果園自動巡檢車底盤結構設計

河北農業大學機電工程學院 劉澤楠 王一猛 付鑫 宋云達 王子晗

引言

從目前發展的狀況可以預知，2016～2026年是我國果園產業發展的黃金時期[1]，果園的機械化程度不僅對水果產業發展有深遠的影響，也對一個地區的農業機械化有著重要的影響[2]。目前我國北方農村的小型果園管理工作較落后，大部分巡檢工作都是由人工完成，為解決北方山區小型果園的日常管理工作費時費力的問題，本文設計了一種果園自動巡檢車，該車采用自控路徑規劃，能按路徑規劃和作業要求，精確地停靠到指定地點完成相應的果園巡檢任務，節省了人力，提高了工作效率，此次設計是北方農村地區傳統果園管理走向機械化、智能化管理的初步探索。

1 整體設計及參數選擇

1.1 整車結構選型與設計

通過三維建模軟件對巡檢車各部分進行設計和建模，然后分別將設計好的各部件按其之間的配合邏輯關系進行裝配組合，生成自動果園巡檢車的整車的三維模型如圖1所示：

圖1 巡檢車整車三維模型

根據自動果園巡檢車的工作環境和已確定的基本參數進行各總成選型如下：動力系統采用24V175W直流電機模型小、壽命長且效率高，可提高巡檢車的質量，扭矩較大使其在果園路面的通過能力增強；將IMU慣性導航模塊安置在控制平臺的縱向軸線上，獲取機器的運動姿態和坐標；出于工作需求的考慮，采用IPC工業工控機作為控制平臺的總控和信號處理；選用渦輪蝸桿式光電攝像頭,可進行多方向上的仰角和俯角多角度拍攝；顯示器采用普通電腦液晶屏來顯示小車位置信息和IMU所傳輸的解算后姿態信息，便于操作者對巡檢車控制平臺位置的把握和路徑的選擇和控制；由于巡檢車各部分組件所需工作電壓不同，因此采用了24V-220V的電源轉換器。搭載框架采取結構式設計，由30*30的12根鋁合金結構件通過角碼配螺栓固連接而成，鋁合金質量輕且密封性良好，耐腐蝕較強可以很好地保護內部的電器元件，且因所需承載總質量不大，亦可滿足強度要求。

1.2 整車的各項參數設計

尺寸和質量參數：軸距和輪距的尺寸選擇對巡檢車底盤空間、巡檢車的最小轉彎半徑以及整車整備質量均有影響[3]。為加強整體的攜載能力和行駛性能，兼顧巡檢車底盤能夠自如通過果園地形同時平臺底盤空間足夠，將軸距定在680mm，前、后輪距的尺寸選為440mm。為保證巡檢車底盤在起伏地勢的通過性，將底盤最小離地間距設計為158mm。選用鋁合金結構件和板材以及角碼螺栓聯接的固連方式，來減輕車身重量，將平臺底盤的質量定為50Kg，搭載裝備的質量為20Kg，總質量為70Kg。巡檢車底盤的尺寸參數和質量參數所示如下表所示：

表1 巡檢車底盤的主要尺寸參數

性能參數：為確保工作時的安全性和可通過性，將控底盤軸荷分配定為前40%，后60%。為保證巡檢車的安全性，設計最高車速vamax為10km/h。考慮果樹種植間距并盡可能減小轉彎半徑，將最小轉彎半徑Rmin設計為2m，并選取相應合適的內傾角使得轉向輪自動回正。巡檢車工作時速度較慢，對制動性要求不大，要求制動距離不超過4m，平均制動減速不低于0.96m/s2。

1.3 小車導航系統及厘米級定位的實現

單一的傳感器定位都存在一定的不足和缺陷，其中Tuff導航系統定位精度較高，但是會因衛星信號被遮擋出現定位不穩定的情況，而慣性導航的優點在于全天候使用并且完全自主，不受外界環境干擾，連續性強，噪聲低[4]，但其導航誤差會隨時間累積，定位精度降低。因此二者的組合導航可以優勢互補，為小車提供準確可靠的厘米級定位。

系統自帶差分基站，可提供長時有效的差分信號，保證位置精度小于2.5cm，姿態精度小于1°，其實現過程是使用者遙控巡檢車巡檢果園，控制平臺走過并記錄相關的巡檢路徑，小車進行自控導航時，由慣性導航按照之前的路徑輸出行駛姿態信息，并由Tuff導航差分定位實時獲得小車行進中的坐標信號，卡爾曼濾波對系統的狀態（位置、速度等）及誤差進行最優估計，以實現對慣導系統的校準和誤差補償，從而達到厘米級定位的自控路徑巡檢，其運行模式如圖2所示：

圖2 組合導航模式圖

2 .巡檢車用電設備功率設計及校核

自動果園巡檢車控制平臺以控制系統為主，除以控制平臺整體需求為根本，還應有一定的功率儲備[5]。本節通過計算控制平臺的功率等參數來評估此巡檢車的合理性。

2.1 控制平臺各用電設備的功率設計

當各電器設備正常工作時，大部分電器功率穩定，雖有部分設備，如北斗導航系統模塊，功率值在接發射信號波動較大，但因平臺所搭載的設備較少，而且考慮到一定的功率儲備，因此可對波動功率忽略不計，分析并實驗得到自動果園巡檢車的各用電設備功率和電流如表：

2.2 巡檢車巡航里程及功率校核

巡航里程校核：用電設備較少，且大部分處于同時工作的狀態，因此使用頻度系數（K0）可視為1。各用電設備的等效電流：Idi=KoiIi。由于Idi=I，又由表2知電器設備的用電量，得總用電量為：I=16.09（A）。

表2 巡檢車各用電器設備功率

小車用電設備分別采用鋰電池（24V180AH的車載鋰電池一塊）、蓄電池充電，計算：

式中Q—蓄電池的容量（AH） k—安全系數

I—用電設備的等效電流（A） T—續航小時數（h）

t—所處環境的實際溫度（℃） α—電池溫度系數（1/℃）

η—放電容量系數

根據續航設計預測η取1，α取0.008/℃，因果園巡檢任務最繁重時為盛夏，故取t為30℃。取k為1.25,可得T為：

可知小車充電一次的持續放電時間為9.3h，小車設計速度為10km/h，可估算出小車的續航里程約為90km，因此續航里程足夠日常巡檢。

式中：Q—蓄電池的容量（AH） U—放電電壓

T—持續放電時間（h）

又由表可知，全部用電器用電功率P總=441.6W

P=464.5W＞P總=441.6W

可知蓄電池輸出功率可以負載各用電設備。

3 總結

本文就如何解決果園智能化管理的問題，提出了自動果園巡檢車的設計方法，其中包括整體設計，各部分選型布置及建模處理，厘米級定位的實現，功率設備計算及核驗，通過實驗測試小車滿足了相關的設計要求，符合了果園日常管理的需求，使果園巡檢變得方便省時，解放了勞動力，推動了智能化農業。