丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)機(jī)械研究現(xiàn)狀及發(fā)展建議

王東洋 何亞凱 韓亞芬 張鐵 朱越 王彥坤

摘 要： 丘陵山區(qū)是我國農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展的薄弱區(qū)域，從丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)、模塊化設(shè)計(jì)方法和機(jī)組作業(yè)協(xié)同控制等方面對(duì)我國丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)機(jī)械的研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析，并指出我國丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)機(jī)械開發(fā)方面仍存在創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法不足、機(jī)組作業(yè)協(xié)同控制效果差和智能化程度低的問題。結(jié)合現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)，從電氣化、數(shù)字化和智能化的角度針對(duì)丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)機(jī)械驅(qū)動(dòng)方式的電氣化升級(jí)、多源驅(qū)動(dòng)高效傳動(dòng)動(dòng)力底盤的模塊化設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)建模和智能協(xié)同控制方面對(duì)丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展提出建議。

關(guān)鍵詞：丘陵山區(qū)；農(nóng)業(yè)機(jī)械；模塊化設(shè)計(jì)；數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)；智能協(xié)同控制；動(dòng)力底盤

中圖分類號(hào)：S220文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1795（2023）12-0005-06

DOI：10.19998/j.cnki.2095-1795.2023.12.001

0 引言

作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)的重要工具，農(nóng)業(yè)機(jī)械在農(nóng)業(yè)發(fā)展中直接關(guān)系農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力的水平，是發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要物質(zhì)基礎(chǔ)和有力保障[1-5]?！吨腥A人民共和國國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035 年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》《“十四五”推進(jìn)農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化規(guī)劃》及《中共中央 國務(wù)院關(guān)于全面推進(jìn)鄉(xiāng)村振興加快農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化的意見》等文件指出，發(fā)展農(nóng)業(yè)機(jī)械化是保障農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)安全和發(fā)展、實(shí)現(xiàn)鄉(xiāng)村全面振興和農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化的先行條件。受益于農(nóng)機(jī)購置補(bǔ)貼、土地流轉(zhuǎn)等政策的激勵(lì)及科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，我國農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平從2015 年的63% 提升至2020 年的71%，但與發(fā)達(dá)國家90% 的機(jī)械化率相比，我國農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展水平仍存在較大的差距，主要體現(xiàn)在典型環(huán)節(jié)薄弱、典型產(chǎn)業(yè)薄弱和典型區(qū)域薄弱3 方面[6-7]。特別是薄弱區(qū)域方面，我國丘陵山區(qū)耕地面積達(dá)4 000 萬hm2，占耕地總面積的30% 左右，丘陵山區(qū)是我國糧食和特色農(nóng)產(chǎn)品的重要生產(chǎn)基地，受地形條件等因素影響，丘陵山區(qū)農(nóng)作物耕種收綜合機(jī)械化率低于50%，農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平與目標(biāo)差距大，是發(fā)展農(nóng)業(yè)機(jī)械化的難點(diǎn)，也是“十四五”農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展面臨的重大挑戰(zhàn)[1-3]。

本研究從丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)、模塊化設(shè)計(jì)方法和機(jī)組作業(yè)協(xié)同控制等方面對(duì)我國丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)機(jī)械的研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析，指出我國丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)機(jī)械開發(fā)方面仍存在設(shè)計(jì)方法不足、機(jī)組作業(yè)協(xié)同控制效果差和智能化程度低的問題。結(jié)合現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)，從電氣化、數(shù)字化和智能化的角度對(duì)丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)機(jī)械驅(qū)動(dòng)方式的電氣化升級(jí)、多源驅(qū)動(dòng)高效傳動(dòng)動(dòng)力底盤的模塊化設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)建模和智能協(xié)同控制方面對(duì)丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展提出建議。

1 丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)機(jī)械應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 應(yīng)用分析

（1）丘陵山區(qū)地塊小、形狀不規(guī)則，地形復(fù)雜多變，機(jī)具進(jìn)地難、作業(yè)難，部分生產(chǎn)環(huán)節(jié)無機(jī)可用，現(xiàn)有部分產(chǎn)品都是基于平原用農(nóng)機(jī)產(chǎn)品改造而成，在作業(yè)過程中受環(huán)境條件制約、作業(yè)效率差，機(jī)械化優(yōu)勢(shì)無法充分發(fā)揮。

