履帶式除草機器人高地隙移動平臺機構優化設計

李江龍，盧智琴，鮑義東，楊 帆，李云婷

（貴州航天智慧農業有限公司，貴州 貴陽 550000）

作物生長雜草在田間與作物競爭養分、水和光照等資源，是影響作物產量的重要原因之一[1]。已有的除草方式包括人工除草、化學除草、物理除草、機械化除草和生物除草等[2]，最主要除草方式仍是化學除草。2016年，上海市崇明區農業技術推廣中心調查了50個家庭農場，發現了從業人員年齡大、技術來源少、除草方式多樣、農藥使用過多等問題[3]。《紐約時報》曾報道使用除草劑過度會導致雜草抗藥性增強[4]，部分除草劑如如二氯喹啉酸等因難以降解而對作物產生不良影響[5]。大力發展除草機器人是解決田間除草環節人力和環保問題的關鍵，利用機器視覺識別作物和雜草，有針對性地噴灑化學除草劑以減少用藥量。本文旨在闡述除草機器人的產生、現狀及趨勢，重點分析除草機器人的結構與技術，使人們對除草機器人有一定認識。研究除草機器人的目的是減少人力和降低化學除草劑量，這對緩解勞動力短缺和保護生態環境具有重要意義。聚焦田間雜草清除領域，不涉及觀賞草坪、園林等其他應用場景，但對其他除草應用領域也具有參考意義。

美國加州大學Lee 等[6]研究了一款基于機器視覺的除草機器人，作物和雜草的位置可以得到檢測，且化學除草劑可以精準噴灑。Astrand 等[7]研究了一種行內除草機器人，采用灰度和彩色視覺：灰度視覺在12 株雜草/作物密度下可識別出作物行，誤差在±2 cm；作物和雜草可通過彩色視覺辨別。丹麥農業科學研究所Bak 等[8]研究了一款繪制雜草地圖的機器人，配備攝像機用于行導航和雜草檢測，采用四輪轉向和分布式多處理器控制系統，具有較好的野外操縱性。Perez-Ruiz 等[9]在加州大學戴維斯分校農場針對番茄移栽研究了一種除草機器人，除草刀具開合的控制可通過精確測速技術并結合實時測向數據實現。南京林業大學陳勇團隊[10]研究了一種玉米苗期除草機器人，包括四輪車身、切割抹藥裝置等結構，采用切割外加涂抹化學除草劑的方式，可行間和株間同時除草。中國農業大學李偉團隊[11]研制了一種以拖拉機為動力的鋤草機器人，設計了月牙形鋤草刀具，通過機器視覺，當識別到作物時，可自動旋轉刀具避開作物。華南理工大學張勤團隊[12]研究了水田除草機器人，我國南方水田環境復雜，雜草、浮萍、藍藻等的顏色與水稻秧苗十分相近，易混淆。

除草機器人已有很大的發展，也有一些產品問世，但從統計數據看，目前用于田間的除草機器人數量并不多，距普及還有很長時間。在國內，田間除草機器人當前停留在試驗階段，除草機器人的研究有重要的現實意義。但目前來看，采用拖拉機或重型自走式底盤懸掛打頂機的方案，還存在通過性差、機動性差、普適性差、自重過大幾個問題。

2 機構設計的整體方案

為滿足作物田間管理作業需求，需要移動平臺有較好的普適性、通過性、機動性與穩定性以應對復雜惡劣的農田環境；能夠搭載多個、多種作業裝置，實現高效作業、一機多用；滿足不同種植行距、不同生長高度植株的作業需求，同時盡可能地保護作業生態；具有良好的行進、調速、轉向性能，機動靈活。針對這些需求，設計了一種除草機器人高地隙移動平臺。移動平臺包括車架、傳動機構、履帶機構、動力與控制系統，其整體結構軸測圖見圖1。

