自主行走植保車的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

秦偉樺，冉云亮，朱晨輝，秦超彬，王萬(wàn)章

（1.472000 河南省 三門峽市 河南省煙草公司三門峽市公司；2.450002 河南省 鄭州市 鄭州容大科技股份有限公司；3.450002 河南省 鄭州市 河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展，人們?cè)絹?lái)越重視對(duì)煙草的研究。煙草的高經(jīng)濟(jì)價(jià)值歷來(lái)舉世公認(rèn)，在增加國(guó)民經(jīng)濟(jì)方面意義重大[1-2]。近年來(lái)，衛(wèi)星導(dǎo)航、信息無(wú)線傳輸、傳感器和控制技術(shù)等加速了智能化農(nóng)機(jī)的設(shè)計(jì)和開發(fā)，但在煙草農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，煙草植保、打頂?shù)拳h(huán)節(jié)還未實(shí)現(xiàn)機(jī)械化，生產(chǎn)過(guò)程勞動(dòng)強(qiáng)度大、費(fèi)時(shí)、費(fèi)工[3]，嚴(yán)重制約了我國(guó)煙草規(guī)模化及機(jī)械化種植[4]。

在田間管理車輛的研究方面，陳勇[5]開發(fā)研究了自動(dòng)除草的四輪驅(qū)動(dòng)作業(yè)車，計(jì)算機(jī)從地面圖像中識(shí)別出雜草目標(biāo)，再發(fā)出指令控制機(jī)械臂切割雜草并涂抹除草劑；王寶梁[6]設(shè)計(jì)了一款兩輪驅(qū)動(dòng)的作業(yè)車，并針對(duì)葉菜類蔬菜進(jìn)行噴灑和機(jī)械除草作業(yè)；劉路[7]以機(jī)械化種植并生長(zhǎng)到中后期的玉米為研究對(duì)象，應(yīng)用了一款履帶式作業(yè)車搭載彌霧機(jī)，在作物行間大面積均勻施藥展開技術(shù)研究；尹振波[8]在已有底盤的基礎(chǔ)上，用一種小型兩驅(qū)電動(dòng)四輪車，研究了超聲波避障功能；張一星[9]設(shè)計(jì)了一款兩輪驅(qū)動(dòng)的作業(yè)車，使用電動(dòng)車輪轂電機(jī)；車延超[10]設(shè)計(jì)了一款變量噴灑的作業(yè)車，使用電動(dòng)車輪轂電機(jī)，基于圖像進(jìn)行施藥；白如月[11]等設(shè)計(jì)了一種可以在作物行間自主行走的施藥機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)植保作業(yè)車在溫室內(nèi)的自動(dòng)行走并均勻施藥；陳黎卿[12]等設(shè)計(jì)了一種遙控噴霧機(jī)，行駛速度在2～10 km/h，使用阿克曼轉(zhuǎn)向原理，設(shè)計(jì)了四桿轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。

本文根據(jù)煙草種植農(nóng)藝和植保作業(yè)需求，設(shè)計(jì)了一款自主行走時(shí)植保作業(yè)車，搭配噴霧系統(tǒng)作業(yè)部件，可實(shí)現(xiàn)煙草田間自主行走噴霧作業(yè)，提高煙草病蟲害防治機(jī)械智能化水平。

1 作業(yè)車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)合煙草田間植保作業(yè)要求，作業(yè)車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮煙草的種植模式、作業(yè)期作物長(zhǎng)勢(shì)等因素，因此，設(shè)計(jì)距地間隙可以調(diào)整的作業(yè)底盤和輪距，使作業(yè)車能符合不同種植行距的煙草田間植保作業(yè)需求。作業(yè)車設(shè)計(jì)輪距為1～1.3 m，離地間隙為0.7～1.3 m；采用四輪驅(qū)動(dòng)，動(dòng)力由電動(dòng)機(jī)提供。電機(jī)的控制能夠滿足智能化的應(yīng)用。自主行走式植保作業(yè)車主要技術(shù)參數(shù)如表1 所示，結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 作業(yè)車結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of the operating vehicle

2 主要部件設(shè)計(jì)

