丘陵山區(qū)農(nóng)用預(yù)檢測(cè)主動(dòng)調(diào)平底盤設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

劉平義 柯呈鵬 柯 婷 李海濤 魏文軍 趙 晨

(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083)

0 引言

我國(guó)地形多樣，地貌復(fù)雜，丘陵山區(qū)面積比例超過50%的省份廣泛分布在中南、東南、西南和西北地區(qū)，這些地區(qū)同時(shí)是糧食和特色經(jīng)濟(jì)作物的主產(chǎn)區(qū)，農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展?jié)摿薮骩1-2]。目前，丘陵山地農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平薄弱，農(nóng)機(jī)作業(yè)時(shí)車身及作業(yè)部件難以保持水平，影響作業(yè)質(zhì)量，車輛容易傾翻，嚴(yán)重影響操作人員安全[3-5]。

目前，國(guó)外丘陵山地農(nóng)用底盤的研究主要向降低重心、控制車體的方向發(fā)展[6-9]，CASE IH公司的大型聯(lián)合收獲機(jī)，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)谷物情況和作業(yè)信息，根據(jù)田間作業(yè)情況自動(dòng)調(diào)節(jié)工作部件。國(guó)內(nèi)自動(dòng)控制技術(shù)也已得到應(yīng)用[10-12]，采用自動(dòng)控制技術(shù)能夠有效提高土地整理效率。彭賀等[13]設(shè)計(jì)了一種能實(shí)現(xiàn)丘陵山地輪式拖拉機(jī)車身實(shí)時(shí)調(diào)平且傳遞動(dòng)力的新型車身調(diào)平系統(tǒng)。張季琴等[14]研發(fā)的山地微耕機(jī)，安裝有調(diào)整車身傾斜度的專用液壓差高裝置，同時(shí)實(shí)現(xiàn)調(diào)平和調(diào)高功能。

隨著調(diào)平精度、調(diào)平支撐、懸架數(shù)目的增加，以車身四點(diǎn)調(diào)平為代表的車身多點(diǎn)調(diào)平將是發(fā)展趨勢(shì)。文獻(xiàn)[15-16]研究了一種具有4組主動(dòng)可調(diào)懸架及前、后車體折腰自由度的主動(dòng)調(diào)平底盤。劉平義等[17]提出了一種農(nóng)用底盤自適應(yīng)調(diào)平方法，在幅值和波長(zhǎng)特定的波形地面上行走作業(yè)時(shí)，側(cè)傾角和俯仰角之和可降低60%左右；并進(jìn)一步提出了丘陵山區(qū)農(nóng)用仿形行走動(dòng)態(tài)調(diào)平底盤，該底盤可在1°精度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)平[18]。

目前調(diào)平技術(shù)基于被調(diào)平部件不平信息，根據(jù)不平信息由控制器控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成調(diào)平[19-22]，是一種被動(dòng)、滯后的調(diào)平方法，尤其在車輛動(dòng)態(tài)行走時(shí)，調(diào)平總在傾斜之后，無法在理論上實(shí)現(xiàn)絕對(duì)調(diào)平。

本文提出一種適用于丘陵山地作業(yè)的農(nóng)用底盤預(yù)檢測(cè)主動(dòng)調(diào)平方法，該方法提前檢測(cè)底盤行駛前方地面情況，判斷如何實(shí)施調(diào)平動(dòng)作，在底盤傾斜同時(shí)進(jìn)行調(diào)平，以期通過主動(dòng)預(yù)防，避免或減少農(nóng)用車輛在崎嶇不平地面上行駛作業(yè)過程中發(fā)生的底盤傾斜。

1 設(shè)計(jì)方案與工作原理

預(yù)檢測(cè)主動(dòng)調(diào)平底盤采用獨(dú)立懸架，前端安裝地面檢測(cè)裝置提前獲取底盤行駛前方某一特定距離處的地面信息，根據(jù)已獲得的地面信息和底盤當(dāng)前行駛狀態(tài)，分別計(jì)算底盤在檢測(cè)點(diǎn)處保持水平情況下，各懸架將要完成的調(diào)節(jié)量，在當(dāng)前位置至檢測(cè)點(diǎn)處的行駛過程中完成各獨(dú)立懸架高度調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)底盤預(yù)檢測(cè)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)主動(dòng)調(diào)平。

