電動(dòng)遙控履帶式果園噴藥車(chē)的設(shè)計(jì)

張 健,秦慶國(guó),張智剛,劉兆朋,何 杰

(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 南方農(nóng)業(yè)機(jī)械與裝備關(guān)鍵技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣州 510642;2.青島農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,山東 青島 266109)

0 引言

中國(guó)果園面積約在280萬(wàn)hm2,而農(nóng)藥是果樹(shù)豐產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的有力保障,但果園種植的機(jī)械化水平整體偏低,采用汽柴油發(fā)動(dòng)機(jī)提供行走動(dòng)力的人工駕駛自走履帶式噴藥車(chē)仍是當(dāng)前果園植保機(jī)械的主要力量[1]。由于缺少對(duì)駕駛員的必要保護(hù),施藥過(guò)程中不可避免地造成駕駛員人體傷害,且隨著勞動(dòng)力的短缺,植保人員的緊缺已成為社會(huì)問(wèn)題。

將駕駛員與施藥車(chē)輛脫離,保障駕駛員免受農(nóng)藥侵害,采用遙控方式是最簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)的方案。文獻(xiàn)[2]提出了一種履帶式車(chē)輛的遙控方法,但車(chē)體需提供液壓動(dòng)力,不適用于果園機(jī)械。文獻(xiàn)[3-4]通過(guò)控制操縱搖桿完成履帶式車(chē)輛轉(zhuǎn)向與行走控制,盡管能夠達(dá)到遙控目的,但由于傳統(tǒng)履帶式果園車(chē)輛行走動(dòng)力來(lái)源于同一發(fā)動(dòng)機(jī),通過(guò)控制差速齒輪完成轉(zhuǎn)向控制,安裝難度較大,操縱靈敏度欠佳,不利于產(chǎn)業(yè)化推廣。

本文采用汽油發(fā)電機(jī)作為動(dòng)力源、直流無(wú)刷伺服電機(jī)作為運(yùn)動(dòng)執(zhí)行器,設(shè)計(jì)了電動(dòng)遙控履帶式噴藥車(chē)。車(chē)輛離地間隙162mm,外形尺寸800mm×725mm×600mm,配備5kW汽油發(fā)電機(jī)和2個(gè)1kW伺服電機(jī),采用基于Lora的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控作業(yè)。

1 硬件設(shè)計(jì)

電控履帶式智能?chē)娝庈?chē)結(jié)構(gòu)框圖,如圖1所示。發(fā)電機(jī)車(chē)體內(nèi)安裝的裝置包括蓄電池、行進(jìn)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)、測(cè)速光電碼盤(pán)和整車(chē)控制系統(tǒng)。

1.風(fēng)送式噴頭 2.汽油發(fā)電機(jī) 3.電動(dòng)柱塞泵 4.儲(chǔ)藥箱

直流無(wú)刷伺服電機(jī)具有效率高、控制精度高及扭矩大的特點(diǎn)[5-6],因此動(dòng)力執(zhí)行器采用直流無(wú)刷伺服電機(jī)無(wú)刷發(fā)動(dòng)機(jī)。兩個(gè)伺服電機(jī)通過(guò)減速器分別安裝于左右履帶輪主驅(qū)動(dòng)輪軸上, 采用雙路輸出伺服驅(qū)動(dòng)器獨(dú)立控制兩個(gè)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速,以突破傳統(tǒng)差速齒輪減速方式所帶來(lái)的速度控制非線(xiàn)性化問(wèn)題;減速器采用擺線(xiàn)針輪減速結(jié)構(gòu)的高精密控制用減速機(jī)RV50,具備小型、輕量、高剛性和耐超載的特點(diǎn);底盤(pán)采用橡膠履帶以保證車(chē)輛的果園地形適應(yīng)性;配備減震裝置提高噴藥車(chē)的穩(wěn)定性。汽油發(fā)電機(jī)為主供電單元,鉛蓄電池輔助供電單元,兩者構(gòu)成車(chē)輛的供電系統(tǒng)。車(chē)輛主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 履帶噴藥車(chē)主要技術(shù)參數(shù)