（2）農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)規(guī)模小且分散、種植作物品種較多，農(nóng)藝煩瑣，所需農(nóng)業(yè)機(jī)械化技術(shù)裝備多樣，現(xiàn)有產(chǎn)品中雖有丘陵山區(qū)農(nóng)作物耕耘、播種和收獲的專業(yè)動(dòng)力機(jī)械，但上述機(jī)械間的通配型較低，農(nóng)民需購買不同的專用農(nóng)機(jī)設(shè)備以完成不同的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)任務(wù)，加重農(nóng)民的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，進(jìn)而造成農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平低。

（3）農(nóng)機(jī)設(shè)備作業(yè)質(zhì)量差，農(nóng)民對(duì)機(jī)械的使用積極性不高?，F(xiàn)有機(jī)械只在功能上實(shí)現(xiàn)部分代替人工操作，實(shí)現(xiàn)了部分機(jī)械化。但作業(yè)質(zhì)量不高，在典型農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)出現(xiàn)無好機(jī)用的情況，進(jìn)而導(dǎo)致農(nóng)民對(duì)農(nóng)機(jī)設(shè)備使用的積極性不高。

1.2 主要原因

（1）對(duì)丘陵山區(qū)專用機(jī)械的開發(fā)方法研究不足，現(xiàn)有產(chǎn)品多基于平原用農(nóng)業(yè)機(jī)械的改造或按比例縮小設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品雖能實(shí)現(xiàn)機(jī)械化，但受環(huán)境制約，設(shè)計(jì)出的部分產(chǎn)品機(jī)械化效率低，部分功能無法實(shí)現(xiàn)。

（2）開發(fā)過程中未考慮農(nóng)業(yè)機(jī)械中各部件（系統(tǒng)）之間的耦合特性，特別是對(duì)動(dòng)力機(jī)械底盤與農(nóng)機(jī)具間的功能、結(jié)構(gòu)和性能間的耦合機(jī)理認(rèn)識(shí)不足，沒有通過對(duì)解耦方法的研究來實(shí)現(xiàn)動(dòng)力底盤及配套農(nóng)機(jī)具組成的系統(tǒng)中關(guān)鍵零部件的模塊化設(shè)計(jì)。

（3）對(duì)丘陵山區(qū)機(jī)械設(shè)計(jì)過程中側(cè)重于功能的實(shí)現(xiàn)，對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械動(dòng)力底盤和農(nóng)機(jī)具的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究缺乏，特別是同時(shí)從設(shè)計(jì)和控制方面對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械動(dòng)力底盤行走裝置和配套農(nóng)機(jī)具協(xié)同作業(yè)時(shí)的優(yōu)化設(shè)計(jì)考慮較少。

2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

2.1 丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)方法

丘陵山區(qū)是我國糧食和特色農(nóng)產(chǎn)品的重要生產(chǎn)基地，復(fù)雜多變的地形條件限制了丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)機(jī)械的發(fā)展，使丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中許多環(huán)節(jié)出現(xiàn)無機(jī)可用的現(xiàn)象。針對(duì)這一問題，國內(nèi)研究人員展開了廣泛而深入的研究[1-2]。