1.1 底盤設(shè)計(jì)方案

預(yù)檢測(cè)主動(dòng)調(diào)平底盤主要包括：前車架、后車架、Y型可調(diào)懸架、底盤傾角狀態(tài)傳感器、車輪、高度測(cè)距傳感器,如圖1所示。前后車架通過剛性連接機(jī)構(gòu)進(jìn)行連接，車輪通過Y型可調(diào)懸架與車架相連，前、后車架上分別平行且對(duì)稱布置兩組Y型可調(diào)懸架。通過4組Y型可調(diào)懸架高度調(diào)節(jié)車身俯仰角和側(cè)傾角。沿各車輪正前方向、在車架上分別布置4個(gè)高度測(cè)距傳感器，高度測(cè)距傳感器豎直方向上分別與各車輪中心在同一平面內(nèi)，水平方向與前車架和后車架在同一平面內(nèi)，能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量車輪即將通過的地面相對(duì)高度信息。

圖1 預(yù)檢測(cè)主動(dòng)調(diào)平底盤結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

Y型可調(diào)懸架主要由滑塊、連桿、支撐桿、絲杠電機(jī)、滑塊測(cè)距傳感器和直線導(dǎo)軌組成，如圖2所示。通過控制直線導(dǎo)軌末端的絲杠電機(jī)驅(qū)動(dòng)滑塊沿直線導(dǎo)軌首、末端移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)Y型可調(diào)懸架高度調(diào)整，從首端移向末端時(shí)懸架高度增大，反之高度減小?；瑝K測(cè)距傳感器布置在直線導(dǎo)軌末端，通過實(shí)時(shí)測(cè)量滑塊與直線導(dǎo)軌末端的距離，獲取滑塊位置信息。

圖2 Y型可調(diào)懸架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1.2 調(diào)平底盤工作原理

圖3 懸架調(diào)平原理圖

圖3為調(diào)平底盤工作原理圖，底盤通過平坦路面時(shí)，各Y型可調(diào)懸架的滑塊在直線導(dǎo)軌上相對(duì)位置一致時(shí)，各懸架高度相等，底盤保持水平，狀態(tài)如圖3a所示；當(dāng)?shù)妆P前輪即將通過凸型地面時(shí)，前車架左、右可調(diào)懸架上的滑塊沿直線導(dǎo)軌向首端移動(dòng)，前車架左、右懸架高度降低，后車架懸架高度保持不變，底盤在凸型地面保持水平，狀態(tài)如圖3b所示；當(dāng)?shù)妆P前輪即將通過凹型地面時(shí)，前車架左、右可調(diào)懸架上的滑塊沿直線導(dǎo)軌向末端移動(dòng)，前車架左、右懸架高度升高，后車架懸架高度保持不變，底盤在凹型地面水平，狀態(tài)如圖3c所示；在凹凸不平地面上行駛時(shí)，根據(jù)提前檢測(cè)到的地面信息，前、后車架的左、右懸架上各滑塊分別沿直線導(dǎo)軌向末、首、首和末端移動(dòng)，分別通過前、后車架的左、右懸架升高、降低、降低和升高，實(shí)現(xiàn)底盤水平，狀態(tài)如圖3d所示。

1.3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)基于微處理器Arduino Mega 2560，硬件主要包括高度測(cè)距傳感器、滑塊測(cè)距傳感器、底盤傾角狀態(tài)傳感器、絲杠步進(jìn)電機(jī)等，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

微處理器Arduino Mega 2560為控制系統(tǒng)核心部件，主要負(fù)責(zé)通信、調(diào)整機(jī)構(gòu)調(diào)整量計(jì)算、傳感器集成等。高度測(cè)距傳感器和滑塊測(cè)距傳感器輸出模擬量參數(shù)可以通過I/O口和微處理器直接相連。

高度測(cè)距傳感器獲取地面相對(duì)高度信息后，輸入、并通過微處理器計(jì)算懸架所需調(diào)整量?；瑝K測(cè)距傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)滑塊位置，輸入、并通過微處理器計(jì)算滑塊位移，最后通過控制絲杠步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)滑塊移動(dòng)到預(yù)定位置，完成懸架高度調(diào)整，實(shí)現(xiàn)底盤調(diào)平。底盤傾角狀態(tài)傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)調(diào)平誤差，并傳輸給微處理器，作為下個(gè)調(diào)整周期調(diào)整量的誤差補(bǔ)償量。

1.4 工作流程設(shè)計(jì)

預(yù)檢測(cè)主動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)工作流程如圖5所示。

圖5 調(diào)平系統(tǒng)工作流程

2 調(diào)平參數(shù)分析

2.1 底盤懸架調(diào)整與預(yù)檢測(cè)調(diào)平參數(shù)分析

圖6 Y型可調(diào)懸架位置調(diào)節(jié)關(guān)系圖

lBC/lDG=lCI/(lCI+lCD)

