丘陵山地無人車振動特性試驗研究*

王元杰，潘冠廷，楊福增

(1.中國農業科學院農業信息研究所，北京市，100081；2.西北農林科技大學機械與電子工程學院，陜西楊凌，712100)

0 引言

為解決農村勞動力短缺問題，應用于大田、山地、果園、溫室等場景的以無人車為代表的智能農機裝備[1]及其配套智能裝備[2-3]成為智慧農業領域研究熱點。無人車要實現自主行走、信息采集等功能，必須依賴功能多樣的傳感器，如激光雷達、攝像頭、溫濕度傳感器等，目前關于傳感器在農機裝備中應用研究已較為常見[4]。在實際試驗中發現，采用柴油機作為發動機的農機裝備，由于發動機機體振動較大，會導致傳感器采集精度降低，誤差增大，嚴重影響試驗數據的可靠性、結果的準確性以及傳感器使用壽命[5]。

近年來，已經有部分學者針對農機裝備振動特性開展了部分研究。如劉偉等[6]建立了輪式拖拉機/農具系統的振動模型并分析了犁耕作業工況下的振動特性。王麗娟等研究了不同驅動方式對拖拉機振動特性的影響，發現拖拉機在四驅時各部位振動水平隨車速升高而上升的幅度有所減小，車速越高、牽引負荷越大時，四驅方式對拖拉機附帶農機具作業時振動水平的降低作用越顯著；胡陳君[7]建立了“電動微耕機—土壤”系統的仿真模型，通過設置模型參數與仿真參數，對系統的振動特性進行了仿真；承鑒[8]從理論和試驗兩方面研究了帶電液懸掛作業機組的拖拉機運輸工況下的振動特性及主動減振控制方法；袁加奇等[9]以常發CF700型拖拉機為研究對象，設計和建立了拖拉機整車振動加速度測試系統；薛金林等[10]通過仿真和試驗相結合，研究了輪胎胎壓和行駛速度對駕駛員橫向乘坐振動特性的影響。戚得眾等[11]基于ADAMS模型仿真對丘陵山地智能運輸小車的減振系統進行優化設計。這些研究大多為理論或者仿真試驗研究，研究結果的可靠性尚需通過實際試驗進行驗證。

無人車為近年來新興起的智能農業裝備，能夠顯著降低勞動強度，可廣泛應用于作物表型獲取[12]、開溝犁耕[13]、產后運輸[14]等環節，在農業中正處于研發和初級應用階段，因此對其振動特性的分析非常重要。類比于有人車，無人車的主要振動源有低頻振動和高頻振動兩種。本研究以農業農村部北方農業裝備科學觀測實驗站研制的丘陵山地無人車為研究對象，通過單項測試和綜合測試兩項振動試驗，分析無人車的振動特性，并提出了減振綜合措施，為無人車等智能裝備的研發提供理論參考依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本研究采用的主要儀器包括：(1)INV3060s振動采集儀，使用以太網接口，采樣頻率可設置到51.2 kHz，擁有24位高精度、高動態范圍、支持多種輸入方式等技術優勢。(2)INV1861A便攜式8通道應變調理儀，頻率響應：DC-10 kHz(-3±1dB,12dB/oct)。(3)INV9832-50型三向加速度傳感器，內置IEPE前置放大，靈敏度100 mV/g。

試驗地點：西北農林科技大學機械與電子工程學院拖拉機實驗室、力學實驗室。

本研究的試驗對象為由農業農村部北方農業裝備科學觀測試驗站自主研發的丘陵山地無人車，車體整機結構如圖1所示。振動測試試驗系統連接如圖2所示。

圖1 無人車整機裝配三維圖Fig.1 Entire dimensional assembly drawing of the unmanned hilly and mountainous vehicle

