林間病蟲害樹木巡檢標記車的越障能力分析與試驗研究

于淼 張志文 戰麗

摘 要：為解決巡查林間病蟲害過程部分病蟲害樹木不能及時發現從而造成經濟損失、林間路況復雜導致巡林員經常受傷的問題，提出林間病蟲害樹木標記車，采用空心軸和實心軸向配合的四履帶行走方式，使得整車在完成前后移動的同時也可以通過改變履帶擺動角度來改變標記車位置，極大提高標記車通過性和越障能力。建立越障模型，得到林間病蟲害樹木標記車的參數和越障高度之間的關系。通過建立林間病蟲害樹木標記車多體動力學模型，進行雙側越障和單側越障仿真試驗，得到越障過程中擺臂力矩和擺臂角度的變換規律。試制模擬樣機進行試驗，結果表明林間病蟲害標記車能夠通過調整姿態通過林間的障礙物，完成對病蟲害樹木的標記。

關鍵詞：林間病蟲害；標記車;越障;試驗

中圖分類號：S776.32+5??? 文獻標識碼：A?? 文章編號：1006-8023（2023）04-0118-08

Analysis and Test Study on Obstacle-crossing Ability of Forest

Pest and Disease Tree Patrol Marking Vehicle

YU Miao1， ZHANG Zhiwen2， ZHAN Li2*

（1.Heilongjiang Provincial Forestry Technology Service Center， Harbin 161232; 2.College of

Mechanical and Electrical Engineering， Northeast Forestry University， Harbin150040）

Abstract：In order to solve the problem that some pests and diseases can not be found in time during the forest inspection， resulting in economic losses， and the complex road conditions in the forest lead to frequent injury of forest patrollers， this paper proposes a forest pests and diseases tree marking vehicle， which adopts the four-track walking mode of hollow shaft and solid axial cooperation， so that the vehicle can change the position of the marking vehicle by changing the swing angle of the track while completing the front and back movement， It has greatly improved the passing ability and obstacle surmounting ability of the marked vehicle. In this paper， the obstacle surmounting model is established， and the relationship between the parameters of the tree marker vehicle and the obstacle surmounting height is obtained. Through establishing the multi-body dynamics model of the tree marker vehicle for forest diseases and insect pests， the simulation experiments of double-side obstacle crossing and single-side obstacle crossing were carried out， and the transformation laws of the swing arm moment and swing arm angle during obstacle crossing were obtained. The simulation prototype was trial-produced for test， and the results showed that the forest pest and disease marking vehicle could complete the marking of pest and disease trees by adjusting its posture through the obstacles in the forest.

Keywords：Forest diseases and insect pests; Marking vehicle; Obstacle crossing; test

收稿日期：2023-3-14

基金項目：黑龍江省自然科學基金項目（TD2020C001）；中央財政林業科技推廣示范項目（黑[2022] TG13號）

第一作者簡介：于淼，高級工程師。研究方向為林業裝備與信息技術。E-mail： 37975405@qq.com

通信作者：戰麗，博士，副教授。研究方向為林業智能裝備、工業設計。E-mail： 727485313@qq.com

引文格式：于淼，張志文，戰麗.林間病蟲害樹木巡檢標記車的越障能力分析與實驗研究[J].森林工程，2023，39（4）：118-125.

YU M， ZHANG Z W， ZHAN L. Analysis and test study on obstacle-crossing ability of forest pest and disease tree patrol marking wehicle[J]， Forest engineering，2023，39（4）：118-125.

0 引言

目前林業病蟲害是我國森林資源所面臨的重要問題，2021年我國馬尾松毛蟲發生面積共計2.4×104 hm2[1]，松材線蟲病發生6×107 hm2，給我國森林資源帶來了巨大損失[2-3]。控制病蟲害傳播的有效手段就是及時發現積極防制。目前主要發現病蟲害的方法是通過工作人員巡查相關林區來發現病蟲害，然后及時砍伐或者噴灑藥水[4-6]。但是巡查員數量較少，巡查員負責林區面積較大，由于勞累或疏忽，部分感染樹木不能及時發現，而且由于林區環境復雜，經常會有巡查員在巡查過程中受傷。因此，為了及時發現林業病蟲害問題，設計了一款林間病蟲害樹木標記車來代替巡查員，以提高巡林員工作安全性和工作效率。

