噴桿的水平傾角。激光傳感器和角度傳感器輸出均為模擬電壓信號，采用PXI測控計算機的 PXIe 6358卡進行采集。通過對記錄數據的統計分析，完成對噴桿懸架系統性能的評價。

另一個值得注意的問題是六自由度運動模擬平臺、地形起伏模擬平臺、激光傳感器數據采集如何同時觸發。測試平臺控制流程如圖3所示，NI PXI測控平臺事先讀入地面高程數據，六自由度動態模擬平臺讀入底盤運動姿態數據，然后進入待機狀態，當操作人員通過人機界面點擊啟動，則PXI系統通過PXIe 6358卡中的數字量輸出通道觸發六自由度運動模擬平臺、地形起伏模擬平臺、被測噴桿運動狀態采集程序同步啟動或停止。

圖3 噴桿懸架性能測試平臺控制流程

3 測試信號采集

3.1 底盤運動測量

影響噴桿穩定性的主要因素之一是噴霧機行走過程中底盤持續不斷的晃動干擾，因此需要采集噴桿安裝位置附近的噴霧機車架運動信號，已經在新疆建設兵團、甘肅酒泉奧凱種子機械股份有限公司試驗基地、江蘇省宿遷市泗洪農場、江蘇省吳江現代農業產業園區、江蘇建湖縣國家現代農業示范區以及南京周邊縣區等不同地域，采集了多種噴桿噴霧機作業時的運動譜數據，經過信號平滑和濾波等預處理，編入田間激勵譜數據庫，用于噴桿性能的測試。值得注意的是，數據庫中的激勵譜都是在被測噴桿噴霧機經常作業地區進行采集，能夠真實代表此類噴霧機實際工作中的噴桿運動特性。對于不同的測試噴桿，首先根據作業地區和機型從數據庫中選擇激勵譜，如果數據庫中缺少，應到被測噴桿噴霧機實際作業現場進行采集，然后進行室內復現試驗，以確保室內測試的噴桿動態特性與噴桿田間實際作業時的動態特性一致。

由于本文被測對象為28 m大型噴桿，該機型在中國東北地區和西北地區使用較為普遍，經調研黑龍江省嫩江縣九三局榮軍農場周邊山坡地形較多，便于進行噴桿懸架仿形能力的測試，且對不同懸架系統具有較好的區分度，因此選擇在該地區對作業的大型自走式噴霧機（MAF5240，MAZZOTTI）開展底盤運動譜采集。試驗條件：噴桿處于展開狀態，距離地面1.1 m；噴霧機行駛速度8 km/h；輪胎型號380/90R54，胎壓110 kPa；底盤輪距為2.27 m；試驗時間2016年11月，試驗田是免耕播種后的冬小麥田。噴霧機行駛過程中使用雙GPS輔助慣性姿態測量系統（Ellipse-D- G4A2B1，SBG System）進行噴霧機底盤運動信號采集。由于本次測試噴霧機激勵譜使用的噴桿與臺架測試用的28 m噴桿，它們的底盤結構、懸架形式、藥箱容量均一致，因此測量的激勵譜可用于被測噴桿室內復現研究。

通常直接采集到的噴霧機運動信號往往疊加有發動機振動、地形粗糙紋理引起的高頻噪聲信號，為了削弱噪聲信號的影響，首先對實測運動信號采用五點三次平滑法對數據進行平滑處理，然后使用巴特沃斯濾波器進行低通濾波處理，截止頻率10 Hz，處理后的底盤滾轉角信號如圖4a所示，數值積分法得到底盤垂向位移信號如圖4b所示，輸入六自由度平臺的控制計算機，使動平臺按此軌跡復現底盤田間運動。

圖4 噴霧機底盤姿態變化時間歷程曲線

3.2 地形起伏輪廓信號

為了測得左右噴臂下方的地形輪廓信號，使用2個超聲波傳感器（Wms-340/RT，Microsonic）安裝在噴桿的兩側，測得噴桿對地高度時間歷程曲線，然后根據實時測得的噴霧機行駛速度，換算為空間歷程曲線，為了去除地表雜草、粗糙紋理引起的噪聲信號，用巴特沃斯低通濾波器（截止頻率10 Hz）進行濾波處理，減去噴桿初始位置高度，得到行駛方向地形縱斷面的高程曲線如圖5所示，將該信號作為地形起伏模擬平臺的目標信號，驅動反射板按照目標曲線進行往復運動。