圖1 移動平臺整體結構圖Fig.1 The overall structure of mobile platform

2.1 平臺技術參數

綜合考慮種植環境及除草機器人工作環境，要求除草機器人具有高地隙底盤結構，可以保證留有足夠空間將作物穿過機械平臺，在除草過程中不會受到“二次傷害”。考慮到除草效率以及作物種植特點，對平臺外形尺寸及履帶進行設計，以保證履帶在地壟間隙運動時避免壓苗情況出現。履帶式除草機器人高地隙移動平臺主要技術參數見表1。

表1 庫爾勒香梨產量統計Tab.1 The yield of Korla fragrant pear

2.2 除草機器人平臺關鍵部件的設計

2.2.1 車架設計

車架整體為龍門架式構型，材質為普通碳鋼。整機質量不到95 kg，相比傳統重型農業裝備而言質量輕巧。型材表面陽極氧化，耐潮、耐腐蝕，能很好地適用于農田野外環境。根據有關測量數據，種植情況如表2。移動平臺結構尺寸充分考慮了農作物農藝要求，履帶間隔距離為660 mm；移動平臺底部至地面的間隙710 mm，整體通過性良好，滿足不同種植行距、不同生長高度棉花管理作業需求。

表2 作物種植情況Tab.2 The crop planting

2.2.2 傳動機構

傳動機構主要由動力軸、傳動鏈、鏈輪、減速器和動力輸出系統組成。發動機至減速器采用鏈式傳動，采用齒輪減速器，采用鏈傳動作動力輸出系統。該傳動方式結構簡單、工作平穩、價格低廉、傳動效率高。選用了履帶運輸車專用減速器，傳動比合適，具有傳動平穩準確，可靠性高的優點。鏈傳動動力輸出系統功率適當，發熱量適中，傳動平穩、價格適中。傳動方案確定后進行傳動比分配。一級傳動為鏈傳動，傳動比不宜過大，設定為1∶2。履帶式移動平臺行駛速度為0.4～0.6 km/h，動力經鏈條傳遞至減速器，根據此要求進行計算，以滿足要求。

2.2.3 履帶機構

由于田地凹凸不平，普通輪式車輛的重心較高，不適宜在田地間行駛，在泥濘路上容易打滑，破壞土壤；農業橡膠履帶車具有質心低、接地比壓小、爬坡能力強、通過能力強、使用壽命長、價格低廉等優點，適合在不平整的土地上行駛。因此，選擇履帶式行走系統。履帶行走裝置采用“四輪一帶”結構，主要組成為驅動輪、張緊輪、支重輪、誘導輪、履帶和車架等。行駛過程中，驅動輪通過輪齒和履帶的嚙合將履帶卷起。當前進的驅動力大于行走阻力時，車輛向前行駛。戰車型的履帶有較大的前進角和離去角，越障性能好，適用于路面條件惡劣的環境，故選擇戰車型履帶。由于田地的道路條件較差，履帶行走系統的前傾角和后傾角應盡量取較大的值，該機的前傾角和后傾角分別為42.4°和41.5°。驅動輪可以前置，也可以后置。后輪驅動的傳動效率高，采用驅動輪后置的方式，優點是履帶受力大的區段短，延長了履帶的使用壽命，履帶不容易拱起來。但是操縱機構和傳動機構需要占用空間。當驅動輪采用前輪驅動的時候，發動機對稱布置在兩側車廂內，調節前后狀態見圖2。

圖2 履帶行走機構簡圖Fig.2 The diagram of crawler traveling mechanism

3 穩定性分析

高地隙移動平臺重心較高，為確保移動平臺在有坡度的地面行駛或作業時不至于傾覆，需要分析移動平臺的穩定性。在移動平臺緩慢行駛或靜止的情況下，忽略平臺空氣阻力、輪胎彈性變形等因素進行分析。

3.1 縱向穩定性分析

移動平臺上坡或下坡時，可能會發生縱向傾覆。以移動平臺上坡的情況進行力學分析，受力分析圖，見圖3。

圖3 移動平臺縱向穩定性分析Fig.3 The longitudinal stability analysis of mobile platform

建立其平衡方程如下：

式中：FN1——前輪所受支撐力，N；FN2——后輪所受支撐力，N；G——移動平臺所受重力，N；α1——上坡狀態縱向傾覆角，°；Ff1——前輪所受摩擦力，N；Ff2——后輪所受摩擦力，N；h——重心至地面垂直距離，mm；L1——重心至前輪水平距離，mm；L2——重心至后輪水平距離，mm。

