多功能果園作業平臺安全性研究進展

劉理民，何雄奎，劉亞佳

(中國農業大學理學院，北京 100193)

0 引言

目前，我國果園在進行水果采摘收獲時，因其采集時間集中、所需勞動力多且勞動強度高，其人工勞動量占整個果園一個生長周期過程總人工勞動量的35%～40%[1-6]。隨著我國經濟及社會發展，農業總從業人口逐漸減少且老齡化日益嚴重，為保障可持續性發展，機械化作業是必由之路，其中多功能果園作業平臺可解決水果采摘、修枝及套袋等果園諸多高處作業難題[7-8]。

20世紀40年代，歐美發達國家開始了果園采摘機械的研究；50年代末到60年代，美國開始使用農用液壓式作業平臺進行果園高空采摘工作，同時配有專用采摘工具；70年代以后，歐美等國開始研制集修枝、施藥及采摘于一體的多功能果園作業平臺。而我國于20世紀70年代開始研制果園采摘作業機械，且多與手扶式拖拉機相配套，效率低下；90年代，隨著我國經濟的持續發展，人民對水果需求量日益增長，果農種植熱情高漲，果園種植面積也隨之大增，農機公司研制的單一功能果園升降作業平臺進入市場[9]。2007年，新疆研制出我國第一臺LG-1型多功能果園作業平臺，標志著我國正是進入多功能果園作業平臺時代[10]。

果園作業平臺有別于果園采摘機械，主要針對梨、蘋果等容易因碰撞造成表皮損傷的鮮果，同時兼有果品運輸等功能，提高了工作效率及果農收益[11]。工作時多人同時在作業平臺上進行人工采摘作業，保障作業人員的安全性是多功能果園作業平臺最為重要的問題。作業平臺實地作業過程中，由于果園環境的復雜性，如果園里的坑洞、上坡等，容易造成作業平臺顛簸、甚至側翻進而造成事故[9]。因此，研究平臺使其具有高通過性、調平能力、防側翻能力以保證整個平臺和作業人員的整體作業安全具有重要意義。本文通過介紹國內外多功能果園作業平臺通過性、升降機構、調平能力及防側翻能力的研究現狀，總結分析國內外果園作業平臺的安全性研究。

1 通過性

多功能果園作業平臺的通過性是指平臺在果園作業過程中，在保證人員安全的前提下能夠通過最大坡度的能力。作業平臺通過性主要由其自身固有的特性所決定，而不同國家的作業平臺根據各國果園具體條件進行設計[12]。國內外果園種植模式均向著寬行矮砧密植集約高效的現代化果園模式發展，相比于傳統果園模式，該模式更適合機械化作業。果園不僅僅位于平原地區，相當一部分果園在山地丘陵地區，整個果園地勢起伏不平且具有一定的坡度，故多功能果園作業平臺必須具有高通過性及一定的爬坡能力，其是保證整個作業平臺安全性的前提[13]。近年來，具有仿形能力的果園作業平臺的發展使得果園作業平臺更加適合果園中起伏不平的地形及不同坡度地區。由于果園的地理位置、種植模式及氣候等因素的不同，果園作業平臺及行走裝置要求各不相同，目前平臺的行走裝置多采用履帶式和輪式兩種裝置，各自的優缺點如表1所示[9]。

表1 履帶式和輪式行走裝置特點

20世紀中葉，歐美地區便開始在果園中使用高空作業平臺參與果園采摘工作，開始了果園作業平臺的研究工作[14]。在西歐等國家，果園規劃得當，建設規模大，地面平整度和通過性好，研制的果園作業平臺自動化程度高、機型多樣，適合對平地果園進行大規模作業，采用的行走機構以輪式底盤為主。日本的山地和丘陵面積約占其國土總面積的71%，果園類型以丘陵地形居多，所以行間設置相比歐美平原果園要小，因此日本開發的果園機械結構尺寸較小，如圖1所示，為了提高穩定性和驅動力通常采用履帶式行走機構[9]。日本四國農業試驗場研制的履帶式自走采摘車采用樞軸式擺動懸掛機構，底盤輪距較寬、重心低、坡地驅動力強、作業穩定性好。日本筑水農機公司研制的BP和BY系列小型果園運輸管理機械均釆用履帶式行走機構，在坡地作業環境中，接地比壓小，滾動摩阻小，通過性能比輪式行走機構好[15]。