圖5 噴桿下方地面縱斷面高程變化量

4 噴桿運動評價指標

噴桿懸架性能可以通過測量噴霧機作業過程中噴桿末端運動位移的平均值、標準偏差和變異系數等統計學參數來衡量，然而這些統計學指標均沒有考慮噴桿運動與霧滴分布均勻性的關系。Griffith等[32]提出一種基于Hockley指數的度量指標，它是以不同區間內噴桿高度的時間百分比進行加權平均得到的。不同類型的噴桿，幅寬不同、噴嘴間距也不同，對不同的作物施藥時的理想作業高度s不盡相同，Hockley指數并不能對所有噴桿進行一致的評價。參考Herbst等[14]對噴桿運動與噴霧均勻性的評價方法，由于現代計算機數據采集系統的采樣間隔是一致，對原Hockley指數[32]進行修正可得

式中10表示噴桿處于設定高度s的±10%范圍內的實測高度數據個數占總采樣數據個數的比例；30表示噴桿處于設定高度s的-30%～-10%和10%～30%范圍內的實測高度數據個數所占的比例；50表示噴桿處于設定高度s的-50%～-30%和30%～50%范圍內的實測高度數據個數所占的比例；100表示噴桿處于設定的理想作業高度s（m）的±50%范圍以外的實測高度數據所占的比例。

式中U為傳感器距離噴桿中心的水平距離，m；B為噴桿的總長度，m；為測點距離反射板的實測距離，m。

為了定量分析不同懸架（無懸架、被動懸架、主動懸架）作用下噴桿的穩定性，使用HIC和標準差SD、變異系數CV一起作為評價噴桿運動的度量。標準差SD、變異系數CV的計算公式為

5 測試與評價

5.1 被測懸架簡介

為證明本文搭建的大型噴桿懸架性能測試平臺的適用性，以28 m大型噴桿鐘擺式主動懸架及其控制器（NJS -ABC05，農業農村部南京農業機械化研究所研制）為測試對象[33]。試驗用的噴桿鐘擺式懸架結構如圖6所示，支撐架1承擔噴桿系統的重力，鐘擺機構通過吊環與支架在點鉸接，鐘擺式懸架機構則由擺桿2、液壓缸3、浮動中心架4、橫向減振器5、垂向減振器6、托架7等組成。圖中點為整個噴桿（左噴桿、中心架、右噴桿）的質心。浮動中心架4的作用是連接左右噴臂，可以沿擺桿1滑動。托架7與擺桿1的末端固連，2個彈簧減振器的一端與托架7固連，另一端浮動中心架4。

1.支撐架 2.鐘擺機構 3.液壓缸 4.浮動中心架 5. 橫向穩定減振器 6.垂向減振器 7.托架

液壓控制系統原理圖如圖7所示，左側噴臂高度調節油缸3、噴桿傾角調節油缸4、右側噴臂高度調節油缸5的位置通過比例閥控制，液控單向閥起油路鎖止作用，當液壓系統卸荷時，噴桿折疊油缸保持鎖止狀態，以維持噴桿穩定。

1.三位四通比例閥 2.液壓鎖 3.左側噴臂高度調節油缸 4.噴桿傾角調節油缸 5.右側噴臂高度調節油缸

1. Three-position four-way proportional valve 2.Hydraulic lock 3.Left side boom height adjustment cylinder 4.Spray boom tilt adjustment cylinder 5.Right side boom height adjustment cylinder

注：P代表與壓力源相連的接口，T代表與油箱相連的接口。

Note: P represents the interface to the pressure source, and T represents the interface to the tank.

圖7 液壓控制系統原理

Fig.7 Schematic diagram of hydraulic control system

主動懸架的控制器（NJS-ABC05）具有6路模擬量輸入、4路模擬量輸出、12路功率PWM輸出等功能，針對噴桿轉動慣量大導致的響應延遲的問題，該NJS-ABC05控制器采用了二階前饋式比例積分微分控制算法，控制參數易于整定，無需精確獲取懸架系統參數，對地面起伏進行提前預判，有效補償懸架系統慣性導致的延遲，實現噴桿運動的補償控制[33-34]。該系統具有主動傾角控制和主動噴臂控制2種獨立的工作模式。當使用主動傾角控制模式時，安裝在噴桿左、右兩端的2個超聲波測距傳感器實時監測噴桿距離地面的高度，計算噴桿相對地面的傾角，通過濾波處理后反饋給控制器，控制器計算比例閥的控制電壓，并傳送至比例閥的驅動器，由比例閥控制油缸4運動，從而實現噴桿傾角的實時跟蹤地形變化。當使用主動噴臂控制模式時，安裝在噴桿左、右兩端的2個超聲波測距傳感器實時監測噴桿距離地面的高度，分別與設定的理想作業高度值進行比較，各自的差值反饋給控制器，控制器發送2路指令電壓給左右噴臂高度調節油缸3和5對應的比例閥，在油缸的取驅動下實現左右側噴臂的舉升和降低。