m1載重質(zhì)量250kg;m2蓄電池質(zhì)量30kg;P0為伺服電機(jī)功率;P1為柱塞泵功率。

2 供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

供電系統(tǒng)是整車(chē)系統(tǒng)的核心之一,為車(chē)輛提供行駛動(dòng)力及車(chē)輛控制系統(tǒng)電源。供電系統(tǒng)接線(xiàn)示意圖如圖2所示。車(chē)輛采用5kW汽油發(fā)電機(jī)提供動(dòng)力,功率控制完成發(fā)電機(jī)啟停控制;大功率整流器完成發(fā)電機(jī)輸出電壓的DC-DC變換,變換后輸出電壓為48V;加裝20Ah鉛蓄電池目的在于維持電壓輸出的穩(wěn)定。之所以加裝汽油發(fā)動(dòng)機(jī)而非電池供電是因?yàn)?整車(chē)功率最高可達(dá)2 500W,以加裝48V/80Ah鋰電池為例,動(dòng)力轉(zhuǎn)換效率估算為80%,則續(xù)航時(shí)間約為1.23h,施藥量約為0.5L/min, 一次滿(mǎn)負(fù)荷充電僅能施藥為36.9L;而電池充電時(shí)間至少需要3h,這將對(duì)作業(yè)造成極大的不方便。

圖2 供電系統(tǒng)原理框圖

2.1 行駛驅(qū)動(dòng)功率計(jì)算

根據(jù)文獻(xiàn)[7],主動(dòng)輪的最大驅(qū)動(dòng)力及功率可以表示為

(1)

Mmax=Fqr

(2)

Wmax=FqVx

(3)

其中,Fq為主動(dòng)輪最大驅(qū)動(dòng)力(N),Mmax為主動(dòng)輪最大力矩(N· m),Wmax為主動(dòng)輪所需最大功率(kW),Vx為驅(qū)動(dòng)輪線(xiàn)速度(m/s),G為裝滿(mǎn)藥后車(chē)體質(zhì)量(kg),r為驅(qū)動(dòng)輪節(jié)圓半徑(m),f為滾動(dòng)阻力因數(shù),λ為摩擦阻力因數(shù),μ為轉(zhuǎn)向阻力系數(shù)。根據(jù)果園行駛環(huán)境,取值G=390kg、Vx=1.67m/s、r=0.227m、f=0. 1、λ=0.3、μ=0.6粗略估算Wmax=2kW。

2.2 農(nóng)藥噴灑系統(tǒng)計(jì)算

農(nóng)藥噴灑電力消耗是整套供電系統(tǒng)主要電力消耗來(lái)源,其參數(shù)計(jì)算對(duì)整車(chē)性能起關(guān)鍵性作用。其中,電動(dòng)柱塞噴藥泵的壓力損失為動(dòng)壓力損失、靜壓力損失及局部壓力損失,根據(jù)文獻(xiàn)[8],其計(jì)算公式為

(4)

(5)

(6)

其中,ρ為空氣密度(kg/m3),Vf為氣流速度(m/s),R為輸送管道半徑(m),η為摩擦因數(shù),I為風(fēng)管長(zhǎng)度,ξ為局部阻力系數(shù)。根據(jù)噴藥環(huán)境,取近似值ρ=1.19kg/m3、Vf=10m/s、R=0.02m、η=0.1、I=2、ξ=0.3。

計(jì)算得總壓為

P=Pd+Pm+Pj=3000Pa

(7)

柱塞泵電機(jī)功率為

(8)

其中,P為柱塞泵電機(jī)功率(kW),p為泵出口壓力(MPa ),q為理論流量(L/min),η為整體效率。計(jì)算得P=0.49kW。

3 整車(chē)控制系統(tǒng)