圖2 振動測試試驗系統組成Fig.2 Composition of vibration test system

1.2 試驗方法

為摸清無人車不同位置振動情況，了解并評價整體振動水平及分布狀況，尋找最佳安裝傳感器位置，在無人車車身布置加速度傳感器，采集振動試驗數據。

1.2.1 測點布置原則

考慮到后續無人車相關傳感器安裝需求，綜合考慮無人車車身可選位置，選取發動機正上部等11個位置作為測點。測點的選擇原則如下：(1)全面覆蓋車身，包含車體外殼、履帶、底盤、發動機正上方等11個點；(2)重點布置傳感器可能安裝的位置，比如車頭車架上可以安裝視覺傳感器，又進一步細化為車架左、中、右及后面幾個點；(3)傳感器安裝便利和可行性。最終11個測點布置如圖3所示。具體分布位置為：測點1位于發動機正上部，測點2位于機蓋右后部，測點3位于車架左前部，測點4位于車架左后部，測點5位于車架右后部，測點6位于車架右前部內側，測點7位于車架右前部外側，測點8位于車架后部中間，測點9位于車架左側中部，測點10位于機蓋中部靠右側，測點11位于車架右前部靠后部。

(a)無人車測點位置

1.2.2 試驗方案

根據無人車常見工況，采用全面試驗法，設計了6組測試試驗，布置加速度傳感器，采集振動數據，選擇最優布置方案。并考察測點位置、油門大小、路面不平度等因素對無人車振動特性的影響，具體試驗方案如表1所示。

表1 試驗方案Tab.1 Test plan

2 結果與分析

通過試驗獲得了丘陵山地無人車在各工況下實測的加速度，得到各測點的加速度最大值、加速度最小值、加速度平均值、加速度平均幅值、加速度方根幅值、加速度有效值等結果，如表2～表6所示。

2.1 單項測試結果

通過單項測試試驗，逐個分析各個測點振動表現，利用排除法，選出無人車振動最小位置。

1)工況1：從表2可以看出，測點2、測點3、測點4和測點5的加速度最大值均小于100 m/s2，加速度最小值均大于-100 m/s2，而測點1的加速度最大值達452.2 m/s2，加速度最小值達-454.3 m/s2，遠遠大于其他幾個測點。比較加速度平均幅值，測點1的加速度平均幅值為49.83 m/s2，遠大于測點2、測點3、測點4和測點5，根據這兩個指標，可以判斷測點1振動過大，不適合作為傳感器安裝點。

表2 丘陵山地無人車工況1振動摸底試驗時域統計結果Tab.2 Time domain statistical results of unmanned hilly and mountainous vehicle vibration diagnostic test under working condition 1

在測點2、測點3、測點4、測點5這4個測點中，測點2的加速度有效值高達122 m/s2，這表明測點2位置的振動強度較大，這也不利于傳感器的穩定性。因此可以判斷，測點2不適合作為傳感器安裝位置。

2)工況2：從表3可以看出，選擇加速度最大值、加速度最小值作為判斷指標時，測點2、測點3、測點4的加速度最大值均小于100 m/s2，加速度最小值均大于-100 m/s2，而測點1的加速度最大值超過500 m/s2，加速度最小值小于-300 m/s2，測點4的加速度最大值大于200 m/s2，加速度最小值小于-200 m/s2，遠遠大于測點2、測點3、測點4。結合加速度平均幅值比較，可以判斷這5個測點加速度平均幅值關系為測點1>測點5>測點2>測點3>測點4。因此，測點1和測點5由于振動起伏太大，不適合作為傳感器安裝點。

表3 丘陵山地無人車工況2振動摸底試驗時域統計結果Tab.3 Time domain statistical results of unmanned hilly and mountainous vehicle vibration diagnostic test under working condition 2

在測點2、測點3、測點4這3個測點中，測點2的加速度有效值高達128 m/s2，這表明測點2對應測點位置的振動起伏較大，這也不利于傳感器的穩定性。因此可以判斷，對應測點2也不適合作為傳感器安裝位置。

測點7加速度平均幅值17.26 m/s2、加速度方根幅值13.03 m/s2和加速度有效值28.77 m/s2均遠遠大于該組其他測點試驗結果，因此測點7不作為候選。其次比較測點6，雖然測點6加速度平均幅值表現比較好(5.613 m/s2)，但是加速度有效值也較大(8.988 m/s2)，即振動強度較大，因此測點6不作為候選；測點3、測點8和測點9各組數據表現相差不大，綜合比較下來，測點3各組數據表現比較均衡，因此，作為第1排名候選位置；測點9綜合表現(加速度平均幅值、加速有效值)好于測點8，因此選擇測點9作為候選排名第2位。

