小型高地隙植保噴藥機研制

李 敏,印 祥,b,俞 康,張國海,b,金誠謙,b

(山東理工大學(xué) a.農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院;b.山東省旱作農(nóng)業(yè)機械及信息化重點實驗室,山東 淄博 255000)

0 引言

隨著精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)和智慧農(nóng)業(yè)等概念的提出,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對農(nóng)田作業(yè)機械的自動化和智能化水平提出了更高的要求[1-2]。其中,農(nóng)田植保是防治病蟲草害的有效措施。其作為作物生長期田間管理的重要環(huán)節(jié),在作業(yè)速度、單位面積施藥量、作業(yè)效率和作業(yè)安全性方面對植保機械設(shè)計研發(fā)有其特殊要求[3]。目前,我國普遍使用的傳統(tǒng)植保機械均具備高地隙底盤和500L以上的藥箱,在駕駛員的操作下能夠完成田間施肥施藥等作業(yè)任務(wù),作業(yè)效率較高,能夠滿足一般的植保作業(yè)需求[4-6]。傳統(tǒng)高地隙植保機械的整機質(zhì)量較大,使用維護(hù)成本較高,田間行駛易造成農(nóng)田土壤和作物的損壞,且存在均一化噴灑的問題,導(dǎo)致農(nóng)藥過量施用、生態(tài)環(huán)境惡化[7-9]。此外,傳統(tǒng)植保機械需要有人現(xiàn)場操作,施藥過程中易造成人員農(nóng)藥中毒。

為此,針對傳統(tǒng)植保機械使用維護(hù)成本較高、均一化施藥程度差及人員安全性低等諸多問題,采用電機控制與變量作業(yè)技術(shù)研制了具備四輪驅(qū)動、四輪轉(zhuǎn)向和變量施藥等功能的小型高地隙植保噴藥機。

1 系統(tǒng)組成

所研制的小型高地隙植保噴藥機主要由高地隙行走系統(tǒng)和精量噴藥系統(tǒng)組成,如圖1所示。其中,高地隙行走系統(tǒng)包括行走控制裝置、高地隙底盤、驅(qū)動總成和轉(zhuǎn)向總成;精量噴藥系統(tǒng)包括精量控制器、藥箱、液泵、噴桿和噴頭等。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與組成Fig.1 System structure and main components

遙控器由人工操作向小型高地隙植保機發(fā)出速度、轉(zhuǎn)向、前進(jìn)/后退、噴灑等控制信號;接收器由遙控信號接收機和處理單元組成,用以接收遙控器發(fā)出的控制信號,通過串口將控制指令輸出至行走控制裝置和精量控制器。高地隙行走系統(tǒng)和變量噴藥系統(tǒng)均以蓄電池作為動力來源。

2 高地隙行走系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

高地隙行走系統(tǒng)為植保噴藥機提供行走驅(qū)動功能,主要由行走控制裝置、高地隙底盤、4個驅(qū)動總成和2個轉(zhuǎn)向總成組成,如圖2所示。

1.驅(qū)動總成 2.轉(zhuǎn)向總成 3.鉸接機構(gòu) 4.高地隙底盤圖2 高地隙行走系統(tǒng)Fig.2 Chassis of the high-clearance sprayer

4個驅(qū)動總成為機器提供行走驅(qū)動力,通過轉(zhuǎn)向立柱與高地隙底盤聯(lián)接;兩個轉(zhuǎn)向總成分別安裝于前后橋橫梁之上,用以實現(xiàn)4個車輪的同步轉(zhuǎn)動。

2.1 高地隙底盤設(shè)計

根據(jù)田間道路的路面寬度(3.5～4m)和主要大田作物的高度(小麥0～1 200mm、大豆0～900mm、花生0～560mm、玉米苗期0～1 500mm)[10-11],本文設(shè)計了植保噴藥機高地隙底盤,其離地間隙1 350mm、軸距2 200mm、輪距1 420mm。