我國對果園作業平臺研制的時間較晚，且當時果園多集中在丘陵山區，果園面積小，多采用履帶底盤。2007年，新疆機械研究院研制的牧神LG-1型多功能果園作業機如圖2所示。其行走機構采用履帶式底盤，汽油機為該平臺的動力源，為行走裝置及空氣壓縮機提供動力；而空氣壓縮機則為行走裝置、舉行機構、氣動剪及其他工作裝置提供動力；整個平臺的最大舉升高度1.5 m，該作業機的出現標志著我國由單一的果園釆摘機械進入了多功能作業機械的時代[16]。

2012年，孫振杰[17]研制了全液壓驅動的履帶式多功能果園作業平臺，能夠實現單人操作并進行作業，可在距離地面0.7～2.0 m范圍內升降，最大升程1.32 m，最大爬坡角度14.97°。2014年，劉大為等[18]針對我國當時的果園類型，研制了一款小型履帶自走式剪叉作業平臺，其爬坡角度可達15°，作業高度可達1.2 m。近年來，隨著我國農業從業人口的減少，農村土地開始集中流轉，大型果園初顯端倪，大型輪式果園作業平臺將越來越有市場[19]。

2 升降機構

目前，市場上的果園作業平臺具有水果采摘、樹枝修剪及疏花疏果等多種功能，但最為基本的功能為水果采摘。為方便靈活地采摘果樹不同高度上的水果，需要將果園作業平臺的作業臺調整至合適位置，而調平過程的平穩性及安全性關系著作業人員的生命安全[20]。目前，市場上的作業臺升降主要以垂直升降機構為主，每一種升降機構都有各自的優點和適用環境[21]。其中應用較多的有4種升降機構，分別為套缸式(圖3)、剪叉式(圖4)、曲臂式(圖5)及鏈式(圖6)升降機構。

套缸式升降機構為多級液壓執行元件，可實現直立向上運動，在工作過程中平穩，不易晃動；但成本高，適合較高的喬木式果園采摘及森林防護工作[22]。

剪叉式升降機構構造相對簡單，維修方便，工作時相對平穩，可確保其穩定安全，有較大的舉升高度；但舉升高度過高時，舉升質量大且需要多級剪叉結構；其是目前市場上占有率最高的果園作業平臺升降機構[21]。

曲臂式升降機構的結構特點是工作轉向較為靈活，曲臂可升降到任意的位置，通常情況下通過性良好，可在面積較小的區域工作，高處工作時能夠跨越障礙，操作較為簡單，但成本較高[21-22]。

鏈式升降機構結構簡單，在市場上得到廣泛推廣應用。因其結構在工作時比鏈條最低高度還低，且鏈條在工作時要超過平臺抬起的最高點，故其工作場合有限制，在工作時不平穩，存在安全隱患[22]。

3 自動調平技術

多功能果園作業平臺的調平能力是指平臺在作業過程中使得作業臺始終保持與地面水平的能力，以確保操作人員采摘過程中的安全。自動調平技術在國外最早被應用在軍事上，隨著液壓、集成電路、計算機、傳感器及智能控制技術等先進技術的發展，自動調平技術逐漸被應用到各行各業。近年來，在農業領域尤其是多功能果園作業平臺中，自動調平技術日益受到重視，并取得了重要成果[23]。

