果園作業平臺研究進展分析*

繆友誼，陳小兵，朱繼平，袁棟，陳偉，丁艷

(農業農村部南京農業機械化研究所，南京市，210014)

0 引言

我國是世界第一大水果生產和消費國，2019年我國水果產量達到1.90億t，果園種植面積達122 767 khm2，較上年增長3.4%，其中超62%面積的果園位于丘陵山區[1]。

傳統果園以個體農戶經營為主，果樹種植較為分散且地塊面積較小，果樹生長周期中的修枝剪枝、疏花疏果、套袋以及采收等高位作業農藝環節多以人工作業輔以攀爬果樹、搭建簡易扶梯等方式實現，勞動強度大、危險系數高、作業效率低下，高位作業用工量占總用工量的50%以上[2]。

近年來，隨著土地集中流轉政策推進，規模化、現代化果園的種植面積也逐步擴大，其集中經營的優勢和經濟效益逐步顯現。矮砧寬行密植、精細管理的現代果園種植模式為農業機械進入果園提供了條件[3]。果園作業平臺作為可參與果樹全程管理作業的通用性平臺，符合實現“一機多用”的設計思路和功能[4]。城市化的推進導致果農數量減少和老齡化情況嚴峻，采用果園作業平臺輔助人工作業不僅可以降低勞動強度，而且可以提高生產效率，保證人身安全。

本文介紹了國內外果園作業平臺的研究現狀，在此基礎上對比分析了不同類型果園作業平臺及關鍵部件的優勢及存在的問題，并提出果園作業平臺的發展建議。

1 果園作業平臺功能與分類

果園作業平臺是一種適用于不同果樹高度，可輔助工人實現連續修枝剪枝、疏花疏果、套袋采收等作業要求的設備。其主要包含行走、平臺升降、平臺擴展、裝載以及調平等功能，行走功能用于搭載工人在果樹行間實現連續作業，平臺升降功能用于實現人員在果樹冠層不同高度保持停留并作業，平臺擴展功能用于拓寬平臺作業寬度保證人員能夠靠近果樹內部，裝載功能用于實現農資或水果果箱的運輸和轉場，調平功能用于提供人員作業時相對水平的工作場景，確保人員和設備安全。

從結構型式上可分為懸掛式、牽引式和自走式三種；懸掛式和牽引式果園作業平臺依靠果園拖拉機作為動力，其具有結構簡單、成本低、維護保養方便的特點，但也存在需額外配備果園拖拉機及整體工作尺寸大、轉向不方便等缺點；自走式果園作業平臺自帶動力，具有較高的靈活性和機動性，適合國內絕大部分果園使用，但配備調平等功能的中高端機型則價格較貴。

三種類型果園作業平臺特點對比如表1所示。從表1可以看出，懸掛式適用于作業工作量較低的小型傳統果園，除需配備果園拖拉機外，其余維修保養成本較低；牽引式適用于大型現代化果園，對果園機耕道和行間距要求嚴格；自走式對不同地形和模式的果園均有較強的適應能力。

表1 不同類型果園作業平臺特點對比Tab. 1 Comparison of the characteristics of different orchard working platforms

2 果園作業平臺研究現狀

國外果園作業平臺研究起步較早，歐美等西方國家早在20世紀60年代已經開始相關研究與探索。其最先從傳統的高空作業平臺逐步發展而來，先后發展出單工位、多工位作業平臺(圖1)以及專用收獲平臺等機型[5]。通過試驗發現，采用作業平臺的桃園工人修剪效率比使用扶梯的工人修剪效率平均提高了34%，收獲效率平均提高了59%；同時使用作業平臺的工人手臂抬高、軀干前彎、重復性、心率和自感勞累程度均低于使用梯子作業的工人，這使得果園作業平臺在歐美得到較大規模應用[6-7]。日本則根據本國丘陵地形多的特點，發展出適應本國地理條件的小型化果園作業平臺(圖2)[8]。

圖1 雙升降工位果園作業平臺

我國專門針對果園的作業平臺研究和使用起步比較晚，2007年由新疆機械研究院研制的LG-1型自走履帶式多功能果園作業機正式亮相，其主要由行走底盤和升降機構組成，搭配空壓機、發電機及噴霧系統，實現果樹修剪、果園噴藥、果實采摘、果品運輸及動力(照明)發電等功能[9]。在此基礎上李磊[10]研發了類似的履帶式作業平臺。王建超[11]設計了懸掛式丘陵山地果園作業升降平臺，其采用折疊臂式結構升降并具有靜液壓調平功能，但工作平臺尺寸較小，僅能承載單人作業。王亞龍等[12-13]先后設計了牽引式果園采摘作業平臺，其包含6個工作位，僅限于水果采收作業環節使用。