劉平義等[3] 針對(duì)丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)機(jī)械在作業(yè)和行走時(shí)存在通過性差和車身難以保持水平等問題，設(shè)計(jì)了一種帶有4 組調(diào)平懸架的丘陵山區(qū)農(nóng)用仿形行走動(dòng)力底盤，并進(jìn)行仿真分析與試驗(yàn)，結(jié)果表明，該底盤具有較好的通過性且能將動(dòng)態(tài)調(diào)平誤差控制在1°以內(nèi)。王亞等[4] 針對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械動(dòng)力底盤在丘陵山區(qū)作業(yè)過程中由于地形適應(yīng)性差和附著力不足導(dǎo)致的作業(yè)質(zhì)量差等問題，采用地面仿形原理，設(shè)計(jì)了一種具備5 自由度仿形和全時(shí)8 輪驅(qū)動(dòng)功能的丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)機(jī)械動(dòng)力底盤，并開展樣機(jī)試驗(yàn)，結(jié)果表明，該底盤具有較高的地面通過性和良好的地形適應(yīng)能力。王鋒等[5] 針對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械在丘陵山區(qū)作業(yè)時(shí)存在的通過性弱和穩(wěn)定性差等問題，設(shè)計(jì)和制造了一種三角履帶式動(dòng)力底盤，樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果表明，該動(dòng)力底盤具有較好的通過性和工作穩(wěn)定性。高巧明等[6] 為提高丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)機(jī)械的通過性和穩(wěn)定性，基于傳統(tǒng)鉸接式山地拖拉機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一款全履帶式農(nóng)業(yè)動(dòng)力底盤。

通過性和穩(wěn)定性是農(nóng)業(yè)機(jī)械在丘陵山區(qū)進(jìn)行基本工作的必要條件，針對(duì)這一問題，國內(nèi)研究人員以高通過性和機(jī)組車身穩(wěn)定性為設(shè)計(jì)目標(biāo)，以平原用農(nóng)業(yè)機(jī)械的設(shè)計(jì)方法對(duì)丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)機(jī)械進(jìn)行開發(fā)，并對(duì)開發(fā)的機(jī)具進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證[7-8]。

2.2 丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)機(jī)械模塊化設(shè)計(jì)

農(nóng)業(yè)機(jī)械在生產(chǎn)活動(dòng)中的不同環(huán)節(jié)需要換裝不同的農(nóng)機(jī)具，動(dòng)力底盤和農(nóng)機(jī)具的快速換裝、關(guān)鍵核心部件的快速替換可顯著提高機(jī)組的作業(yè)效率[7-11]。對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械模塊化設(shè)計(jì)，國內(nèi)研究人員進(jìn)行了大量研究。趙東等[12] 為提高大蒜收獲機(jī)械對(duì)不同種植模式和行間距大蒜機(jī)械化收獲的適應(yīng)性，基于模塊化思想，將大蒜機(jī)械化收獲過程中所必需的功能進(jìn)行集中設(shè)置，構(gòu)建了功能獨(dú)立的收獲單元模塊，實(shí)現(xiàn)了在不同種植模式和行間距下通過加掛收獲單元功能模塊即可實(shí)現(xiàn)不同行數(shù)大蒜機(jī)械化收獲的功能。高巧明等[6] 為提高農(nóng)業(yè)機(jī)械整機(jī)的使用率，基于模塊化設(shè)計(jì)理論，設(shè)計(jì)了一種全履帶模塊化的農(nóng)用動(dòng)力底盤及其前置模塊快接裝置。尹健等[13] 基于模塊化設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)一種聯(lián)合收獲機(jī)械，通過功能分解，將整機(jī)劃分為多個(gè)關(guān)鍵模塊，在使用過程中通過對(duì)不同模塊的組合可實(shí)現(xiàn)適應(yīng)不同作物的收獲。劉宏新等[14-15] 以大豆播種機(jī)為研究對(duì)象，基于譜系層次劃分理論對(duì)大豆播種機(jī)中各零部件的功能和幾何相關(guān)性進(jìn)行分析，利用模糊聚類法對(duì)關(guān)聯(lián)零部件進(jìn)行單元聚合，構(gòu)建了大豆播種設(shè)備的譜系拓?fù)鋱D。宋正河等[16] 基于履帶式收獲機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程和設(shè)計(jì)知識(shí)特點(diǎn)，將模塊化設(shè)計(jì)思想引入到履帶式收獲機(jī)傳動(dòng)系的快速設(shè)計(jì)中，綜合運(yùn)用基于規(guī)則實(shí)例和基于規(guī)則的推理方法，構(gòu)建了履帶式收獲機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的快速設(shè)計(jì)推理機(jī)制。陳夢(mèng)佳[17] 針對(duì)現(xiàn)有大型青貯機(jī)械在丘陵山區(qū)適應(yīng)性低等問題，以功能流模型的模塊化理論為基礎(chǔ)，將青貯機(jī)械作業(yè)過程劃分為典型的模塊并進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，通過虛擬裝配仿真結(jié)果可知，該方法設(shè)計(jì)出的機(jī)械可快速實(shí)現(xiàn)各模塊組裝和拆解的便捷性和快速性。殷彥強(qiáng)[18] 針對(duì)貴州省丘陵山區(qū)馬鈴薯收獲機(jī)械化率低的問題，利用功能流分析的模塊化設(shè)計(jì)方法，對(duì)馬鈴薯收獲機(jī)械進(jìn)行不同層次的模塊劃分，獲得了一系列的功能模塊，通過將不同模塊的組合，派生出具有不同功能的收獲機(jī)械?？锥涠鋄19] 針對(duì)丘陵山區(qū)地理?xiàng)l件復(fù)雜、市場(chǎng)上所售的單一機(jī)型對(duì)不同種植方式的水稻收獲過程適應(yīng)性差的問題，設(shè)計(jì)了電驅(qū)動(dòng)式半喂入小型水稻收獲機(jī)，利用模塊化設(shè)計(jì)思想，將水稻收獲機(jī)的割臺(tái)和脫粒系統(tǒng)進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，并對(duì)割臺(tái)系統(tǒng)和動(dòng)力底盤的部分接口進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過收割系統(tǒng)模塊的不同組合，可獲得具備不同功能的收獲機(jī)械，顯著提升了農(nóng)業(yè)機(jī)械利用率。