20世紀50年代，西方發達國家便將調平技術應用到農業機械方面，專門設計了可應用到坡地的電液調平系統，受限于當時的技術水平，控制水平低，可靠性差。隨著現代技術的發展，自動調平技術日趨成熟，諸多先進技術融合的自動調平技術被應用到農業機械中。起初自動調平技術仍需要人工判斷，人工控制調平機構實現作業平臺調平，且機體及機身半徑小，僅適用于小型果園，人工輔助判斷及角度調節，容易造成調平方向固定，但為之后的自動調平技術提供了借鑒。自動調平可通過自身質量、誤差角度等平臺具體參數實現作業平臺自動調平[24]。受限于當時的技術水平，雖然科研人員實現了調平技術的進階，但存在自動調平系統計算能力較差、控制精度相對較低等問題。

近年來，隨著科技水平的進步，王永振等[25]設計了可兩級調平的作業平臺，該平臺一級調平利用平臺內的幾何調平結構可快速高效地使調平預期誤差<2°，二級調平利用模糊PID控制系統(圖7)，可將平臺調平誤差精準地控制<0.5°，但該平臺載重越大調平誤差越大。

樊桂菊等[26]在兩級調平作業平臺的基礎上，利用融合卡爾曼濾波的模糊PID控制電磁閥驅動油缸伸縮調整工作臺姿態，實現其自動調平，調平精度相對原果園作業平臺調平系統分別提高了1.69°和1.91°，較好地實現了工作臺自動調平控制(圖8)。

席遠軍等[27]借鑒外國先進的曲臂式果園采摘平臺，利用PLC控制電路間接控制液壓油缸伸縮，改變曲臂連桿角度進而實現末端平臺調平，可滿足5 m高果樹的采摘等工作。

CHEN Lin等[28]設計了一種集多種傳感器于一體的自動調平系統，其在行駛速度0.4 m/s時，調平誤差在±1%內，調平精度高但價格昂貴。

趙祚喜等[29]利用價格較便宜的EMS陀螺儀與加速度計進行機體傾角信息融合處理，得到更加精確的機體傾角，同時基于ARM內核重新設計了一套控制器系統，可提高控制精度且降低系統成本。

楊偉偉等[30]在前人的基礎上，利用DSP改進整個自動調平系統，并利用卡爾曼濾波融合算法融合多個位置傳感器的信息以提高測量得到的機身傾角精度，使得整個靜態測量時誤差<0.07%。

4 防側翻

防側翻是多功能果園作業平臺安全性中最為重要的因素，若多功能作業平臺發生側翻將直接威脅到作業人員的人身安全。最早的側翻穩定性研究多集中在工程機械上，其一是對車輛側翻可能性進行提前預測，決定是否啟動防側翻系統；其二當車輛側翻可能性超過危險值時，立即啟動防側翻系統，強制改變車輛狀態，防止發生側翻事故[31]。相關研究人員便利用構建的工程車輛的數學模型，研究影響車輛在行駛及轉彎等不同工況下的車輛側翻穩定性。

在預測車輛是否可能發生側翻時，傾翻穩定性評價指標是評價車輛傾翻穩定性的重要依據。目前國內外傾翻穩定性評價指標主要為5種，每種評價指標都有著各自的特點，如表2所示[8]。

表2 常見側翻穩定性評價指標及各自特點

早在1990年，Preston-Thomas J等[32]便使用LTR作為車體的側翻穩定性閾值，對最早的重型車輛進行穩定控制并建立預報系統。CHEN B C[33]率先提出了TTR算法，可使駕駛員提前知曉可能發生的側翻危險。LI Boyuan等[34]通過上下兩層控制器，實時測量車輛在路面邊坡環境下縱向運動質量，并對下一時刻的質量變化進行估算，但實質仍是對車輛動態質心側偏角的估值和預測。

田晉躍等[35]利用建立的鉸接式車輛數學模型對影響車輛轉向穩定性的主要因素進行了分析，結果表明，增大輪距、降低質心及提升輪胎附著力均有利于提高車輛的傾翻穩定性。李曉豁等[36]利用建立的鏟運機橫向穩定性動力學模型對車輛轉向穩定性進行分析，得到結構參數和運動參數對車輛穩定性的影響。杜艷霞等[37]利用建立的ZLSOG型裝載機的轉向液壓系統數學模型對鉸接車輛轉向穩定性進行分析，得到液壓缸的響應調整時間對鉸接車輛轉向穩定性的影響規律。