2.1 轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

折腰轉(zhuǎn)向通過(guò)鉸接的底盤單元來(lái)改變車輛的前進(jìn)方向。在轉(zhuǎn)彎期間，可以保持驅(qū)動(dòng)元件提供最大推力，如圖2 所示。采用中梁式車架，車輪與車架在平面內(nèi)沒(méi)有發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，提高了越野性能。轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)不需要扭轉(zhuǎn)梁和其他部件，優(yōu)化了前后橋結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)向時(shí)，兩側(cè)車輪不會(huì)相對(duì)車橋偏轉(zhuǎn)，隨著折腰角φ的增加，轉(zhuǎn)向半徑明顯減小。通過(guò)理論分析，設(shè)計(jì)采用的軸距為 1 200 mm，前車梁與后車梁長(zhǎng)度相同。

轉(zhuǎn)彎瞬時(shí)半徑中心（C）描述了作業(yè)車在大地坐標(biāo)系下的旋轉(zhuǎn)半徑，可用于控制作業(yè)車進(jìn)行路徑跟蹤。由于設(shè)定路徑的每個(gè)小部分可以通過(guò)其曲率半徑來(lái)描述，因此，可用作控制前后平臺(tái)之間所需的折腰角度。

在l1=l2的情況下，l 取前后車架長(zhǎng)度為 r1=r2。

作業(yè)車在轉(zhuǎn)向過(guò)程中的內(nèi)圈半徑rmin為

外圈半徑 rmax（最小轉(zhuǎn)彎半徑）為

當(dāng)最大轉(zhuǎn)向角為 50°，輪距為 1 000 mm 時(shí)，內(nèi)圈轉(zhuǎn)彎半徑為 787 mm，最小轉(zhuǎn)彎半徑為 1 787 mm，適合全地形作業(yè)的轉(zhuǎn)向需求。

由于作業(yè)車采用小型輕量化底盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，整體載重較小，所以采用電機(jī)主動(dòng)轉(zhuǎn)向。經(jīng)查詢，選用一款 48 V 直流減速電機(jī)，轉(zhuǎn)速 72 r/min，最大輸出扭矩達(dá)到 60 N·m。同時(shí)，設(shè)計(jì)了適用于折腰轉(zhuǎn)向的齒輪傳動(dòng)系，減速比為6，經(jīng)過(guò)齒輪傳動(dòng)系的傳遞，可以達(dá)到轉(zhuǎn)向的使用要求。

2.2 輪距調(diào)整結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

輪距調(diào)整功能的實(shí)現(xiàn)需要將車架進(jìn)行分離，目前應(yīng)用較多的為液壓推桿，通過(guò)雙排鏈輪連接傳動(dòng)系，分別驅(qū)動(dòng)前后橋底部的連接推桿，達(dá)到輪距調(diào)整的目的。本設(shè)計(jì)的輪距調(diào)整以機(jī)械結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)為主，可提高輪距調(diào)整的穩(wěn)定性和可靠性（如圖3 所示）。調(diào)節(jié)裝置與支撐柱之間使用 U 型螺絲進(jìn)行固定，可以調(diào)整高度；裝置橫梁與車架橫梁采用螺孔螺栓固定，可以調(diào)節(jié)輪距。

圖3 底盤調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)Fig.3 Regulatory structure of the chassis

2.3 噴霧系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.3.1 噴桿的設(shè)計(jì)

噴桿設(shè)計(jì)寬度為 6 m，噴桿折疊后的尺寸與輪距相差不大，可以更好地進(jìn)行轉(zhuǎn)場(chǎng)作業(yè)。采用多段式折疊的方法。在主噴桿與副噴桿的連接處，設(shè)計(jì)了一種可以按壓旋轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)，彈簧底座與圓管之間，使用梯形槽固定，彈簧上部與固定螺栓間安裝有墊片可直接按壓旋轉(zhuǎn)。這種結(jié)構(gòu)可以方便地進(jìn)行折疊或展開，同時(shí)，保證作業(yè)時(shí)的平衡性和穩(wěn)定性。