由上述文獻(xiàn)分析可知，相關(guān)研究從模塊劃分、組合和模塊的重構(gòu)推理方面進(jìn)行了研究和分析，并將部分研究成果應(yīng)用在農(nóng)業(yè)機(jī)械的生產(chǎn)管理、農(nóng)機(jī)具的重構(gòu)設(shè)計(jì)及機(jī)具接口的設(shè)計(jì)中，提高了丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)機(jī)械的開發(fā)及不同作業(yè)需求時(shí)不同農(nóng)機(jī)具換裝的效率。

2.3 丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)機(jī)械機(jī)組作業(yè)協(xié)同控制

丘陵山區(qū)動(dòng)力底盤在使用過程中需適配特定的農(nóng)機(jī)具來完成農(nóng)業(yè)活動(dòng)中部分生產(chǎn)環(huán)節(jié)的工作，為保證作業(yè)質(zhì)量，需要對(duì)動(dòng)力底盤的行走和姿態(tài)調(diào)節(jié)等進(jìn)行控制， 以獲得較好的作業(yè)質(zhì)量和較高的作業(yè)效率[20-25]。針對(duì)丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)機(jī)械動(dòng)力底盤行走和姿態(tài)調(diào)節(jié)控制問題，國內(nèi)研究人員做了廣泛而深入的研究。