后橋與底盤框架固定聯(lián)接,前橋采用鉸接式懸浮機構(gòu)與底盤框架聯(lián)接。此種聯(lián)接方式保證了在崎嶇不平的農(nóng)田中行駛時4個驅(qū)動車輪能夠同時與地面接觸,從而使行走系統(tǒng)具備良好的行駛穩(wěn)定性和田間通過性。

2.2 驅(qū)動機構(gòu)設(shè)計

小型高地隙植保噴藥機由4個獨立控制的驅(qū)動總成提供驅(qū)動力,主要包括無刷電機、行星減速器、錐齒傳動總成和驅(qū)動輪,如圖3所示。無刷電機的輸出經(jīng)行星減速器減速增扭后傳遞至花鍵軸的上端,花鍵軸的下端與錐齒傳動總成的小錐齒輪聯(lián)接,錐齒傳動總成的大錐齒輪軸與驅(qū)動輪聯(lián)接。無刷電機的額定功率P為0.5kW,額定轉(zhuǎn)速N1為2 800 r/min,額定扭矩T1為1.7N·m;行星減速器速比I1為6,錐齒傳動總成的速比I2為5.4。

1.驅(qū)動輪 2.錐齒傳動總成 3.驅(qū)動支架 4.行星減速器 5.無刷電機圖3 驅(qū)動機構(gòu)總成Fig.3 Driving mechanism assembly

根據(jù)公式(1)可計算錐齒傳動總成的輸出軸轉(zhuǎn)速N,即

(1)

理論驅(qū)動力矩TQ為

TQ=T1I1I2≈55.08N·m

(2)

若驅(qū)動輪直徑D為650 mm,則理論行駛速度V為

(3)

2.3 轉(zhuǎn)向機構(gòu)設(shè)計

轉(zhuǎn)向機構(gòu)主要包括轉(zhuǎn)向電機及行星減速器、齒輪齒條式方向機、立柱總成、轉(zhuǎn)向搖臂、角度傳感器等,如圖4所示。轉(zhuǎn)向電機為步進(jìn)電機,其輸出軸與行星減速器的輸入軸聯(lián)接,行星減速器的輸出軸通過聯(lián)軸器與方向機的輸入軸聯(lián)接,方向機的兩端通過球頭拉桿與轉(zhuǎn)向搖臂聯(lián)接。

1.角度傳感器 2.轉(zhuǎn)向搖臂 3.方向機 4.鉸接式浮動機構(gòu) 5.轉(zhuǎn)向電機及減速器 6.立柱總成圖4 轉(zhuǎn)向機構(gòu)總成Fig.4 Steering mechanism assembly

本文所選用的步進(jìn)電機保持轉(zhuǎn)矩T2為8.5N·m,行星減速器減速比I3為6,則步進(jìn)電機輸出的轉(zhuǎn)向力矩TZ為

TZ=T2·I3=51N·m

(4)

植保機藥箱滿載,在耕整過的田間通過力矩傳感器多次試驗測得噴藥機最大轉(zhuǎn)向阻力矩為26N·m。因此,步進(jìn)電機輸出的轉(zhuǎn)向力矩能夠滿足植保噴藥機的轉(zhuǎn)向要求。

3 行走控制系統(tǒng)設(shè)計

小型高地隙植保噴藥機的行走控制系統(tǒng)主要包括驅(qū)動控制系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)兩大部分,如圖5所示。轉(zhuǎn)向控制器由接收機和Arduino Due開發(fā)板組成,將操作控制指令通過TTL串口發(fā)送至轉(zhuǎn)向控制單元和速度控制單元。

圖5 控制系統(tǒng)框圖Fig.5 Diagram of the control system

3.1 驅(qū)動控制系統(tǒng)

驅(qū)動控制系統(tǒng)為機器提供行走驅(qū)動力,用以實現(xiàn)機器的前進(jìn)、后退、停止等基本功能,主要包括速度控制單元、無刷電機及其驅(qū)動器、速度傳感器、角度傳感器、驅(qū)動總成。車輛運動學(xué)模型如圖6所示。

