3WP-200型智能植保機(jī)器人縱橫向極限穩(wěn)定性分析

張義勝　侯心愛　章杰成　田凱　鞏彬　張希峰

摘要：為確保3WP-200型智能植保機(jī)器人的作業(yè)穩(wěn)定性，分析其行走系統(tǒng)的受力情況，計(jì)算其發(fā)生上下坡縱翻和坡上橫翻的臨界條件。分析結(jié)果表明：機(jī)器人滿載時(shí)，上坡時(shí)最大坡度<49.23°，下坡時(shí)最大坡度<60.11°;橫向行駛時(shí)，質(zhì)心偏心距值朝下和朝上的最大坡度分別為30.11°和35.75°。

關(guān)鍵詞：植保機(jī)器人;穩(wěn)定性;分析;縱橫向

中圖分類號(hào)：S491? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? 文章編號(hào)：1674-1161（2021）06-0028-02

針對丘陵山區(qū)地塊小、地勢不平、植保作業(yè)條件差等特點(diǎn)，研制3WP-200型智能植保機(jī)器人。該機(jī)型尺寸小，轉(zhuǎn)彎作業(yè)靈活，具有良好的地形適應(yīng)性和通過性，容易進(jìn)入丘陵山區(qū)狹小地塊作業(yè)。由于丘陵山區(qū)地形不平、坡度大，植保機(jī)器人經(jīng)常需要爬坡運(yùn)行，需要其縱橫向具有較高的穩(wěn)定性。為此，分析植保機(jī)器人行走系統(tǒng)的受力情況，計(jì)算其發(fā)生上下坡縱翻和坡上橫翻的臨界條件，探討提高3WP-200型植保機(jī)器人縱橫向穩(wěn)定性的措施。

1 機(jī)器人上下坡縱翻臨界條件

植保機(jī)器人的坡上行走穩(wěn)定性，基本上由其結(jié)構(gòu)參數(shù)決定。植保機(jī)器人上下坡行走時(shí)，容易發(fā)生縱向翻倒。以植保機(jī)器人等速上坡為例，分析植保機(jī)器人縱翻的臨界條件。植保機(jī)器人滿載等速上坡時(shí)的受力情況如圖1所示。

在圖1中，N1，N2為地面對前、后輪胎的垂直反作用力;G為機(jī)器人滿載重力;a和b分別為機(jī)器人滿載質(zhì)心到前后軸的距離，取870 mm和580 mm;h為機(jī)器人滿載質(zhì)心高度，500 mm;β為縱向坡角度;機(jī)器人軸距1 450 mm。

在圖1中，分別對機(jī)器人前、后輪胎接地點(diǎn)取力矩，則地面對前、后輪胎的切向反作用力分別F1和F2為：

隨著道路縱向坡度角的增大，F(xiàn)1值減小。當(dāng)F1=0時(shí)，植保機(jī)器人將失去轉(zhuǎn)向能力，可能發(fā)生繞后軸的縱向翻倒。由F1=0可得：bGcosβ-hGsinβ=0。

經(jīng)計(jì)算得到植保機(jī)器人等速上坡時(shí)發(fā)生縱翻的臨界條件：

式中，βmax上為植保機(jī)器人上坡時(shí)不翻車的最大坡度角;b為機(jī)器人滿載質(zhì)心到前后軸的距離，取580 mm;h為機(jī)器人滿載質(zhì)心高度，500 mm。

由式（1）計(jì)算得到：βmax上=49.23 °。

同理可得植保機(jī)器人等速下坡時(shí)發(fā)生縱翻的臨界條件，即下坡時(shí)不翻車的最大坡度角為60.11 °。

2 機(jī)器人坡上橫翻臨界條件

車輛橫向穩(wěn)定性控制歷來是研究人員關(guān)注的重點(diǎn)。植保機(jī)器人滿載等速坡上橫向行駛時(shí)，其受力情況如圖2所示。

圖2中：N1，N2為地面對左、右輪胎的垂直反作用力;F1，F(xiàn)2為地面對左、右輪胎的切向反作用力;G為機(jī)器人滿載重力;h為機(jī)器人滿載質(zhì)心高度，500 mm;β為縱向坡角度;B為機(jī)器人輪距，650 mm;e為機(jī)器人滿載質(zhì)心到寬度中心的偏心距，35 mm。