(1)

(2)

(3)

(4)

由幾何關(guān)系得

(5)

(6)

(7)

(8)

根據(jù)式(8)可以推導(dǎo)j+T時(shí)刻滑塊沿直線導(dǎo)軌的位移與懸架高度變化量的關(guān)系為

(9)

式中l(wèi)AD——桿AD段長(zhǎng)度

lDE——桿DE段長(zhǎng)度

lBC——桿BC段長(zhǎng)度

lCD——桿CD段長(zhǎng)度

θ——支撐桿與直線導(dǎo)軌夾角

2.2 底盤負(fù)載能力及調(diào)平速度分析

預(yù)檢測(cè)主動(dòng)調(diào)平底盤通過各懸架高度調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)調(diào)平時(shí)，通過對(duì)單個(gè)懸架進(jìn)行受力分析，計(jì)算負(fù)載與調(diào)平速度的關(guān)系，受力如圖7所示。

圖7 懸架受力分析圖

設(shè)單個(gè)懸架質(zhì)量與其所受載荷總質(zhì)量為w，地面對(duì)車輪的支持力為N。F1、F2為一對(duì)大小相等、方向相反、沿AD直線分別作用于A、D點(diǎn)的平衡力,則

cosα=hlDE/2

tanβ=lBC/S

二力桿AD在A、D點(diǎn)處分別受到的作用力為F1、F2，大小相等，方向相反。長(zhǎng)連桿CE在D點(diǎn)處受到的力F3與F2大小相等，方向相反，即

F1=F2=F3

由長(zhǎng)桿受力平衡得

Fcosβ=F3sinα

Fsinβ+N=F3cosα

得

式中S——導(dǎo)軌AB長(zhǎng)度

h——導(dǎo)軌AB與點(diǎn)E距離

α——AD與垂直方向夾角

g——重力加速度

β——F與導(dǎo)軌AB之間夾角

對(duì)導(dǎo)軌AB和滑塊BC單獨(dú)進(jìn)行受力分析，如圖8所示。

圖8 滑塊受力分析圖

力F作用于C點(diǎn)，滑塊BC在C點(diǎn)處受到的反作用力為FC，所受扭矩為MB，兩者關(guān)系為

MB=FClBCcosβ

滑塊受到水平拉力FBx為

(10)

滾珠絲桿的驅(qū)動(dòng)力經(jīng)驗(yàn)公式為

(11)

式中T1——絲桿電機(jī)扭矩

d——絲桿直徑

φ——螺紋升角

ρ——當(dāng)量摩擦角

聯(lián)立式(10)、(11)，滾珠絲桿驅(qū)動(dòng)力等于滑塊的水平拉力，得出單個(gè)懸架自身以及負(fù)載總質(zhì)量w與絲桿電機(jī)扭矩T1之間的關(guān)系為

底盤負(fù)載質(zhì)量Wf與絲桿電機(jī)扭矩T1之間的關(guān)系為

Wf=4w-m=

(12)

式中m——底盤質(zhì)量

絲桿電機(jī)為步進(jìn)電機(jī)，求出滑塊的最大移動(dòng)速度v2與步進(jìn)電機(jī)頻率f之間的關(guān)系

式中L——滾珠絲桿導(dǎo)程

n——電機(jī)轉(zhuǎn)速

f——步進(jìn)電機(jī)脈沖頻率

θ——步進(jìn)電機(jī)步距角

設(shè)高度測(cè)距傳感器與車輪中心正前方距離為sc，車輛以速度v1勻速運(yùn)動(dòng)，可得調(diào)整周期T為

T=sc/v1

單個(gè)調(diào)整周期T內(nèi)滑塊位移的最大距離x為

底盤單個(gè)調(diào)整周期內(nèi)的調(diào)平極限角γ為

(13)

2.3 調(diào)平執(zhí)行策略分析

為消除調(diào)平系統(tǒng)誤差，通過底盤傾角狀態(tài)傳感器檢測(cè)調(diào)平效果并作為反饋元件消除每個(gè)調(diào)整周期的誤差，避免誤差累積。

誤差補(bǔ)償步驟為：位于底盤中心點(diǎn)O的底盤傾角狀態(tài)傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)控每次調(diào)平結(jié)束后底盤的俯仰角與側(cè)傾角，調(diào)整系統(tǒng)結(jié)合俯仰角與側(cè)傾角，并根據(jù)點(diǎn)Ai(i=1，2，3，4)與點(diǎn)O的相對(duì)坐標(biāo)，計(jì)算每個(gè)懸架的調(diào)整量，作為下個(gè)調(diào)整周期調(diào)整量的誤差補(bǔ)償量。

