多功能果園遙控作業平臺的研究

河北農業大學現代科技學院 佟嘉瑋 江東博 姚文特 楚若于 孫立成 李孟玉 萬一

1 研究多功能果園遙控作業平臺的意義

近年來，隨著農業產業結構的優化調整和農產品產業化的快速發展，蘋果已成為推動農業結構調整、區域經濟發展和我國蘋果優勢區及特色產區農民脫貧致富、鄉村振興的支柱產業。先進的果園機械裝備是節約資源消耗、提高經濟效益、降低勞動強度、提高生產效率、提升果品品質的重要保證。然而，我國現階段的果園機械裝備水平不能很好地滿足果園地形復雜及“輕簡、省力、高效、安全”的果園生產實際需求，已成為掣肘我國果園產業可持續發展的瓶頸問題。

為適應現代果園管理精細化、生產高效化的發展需求，本項目面向河北“重點發展的7大類特色產業之一的水果產業”及“加快推進農業機械化和農機裝備產業轉型升級實施意見中提及的18種重點農業機械之一的果品機械”，針對目前我國矮砧密植果園生產機械化水平低、勞動強度大、生產效率低、作業危險性高等現狀，研發一款輕簡省力、安全可靠、便捷實用的多功能果園生產遙控電動作業平臺，項目選題符合國家及河北省相關產業政策及社會需求，項目研究成果可有效減少果園用工、提高作業效率、改善工作環境，對發展綠色果業、改善生態環境、提升果品質量、提高果業效益等具有重要意義。

2 多功能果園遙控作業平臺的設計原理

2.1 作業平臺動力系統及線路設計

依據作業平臺的工作環境及其最大作業速度、最大爬坡角度、續駛里程等主要技術參數，對電池、驅動電機、電機控制器等進行選型計算。

2.2 作業平臺機械系統設計

作業平臺行駛系統（車架、車輪、前后車橋）、傳動系統（變速器、減速器、差速器、半軸）、制動系統和轉向系統、防傾翻機構等關鍵機構及其零部件的設計計算與仿真分析。

圖1 變速器

圖2 差速器

2.3 作業平臺控制系統設計

硬件系統設計。主要包括電源、驅動電機、PC機、無線視頻接收器、無線控制指令發射器、視頻采集卡、視頻發射器、控制信號接收器、驅動繼電器、傳感器等硬件的選型與匹配性設計。

圖3 無線視頻接收器

圖4 驅動繼電器

2.4 作業平臺樣機試制及性能測試

依據最終確定的設計方案，進行標準件采購及關鍵零部件加工，完成作業平臺整機裝配與調試；對作業平臺樣機的行走、制動、自動調平、防傾翻及電控性能、安全性能等進行測試分析，對不足之處進行優化與改進。

3 多功能果園遙控作業平臺要點

3.1 不同的地形裝置的選擇

果園規劃合理，平整度和通過性較好的果園作業平臺行走機構一般采用輪式機構，相較于履帶式行走機構，輪式機構具有行走速度快操作簡單后期維護成本低等優點[1]，升降機構主要有剪叉式折臂式堯階梯式和伸縮臂式等類型。果園分布于丘陵山區，苗木行株距設置小，因此，作業平臺要尺寸小且多用履帶式行走機構，履帶式結構相較于輪式機構速度慢但更加穩定，以樞軸式擺動懸掛機構作為行走裝置的履帶底盤自走式采摘車，該車特點是輪距寬，重心低，爬坡能力強，越溝性能較好，行走穩定性高，適用于15度~30度的坡地。

圖5 樞軸式擺動懸掛機構

3.2 人員與機械配備

果園的操作者多為農民，文化程度普遍偏低，這就要求平臺操作方法簡單、可靠性高、便于維護修理。在對現代果園進行修剪，疏花疏果，果實采摘等作業時，工作人員往往需要到距離地面一定高度的地方作業，勞動難度大，安全性難以保障。同時，隨著城市化進程的加快，果農老齡化現象嚴重，勞動力身體素質下降，因此，農機裝置要簡單可靠，易操作，安全性高。現代化蘋果園必然是機械化作業的果園，要求果園農事操作技術極大簡化，用工量減少，水肥施用可實現與樹體生長規律一致的可控性施用，利用率提高。

