一種電驅式油茶果采摘底盤*

張立勇 ， 王 欣 ， 戴忠順 ， 夏 添 ， 王文軍 ， 龔五堂

（荊州職業技術學院，湖北 荊州 434020）

0 引言

油茶種植產區主要分布在我國湖南、湖北、廣西等地，油茶因營養價值高，有“東方橄欖油”的稱號[1]。近年來，我國油茶產業發展迅速，全國共有400多萬hm2高產油茶林[2-4]。雖然農業機械化已廣泛應用于農業生產過程中，但是油茶采摘環節的機械化仍相對滯后。目前，油茶果以人工采摘為主，由于采摘勞動強度大、農村勞動力短缺等因素[5-8]，油茶果種植成本上升。因此，加大油茶果機械化采摘裝備的研發力度十分迫切，且該裝備對油茶產業的大力發展有著顯著的推進作用。由于油茶樹大多種植在緩坡地帶，沒有一種較好的行走機械，目前履帶式運輸機操作方便，具有適應性好、橡膠履帶附著力強等特點，可在多石地、濕軟的地面上行駛，并有較好的越障能力，但其生產和運行維護成本較高，需預先鋪設道路系統，且運輸速度較慢[9-10]。相較于汽油機底盤，電驅式底盤在農業中的應用還比較少，故本文設計了一款用于采摘油茶果的電驅式行走底盤。

調查研究發現，規模化種植的油茶樹的高度為2 m～3 m，直徑約為2 m，油茶果主要分布在冠層0.3 m處，油茶樹的株距約為3 m。油茶樹種植園藝參數如圖1所示。

圖1 油茶樹種植園藝參數及分布

1 機械結構

結合油茶樹規模化種植特性和園藝分布特點，為了便于底盤靈活地在油茶林行走和采摘，該底盤裝置整體尺寸和運動性能參數如表1所示。

表1 采摘底盤參數

該裝置主要由底盤框架、電氣系統、驅動系統組成。底盤框架承受裝置的總重量和地面的反力，緩和不平路面對車身造成的沖擊，減少裝置行駛中的振動，保持行駛的平順性；電氣系統主要控制裝置的驅動系統，接受驅動信號和指令，并對采集數據進行處理；驅動系統主要控制裝置的四個輪胎，實現前進、后退、轉向等功能。

底盤框架為承載式橫梁結構車身，主要由立柱、側圍板、上支板、下支板組成，如圖2所示。上部平臺可以搭載油茶果采摘機構，內部下支板主要放置電氣硬件設備。

圖2 底盤框架

前驅式驅動系統如圖3所示，主要包括導向前輪組和從動后輪組。導向前輪組由左驅動電機、右驅動電機、導向輪、軸承、驅動軸、前梁等組成。驅動電機為帶剎車型86型步進電機，可以實現角位移精準控制，并且具有自鎖功能。導向輪為越野防滑型，輪胎通過聯軸器與步進電機固接，整體采用雙軸承反向安裝。左、右導向輪相互獨立控制，實現左、右同步運動或者差速運動，左、右導向輪組通過螺栓安裝在前橫梁上。從動后輪組由從動輪、從動軸、軸承等組成，從動輪與從動軸通過軸承固接在后梁上，可以實現左、右相對或者同向運動。

圖3 前驅式驅動系統

2 電氣設計

2.1 控制系統

采摘底盤控制系統硬件主要由鋰電池、24 V穩壓電源、PLC、驅動器、遙控器組成。其電氣原理圖如圖4所示，PLC控制步進電機驅動，通過發射脈沖控制步進電機轉動角度，實現電機任意角位移精準控制，電源為整個系統持續供電。

圖4 控制系統電氣原理圖

2.2 硬件組成

硬件結構組成如圖5所示，PLC型號為PLC16X8-MT，該控制器能以100 Hz～50 000 Hz的動態頻率同時或者單獨控制步進/伺服電機，精準實現啟動、暫停、緩停、加減速運動、觸發急停等功能。步進電機采用86CM85型大扭矩電機，驅動器搭配使用MA860C，通過24 V脈沖信號驅動電機運動，具有大扭矩、高效率、響應快、精度高等優良特性。

圖5 硬件結構組成圖

2.3 控制程序

底盤驅動控制程序如圖6所示，通過串口數據和外部傳感器信號，該控制程序可以完成對電機的啟動、加減速、暫停等動作及內部動作的邏輯運算控制，進而可以實現底盤的前進、后退、轉向等功能，具有精度高、誤差小、效率高等特點。

圖6 底盤驅動控制程序圖

3 樣機制造

采摘底盤物理樣機如圖7所示，上支板和下支板均采用2020鋁型材加工而成，該型材可以自由組合搭建，方便安裝其他零件和搭載其他系統，同時在滿足承載載荷的情況下，可以最大程度地減輕機架的整體重量、簡化機架的結構，實現輕量化設計，便于小車在低矮的油茶林間行走和工作。驅動輪胎均采用越野型防滑輪胎，通過增加輪胎與地面的摩擦系數，讓底盤獲得較好的抓地性能。前擋與側圍板均采用不銹鋼板金件彎折而成，其內部空間用于安裝控制系統和硬件裝置。通過多重測試，證明該樣機能實現遠程控制、自由行走、精準定位等功能，具有續航時間長、能耗低等特點。

圖7 采摘底盤樣機實物圖

4 結論

1）借助軟件設計并構建了底盤三維實體模型，對各部分組件進行了虛擬裝配，并對其進行了運動仿真，證明該設計符合技術要求和園藝種植特性，提高了整車通過性能和穩定性能。

2）油茶果采摘底盤采用承載式橫梁的結構與電驅式輕量化的底盤設計，為后續搭載油茶果采摘機械臂提供了行走系統，并且相較于燃油機械不會發生振動和噪聲，工作性能更加穩定。

3）結合油茶樹種植特性，對底盤整體布局提出了有效的設計方案。實物樣機的制造和功能的實現驗證了該方案的可行性，彌補了電驅式底盤在油茶果機械裝置應用領域的空白，為后續進一步研究油茶果采摘機械提供了有力支撐。