1 林業病蟲害樹木標記車結構組成

林間病蟲害樹木標記車主要由行走部分、電機部分、標記車構、車體、圖像傳輸和電池組成，具體結構圖 1所示。通過軸和空心軸相互配合的方式，使得履帶在完成前后移動的同時也可以自由轉動，極大提高了標記車通過性和越障能力，主要的結構參數如圖 2所示，圖2中，o1、o2、o3、o4前后履帶從動輪和驅動輪圓心；l1為前后履帶驅動輪軸距，既o2o3的距離；l2為后履帶主動輪軸到標記車質心的水平距離；l3為履帶主動輪驅動輪距離，既o1o2的距離；l4為履帶驅動輪主動輪距離；θf、θr前后履帶轉動角度；在o4處建立坐標系xo4y，β為車體與水平面的夾角。

2 越障分析

林間標記車在移動過程中會遇到許多凹坑、突起和已砍伐的病蟲害倒木等[7-8]，通過障礙物的部分主要分為雙側越障和單側越障，現在就2種越障方式進行分析。

2.1 雙側越障

林間病蟲害樹木標記車在林間通過臺階障礙物的一種方式為正向通過，該方式為林間病蟲害樹木標記車前進方向與障礙物垂直。林間病蟲害樹木標記車擺臂不用動作所能達到翻過的最大高度如圖 3所示，翻越較低臺階時候，臺階高度H≤ra，林間病蟲害樹木標記車履帶擺臂不用發生動作，可以直接越過障礙物。

當障礙物較高時候，林間病蟲害樹木標記車需要履帶擺臂擺動，調整林間病蟲害樹木標記車姿態從而越障。車體與臺階外沿線相互接觸，此時為臨界狀態，若此時標記車所受重力在臺階外沿的左側，則標記車不能夠通過高度障礙；若此時標記車所受重力在臺階外沿線右側，則在重力作用下，林間病蟲害樹木標記車能夠越障成功[9]；那么越障是否成功的臨界狀態應該為此刻林間病蟲害樹木標記車重力與障礙物外沿線相重合[10-15]，如圖 4所示，依據林間病蟲害樹木標記車和越障臺階的幾何關系可得如下關系式

H≤l3+rp+xGsinβ+yGcosβ。（1）

式中：H為障礙物高度，mm;xG、yG為林間病蟲害樹木標記車在xo4y坐標系下的重心坐標;l3為履帶主動輪驅動輪距離既o1o2的距離，mm；rp為主動輪半徑，mm;β為車體與水平面的夾角 ，（°）。

首先，檢測到臺階障礙物之后，前履帶開始接觸到臺階，如圖 5（a）所示；隨著林間病蟲害樹木標記車前進，林間病蟲害樹木標記車重心開始升高，車體仰角開始升高，如圖 5（b）所示；林間病蟲害樹木標記車繼續向前移動，前履帶逆時針旋轉，林間病蟲害樹木標記車繼續仰角繼續增大，如圖 5（c）所示，后擺臂逆時針轉動將車體抬高，轉動到后擺臂旋轉中心與臺階到達同一高度停止旋轉，向前移動，直到后擺臂接觸臺階外沿線，如圖 5（d）所示；車輛繼續向前，后擺臂開始順時針轉動，整車質心完全越過障礙物，如圖 5（e）所示；擺臂恢復越障前的姿態，繼續前進，如圖 5（f）所示。

2.2 單側越障

林間路況復雜，在遇到狹窄障礙物，需要林間病蟲害樹木標記車在側傾姿態通過障礙物。為了保證林間病蟲害樹木標記車在單側通過障礙物過程中能夠穩定順利，本研究采用重心投影法對林間病蟲害樹木標記車進行穩定分析，由于林間病蟲害樹木標記車的接地點主要是由4個履帶與地面接觸，所以通過確定3個接地點確定1個穩定平面。以林間病蟲害樹木標記車的三履帶從動輪接地為例，如圖 6所示，后履帶驅動輪接地，前履帶一個從動輪接地，一個履帶離地的姿態下，3個履帶接地點可以組成1個三角形ABC，如果林間病蟲害樹木標記車重心在地面投影的三角形ABC內部時，林間病蟲害樹木標記車則處于穩定狀態。當林間病蟲害樹木標記車前右履帶擺動，擺動前履帶驅動輪