3)工況3：從表4結果來看，測點4加速度最大值、加速度最小值均大于前兩組測值，但是測點3振幅卻保持穩定。測點1、測點2、測點5通過前兩組試驗已經排除，因此不再分析。

表4 丘陵山地無人車工況3振動摸底試驗時域統計結果Tab.4 Time domain statistical results of unmanned hilly and mountainous vehicle vibration diagnostic test under working condition 3

測點4的加速度平均幅值僅為5.408 m/s2，微大于測點3的5.092 m/s2，這表明測點4的平均起伏情況同測點3表現相當。同樣，測點4的加速度有效值7.644 m/s2也僅大于測點3的6.864 m/s2，表明測點4的穩定性也較好。因此可以將測點4作為傳感器安裝位置候選排名第2位，而測點3作為候選排名第1位。

4)工況4：從表5可以看出，綜合比較測點3、測點8、測點10和測點11，四個測點加速度最大值、加速度最小值集中在-100～100 m/s2之間，測點8的加速度有效值在4個測點中最大，不適合作為傳感器安裝位置。測點11加速度平均幅值和加速度有效值均大于測點10和測點3，因此測點11不作為傳感器安裝位置候選。在該組試驗中，測點10加速度平均幅值4.642 m/s2，加速度有效值6.273 m/s2，這2個指標均優于測點3，因此將測點10作為候選排名第1位，測點3作為候選排名第2位，結合其他工況試驗結果，測點4為第3位，測點9為第4位。

表5 丘陵山地無人車工況4振動摸底試驗時域統計結果Tab.5 Time domain Statistical results of unmanned hilly and mountainous vehicle vibration diagnostic test under working condition 4

5)工況5：通過本組試驗考察測點的振動穩定性。從表6可以看出，測點10在本組試驗中，隨著發動機油門加大，加速度最大值高達238 m/s2，而加速度最小值低達-222 m/s2，這說明測點10的穩定性較差，不適合作為傳感器安裝位置。

表6 丘陵山地無人車工況5振動摸底試驗時域統計結果Tab.6 Time domain statistical results of unmanned hilly and mountainous vehicle vibration diagnostic test under working condition 5

6)無人車正常發動，不行走，油門最大，測點位置同第1組。該組結果是為試驗油門大小對丘陵山地無人車振動影響所進行，結果在2.2.1節分析。

通過上述結果分析，可以得出，選擇的11個測點中，測點1、測點2、測點5、測點6、測點7、測點8、測點10均因為試驗結果不穩定被排除；而剩余的測點3、測點4、測點9這3個測點中，加速度平均幅值、加速度有效值均比較小，因此作為傳感器安裝候選點。而測點3在不同工況下各測試指標比較穩定，作為最適合安裝傳感器位置，測點4和測點9可根據傳感器功能要求進行安裝選擇。

2.2 綜合結果分析

2.2.1 油門大小對丘陵山地無人車振動的影響

選擇測點8作為振動結果評估點，考察工況2、工況4和工況6這3種工況下，對無人車振動性能的影響。分析表7，工況2條件下，無人車加速度最大值為57.33 m/s2，加速度最小值為-55.36 m/s2；工況4條件下，加速度最大值為104.1 m/s2，比工況2增大了81.58%，加速度最小值為-83.19 m/s2，比工況2減小了50.27%；工況6條件下，加速度最大值為92.1 m/s2，比工況2增大了60.65%，加速度最小值為-118.7 m/s2，比工況2減小了114.4%。油門大小對無人車振動最大值最小值有顯著影響。

表7 發動機油門大小對丘陵山地無人車振動的影響Tab.7 Effects of the size of gas on unmanned hilly and mountainous vehicle vibration

工況2條件下，無人車加速度平均幅值為4.57 m/s2，在工況4條件下，加速度平均幅值為17.98 m/s2，比工況2增大了297.1%；在工況6條件下，加速度平均幅值為19.14 m/s2，比工況2增大了322.8%。油門大小對無人車加速度平均幅值有顯著影響。