對機(jī)器人左右輪胎接地點(diǎn)取力矩，則得：

隨著道路坡度角的增大，F(xiàn)1值減小。當(dāng)F1=0時(shí)，植保機(jī)器人將失去轉(zhuǎn)向能力，可能發(fā)生繞左輪胎橫向翻倒。由F1=0可得：（0.5B-e）Gcosβ-hGsinβ=0。

機(jī)器人質(zhì)心偏心距e值朝下坡方向時(shí)，植保機(jī)器人等速坡上橫向行駛時(shí)發(fā)生橫翻的臨界條件：

βmax橫下=arctan30.11 °。30.11 °為植保機(jī)器人坡上橫向行駛時(shí)不翻車的最大坡度角。

當(dāng)機(jī)器人質(zhì)心偏心距e值朝上坡方向時(shí)，則βmax橫上=arctan=35.75 °。

3 結(jié)論

當(dāng)植保機(jī)器人滿載上下坡進(jìn)行農(nóng)藥噴灑作業(yè)時(shí)，下坡穩(wěn)定性大于上坡。上坡時(shí)最大坡度要低于49.23°，下坡時(shí)最大坡度要低于60.11 ° 。當(dāng)植保機(jī)器人滿載后者坡上橫向作業(yè)時(shí)，如果機(jī)器人質(zhì)心偏心距e值朝下坡方向，最大坡度要低于30.11 °;如果機(jī)器人質(zhì)心偏心距e值朝上坡方向，最大坡度要低于35.75 °。考慮到安全系數(shù)、駐車制動(dòng)等因素，實(shí)際最大坡度應(yīng)遠(yuǎn)低于上述計(jì)算值。

為提高植保機(jī)器人的穩(wěn)定性，在坡上進(jìn)行農(nóng)藥噴灑作業(yè)時(shí)，應(yīng)盡量避免滿載運(yùn)行，即減少藥箱的裝藥量，降低機(jī)器人質(zhì)心高度。作業(yè)時(shí)，適當(dāng)降低作業(yè)速度也有利于提高穩(wěn)定性。保機(jī)器人坡上橫向行駛農(nóng)藥噴灑作業(yè)時(shí)，可改變植保機(jī)器人行走方向，使機(jī)器人質(zhì)心偏心距e值朝上坡方向，有利于提高穩(wěn)定性。

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Analysis of the Vertical and Horizontal Ultimate Stability of the 3WP-200

Type Intelligent Plant Protection Robot

ZHANG Yisheng1， HOU Xin'ai1， ZHANG Jiecheng2， TIAN Kai2， GONG Bin1， ZHANG Xifeng1

（1. Zibo City Institute of Agricultural Mechanization， Zibo Shandong 255086， China; 2. Shandong Luhong Agricultural Science and Technology Co.， Ltd.， Qufu Shandong 273100， China）

Abstract： In order to ensure the operation stability of the 3WP-200 intelligent plant protection robot， this paper analyzed the force situation of its walking system， and calculated the critical conditions of its uphill and downhill vertical turning and upper slope crossing. The analysis showed that when the robot was fully loaded， the maximum slope was < 49.23 ° when it was uphill， and the maximum slope< 60.11 ° when it was downhill. When driving laterally， the maximum slope of centroid eccentricity value is 30.11 ° downward and 35.75 ° upward， respectively.

Key words： plant protection robot; stability; analysis; vertical and horizontal

收稿日期：2021-07-08

基金項(xiàng)目：2019年山東省農(nóng)業(yè)重大應(yīng)用技術(shù)創(chuàng)新項(xiàng)目（SD2019NJ005）

作者簡介：張義勝（1962—），男，正高級(jí)工程師，從事糧食種植及收獲機(jī)械方面的研究。