若關閉控制系統，則懸架上的彈簧、阻尼元件發揮振動衰減的作用，為被動懸架系統，若通過截止閥鎖死被動懸架的液壓阻尼器，則等效無懸架連接，噴桿等同固定在運動模擬平臺上。本文先后對被動懸架、主動懸架、主動噴臂等多種控制模式進行測試和評價。

5.2 被動懸架系統測試與評價

在地形平坦的大田開展植保作業時，地面不平整導致噴霧機底盤晃動，進而影響噴桿穩定性，被動懸架可以有效的衰減底盤的這種高頻振動，保持噴桿的穩定。對被動懸架進行測試，只需開啟底盤運動模擬平臺，復現噴霧機田間作業時底盤的運動狀態，左右2個測距激光傳感器的安裝間距為18.40 m。

試驗過程中六自由度運動平臺模擬田間底盤晃動干擾，采用2.2節所述的動態傾角傳感器（IG-500N，SBG）測得動平臺的擾動角和噴桿的側傾角如圖8所示，擾動角的均方根為0.94°，噴桿角度均方根為0.48°。同時，激光位移傳感器（LTF12UC2LDQ，Banner）測得噴桿上測點處的位移變化，根據式（2）換算出噴桿末梢處的位移數據，計算每次試驗數據的標準差（SD）和變異系數（CV），如表1所示，通過5次試驗得到該標準差的平均值為118.67 mm，變異系數的平均值為22.86%，根據式（1）計算出修正的Hockley指數HIC為68.37。

圖8 鐘擺式被動懸架性能測試

在被動懸架和無懸架2種工況下，分別開展5次噴桿運動測試重復試驗，選擇標準差（SD）、變異系數（CV）和修正的Hockley指數（HIC）等3個參數來表征懸架的性能，分別將測試數據的統計參數計算出來，如表1所示，相同試驗條件下，5次試驗被動懸架作用下噴桿的運動評價指標都優于無懸架噴桿。從表中可以看出3個評價參數5次重復試驗結果的變異系數都非常小。被動懸架噴桿的HIC指數平均值為68.37，無懸架噴桿的HIC指數平均值為21.6，無懸架時噴桿運動位移標準差（SD）、變異系數（CV）均大于被動懸架系統，HIC指數是無量綱系數，越大表示噴桿穩定性越好，便于直觀對不同機型進行對比。

表1 被動懸架和無懸架對應的噴桿運動評價指標

在無懸架和被動懸架2種工況下，噴桿與理想位置偏離程度分布如圖9所示，2種工況下測試結果顯示，被動懸架下噴桿運動偏差的頻率分布明顯比無懸架噴桿更集中于零點，說明噴桿的運動越靠近理想的設定高度，噴桿出現在理想位置偏差±20%的頻率為60.33%，而無懸架時噴桿出現在理想位置偏差±20%的頻率僅為33.88%。

圖9 噴桿與理想位置偏離程度分布

5.3 主動懸架系統測試與評價

主動懸架系統的輸入既有噴霧機底盤晃動干擾，又有地形或作物高度的變化。測試時同時開啟底盤運動模擬平臺和地形起伏模擬平臺，復現第3節中的測試信號。

首先對主動傾角控制系統進行測試，試驗過程中測得噴桿的側傾角和地形模擬平臺所模擬的地形角度（即兩反射板中心連線與水平面的夾角），如圖10所示，在有底盤晃動干擾的情況下，噴桿最大跟蹤誤差0.86°，誤差值的標準差為0.18°，通過5次試驗計算出主動傾角控制系統作用下噴桿運動的評價指標如表2所示，噴桿末端位移標準差的平均值為60.77 mm，變異系數平均值為12.13%，修正的Hockley指數為89.18。

圖10 主動懸架作用下噴桿運動時域曲線

然后，對主動噴臂控制系統進行測試過程中，由激光測距傳感器測得噴桿左側測點高度變化與模擬地形高度對比如圖11所示，測點跟蹤最大誤差為87.96 mm，通過5次重復測試，計算出主動噴臂控制系統作用下噴桿運動的評價指標如表2所示，噴桿末端位移標準差的平均值為46.22 mm，變異系數9.32%，修正的Hockley指數為92.83。