工況4條件下，加速度有效值為20.49 m/s2，比工況2條件下增大了160.72%；工況6條件下，加速度有效值為23.71 m/s2，比工況2條件下增大了201.69%。油門大小對無人車加速度有效值有顯著影響。

通過以上分析可知，油門大小對丘陵山地無人車振動有顯著影響。

2.2.2 路面不平度對丘陵山地無人車振動的影響

1)實測分析。分別選擇測點1和測點5作為觀測點。工況為工況2和工況3。路面為水泥路面。

分析表8中測點1結果，工況3相對工況2，加速度最大值變化率為-1.78%，加速度最小值變化率為-9.15%。可以看出，路面不平度對測點1加速度最大值和加速度最小值影響可以忽略。測點1加速度平均幅值變化率為-24.5%，加速度方根幅值變化率為-23.4%，加速度有效值變化率為-24.87%，且工況3相對工況2，數值反而小幅度降低。其原因主要是由于本丘陵山地無人車振動主要是由于柴油發動機引起，路面不平度僅占很小比重，其變化率也可以認為誤差較大引起。

表8 路面對丘陵山地無人車振動的影響Tab.8 Effects of road on the vibration of unmanned hilly and mountainous vehicle

分析測點5結果可知工況3相對于工況2的加速度最大值變化率為131.1%，加速度最小值變化率為103%。路面對測點5加速度最大值和加速度最小值影響顯著。測點1加速度平均幅值變化率為-14.45%，加速度方根幅值變化率為-13.97%，加速度有效值變化率為-15.12%。其原因和測點1相同。

2)模擬分析。因發動機在發動狀態高頻振動過大，導致路面不平度對于無人車振動影響不顯著。而根據常識判斷可知，無人車在不同路面行駛時，振動必定會有差異。因此本研究采用RecurDyn軟件對無人車車體進行建模，分析不同路面對于無人車振動影響。建模時，對發動機進行了簡化處理，因此在仿真環境下無人車行走時，發動機并未產生振動，無人車車體的振動全部為路面不平度和隨機激勵引起的低頻振動。

無人車建模及道路建模如文獻[15]所述。仿真時間為20 s，仿真步長100。選擇無人車底盤加速度時域分布曲線，作為考察無人車振動性能指標。選擇水泥路面、砂壤土、粘土和干砂土四種路面，無人車以一檔速度在四種路面上行駛。考察路面不平度對無人車振動性能的影響。選擇底盤垂向加速度為考察指標，其變化規律如圖4所示。

圖4 路面狀況對無人車底盤加速度影響時域分布圖Fig.4 Influence of roads on unmanned hilly and mountainous vehicle chassis acceleration time domain distribution

從圖4可以看出，在四種路面上，路面狀況對無人車底盤加速度影響各不相同。從總體規律來看，在第3 s，無人車進入穩定行駛后，在四種路面上，底盤加速度均呈現平穩狀況，無明顯起伏波動(因底盤加速度3 s 后趨于穩定，因此圖4僅展示前6 s仿真結果)。表9是無人車在四種路面上行駛，底盤加速度輸出值及參數計算值。

表9 底盤加速度輸出值及參數計算值Tab.9 Chassis acceleration output parameter values and calculated values

從表9可以看出，無人車進入平穩行駛后，一檔速度下，在水泥路面上，無人車底盤加速度最小，為1 105.73 mm/s2，而在其他三種路面上，底盤加速度分別為2 003.95 mm/s2，1 967.23 mm/s2和1 132.03 mm/s2，相對于在水泥路面上，分別增加了81.23%，77.91%和1.31%。無人車以一檔速度行駛時，在水泥路面和干砂土路面上底盤振動最小，這是因為這兩種路面的不平度相對較小。而在砂壤土和粘土路況下，由于這兩種土壤性質決定路面不平度較大，從而導致了無人車振動相對較大。

無人車在四種路況下，底盤加速度平均值為1 552.24 mm/s2，標準偏差高達500.74，表明無人車在四種路況下，底盤加速度有較大的離散程度，也就意味著樣本穩定程度較低，說明無人車底盤振動受路況影響較大。