移動平臺前輪支撐力為零，即N時，移動平臺縱向傾覆，此時：

同理，移動平臺下坡時縱向傾覆角為：

式中：α2——下坡狀態縱向傾覆角，°。

利用Solidworks 軟件對移動平臺進行質量屬性分析，得重心高度h=464.39 mm，重心與前輪、后輪水平距離分別為L1=389.22 mm、L2=550.78 mm。將所得參數代入式（3）、（4）中，得移動平臺上下坡縱向傾覆角分別為α1=49.86°、α2=39.97°。

3.2 橫向穩定性分析

當移動平臺左右車身不在同一水平面上時，可能會發生橫向傾覆。此時移動平臺受力情況，見圖4。

圖4 移動平臺橫向穩定性分析Fig.4 The lateral stability analysis of mobile platform

當高側輪所受支撐力為零時移動平臺橫向傾覆，此時：

式中：L3——重心至單側輪胎水平距離，mm；β——橫向傾覆角，°。

移動平臺左右結構基本對稱，那么重心至單側輪胎水平距離即一半輪距，故L3=405mm。將所得參數代入式（6）中，可得其橫向傾覆角為β=41.09°。

由公式（3）、（4）、（6）可以看出，移動平臺穩定性與重心高度、左右兩側輪胎輪距、前后兩端輪胎軸距有關。輪距、軸距越大、平臺重心高度越低，穩定性就越好，抗傾覆能力就越強。

4 運動學仿真分析

在以理論分析的方法計算得出移動平臺傾覆角后，利用Solidworks Motion進行運動學仿真做進一步驗證。

4.1 仿真過程

通過翻轉試驗來獲得傾覆角參數，試驗平臺與試驗過程見圖5。對移動平臺三維模型進行極端處理，即調整其為地隙最高、輪距最窄狀態，從穩定性分析的理論計算中可得出此時移動平臺的穩定性最差。在移動平臺上施加汽油機等負載，分別進行上下坡與橫向行駛的傾覆仿真。

圖5 仿真試驗示意圖Fig.5 The schematic diagram of simulation experiment

仿真時先添加重力場，設置重力方向與重力加速度數值。設置移動平臺輪胎與平板為實體接觸，二者材料分別為Rubber（Dry）、Steel（Dry）。修改靜態摩擦系數為1，取較大靜摩擦系數以防止仿真過程中輪胎發生滑移。其余參數如剛度、力指數、阻尼、穿透度等采用系統默認值。設置旋轉馬達驅動平板轉動，運動形式為等速，旋轉速度為1RPM。

4.2 仿真結果

通過仿真分析，得到移動平臺在縱向上坡、縱向下坡、橫向行駛3 種狀態下，傾覆一側輪胎接觸力峰值曲線見圖6。傾覆一側輪胎接觸力穩定為零值后，意味著移動平臺發生側翻。結合旋轉馬達轉速，可以計算得出此時平板對應角位移，即移動平臺傾覆角。

圖6 傾覆一側輪胎接觸力曲線圖Fig.6 The contact force curve of tire on overturned side

從仿真圖解可以看出，3 種情況下移動平臺傾覆一側輪胎接觸力分別在7.27 s、6.85 s、7.05 s 后穩定為零值，即發生傾覆。計算得出傾覆角參數見表3。

表3 運動仿真結果Tab.3 The dynamic simulation results

仿真結果與理論計算得出的傾覆角數值基本一致，說明結果可靠。取理論計算與運動仿真2種分析方法中傾覆角數值較小的為最終解，確定移動平臺地隙最高輪距最窄時縱向上坡傾覆角、縱向下坡傾覆角、橫向側翻傾角分別為43.62°、43.02°、42.3°。移動平臺上下坡與橫向行駛傾覆角均大于預設的最大爬坡角，說明移動平臺穩定性滿足使用需求。