圖11 主動噴臂系統作用下左側噴桿測點高度變化曲線

表2 主動傾角和主動噴臂對應的噴桿運動評價指標

對比主動傾角控制系統和主動噴臂控制系統分布對應的噴桿運動評價指標，主動傾角控制系統作用下噴桿的HIC指數平均值為89.18，主動噴臂控制系統對應的HIC指數平均值為92.83，主動傾角控制系統的測試標準差、變異系數均大于主動噴臂系統，可見該28 m噴桿在主動噴臂系統作用下的穩定性要略微優于主動傾角控制系統。

在主動噴臂控制系統作用下，噴桿與理想位置偏離程度分布圖如圖12所示，噴桿出現在理想位置偏差±20%的頻率為92.21%；而被動懸架作用下，噴桿出現在理想位置偏差±20%的頻率僅為60.33%，主動懸架下噴桿運動偏差的頻率分布明顯比被動懸架噴桿更集中于零點，說明噴桿的運動越靠近理想的設定高度，對應的噴霧質量和防治效果越好。

圖12 噴桿與理想位置偏離程度分布

通過在無懸架、被動懸架、主動傾角、主動噴臂4種工況下，對28 m噴桿運動評價指標進行對比，主動控制系統性能優于被動懸架系統，主動控制系統中的主動噴臂系統優于主動傾角系統。無懸架時噴桿的HIC指數為21.6，使用被動懸架時噴桿的HIC指數為68.37，使用主動傾角控制系統時噴桿的HIC指數為89.18，使用主動噴臂控制系統時噴桿的HIC指數為92.83，表明設計的測試平臺和選擇的評價指標能夠明確的區分不同類型懸架系統的性能，不同懸架多組重復測試結果的最大變異系數均小于5.91%，可見測試平臺和評價方法對被動懸架、主動懸架、無懸架等不同懸架具有較好的可重復性和適用性，可以為噴霧機制造商選配何種噴桿懸架系統提供定量的評價指標，也可以為農場或農業合作社購買大型噴桿噴霧提供參考。

綜上，文中評價噴桿懸架性能所采用的標準差、變異系數、修正HIC指數都是通過測量噴臂相對目標的位置偏差計算而來。標準差反映各被測數據離散程度的一個絕對指標。但是，需要對同一噴桿懸架系統在不同地形運動工況下進行對比時，算數平均值相差較大，這種情況下標準差作為單一評價指標缺乏可比性。使用標準差進行評價的優點在于對相同試驗工況、不同噴桿懸架系統對比時，可以直觀得到帶有物理單位的數值，有助有設計人員進行懸架改進設計。與標準差相比，噴桿運動的變異系數可消除平均數不同，對多個被測對象變異程度對比的影響。HIC指數也是無量綱的指標，又與噴桿噴霧的均勻性相關，該指數越大噴桿噴霧均勻性性越好，對于農民、機手等非專業人員在選擇機具時，通過HIC指數可以非常直觀的進行噴桿穩定性的對比，而標準差、變異系數等指標可以為噴霧機專業設計人員、質檢人員提供參考，但是HIC指數、變異系數CV的共同缺點在于沒有物理單位去量化不同系統之間的差異程度。因此，本文將標準差、變異系數、HIC指數一起作為噴桿懸架性能的評價指標，利用了各自的優點，彌補了各自的局限性，便于不同群體直觀理解和使用。

6 結論與討論

隨著噴桿噴霧機逐漸大型化，噴桿懸架性能田間測試受到地形、土壤屬性、駕駛熟練度等因素的影響，難以在統一的條件下進行重復試驗和對比，針對大型噴桿主動懸架系統或主動懸架的測試和評價方法仍不健全。本文利用已有的六自由度運動模擬平臺、地形起伏模擬平臺及NI PXI測控系統等組成一套噴桿懸架田間工況模擬與測試裝置，為了準確的模擬實際的工作環境，還在噴霧機作業現場采集底盤的運動數據和噴臂下方的地面縱斷面高程數據，與田間現場測試相比的主要優點是室內臺架測試提供了可明確定義的、可重復的試驗條件。