2.3.2 噴頭、水泵和噴霧控制器的選擇

噴頭是植保作業(yè)中的關(guān)鍵部件，噴頭的型號(hào)、數(shù)量和安裝間距直接影響植保作業(yè)質(zhì)量。結(jié)合煙草田間管理植保作業(yè)的農(nóng)藝要求，本次設(shè)計(jì)采用噴嘴流量為 1，3 號(hào)藍(lán)色噴嘴。因?yàn)樽鳂I(yè)車用電池作為能源，選用電動(dòng)隔膜泵作為噴霧作業(yè)動(dòng)力源，配置噴頭 12 個(gè)，藥箱容量 200 L，隔膜泵最大流量為 18.9 。設(shè)計(jì)選用變量噴霧控制器，可依據(jù)作業(yè)車的速度實(shí)現(xiàn)對(duì)噴霧機(jī)藥液管路的流量控制，主要包括主控制器、GPS 接收器、流量計(jì)、壓力傳感器、速度傳感器、比例控制閥、主閥和節(jié)閥。噴霧裝置主要部件如圖4 所示.。

圖4 噴霧裝置Fig.4 Spray device

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 主要部件的選擇

自主植保作業(yè)車的控制模式采用手動(dòng)和自動(dòng)兩種方式，可以使用遙控器進(jìn)行人機(jī)交互。在自動(dòng)模式下，可以輸入預(yù)定路徑的 KML 數(shù)據(jù)，植保作業(yè)車控制器通過(guò)讀取 IMU 姿態(tài)信息和 GPS衛(wèi)星定位信息調(diào)整轉(zhuǎn)向，控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)按照預(yù)定路徑自主行走。在作業(yè)過(guò)程中，作業(yè)車通過(guò)無(wú)線通訊模塊實(shí)時(shí)回傳位置和速度信息，在電腦或手機(jī)端可以進(jìn)行查看并修改航線或行駛速度。

使用遙控器控制作業(yè)車時(shí)，可以進(jìn)行模式切換并且手動(dòng)控制作業(yè)車的油門、轉(zhuǎn)向和噴霧藥泵開關(guān)，基本原理為：手動(dòng)發(fā)射信號(hào)由接收機(jī)接受并傳遞給主控制器，控制器根據(jù)信號(hào)值調(diào)整作業(yè)車的工作狀態(tài)。設(shè)計(jì)采用遙控器工作頻率為2.4 GHz，脈沖寬度調(diào)制（PWM）發(fā)送信號(hào)。采用 ATMEL 公司生產(chǎn)的 ATMEGA2560-16AU 型號(hào)的單片機(jī)作為行走作業(yè)車控制系統(tǒng)的核心，該類型單片機(jī)具有系統(tǒng)工作穩(wěn)定、運(yùn)算速度快、功耗低等特點(diǎn)。芯片的連通性包括EBI/EMI，I2C，SPI，UART/USART，外圍設(shè)備具有欠壓檢測(cè)/復(fù)位，POR，PWM，WDT 等功能，可滿足設(shè)計(jì)需要。

3.2 電路設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)采用典型的 IMU，包括三軸姿態(tài)陀螺儀和三軸加速度計(jì)，分別測(cè)量角速度和線性加速度。MPU-6000 將三軸加速度計(jì)和三軸陀螺儀集成在一個(gè)硅片上，具有較低的噪音，比較好的溫度穩(wěn)定性和精度。當(dāng)連接到三軸磁強(qiáng)計(jì)時(shí)，MPU-6000 提供完整的 9 軸運(yùn)動(dòng)融合輸出到 I2C 或 SPI端口。接口電路如圖 5 所示。

圖5 陀螺儀與單片機(jī)的接口電路Fig.5 Interface circuit of gyroscope and single-chip microcomputer

磁強(qiáng)計(jì)使用型號(hào)為 HMC5883L，精度在1～2°，可以通過(guò) I2C 通信，具有簡(jiǎn)易的 I2C 系列總線接口。接口電路如圖6 所示。

圖6 磁強(qiáng)計(jì)與單片機(jī)的接口電路Fig.6 Interface circuit of magnetometer and single-chip microcomputer