整車(chē)控制系統(tǒng)完成車(chē)輛行駛遙控控制,包括遠(yuǎn)距離指令接收裝置和主控制系統(tǒng)。主控系統(tǒng)通過(guò)遠(yuǎn)距離指令接收裝置接收遙控指令信號(hào),控制左右履帶伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速和電動(dòng)柱塞泵的開(kāi)啟/關(guān)閉。

3.1 主控制系統(tǒng)

主控制系統(tǒng)時(shí)整車(chē)控制系統(tǒng)核心,其主要功能為完成對(duì)左右履帶伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制。主控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中,無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)型號(hào)110AS0408-15;48V電源由車(chē)輛供電系統(tǒng)提供,主控電源系統(tǒng)提供+15、5、3.3、1.9V電源。其中,+15V和5V由DC-DC電源模塊產(chǎn)生,為運(yùn)放、逆變器工作電源;3.3V和1.9V為DSP供電電源,由電源芯片TPS767D318產(chǎn)生。參考文獻(xiàn)[9]單個(gè)伺服電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法,將伺服電機(jī)個(gè)數(shù)拓展為2個(gè)。同樣,主控制系統(tǒng)采用TI公司32位DSP芯片TMS320F-28335作為CPU,IR2131實(shí)現(xiàn)三相逆變驅(qū)動(dòng),采用ISO7140實(shí)現(xiàn)信號(hào)隔離CSNE150- 100采樣母線(xiàn)電流,調(diào)理電路為二階有源低通濾波器,采用相電流直接控制法對(duì)伺服電機(jī)速度閉環(huán)控制[10-11]。雙路無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)上均配備2500線(xiàn)光電編碼器,光電編碼器的A、B、Z信號(hào)與DSP的EQEP引腳相連,利用DSP內(nèi)置光電碼盤(pán)速度解算模塊,獲取左右履帶行進(jìn)速度;采用I/O口控制電磁閥完成噴藥開(kāi)關(guān)動(dòng)作。

圖3 主控制器硬件結(jié)構(gòu)框圖

3.2 遠(yuǎn)距離指令接收裝置

履帶式噴藥車(chē)多作業(yè)于樹(shù)林,無(wú)線(xiàn)通信易受遮擋,采用傳統(tǒng)WIFI或者ZigBee無(wú)線(xiàn)通信技術(shù),通信距離衰減嚴(yán)重,無(wú)法滿(mǎn)足要求。Lora調(diào)制技術(shù)同時(shí)兼顧了通信距離、功耗和抗干擾的優(yōu)勢(shì),適用于超遠(yuǎn)距離擴(kuò)頻通信[12-13],在增大通信功率的情況下,通信距離可達(dá)8km,因此采用基于Lora的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)完成遠(yuǎn)距離遙控作業(yè)。Lora通信協(xié)議采用SX1278芯片實(shí)現(xiàn),遙控端電路原理圖如圖4所示。其中,MCU為STM32F103,命令接收端電路原理圖與遙控端一致,區(qū)別在于MCU為主控制芯片MCU。

圖4 Lora無(wú)線(xiàn)通信電路原理圖

主控制模塊根據(jù)接收到的指令完成噴藥電磁閥的開(kāi)關(guān)動(dòng)作和左右履帶的行駛控制。所接收到的命令形式如表2所示。每幀數(shù)據(jù)以字符‘S’為幀頭,‘E’為幀尾,第2～3幀數(shù)據(jù)表示左右履帶車(chē)速范圍為0x00-0XFF即-10km/h-10km/h,0X80表示靜止,0X00-0X7F為倒退行進(jìn),0x81-0XFF表示履帶前進(jìn)方向行進(jìn);第四幀數(shù)據(jù)為噴藥動(dòng)作控制,0X00表示停止噴藥,0X01表示啟動(dòng)噴藥;第五位為數(shù)據(jù)奇校驗(yàn)位。為防止車(chē)輛失控,車(chē)輛若0.1s在接收不到有效指令將停車(chē)停止作業(yè)。