圖6 車輛運動學(xué)模型Fig.6 Vehicle kinematic model

由車輛運動學(xué)理論與數(shù)學(xué)模型可知:機器在行駛和轉(zhuǎn)向過程中需要保證每個車輪做純滾動運動,以減少輪胎磨損、增強行駛穩(wěn)定性。圖6中,P為機器重心,PA、PB分別為前橋中心和后橋中心,O為運動瞬時旋轉(zhuǎn)圓心,所有車輪需繞同一瞬時旋轉(zhuǎn)圓心O做純滾動轉(zhuǎn)動。

設(shè)機軸距為L,輪距為W,行駛速度為V,轉(zhuǎn)向角為φ,則4個車輪的速度分別為

(5)

(6)

且

(7)

(8)

(9)

其中,φ1、φ2分別為左前輪和右前輪的轉(zhuǎn)向角度;ω為機器繞旋轉(zhuǎn)中心O的瞬時轉(zhuǎn)動角速度。根據(jù)車輛運動學(xué)模型可知,左后輪與左前輪的轉(zhuǎn)向角度大小相同、轉(zhuǎn)向方向相反,右后輪與右前輪的轉(zhuǎn)向角度大小相同、轉(zhuǎn)向方向相反。

速度控制單元根據(jù)上述計算公式實時計算4個車輪的行駛速度,向4個驅(qū)動總成分別發(fā)送驅(qū)動控制信號,配合轉(zhuǎn)向系統(tǒng)共同完成機器的行駛控制。

3.2 轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)

轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)的工作原理如圖7所示。其主要包括轉(zhuǎn)向控制單元、步進(jìn)電機及驅(qū)動器、角度傳感器、轉(zhuǎn)向機構(gòu)等。轉(zhuǎn)向控制單元通過TTL串口接收轉(zhuǎn)向角度指令φd,同時讀取角度傳感器的轉(zhuǎn)向角測量值φa,計算并控制步進(jìn)電機的旋轉(zhuǎn)方向和旋轉(zhuǎn)角度。

圖7 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作原理框圖Fig.7 Operation principle of the steering system

本文所選步進(jìn)電機自帶的編碼器為1 000線,即步進(jìn)電機輸出軸旋轉(zhuǎn)1周所需的脈沖數(shù)N為1 000個。步進(jìn)電機行星減速器的減速比I3為6,其輸出軸角速度與轉(zhuǎn)向立柱旋轉(zhuǎn)角速度的比值為I4,則步進(jìn)電機驅(qū)動器接收到的脈沖數(shù)s為

(10)

轉(zhuǎn)向控制單元根據(jù)公式(10)計算步進(jìn)電機旋轉(zhuǎn)所需的脈沖數(shù),并輸出方向控制信號至步進(jìn)電機驅(qū)動器。

4 精量噴藥系統(tǒng)設(shè)計

精量噴藥系統(tǒng)主要包括升降總成、噴桿總成和精量控制系統(tǒng),如圖8所示。升降總成采用平行四桿機構(gòu),由電動推桿提供提升力,用以調(diào)節(jié)噴桿噴頭的高度,以適應(yīng)不同高度的大田作物。噴桿總成由可折疊的三段式噴桿、噴頭和水管組成,展開后噴桿總長度為6.2m,其上安裝均勻分布12個扇形噴嘴,霧化角110°,噴幅為6.5m。三段噴桿由3個液泵分段供藥,最大壓力是0.64MPa,噴藥量調(diào)節(jié)范圍是4.2～18 L/min。

1.三段折疊噴桿 2.升降機構(gòu) 3.電動推桿 4.安裝支架圖8 精量噴藥系統(tǒng)Fig.8 Precision spraying system

精量控制系統(tǒng)主要包括精量控制器、GNSS測速模塊、液泵調(diào)速器、液泵及壓力傳感器。精量控制器根據(jù)機器行駛速度、設(shè)定噴藥量,實時讀取各段噴桿的壓力值,向液泵調(diào)速器發(fā)送控制信號以調(diào)節(jié)液泵轉(zhuǎn)速,從而控制藥液流量,以保證單位面積農(nóng)藥噴灑量的均勻一致。