5 靜力學仿真分析

移動平臺車身是除草機器人的主要承載部件，必須有足夠的強度才能在面對復雜的農田環境時，不產生變形、失效甚至斷裂的情況。所以基于SolidWorks Simulation 對移動平臺車身進行了靜力學分析，確保車體可以承受足夠大的載荷而不發生失效。

5.1 靜應力仿真

為降低仿真分析的計算難度，對車架進行簡化，見圖7。去除車架上所有非承載部件以及部分輔助支撐部件，如車架上用以安裝減震彈簧或連稈的支座，以及車架中部橫稈與外伸前懸下方用以輔助支撐的L鋼。

圖7 簡化后的車架Fig.7 The simplified frame

依次對仿真的材料屬性、固定約束、外部載荷與網格參數等進行設置。將各零部件的材料定義為304 不銹鋼，對應德標牌號為X5CrNi18-10，DIN碼為1.4301，材料屬性見表4。

表4 材料屬性參數Tab.4 The material property parameters

為完成靜應力分析，首先需要對模型進行約束，固定約束車架4 個底腳。假定車架上方的承載質量為150 kg，因此對車架上方平面施加1 500 N 的均布外部載荷。在車架兩側還掛接有兩個質量為27.72 kg 的側箱，故在車架側邊對應的橫稈上施加280 N的外部載荷。

為了取得較為精確的結果，采用軟件設定的最大密度劃分網格，具體設置參數見表5。結果見圖8。

表5 網格劃分參數Tab.5 The meshing parameters

圖8 網格化后的車架Fig.8 The gridded frame

仿真結果圖解見圖9。由圖解知，應力應變主要集中在上方橫稈中部、外伸前懸與車架后端。實際上，車架上方橫稈中部、外伸前懸有L鋼輔助支撐，車架后端上有連接有減震彈簧。那么車架的實際強度會比仿真結果更好。仿真結果見表6。

表6 靜力學仿真結果Tab.6 The static simulation results

圖9 車架靜力學仿真Fig.9 The static simulation of frame

5.2 靜應力分析

移動平臺車架的強度需要滿足應力與應變不超過許用值，即滿足下列條件：

式中：σmax——車架上的最大應力，MPa；[σ]——材料的許用應力，MPa；σs——材料的屈服強度，MPa；ns——安全系數；εmax——材料的最大等量應變；[ε]——材料的許用應變，MPa。

考慮農田路況并不平整，移動平臺行駛時可能會受到較大的振動與沖擊，取安全系數為ns=5。而屈服極限σs=400 MPa，代入得許用應力[σ]=80 MPa。由仿真結果可知，最大應力σmax=2.236 MPa＜＜[σ]。假定一個極小值為材料的許用應變，取[ε]=0.005。由仿真結果知，最大應變εmax=7.712×10-6＜＜[ε]。

綜上所述，車架整體的力學性能良好，所受應力等參數遠小于許用值，其結構強度能滿足棉花打頂裝置的運載與作業需求。

6 結論

本文依托橫向課題“基于數據分析的雙目視覺識別除草機器人研發”，對履帶式除草機器人高地隙移動平臺進行結構設計與分析。結合農作物種植模式和農藝要求，確定了適合高稈作物田間管理作業需求的高地隙移動平臺總體方案。對傳動機構、履帶機構、車架結構進行了設計。分析了移動平臺行駛、轉向性能，確保整機機動性良好。以理論計算、運動仿真的方法分析了移動平臺的穩定性，2 種方法結果基本一致，得到移動平臺上下坡與橫向傾覆角分別為43.62°、43.02°、42.3°。在農田實際工況下對樣機進行了性能試驗，結果表明移動平臺行進速度范圍為0.4～6 km/h，遠程搖控距離大于450 m，可搭載150 kg 負載并穩定移動，能順利實現原地轉向，滿足棉花打頂裝置的運載與作業需求。