根據(jù)四點(diǎn)支撐平臺(tái)調(diào)平原理[23]，采用“中心點(diǎn)”不動(dòng)法計(jì)算誤差補(bǔ)償量，如圖9所示。以點(diǎn)O為中心，建立動(dòng)坐標(biāo)系OXYZ描述存在誤差時(shí)的底盤平面A1A2A3A4、靜坐標(biāo)系OX′Y′Z′描述水平時(shí)的底盤平面A′1A′2A′3A′4。設(shè)j+T時(shí)刻調(diào)平后，底盤傾角狀態(tài)傳感器測(cè)得車身俯仰角α1和側(cè)傾角β1。

圖9 四點(diǎn)支撐平臺(tái)坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)示意圖

假設(shè)動(dòng)坐標(biāo)系先繞X軸旋轉(zhuǎn)β1，再繞Y軸旋轉(zhuǎn)α1，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣為

(14)

若動(dòng)坐標(biāo)系先繞Y軸旋轉(zhuǎn)β1，再繞X軸旋轉(zhuǎn)α1，坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換矩陣為

(15)

誤差導(dǎo)致的俯仰角和側(cè)傾角很小，故sinα1=α1，sinβ1=β1，sinα1sinβ1=0，cosα1=cosβ1=1,分別代入T1和T2得

(16)

靜坐標(biāo)系內(nèi)A′i(X′i，Y′i，Z′i)與動(dòng)坐標(biāo)系內(nèi)Ai(Xi，Yi，Zi)關(guān)系為

(17)

點(diǎn)Ai的Z坐標(biāo)誤差調(diào)整值為

ΔZ=Z-Z′=-α1X′i-β1Y′i

(18)

3 試驗(yàn)

3.1 底盤樣機(jī)參數(shù)

試制預(yù)檢測(cè)主動(dòng)調(diào)平底盤小比例樣機(jī)，如圖10所示。

圖10 底盤樣機(jī)實(shí)物圖

樣機(jī)尺寸為1 m×0.5 m×0.6 m(長(zhǎng)×寬×高)，車輪直徑0.3 m，軸距1.09 m，輪距0.58 m, 連桿長(zhǎng)0.483 m, 支撐桿長(zhǎng)0.72 m。直線導(dǎo)軌由滾珠絲桿組成，有效行程為0.4 m,導(dǎo)程為0.005 m，螺紋升角7.11°。車架上安裝4組FLS40L40005C7型帶導(dǎo)軌絲杠的57步進(jìn)電機(jī)，高度測(cè)距傳感器安裝在車輪中心正前方0.3 m處，4個(gè)車輪由4個(gè)86J1880-842型帶減速器的86步進(jìn)電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)。底盤總質(zhì)量為80 kg，去除車輪和車輪步進(jìn)電機(jī)質(zhì)量后，底盤質(zhì)量為50 kg。

選定丘陵山區(qū)底盤常用行走速度2、5 km/h，設(shè)離地間隙最低、調(diào)節(jié)難度最大時(shí)的狀態(tài)為初始調(diào)節(jié)點(diǎn)，根據(jù)式(9)、(12)、(13)得到底盤負(fù)載Wf和單個(gè)調(diào)整周期內(nèi)調(diào)平極限角γ的關(guān)系，如圖11所示。

圖11 底盤負(fù)載和單個(gè)調(diào)整周期內(nèi)調(diào)平極限角的關(guān)系

受限于所采用57步進(jìn)電機(jī)、底盤小比例樣機(jī)底盤最大負(fù)載為130.41 kg(底盤質(zhì)量的2.6倍)。由圖11可知，給定底盤行走速度時(shí)，調(diào)平速度與負(fù)載成反比；行走速度為2 km/h時(shí)，單個(gè)調(diào)整周期內(nèi)的最大調(diào)平極限角為24°左右，行走速度為5 km/h時(shí)，單個(gè)調(diào)整周期內(nèi)的最大調(diào)平極限角為13°左右?？紤]到國(guó)家禁止在25°以上陡坡地開墾種植農(nóng)作物，不提倡在15°以上陡坡地開墾種植農(nóng)作物，因此調(diào)平速度與負(fù)載均滿足要求，驗(yàn)證了調(diào)平方法的正確性與可行性。