針對(duì)所使用的驅(qū)動(dòng)電機(jī)型號(hào)，設(shè)計(jì)適用于控制系統(tǒng)和電機(jī)之間連接的驅(qū)動(dòng)模塊，電機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)主要依靠 MOSFET 場(chǎng)效應(yīng)管，且控制系統(tǒng)經(jīng)過(guò)濾波和 PID 調(diào)節(jié)對(duì)電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速的調(diào)整。電路原理如圖 7 所示。轉(zhuǎn)向電機(jī)的控制電路需要用到繼電器控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)，搭建了 H 橋，如圖 8 所示。電路板實(shí)物圖如圖9 所示。

圖7 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路圖Fig.7 Circuit diagram of the motor drive module

圖8 轉(zhuǎn)向電機(jī)控制電路Fig.8 Control circuit of steering motor

圖9 控制系統(tǒng)電路板Fig.9 Circuit board of control system

4 樣機(jī)性能試驗(yàn)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證植保作業(yè)車的設(shè)計(jì)是否符合要求，在河南省滑縣某工廠進(jìn)行了樣機(jī)試驗(yàn)，主要對(duì)作業(yè)車轉(zhuǎn)向性能、直線行走和續(xù)航時(shí)間等進(jìn)行測(cè)試。實(shí)物樣機(jī)如圖10 所示。

圖10 作業(yè)車樣機(jī)Fig.10 Operation vehicle prototype

4.1 轉(zhuǎn)向性能試驗(yàn)

作業(yè)車設(shè)計(jì)最大轉(zhuǎn)向角為 50°，最小輪距1 000 mm。在輪距不變的情況下，植保作業(yè)車以3 km/h 的速度在干砂土地面上低速轉(zhuǎn)向，自轉(zhuǎn)一圈，可以得到作業(yè)車車輪的內(nèi)側(cè)和外側(cè)軌跡（如圖 11 所示），利用卷尺測(cè)量外側(cè)軌跡可測(cè)得作業(yè)車的最小轉(zhuǎn)彎半徑為2 000 mm。

圖11 轉(zhuǎn)彎半徑試驗(yàn)Fig.11 Turning radius test

4.2 直線偏移量試驗(yàn)

自主行駛植保作業(yè)車在田間行走時(shí)，直線行走的偏移率是評(píng)價(jià)控制系統(tǒng)的重要指標(biāo)，具體的試驗(yàn)方法為：以設(shè)計(jì)的作業(yè)速度 6 km/h 在預(yù)定直線路徑行走 100 m，測(cè)量終點(diǎn)與起點(diǎn)之間的偏移量，重復(fù) 5 次并記錄數(shù)據(jù)（見表2）。由直線偏移量試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出，平均偏移量為 5.51 cm，直線偏移量主要跟測(cè)試場(chǎng)地的平整程度和 GPS 精度有關(guān)。結(jié)果表明該植保作業(yè)車可以進(jìn)行高效可靠的作業(yè)。

表2 直線偏移量試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.2 Test data of straight line offset rate

4.3 續(xù)航時(shí)間測(cè)試

在試驗(yàn)場(chǎng)地內(nèi)，在滿載條件下以 6 km/h 的作業(yè)速度在預(yù)定區(qū)域內(nèi)進(jìn)行不間斷的行駛，得到續(xù)航時(shí)間，共進(jìn)行了 5 次試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。植保作業(yè)車滿載情況下的續(xù)航時(shí)間平均值達(dá)到了2.54 h，符合設(shè)計(jì)要求。

表3 續(xù)航時(shí)間試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.3 Test data of endurance time

5 結(jié)論

自主行走植保作業(yè)車，采用驅(qū)動(dòng)電機(jī)推動(dòng)折腰轉(zhuǎn)向，車架距地間隙可調(diào)節(jié)，配合噴桿及噴霧裝置和遙控器的自動(dòng)控制，車輛機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，轉(zhuǎn)向方便，控制靈活；植保車輪距調(diào)整范圍為 1～1.3 m，適用于煙草田間跨壟作業(yè)及玉米、大豆不同寬窄行的植保農(nóng)藝要求，適用范圍廣，推廣價(jià)值高；作業(yè)車最小轉(zhuǎn)彎半徑為 2 mm，直線偏移率 0.05 m，續(xù)航時(shí)間 2.54 h。試驗(yàn)結(jié)果表明，樣機(jī)性能參數(shù)基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求。