比較四種路面下，無人車底盤加速度值的變異系數為32.26%，一般而言，變異系數在20%以下，樣本有統計意義，這表明，無人車由于在四種路況下，底盤加速度值變化較大，導致失去了統計意義，同樣表明路況對無人車底盤加速度影響較大。

3 討論

3.1 主要振源分析

丘陵山地無人車的主要振源分為高頻振動、低頻振動和隨機振動[16]。高頻振動振源主要來源于柴油發動機。發動機往復運動所形成的一次、二次諧波振動是高頻振動的主要部分。高頻周期性振動對零部件的壽命有影響，并產生噪聲。低頻振源主要來源于地面不平度和隨機激振。地面不平度是引起丘陵山地無人車低頻隨機振動(0～20 Hz)的主要振動源，是影響丘陵山地無人車行駛平順性和零部件壽命的主要因素。

此外丘陵山地無人車在作業時，由于不同地段的土壤物理機械性質不一致，受耕作速度、農機具作業機構與土壤間的相互作用，以及降雨量等原因的影響，振動特性均在某一范圍內波動。加上由于土路、茬地、鄉村道路等均無恒定的特性，所有這些因素構成作業阻力在時間歷程上產生微小起伏波動，這種波動就形成了無人車完全隨機性質的激勵。

3.2 減振措施

綜合考慮丘陵山地無人車工況、車體設計等因素，結合本研究試驗結果和他人綜合成果[17-19]，提出以下減振措施：(1)發動機引起的高頻振動是本無人車振動的最主要來源，因此最有效的減振措施為減小發動機引起的高頻振動。主要減振措施包括：在發動機底部加裝彈簧板，減小發動機引起的車架振動；選用振動較小的發動機，在條件成熟的時候更換無人車柴油發動機動力為電池動力，是最有效的減振措施。(2)地面不平度是引起低頻振動主要來源，在水泥路面和干砂土路面下，無人車振動較小；在砂壤土和粘土路況下，丘陵山地無人車振動相對較大。本車應用范圍為廣大丘陵山地地區，路況多樣復雜，通過限定行駛路面來減小振動不可行，但部分傳感器功能可在振動較小路面開啟；增加通過阻尼的方式來減小相關振動，具體措施為更換本車采用的剛性履帶為橡膠履帶，減振效果需通過后續試驗測出。(3)減少車輛行駛時的隨機激勵，比如選擇障礙物較少行駛路線等。

4 結論

本研究通過設計振動試驗，對丘陵山地無人車振動特性進行了綜合測試分析，取得的主要結論如下。

1)以農業農村部北方農業裝備科學觀測實驗站研制的丘陵山地無人車為研究對象，通過進行單項測試和綜合測試兩項振動試驗，分析了無人車的整車振動特性，并提出了減振綜合措施，為無人車等智能裝備的研發提供理論層面參考依據。

2)在測點選擇的單項測試中，測點3即車架左前部由于各項指標表現良好，在無人車正常行走，油門1/2位置，掛1檔工況下，測點3的加速度最大值為47.4 m/s2，加速度最小值為-50.36 m/s2，加速度平均幅值僅為5.092 m/s2，加速度有效值僅為6.864 m/s2，說明測點3振動表現更為穩定；測點3(車架左前部)是無人車整車最合適安裝傳感器位置。

3)在綜合結果分析中，無人車發動機油門對加速度最大值、加速度最小值、加速度平均幅值、加速度方根幅值、加速度有效值均有顯著影響。三種工況同一測點時，油門1/2和油門3/4相比較初始油門，加速度平均幅值增大297.1%和322.8%，即油門大小對丘陵山地無人車振動有顯著影響。而通過仿真試驗結果分析發現，路面不平度對于無人車振動也有顯著影響。在水泥路面工況下，無人車底盤加速度最小，為1 105.73 mm/s2，而在其他三種路況下，底盤加速度分別增加了81.23%，77.91%和1.31%。可以看出無人車以一檔速度行駛時，在水泥路面和干砂土路面下，底盤振動最小。