圖2 緊湊型果園升降工作平臺

2.1 底盤系統

由于懸掛式作業平臺無需底盤系統，而牽引式作業平臺底盤為無動力底盤，其均采用輪式底盤確保牽引阻力最小化，因此本小節重點綜述自走式果園作業平臺底盤。

果園作業平臺底盤型式主要有輪式和履帶式兩種，根據動力類型又可分為內燃機驅動和電力驅動。輪式底盤大多采用充氣橡膠輪胎，具有良好的緩沖和減震性能，行駛阻力小、行駛速度高、機動性好，但在非鋪裝路面附著力小，通過性能較差；履帶式底盤支承面大、接地比壓小，具有良好的通過性和越障能力，但結構復雜、質量大，通常無減震結構，多應用于低速行駛場景。

基于種植模式和地域情況不同的特點，歐美地區使用大型果園作業平臺較為廣泛，其中大型作業平臺以輪式底盤為主，而小型作業平臺則主要采用履帶式底盤。意大利生產的CROSS系列輪式作業平臺，如圖3(a)所示，其采用液壓傳動裝置分別獨立控制4個車輪，同時可根據地形條件調節車橋改變底盤最小離地間隙和相對于地面的角度，縱向最大橫向調節角度可達15°，橫向最大橫向調節角度可達25°；意大利開發的SKY one系列履帶式作業平臺，如圖3(b)所示，在傳統履帶底盤基礎上，在前側增加2個主動支撐輪，并通過液壓油缸實現對主動支撐輪調節控制，同時底盤具有軌距主動調節功能，通過上述結構設計有效保證了底盤穩定性和安全性。

(a) CROSS系列輪式作業平臺

國內研究與國外類似，輪式底盤多用于中大型作業平臺，小型化作業平臺以履帶式底盤為主。郝朝會等[14]設計的四驅四轉向輪式底盤(圖4(a))，采用8檔機械式變速箱驅動行走、液壓驅動轉向結構，搭配升降平臺或風送噴霧組件實現不同功能。西北農林大學的候志偉[15]、鄒海兵[16]先后對設計的兩輪驅動作業平臺進行了模型建立與仿真，并進行了試制與試驗。

在傳統履帶式底盤基礎上，國內研究人員根據自身情況進行了各種發展與創新。袁永偉等[17]設計的四履帶多功能農用底盤結構(圖4(b))，其兼顧輪式行駛阻力小和履帶式通過性好的特點，同時具備底盤離地間隙可調的功能，為履帶式底盤研究開拓了思路；王鋒等設計了一種驅動輪置頂的三角履帶式果園動力底盤(圖4(c))并進行了測試驗證，結果表明其最大爬坡角度為15°，最大跨越壕溝寬度為500 mm，最高跨越垂直障礙物高度為528 mm。

(a) 輪式底盤

隨著新能源技術的發展，科研人員也逐步轉向農業機械電力化研究。采用電池+電機的結構無需考慮傳動軸設計，輪轂電機的使用可有效節約底盤空間，電池則可以根據底盤重心要求靈活排布。國內采用電機驅動的輪式底盤作業平臺還未見相關研究。趙林亭等[18]、崔志超等[19]分別設計了用于果園和溫室的自走式電動底盤作業平臺，其由兩組直流無刷電機通過減速機傳遞至左右兩側主動輪，進而控制兩側履帶實現行走功能。

綜上所述，不同底盤關鍵技術對比如表2所示。國外輪式底盤技術發展和使用較為成熟，以ORSI為代表的歐美企業其產品種類豐富，其質量經市場驗證可靠性較好；國外履帶式底盤則依靠其優異的配套液壓產品和控制系統，實現各種復雜功能，其技術先進，價格昂貴。國內企業也緊跟國外一流企業步伐，例如河北某公司等沿用仿制消化吸收再創新的路線，成功國產化了3GP-155型自走式果園作業平臺。在履帶底盤研究方向，我國科研人員重點對底盤機械結構進行了改進與試制，對履帶式功能擴展與液壓集成技術研究較少，與國外同類產品還存在較大差距。