高度測(cè)距傳感器和滑塊測(cè)距傳感器均選擇適應(yīng)性強(qiáng)、價(jià)格便宜的超聲波測(cè)距傳感器。考慮到底盤傾角狀態(tài)傳感器作為反饋元件、測(cè)量精度要求較高，選擇SVT 626T型雙軸數(shù)字型傾角傳感器，精度為0.03°。底盤傾角狀態(tài)傳感器可通過USB和便攜式計(jì)算機(jī)相連，含有一個(gè)電源接口和一個(gè)RS232串口可實(shí)現(xiàn)和微控制器通信，連續(xù)不斷地將車身俯仰角、側(cè)傾角信息傳輸?shù)奖銛y式計(jì)算機(jī)中進(jìn)行記錄。

3.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證預(yù)檢測(cè)主動(dòng)調(diào)平方法的可行性及預(yù)檢測(cè)主動(dòng)調(diào)平底盤的調(diào)平性能，在室外試驗(yàn)田進(jìn)行不同地形條件下的試驗(yàn)，試驗(yàn)均在2019年6月進(jìn)行。

考慮到底盤車輪直徑為300 mm、農(nóng)用底盤作業(yè)地形復(fù)雜多樣、并參照實(shí)際比例關(guān)系，人工堆砌圖12所示幅值為70 mm、波長(zhǎng)為600 mm的坡形路面進(jìn)行試驗(yàn)。

圖12 試驗(yàn)地形

試驗(yàn)中調(diào)平底盤行走方向分別與地面波形呈90°、60°通過，樣機(jī)速度為5 km/h，如圖13所示。分別對(duì)比調(diào)平底盤不調(diào)平和預(yù)檢測(cè)主動(dòng)調(diào)平2種情況下俯仰角和側(cè)傾角變化，以檢驗(yàn)調(diào)平效果。

圖13 地面調(diào)平試驗(yàn)

圖14 波形地面調(diào)平試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)中俯仰角與側(cè)傾角的變化曲線如圖14所示。由圖14a可知，底盤不調(diào)平時(shí)，俯仰角完全隨地形變化，波動(dòng)范圍比較大，最大俯仰角為3.51°；預(yù)檢測(cè)主動(dòng)調(diào)平時(shí)俯仰角在0°附近波動(dòng)且在90%以上的時(shí)間內(nèi)保持在±0.5°以內(nèi)，側(cè)傾角不受地形影響，在0°范圍內(nèi)波動(dòng)。由圖14b可知，底盤不調(diào)平時(shí)最大俯仰角為2.51°，最大側(cè)傾角為2.82°；預(yù)檢測(cè)主動(dòng)調(diào)平時(shí)俯仰角、側(cè)傾角都在0°附近波動(dòng)且在90%以上的時(shí)間內(nèi)保持在±0.5°以內(nèi)波動(dòng)，具有較高的精度，驗(yàn)證了預(yù)檢測(cè)主動(dòng)調(diào)平方法的可行性和理論分析計(jì)算的正確性。預(yù)檢測(cè)調(diào)平試驗(yàn)數(shù)據(jù)的波動(dòng)主要來源于底盤制造誤差與傳感器測(cè)量誤差。

4 結(jié)論

(1)提出了預(yù)檢測(cè)主動(dòng)調(diào)平方法，該方法可提前獲取底盤行駛前方某一特定距離處的地面信息，根據(jù)已獲得地面信息和底盤當(dāng)前行駛狀態(tài)，分別計(jì)算底盤行駛至檢測(cè)點(diǎn)處底盤保持水平時(shí)各懸架將要執(zhí)行的調(diào)節(jié)量，在底盤傾斜的同時(shí)，通過各獨(dú)立懸架高度調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)底盤實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)主動(dòng)調(diào)平。

(2)設(shè)計(jì)了一種采用Y型可調(diào)懸架作為調(diào)平機(jī)構(gòu)的農(nóng)用車輛預(yù)檢測(cè)主動(dòng)調(diào)平底盤，分析了底盤懸架調(diào)整與預(yù)檢測(cè)調(diào)平參數(shù)、承載能力與調(diào)平速度及調(diào)平執(zhí)行策略，結(jié)果表明，可通過Y型可調(diào)懸架的高度調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)底盤調(diào)平。

(3)崎嶇不平地面行走試驗(yàn)結(jié)果表明，在預(yù)檢測(cè)主動(dòng)調(diào)平行走過程中，底盤可在精度0.5°范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)平，驗(yàn)證了預(yù)檢測(cè)主動(dòng)調(diào)平方法以及丘陵山地農(nóng)用預(yù)檢測(cè)主動(dòng)調(diào)平底盤設(shè)計(jì)方案的可行性。