表2 遙控命令形式

4 樣機(jī)性能試驗(yàn)

采用圖5樣機(jī)進(jìn)行了遙控距離、車(chē)速精度性能、爬坡能力和噴藥量測(cè)試。針對(duì)爬坡能力測(cè)試,測(cè)試條件為模板斜坡,在滿(mǎn)負(fù)荷條件下,車(chē)輛能夠輕松通過(guò)30°木板斜坡,最高爬坡角度為40°。

圖5 試驗(yàn)樣機(jī)

4.1 遙控距離測(cè)試

在空曠地塊(操場(chǎng))及果樹(shù)噴藥時(shí)期的果林進(jìn)行實(shí)驗(yàn),啟動(dòng)無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送裝置,連接遙控器,調(diào)整遙控距離,測(cè)定次數(shù)200次。不同距離下指令延遲時(shí)間、丟包率、連接失敗率如表3所示。

由表2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可得:Lora數(shù)傳在空曠環(huán)境下穩(wěn)定傳送指令距離可達(dá)8km,在復(fù)雜果園環(huán)境下無(wú)線(xiàn)通信受到干擾及遮擋,可穩(wěn)定通信1km。

表3 遙控距離試驗(yàn)結(jié)果

4.2 控制精度性能測(cè)試

測(cè)量車(chē)輛在不同坡度下行駛的控制精度,所選DBL2450-2E伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具備2500線(xiàn)增量式編碼器,可精確測(cè)量其控制精度誤差。為提高計(jì)算精度,測(cè)定30次50m距離下的偏移角度。不同坡度下車(chē)輛行駛50m的偏移距離、偏移角度及控制精度性能測(cè)試如表4所示。

表4 控制精度性能測(cè)試數(shù)據(jù)

由表4可知:隨著爬坡坡度的增加,偏移角度以正切函數(shù)增加,在30°的坡度時(shí)可達(dá)到9‰控制精度,完全可以滿(mǎn)足作業(yè)要求。

4.3 噴霧量的測(cè)定

試驗(yàn)用液體為含類(lèi)藥液雜質(zhì)的混合液體,啟動(dòng)電動(dòng)柱塞泵,調(diào)整柱塞泵輸出壓力為1、2、3、4、5MPa。利用量筒收集噴頭噴灑的液體,測(cè)定時(shí)間為15s,記錄每次噴藥量,重復(fù)測(cè)量30次。不同壓力下的平均噴藥量、總噴藥量及標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)如表5所示。

表5 不同壓力噴霧量試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表5可以看出:每次測(cè)量噴藥量都會(huì)有較小的波動(dòng),隨著噴霧壓力的升高,噴霧量隨之增加,但增加的速度變緩。

5 結(jié)論

1)針對(duì)傳統(tǒng)果園履帶式噴藥車(chē)難以實(shí)現(xiàn)智能控制的問(wèn)題,設(shè)計(jì)了電動(dòng)遙控履帶式噴藥車(chē)。該作業(yè)機(jī)械結(jié)構(gòu)合理,行動(dòng)自如,可依據(jù)不同果樹(shù)特點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整噴藥。其最大優(yōu)勢(shì)在于極大程度上解放了勞動(dòng)力,提高作業(yè)效率,避免了果農(nóng)長(zhǎng)時(shí)間噴藥導(dǎo)致中毒的危險(xiǎn)。

2)試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明:在果園環(huán)境下,遙控距離可達(dá)1km,丘陵地區(qū)30°的陡度控制偏差能保持在1°以?xún)?nèi);噴霧在25MPa壓力以?xún)?nèi)標(biāo)準(zhǔn)差能2.35MPa以?xún)?nèi)。樣機(jī)控制性能、地形適應(yīng)能及噴霧穩(wěn)定性良好,提高了噴藥的質(zhì)量和效率。