表2 不同底盤關鍵技術對比Tab. 2 Comparison of the critical technology of chassis

2.2 升降機構

升降機構主要分為剪叉式、曲臂式、直臂式和鏈條式等型式，果園作業平臺中使用較多的為剪叉式和曲臂式結構兩種；剪叉式結構具有結構簡單、穩定性高和承載能力強等優點；曲臂式結構具有結構緊湊、轉向靈活等優點，但其對控制穩定性要求較高。

意大利開發的ZIP 25系列果園作業平臺(圖5(a))采用一級剪叉式結構，最大舉升載荷為900 kg，搭配的二級伸縮油缸在保證舉升高度前提下，有效減少了底盤占用空間，結構更加緊湊。韓國的Jang[20]設計了一種“之”型升降結構(圖5(b))，通過兩組油缸分別控制兩組升降臂實現平臺的升降功能，實現最大提升高度為2 500 mm；其由剪叉式結構變形發展而來，但升降臂為不對稱設計，易導致整體受力不均衡，同時此結構導致作業平臺角度在升降過程始終處于變化狀態，增加了控制難度。

高楊等設計了由伺服電機驅動的多級剪叉機構，其采用絲杠傳動控制升降機構，有效減少了升降機構的位置誤差。江世界等設計了果園用多級剪叉式單人操控升降管理機(圖5(c))并進行了試驗，結果表明其最大升高高度可達3.5 m。

買合木江·巴吐爾等[21]開發了曲臂式果園作業平臺，其最大提升高度達5 m；席遠軍等[22]針對5 m以上高度果樹采摘困難的問題，設計了由兩組四連桿機構鉸接組成的曲臂式水果采摘作業平臺(圖5(d))，其最大作業高度可達到12 m。

(a) 一級剪叉式

剪叉式結構直上直下的運動軌跡決定其作業半徑為圓柱形，作業平臺需配備平臺擴展功能用于增加人員作業半徑；一級剪叉結構舉升高度通常為≤2.5 m，2.5～5 m舉升高度需求可采用多級剪叉結構，但隨著級數變多，其舉升穩定性會變差。曲臂式結構運動軌跡為半球形，作業半徑可隨曲臂角度而改變，但需要配備兩路以上液壓油缸，在相同油缸行程條件下舉升高度更高；曲臂式結構舉升高度通常超過5 m，其作業平臺往往是面積較小的單人作業平臺，更適宜深入柑橘等樹冠較大的果樹品種作業。

2.3 調平機構與控制系統

調平系統旨在調節工作部件的角度，確保工作面處于相對水平狀態，其主要包含調平機構、執行部件和控制部件，自動調平還需平臺狀態檢測傳感器。調平技術在軍事和工程機械領域使用較為廣泛，隨著技術發展，農業機械領域也逐漸引入該技術用于改善作業質量，例如山地拖拉機和激光平地機等。

國外調平技術研究較早，其針對不同硬件開發出了適用各種場景的調平控制系統。瑞典某集團將超聲波傳感器應用到調平系統中用于控制瀝青攤鋪機作業平整度。華盛頓州立大學為除草機器人設計了帶有IMU的控制器模塊，通過傳感器獲得機器人的姿態信息，并經計算后輸出長度變化量實現自動調平。美國某公司在坡地電液式聯合收割機車身調平系統基礎上，研發了全自動式車身調平聯合收割機。YI提出了一種激光調平平臺，通過激光測量技術獲得了更高的平臺調平精度。不同于其他作業部件，果園作業平臺調平功能直接影響人員所處環境，對提高操控性和人身安全性具有重要意義。

王小龍、劉大為等[23-24]設計了一種“方向+角度”的調平機構，可在0～15°范圍內進行調平工作，但其必須先進行橫軸方向回轉調節，隨后進行縱軸方向角度調節的兩次先后調平順序，調平過程繁瑣、無法適應動態工作場景。楊傳龍等設計的多功能全液壓果園作業平臺，采用左右調平底盤與前后車橋同心鉸接結構，試驗結果表明前后調平最大調平誤差為0.5°，左右調平最大調平誤差為1.5°。分析其調平精度差異較大原因可知，相同油缸伸縮量條件下，油缸位置離旋轉中心越遠，其調節精度越高，為調平機構優化設計提供了借鑒。Fan等[25]以懸臂梁為基礎，在懸掛式作業平臺上設計了一種靜液壓三角調平結構，試驗結果表明其最大載荷可達150 kg，提升過程中的調平誤差不超過2°。