國內外學者在主動安全技術方面上的研究主要針對差動制動、主動轉向，以及直接橫擺力矩或者三者之間的聯合分析。DING N等[38]提出一種基于直接李雅普諾夫(Lyapunov)理論的主動前輪轉向和直接橫擺力矩控制的自適應集成控制方法。吳已萬等[39]提出的基于預瞄點處的車路偏差、車輛狀態和道路附著限制計算期望的橫擺響應，并設計滑模控制器控制輔助橫擺力矩。宗長富等[40]建立了適用車輛穩定性分析的人車閉環系統整車動力學模型，并以此模型提出直接橫擺力矩的控制策略。楊煒等[41]針對商用車的橫向穩定性問題，提出一種基于粒子群優化與徑向基神經網絡優化算法的橫向穩定性優化控制策略，該策略采用上下兩層控制模式，上層控制器首先對采集到車輛行駛的信息處理和比例因子優化，下層控制器采用RBF神經網絡優化制動力分配及前輪轉角。目前國外對常規車輛的主動安全技術研究和應用日趨成熟，并形成技術壟斷，而我國目前對常規車輛的側翻及控制尚處初級階段，研究更多的是單系統防側翻控制，且大多數都是停留在仿真驗證階段。

5 發展趨勢

鑒于我國果園的種植模式還是單戶小規模的分散種植特點，國內果園作業平臺首先應該具備輔助剪枝、采摘、果實運輸等多個功能，并能夠提供機械動力和電力，滿足懸掛農具的要求，同時能夠滿足不同作業區域的地形特點，具備良好的通過性。

(1)農機農藝融合。果園農藝應具備最基本的農機使用條件，而農機應根據農藝對機械做出合理設計，農機農藝兩者相輔相成，相互促進，多功能果園作業平臺將更適合果園作業，果園也更適應平臺作業，進一步提高作業效率。

(2)導航技術及智能機械手。隨著北斗導航系統及5G技術的日益成熟，具備自動導航技術的無人駕駛農用機械，將更具生產效率。攜有人工智能識別的采摘機械手將代替現在的人工采摘，以應對未來的農業從業人口短缺問題，同時能極大地提高作業平臺的生產效率。

(3)多技術融合。多功能果園作業平臺將機電液一體化、智能感知、人工智能控制及5G技術等進行融合集成，提高多功能果園平臺技術集成度，構成未來智慧果園的一環。

6 結論

隨著我國農業從業人口老齡化日益嚴重，多功能采摘平臺由于集成采摘、修枝等功能于一身，受到水果種植戶的重視。現階段，多功能采摘平臺仍需要較多作業人員，其作業安全性顯得尤為重要。

(1)作業平臺在果園中的通過性是作業平臺安全性的前提。履帶式行走裝置其通過性及爬坡能力強，但自身體積、質量、內部阻力及能耗較大，適合于小型及丘陵山地果園。輪式行走裝置速度范圍大，適合高速運動，運行平穩，能耗小，適合大型及平坦果園。

(2)目前應用最多的是套缸式、剪叉式、曲臂式及鏈式4種升降機構。剪叉式升降機構因具有成本優勢、結構簡單、響應快、工作平穩等優點，是目前市場上占有率最高的果園作業平臺升降機構。

(3)果園平臺調平能力可保障作業人員人身安全，果園作業平臺最開始采用人工調平，隨著技術的發展，現在主要依靠高性能的傳感器和智能控制算法等實現高精度的自動調平。

(4)防側翻是保障作業人員及車輛安全的重要保障，研究人員通過長期研究得出5種常見側翻穩定性評價指標及各自特點，通過上述評價指標對可能發生側翻的情況進行預警，同時對超出評價指標的側翻危險進行主動防側翻控制。