5 操控試驗及性能分析

小型高地隙植保噴藥機主要包括高地隙行走系統(tǒng)和精量噴藥系統(tǒng),如圖9所示。其中,控制箱、液泵、藥箱、蓄電池等固定安裝于高地隙底盤之上。

1.高地隙行走底盤 2.控制箱 3.藥箱 4.蓄電池 5.噴藥裝置圖9 小型高地隙植保噴藥機Fig.9 The compact high-clearance sprayer

為了測試小型高地隙植保噴藥機的操作控制性能和行駛穩(wěn)定性,對其進(jìn)行了自動轉(zhuǎn)向、直線行駛、轉(zhuǎn)彎操控等一系列性能試驗。試驗測得車輪從正中分別轉(zhuǎn)動到兩側(cè)的極限角度均為50°,即轉(zhuǎn)向立柱旋轉(zhuǎn)角度的最大范圍φmax為100°。

1)試驗時間:2018年9月21-23日。

2)試驗地點:山東理工大學(xué)。

3)試驗對象:所開發(fā)的小型高地隙植保噴藥機。

4)測量設(shè)備:RTK-GNSS高精度定位系統(tǒng)。

5.1 直線行駛測試

將GNSS接收機及其天線固定于小型高地隙植保機上,用以記錄機器的行駛軌跡。試驗過程中,由人工操作遙控器使機器沿直線行駛,如圖10所示。機器從點A(588504.07,4073794.261)出發(fā),完成地頭轉(zhuǎn)彎后沿直線路徑1行駛90m,地頭轉(zhuǎn)彎后沿直線路徑2行駛至點B(588507.42,4073792.964)。由行駛軌跡可知:小型高地隙植保噴藥機沿路徑1和路徑2行駛過程中的最大橫向偏差分別為16.4cm和19.6cm。這表明,其能夠在人工操控下以較高的精度沿直線行駛,滿足大田作物植保作業(yè)要求。

圖10 直線行駛路徑Fig.10 Paths for straight movement

5.2 綜合性能測試

試驗過程中,隨機選擇了一條近似矩形的田間道路,由人工操作遙控器使小型高地隙植保噴藥機沿田間道路行駛,以驗證其直線行駛、轉(zhuǎn)彎性能和行駛穩(wěn)定性。

用RTK-GNSS高精度定位系統(tǒng)記錄其行駛軌跡,如圖11所示。小型高地隙植保噴藥機由點A(588 507.42,4 073 792.96)出發(fā),在點B、點C、點D處完成轉(zhuǎn)彎,最后到達(dá)點E(588 524.49,4 073 794.401)。

由RTK-GNSS定位系統(tǒng)所記錄的行駛軌跡和測試過程可知:所研制的小型高地隙植保噴藥機能夠按照人工操作指令完成自動轉(zhuǎn)向、自動調(diào)速、前進(jìn)、后退、停止及噴藥控制等基本功能。

6 結(jié)論

1) 研制了小型高地隙植保噴藥機,在人工遙控下能夠沿田間道路和作物行行走,同時完成植保噴藥作業(yè),消除了農(nóng)藥接觸對作業(yè)人員的潛在危害。

2) 所研制的小型高地隙植保噴藥機,其底盤離地間隙1 350mm,噴幅6.5m,噴藥量調(diào)節(jié)范圍4.2～18 L/min,能夠根據(jù)作業(yè)需求調(diào)節(jié)行駛速度,可應(yīng)用于小麥、水稻、玉米及大豆等大多數(shù)大田作物的田間植保。

3) 該機采用四輪驅(qū)動、四輪轉(zhuǎn)向的行走控制方式,由驅(qū)動系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相互配合完成直線行駛、地頭轉(zhuǎn)彎等基本操作,具備良好的行駛穩(wěn)定性和田間通過性。