劉凱等[26-27]設計了基于雙STC89C52單片機的調平系統，設計精度滿足2°，橫向、縱向極限角調平時間小于20 s。于泳超等[28]分析了增量式PID控制系統在不同干擾下的調平性能；房懷英等[29]以4點支撐的調平系統為基礎，對比了PID和模糊PID控制方法對調平精度和調平時間的影響，試驗結果表明模糊PID控制能顯著縮短調平時間；王冰[30]采用了神經網絡對調平系統進行控制，并采用改進PSO算法優化PID神經網絡權值，仿真結果表明PID神經網絡控制較經典PID控制有較強的解耦能力，且調平速度有較大幅度提升。楊徑等采用了角度誤差控制調平法，通過檢測縱傾角和側傾角，計算調平油缸所需行程目標值，虛擬樣機試驗表明調平誤差最大不超過0.5°。

綜上所述，不同調平結構對比如表3所示。國內果園作業平臺的調平機構以電液控制為主，因角度誤差調平策略控制簡單，使用最為廣泛。而控制系統以經典PID算法為核心，結合模糊神經網絡控制、神經網絡控制等方法，使調節響應速度和精度更高。

表3 不同調平結構效果對比Tab. 3 Comparison of the effects of different leveling structures

2.4 安全性研究

果園作業平臺安全性研究主要集中在兩個方面，一是整機重心較高，導致易在平整但角度較大路面發生翻車事故；二是果園作業環境相對復雜，道路崎嶇，造成車輛本身角度變化劇烈引起的傾翻事故。

Schofield等[31]針對高重心車輛提出了一種基于側傾角的防側翻車策略，同時限制橫擺角速度和橫搖角，并通過控制器分配制動力防止車輛翻滾。Wang等[32]建立了具有橫向載荷轉移的7自由度車輛動態模型，提出了基于車輛姿態參數實時調整的車輛運動穩定性控制方法，并依托車輛比例模型進行運動穩定性控制試驗，研究結果表明車輛傾斜角度和角速度變化對車輛運動穩定性有較大影響，根據上述參數對車輛速度進行控制，可以保持車輛的穩定性，防止在運動過程中傾覆。

劉奎等[33]對三輪自走式升降平臺進行了安全性分析，建立了作業過程中三個輪胎受力的數學模型，得出了作業平臺在升降工作時整機不傾覆的結論，但其研究僅局限較為平坦的路面和機具靜止的條件下，不適用于坡道與動態過程。朱余清等[34]以提高整車抗側翻的性能為設計目標，優化了整車總體布置，并根據履帶式運輸車的質心高度，分析了樣機在各狀態下的縱向極限坡度角。

趙鵬等[35]將最大側傾穩定角和橫向載荷轉移率(LTR)作為調平作業平臺傾翻穩定性評價指標，研究結果表明作業平臺調平后最大側傾穩定角度值提高、LTR值降低，有效提高了作業平臺抗傾覆性和作業穩定性。王永振等[36]以傾翻預警時間和橫向載荷轉移率為傾翻指標，設計了防傾翻控制系統，采取主動制動和制動轉向兩種方式避免車輛傾翻，但可靠性有待進一步驗證。張昊等[37]以加速度、坡度為參數，采用“穩定系數法”建立了防側翻預警系統，有效提高了作業人員和裝備的安全系數。張攀等[38]分析了不同工況下高空作業平臺中剪叉式舉升機構所受載荷，并建立了剪叉式舉升機構作業平臺剛柔耦合模型。仿真結果表明，墜落沖擊力和周期作用力對剪叉式舉升機構振動影響較大，對果園作業平臺安全作業提供了重要參考價值。

綜上所述，目前主要通過以下5種指標反映車輛傾翻穩定性，如表4所示。

表4 常用車輛穩定性評價指標Tab. 4 Common vehicle stability evaluation indicators

3 存在問題

隨著傳統果園改造的不斷推進及果園專用機械新產品補貼范圍和力度逐步加大，果園作業平臺的市場及需求也越來越大。果園作業平臺作為配合人工及其他工作部件作業的重要輔助機械，雖然在實際生產中發揮了積極作用，但仍存在較多不足。