到C1點時候為林間病蟲害樹木標記車穩定的臨界姿態，當超過C1點，林間病蟲害樹木標記車則會沿著AC1線進行轉動，林間病蟲害樹木標記車失穩[16-17]。

林間病蟲害樹木標記車單側越障示意如圖 7所示，臺階高度為H，在右前側履帶從動輪建立坐標系，擺臂旋轉角度為θ3，林間病蟲害樹木標記車質心坐標相對于前履帶擺臂坐標系的坐標3T0為

3T0=100－l3－l1cosθ3010rp+l3sinθ3001－B/20001。（2）

式中：l1為前后履帶驅動輪軸距，mm;B為標記車寬度，mm;θ3為右前履帶擺動角度，（°）。

標記車擺臂與地面的接觸點在林間病蟲害樹木標記車體坐標系下的坐標3Pc為式（3）

3Pc=3Tc0Pc=m0x0+m0（l4cosθ1+l4cosθ3+l4cosθ2+l4cosθ4+l1）m0+4m1－l1－l3cosθ3（m0y0+2m1（l4sinθ1+l4sinθ3+l4sinθ2+l4sinθ4）m0+4m1+rp+l3sinθ3）cosφ－（y0－B2）sinφ（m0z0+2m1（l4cosθ1+l4cosθ3+l4cosθ2+l4cosθ4）m0+4m1+rp+l3sinθ3）sinφ+（z0－B2）cosφ1。（3）

式中：m0為車體質量，kg;m1為履帶質量，kg;l3為履帶主動輪到履帶質心距離，mm;θ1、θ2、θ3、θ4為左前、左后、右前、右后履帶擺角，（°）；φ為車體橫滾角，（°），x0、y0、z0為車體在坐標系下的坐標。

令（m0z0+2m1（l4cosθ1+l4cosθ3+l4cosθ2+l4cosθ4）m0+4m1+rp+l3sinθ3）sinφ+（z0－B2）cosφ=0，林間病蟲害樹木標記車重心與前擺臂坐標系的X軸重合，此時橫滾角最大，林間病蟲害樹木標記車單側越障可以攀爬單側障礙物的最大高度Hmax為

Hmax=l3cosφmax+Bsinφmax。（4）

式中，φmax為最大橫滾角，kg。

所以當林間病蟲害樹木標記車單側障礙物高度H

H=（l3sinθ3+rp－ra）cosφ。（5）

式中，ra為主動輪半徑，mm。

在林間病蟲害樹木標記車單側越障的工況下，當臺階單側障礙物高度H<（l3+rp－ra）時，可以通過調整林間病蟲害樹木標記車單側履帶擺臂擺角，使得林間病蟲害樹木標記車車體保持水平狀態通過。當臺階（l3+rp－ra）≤H≤Hmax時，林間病蟲害樹木標記車車體將會向低側履帶傾斜，但是依然能夠穩定通過。綜上，要使得林間病蟲害樹木標記車能夠穩定地單側通過障礙物，需要林間病蟲害樹木標記車擺臂角度滿足式（6）。

θ3=arcsinH+ra－rpL1，H<（l3+rp－ra）θ3=90，（l3+rp－ra）≤H≤Hmax。（6）

3 動力學仿真

林間病蟲害樹木標記車模型由于零部件較多，若將三維模型全部導入Recurdyn進行動力學仿真，將會導致模型過于復雜，從而降低了計算效率，為了簡化模型，采用簡化的車體代替標記車車體，通過改變該實體的質量、轉動慣量和重心位置等參數，提高模型的準確性[18]。同理將履帶機架也進行相同簡化。簡化之后的動力學模型如圖 8所示。

3.1 雙側越障

建立高度為300 mm的障礙物模型，按照翻越臺階障礙物的動作規劃，首先將標記車擺臂位于水平姿態。設定標記車驅動輪驅動函數為step（time，0，0，2，-90°），前履帶擺臂驅動函數step（time，2，0，2.5，30°）+step（time，4，0，5，60°）+step（time，9.5，0，12，30°），后擺臂驅動函數為step（time，2，0，4.5，225°）+step（time，9.5，0，12，-225°），前后履帶擺動角度變化，如圖 9所示。