3.3 功能要求

農機功能要全面，履帶式多功能果園作業平臺特點是一機多用（采摘，修剪，噴藥，運輸，動力發電等）、1.5 m內自由升降、配備的可拆卸式發電機可為平臺作業或照明提供用電、低地隙底盤保證其通過性好、可實現360度原地轉向。平臺采用平行四連桿升降機構，結構簡單，升降過程平穩，可通過遙控控制平臺在丘陵山地靈活作業，采用雙向調平模式保證平臺始終處于水平位置，可對整機部分進行拆卸并完成噴藥、開溝施肥的功能。在遙控方面，裝置可通過遙控器在60 m范圍內控制平臺轉向、前進、停車、左右伸展。該平臺可加大作業人員采收范圍并提高作業效率[2]。

3.4 技術要求與結構設計

平臺進行升降和行進作業時采用機電液一體化控制策略，即電動控制，液壓傳動，機械執行。軟件方面，該平臺采用液壓傳動、電液比例技術以及模糊PID控制方案為整體控制策略，并采用STM32單片機為核心控制芯片。硬件方面，該平臺采用了適當的傳感器對剪叉式升降機構進行實時監控，提高了作業安全性，并且采用合適的液壓元件搭建了升降模塊的液壓回路，該設計的優點是操作簡單，可實時監控保證平臺運行穩定，具有自適應能力和故障診斷能力，可減少機器損耗、延長機器使用壽命。動力方面，隨著科學技術的不斷發展，電動作業平臺已經成為發展趨勢，主要依靠以下幾方面優勢：一是電動車依托電機驅動，不需要中冷系統散熱，因而不需要大面積進氣格柵為冷卻液散熱。二是電動車依托電機驅動，底盤上不需要安裝排氣筒和油箱，節省出大面積的底盤空間，節省出的部分空間被電池組占據，其他空間可提高作業平臺的通過性。三是與柴油車相比，電動車的高效區間更加寬泛，無須增設變速箱，有較好的操控性能。穩定性方面：根據我國果園的分布特點，對于可調平式果園作業平臺的需求越來越迫切，因此，要選用低延時的傳感器，設計合理的機械結構減輕慣性擺動，安裝時減輕各種零部件之間的摩擦。控制方面，加入遙控技術，操作人員可遠距離控制平臺前進，后退，轉向和平臺升降等，果園作業平臺可自動感知外部環境進而對行進路線自動導航。

4 多功能果園遙控作業平臺的特點以及優勢

（1）依據作業平臺的工作環境及其最大作業速度、最大爬坡角度、續駛里程等主要技術參數，對電池、驅動電機、電機控制器等進行選型計算，有以下幾方面優勢：一是電動車依托電機驅動，不需要中冷系統散熱，因而不需要大面積進氣格柵為冷卻液散熱，二是電動車依托電機驅動袁底盤上不需要安裝排氣筒和油箱，節省出大面積的底盤空間，遙節省出的部分空間被電池組占據，其他空間可提高作業平臺的通過性，三是與柴油車相比，電動車的高效區間更加寬泛，無需增設變速箱，有較好的操控性能。

（2）可調平式作業平臺能準確無誤完成調平功能，克服了地面起伏不平導致影響角度傳感器對信號的采集的問題；同時解決了升降速度過快導致工作臺出現慣性擺動的問題。

（3）機電液一體化：運用液壓和電液比例技術，果園作業平臺能夠實現無極變速，通過改變傳動比，使平臺的傳動系數與發動機工況達到最佳匹配，從而提高工作效率。

（4）融入導航與遙控技術：通過在果園作業平臺中加入導航技術，果園作業平臺可自動感知外部環境進而對行進路線自動導航遙通過加入遙控技術，操作人員可遠距離控制平臺前進、后退、轉向和平臺、升降等。