3.1 專用底盤缺乏

國內果園作業平臺在傳統農用運輸機具底盤基礎上發展而來，四驅四轉向輪式底盤由于機械式傳動底盤結構限制，導致作業平臺不可避免出現類似卡車的車頭結構，而小型履帶式底盤還存在整體接地長度短，導致其前后穩定性反而不如側向穩定性的問題。果園作業平臺對平臺初始高度和整機重心分布有著嚴格的要求，現有底盤結構不適應作業平臺需求，應重視開發適用于高重心場景的專用果園作業平臺底盤，滿足底盤高度低、重心分布均勻的特殊要求。

3.2 關鍵部件性能差距大

國內作業平臺與國外同類產品差距主要在于液壓機構與控制等關鍵技術。國內已有機具在平臺靜態調平性能方面與國外差距較小，調節精度可達1°以內，但動態調平性能與國外同類機型差距較大。液壓泵、變量控制閥等零部件產品精度和質量不能滿足調平精度和響應時間需求，在動態性能調控控制方面，控制算法策略與調平速度、作業行走速度等匹配問題也是設計難點。

3.3 整機輔助配套裝備不完善

平臺擴展性小，“一機多用”配套設備不完善。現有果園作業平臺主要以載人作業為主，使用工具主要包含手持式梳花機、氣動修剪機、電動套袋機等，所用小型工具與果園作業平臺相互獨立，無依附關系，但其僅依靠自身動力無法滿足長時間作業需求，應根據作業機具動力需求提供氣、電及液壓動力輸出端口。水果收獲環節已有的果實輸送與收集裝箱設備則無法與之安裝匹配，同時也無法實現平臺果箱裝卸貨功能，應預留提供擴展安裝接口及裝卸軌道。

3.4 宜機化改造需求和困難大

我國丘陵地區果園面積占比大，具備手動或自動調平功能的果園作業平臺最大調節角度多在20°以內，可滿足平地及小坡度丘陵地區使用需求。而坡度在20°以上的丘陵地區無相匹配機型可用，過大的調節角度給機具設計造成更大的困難和挑戰，同時也無法保證整機安全性，亟需對大坡度丘陵山地果園宜機化改造，可參考傳統糧食種植中“陡坡+梯田”種植模式，為機具進入行間作業提供便利條件，這為丘陵山地宜機化改造提出巨大挑戰。

4 展望

4.1 加強底盤研發

在目前農機農藝融合還不夠完善的情況下，可借鑒國外技術，加強專用底盤技術和產品研發，發展輪距/軌距可調式底盤結構，拓寬使用場景，為農機適應農藝要求提供了新思路。通過引入虛擬樣機等技術，快速實現果園作業平臺專用底盤產品系列化、多樣化。

4.2 創新電動作業平臺種類開發

新能源作為我國重點突破與發展方向之一，農業機械也逐步引入新能源技術，結合果園作業平臺工作速度平緩、整機輸出功率平穩、極限輸出功率時間短的工作模式，可在電動履帶式底盤研究基礎上，開展電動輪式底盤以及電動升降、電動調平等技術研究與開發，充分發揮新能源無尾氣和噪音污染的優勢。

4.3 不斷優化調平控制能力

隨著機—電—液的不斷融合發展，高精度的傳感器以及控制更精準的液壓調節閥等液壓元器件應用越來越廣泛，結合進一步優化的神經網絡等智能調平控制算法，使得整體調平性能更加完善，確保用戶獲得更好的安全保障和操控體驗。

4.4 提高整機智能化水平

復雜的田間作業環境十分依賴人工判斷與干預，作為載人輔助作業機具，應當將安全性放在首要位置。隨著智能感知及智能導航技術的發展，智能化輔助安全技術也逐步應用到農業機械上，引入路徑規劃、自主導航、智能避障、主動調平等智能化技術提升機具操控性與安全性。

5 結語

在我國現代化果園面積逐步擴大、用工成本也逐漸增大的背景下，如何提高綜合機械化率成為影響果業可持續發展的重點因素之一，果園作業平臺作為有效提高田間管理生產效率的重要手段和工具，其發展具有重要意義。目前我國的果園作業平臺研究已有一定基礎，未來作業平臺仍以自走式結構為主。針對現有機型無專用底盤、關鍵部件性能差距大、擴展性不足、安全性差的問題，提出應以保證作業人員安全為首要前提，著力完善和提高機器底盤與調平技術研究，引導整機向智能化程度高、適應性強、擴展性豐富方向發展的建議。