設置仿真時間為15 s，仿真過程如圖 10所示。分別提取越障過程標記車Y向位移和前后履帶驅動力矩如圖11和圖12所示。第2秒時刻檢測到障礙物，前后履帶開始擺動，第4秒前履帶完成到達60°，前履帶接觸到臺階外沿，前履帶擺臂力矩為100 N/m，為了保證能夠越障成功，前履帶開始順時針轉動，撐起車體，此時后履帶也將車體撐起；5～9.5 s為穩定向前移動階段，Y向位移保持不變，前后履帶擺動驅動力矩保持較小；9.5 s標記車后履帶擺臂接觸到臺階外沿，后履帶開始順時針轉動，恢復到原來姿態，同時前履帶也開始逆時針轉動，恢復到初始位置越障完成。結果表明標記車能夠按照預先設計越障動作，通過障礙物。

由于雙側越障過程中，左右兩側履帶動作基本一致，所以提取了標記車越障過程中右側前后履帶擺臂驅動力，通過驅動力矩變化情況分析，標記車底盤在爬升到一定高度之后，由于履帶和路面的接觸面積較小，驅動力矩波動變化較大。

3.2 單側越障

為驗證標記車單側越障能力，建立單側越障障礙物模型，如圖13中灰色部分所示。首先進行外側履帶不撐起仿真實驗，障礙物高度為300 mm，標記車檢測到障礙物時，左前履帶開始擺動30°，同時左后側履帶也開始轉動210°，當左前側履帶接觸到障礙物后，又前側履帶恢復到初始狀態，繼續前進，當右后側驅動輪接觸到臺階外沿之后，后側履帶恢復正常姿態，完成越障。

進行了300、350、400 mm 3種不同高度障礙物仿真實驗，結果表明當高度達到400 mm時候，右側履帶不撐起姿態通過單側障礙物將會失敗，發生側翻，側翻仿真如圖14所示，大于該高度，則需要外側履帶參與，來調整標記車側傾角度。

為了提高單側通過障礙物的通過性和穩定性，林間病蟲害樹木標記車在通過單側障礙物時候，為了保證車體水平姿態，需要不斷調整移動標記車履帶擺動的角度，以高度為400 mm高度障礙為例，通過調整擺臂角度，使得標記車可以水平通過，仿真過程如圖15所示，標記車各履帶擺角變化如圖16所示。2 s之前為標記車準備階段如圖15（a）所示，檢測到障礙物之后，2～2.5 s左前履帶開始轉動30°，保證標記車前履帶可以接觸障礙物外沿，2～4 s左后履帶開始轉動270°，右側履帶開始將車體撐起，4～5 s，左前履帶轉動-30°，右前履帶轉動-90°，為了保證車體穩定性，右后履帶轉動270°，當12～13 s時候，右后履帶接觸到障礙物外沿，開始轉動-90°如圖15（e）所示，當13 s之后車體進入穩定姿態，標記車姿態如圖15（f）所示，完成越障。

4 試驗

在林間病蟲害標記車作業過程中，會遇到部分標記已近砍伐但未及時清理的倒木，若進行繞行則會增加路程，直接通過將會節省時間，提高檢測效率，因此進行通過倒木試驗，試驗過程如圖17所示。標記車能夠通過直徑為200 mm的伐木。

在林間地形中，需要標記車橫向通過斜坡，或者單側履帶通過障礙物，為了驗證上述情況下林間病蟲害標記車的通過性，進行了橫向通過坡面實驗，過程中保持車體水平姿態的試驗，試驗過程如圖18所示，通過調整前后側履帶的轉動角度，使得車體保持水平姿態通過。

5 結論

本研究設計了一種林間病蟲害樹木標記車，采用四履帶作為行走機構，使得標記車在移動過程中，履帶可以自由擺動，分析了標記車不同姿態的越障性能，進行了仿真和試驗，得到如下結論。

1）通過分析在雙側越障過程中重心與障礙物外沿線的關系，確定了雙側越障高度和標記車幾何參數的關系為H≤l3+rp+xGsinβ+yG/cosβ；規劃了標記車雙側履帶越障履帶動作順序，通過仿真和試驗的方式驗證了越障動作的合理性。

2）通過分析重心投影法得到了標記車在單側履帶通過障礙物過程中保持穩定的充要條件，根據此條件的道路標記車在單側通過障礙物過程中擺臂的旋轉角度θ和障礙物高度H的關系。通過動力學仿真，得到了標記車單側越障時履帶擺角情況。

3）建立了標記車樣機，進行多種地形的通過性實驗，結果表明林間病蟲害樹木標記車越障能力強，能夠調整車體姿態來通過不同的地形，可以代替巡林員進行林間病蟲害樹木的巡查工作。

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