考慮測試時傳感器安裝位置和不同噴桿理想作業高度的差異，對傳統的Hockley指數進行了修正，并使用修正的Hockley指數與標準差、變異系數一起來描述噴桿懸架系統的性能，利用了各自的優點，彌補了各自的局限性，便于不同群體直觀理解和使用。通過噴桿懸架測試試驗臺先后對28 m噴桿在無懸架、被動懸架、主動懸架等不同工況下進行了測試，通過5組重復試驗，評價指標的變異系數都小于5.91%，驗證了測試結果的可重復性，表明對于被動懸架、主動懸架、無懸架等多種懸架，設計的測試平臺與測試方法具有較好的適用性。

無懸架時噴桿運動的HIC指數為21.60，使用被動懸架時噴桿的HIC指數為68.37，使用主動傾角控制系統時噴桿的HIC指數為89.18，使用主動噴臂控制系統時噴桿的HIC指數為92.83，測試結果顯示使用的評價指標能夠明確的區分不同懸架系統的性能，表明設計的測試平臺和采用的評價方法對不同懸架性能具有較好的區分度。

后續研究將進一步豐富測試中使用的田間測試信號，使其包含更多種不同典型的地形或冠層表面等信息，同時測試信號還應對機具的性能具有足夠的辨別力。

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Design and evaluation method of testing bench for spray boom suspension systems

Cui Longfei, Xue Xinyu※, Le Feixiang, Ding Suming

(210014,)

Boom suspension is an important device that affects the uniformity of droplet deposition distribution on the sprayers, but the field testing and evaluation of the stability of the suspension system are affected by a number of random factors, such as test topography, soil properties, driving proficiency, etc. Therefore, a set of boom stability indoor test platform was designed, including a 6 degrees of freedom chassis motion simulation platform, terrain relief simulation platform and NI PXI-based synchronous trigger measurement and control system, and a test method for quantitative evaluation of suspension stability was proposed. The 6 degrees of freedom platform was designed based on Stewart parallel mechanism, which had special field excitation spectrum reproducing function and excitation spectrum database for the dynamic simulation of the boom, and it could be used to simulate the motion of the chassis in the field of the sprayer. The control system of terrain undulation simulation test rig adopted an upper-lower structure, took NI PXI control computer as the upper computer. The DSP microcomputer was used as the lower computer to receive the position instructions sent by the upper computer, control the rotation of the servo motor, and realize the simulation of ground undulation through the ball screw. In order to accurately simulate the real field working environment, the motion posture signal of the chassis and the terrain elevation data on both sides of the boom were collected at the sprayer work site. During the sprayer working in the field, a dual GPS aided inertial attitude measurement system was used to collect the motion signal of the sprayer chassis, and 2 ultrasonic sensors were installed on both sides of the boom, then the height data of the ground were measured along the direction of the sprayer. Considering the difference between the installation position of the sensor and the ideal operating height of different spray rods, the original Hockley index had been revised to describe the performance of the spray boom suspension system together with standard deviation and coefficient of variation, which made up for their limitations. A 28 m boom was tested under different working conditions such as no suspension, passive suspension, active suspension (including active roll control system and active boom arm control system) by using the developed test system, the coefficient of variation of multiple sets of repeated test results was less than 5.91%. The HICindex of the boom was 21.60 when using a rigid connection, 68.37 when using passive suspension, and 89.18 of the boom when using active rolling control system, and the HICindex was 92.83 when using active boom arm control system. The results show that the test platform and evaluation index can clearly distinguish the performance of different suspension systems, and have universality for different spray boom. The test platform developed in this study can be considered a potential basis of a standardized protocol for active boom suspension as well as for the definition of performance limits. The research provides important testing and evaluation methods for large booms and balanced suspensions.

mechanization; spraying; design; boom sprayer; passive suspension; active suspension; test platform; evaluation method

2019-05-23

2019-07-15

國家自然科學基金資助項目（51605236）；國家重點研發計劃：水田自走式植保機械研究開發（2017YFD-0700905）；國家重點研發計劃：地面與航空高工效施藥技術及智能化裝備（2016YFD0200705）

崔龍飛，博士，助理研究員，主要從事機械系統動力學與控制研究。Email：cuilong.fei@163.com

薛新宇，研究員，主要從事植保機械技術研究。Email：735178312@qq.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.16.003

S491

A

1002-6819(2019)-16-0023-09

崔龍飛，薛新宇，樂飛翔，丁素明.大型噴桿懸架系統測試平臺設計與評價方法研究[J]. 農業工程學報，2019，35(16)：23－31. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.16.003 http://www.tcsae.org

Cui Longfei, Xue Xinyu, Le Feixiang, Ding Suming. Design and evaluation method of testing bench for spray boom suspensionsystems[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(16): 23－31. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.16.003 http://www.tcsae.org