沈躍等[26] 為解決傳統(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)式動(dòng)力機(jī)械底盤在水田環(huán)境作業(yè)時(shí)易出現(xiàn)的陷車和打滑問題，設(shè)計(jì)了一種四輪獨(dú)立電驅(qū)動(dòng)自轉(zhuǎn)向電動(dòng)底盤，并構(gòu)建擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器和串級(jí)比例控制器對(duì)系統(tǒng)模型進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)和控制，仿真和試驗(yàn)結(jié)果表明，在該控制方法作用下，所設(shè)計(jì)的動(dòng)力底盤具有良好的通過性。金城謙等[27] 針對(duì)履帶式聯(lián)合收獲機(jī)在非平坦環(huán)境作業(yè)時(shí)，車身隨地表變換而傾斜導(dǎo)致作業(yè)效率低和安全性降低的問題，設(shè)計(jì)了一種履帶式聯(lián)合收獲機(jī)全向調(diào)平底盤，制定了調(diào)平控制策略并進(jìn)行樣機(jī)試驗(yàn)，結(jié)果表明，該機(jī)構(gòu)及控制策略在地形起伏較小情況下具有較好的自調(diào)平效果。趙建柱等[28] 針對(duì)常規(guī)農(nóng)業(yè)用動(dòng)力底盤對(duì)丘陵山區(qū)適應(yīng)性差的問題，開發(fā)了主動(dòng)平衡試驗(yàn)平臺(tái)并采用雙通道式PID 控制策略對(duì)其平衡過程進(jìn)行控制，試驗(yàn)表明，在8 種不同坡度下，該主動(dòng)平衡試驗(yàn)平臺(tái)及其控制系統(tǒng)均能達(dá)到較好的平衡效果。劉路等[29] 針對(duì)丘陵山區(qū)環(huán)境下自走式履帶機(jī)器人行走過程中自身姿態(tài)波動(dòng)大和跟蹤精度低等問題，利用降維運(yùn)動(dòng)學(xué)建模法，設(shè)計(jì)了一種基于降維變系數(shù)的滑模控制方法并進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明，該方法在平整路面和崎嶇路面均具有較高的姿態(tài)調(diào)節(jié)和準(zhǔn)確跟蹤能力。齊文超等[30] 為提高丘陵山區(qū)拖拉機(jī)在坡道作業(yè)時(shí)自動(dòng)調(diào)平的性能，在團(tuán)隊(duì)開發(fā)的丘陵山區(qū)拖拉機(jī)姿態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，利用雙閉環(huán)模糊PID 控制算法設(shè)計(jì)了車輪擺動(dòng)角度自調(diào)平控制器，并將所設(shè)計(jì)控制器與雙閉環(huán)PID 控制器進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明，自調(diào)平響應(yīng)速度和控制精度方面，雙閉環(huán)模糊PID 控制器均優(yōu)于雙閉環(huán)PID 控制器。劉平義等[31] 針對(duì)丘陵山區(qū)農(nóng)用底盤傾斜后調(diào)平響應(yīng)滯后和調(diào)平精度低等問題，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)的底盤預(yù)檢測(cè)主動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)，提出了一種底盤傾斜預(yù)檢測(cè)主動(dòng)調(diào)平方法并進(jìn)行樣機(jī)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，所設(shè)計(jì)的預(yù)檢測(cè)主動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)和方法可在0.5°范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)平。張錦輝等[32] 針對(duì)丘陵山區(qū)拖拉機(jī)在作業(yè)時(shí)姿態(tài)調(diào)整精度和可靠性不足以滿足實(shí)際作業(yè)需求的問題，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID 算法，設(shè)計(jì)了丘陵山區(qū)拖拉機(jī)車身和機(jī)具姿態(tài)同步控制系統(tǒng)，并將所提控制與PID 控制方法進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，結(jié)果表明，在固定坡度和隨機(jī)坡度兩種作業(yè)工況下該方法均優(yōu)于PID 控制算法。楊福增等[33]針對(duì)山地履帶式拖拉機(jī)在等高線環(huán)境作業(yè)情況下，車身自調(diào)平和機(jī)具作業(yè)姿態(tài)的仿形調(diào)整問題，分別采用PID 和雙閉環(huán)模糊PID 算法設(shè)計(jì)了車身與農(nóng)具姿態(tài)協(xié)同控制系統(tǒng)并進(jìn)行坡道作業(yè)試驗(yàn)，結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的姿態(tài)協(xié)同控制系統(tǒng)在精度和穩(wěn)定性方面均能滿足丘陵山區(qū)等高線作業(yè)需求。

由上述文獻(xiàn)分析可知，相關(guān)研究針對(duì)丘陵山區(qū)機(jī)械車身姿態(tài)的調(diào)平問題，采用PID、模糊PID 和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID 控制的方法對(duì)機(jī)組作業(yè)時(shí)動(dòng)力底盤的調(diào)平問題進(jìn)行了分析，并且在丘陵山區(qū)動(dòng)力底盤的車身自調(diào)平和所配套農(nóng)機(jī)具作業(yè)時(shí)的姿態(tài)調(diào)整問題進(jìn)行了研究。

3 存在問題

（1）對(duì)丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)機(jī)械的開發(fā)多以平原農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)方法為基礎(chǔ)，以實(shí)現(xiàn)高通過性和車身穩(wěn)定性為目標(biāo)，基于平原用農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)對(duì)丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)機(jī)械進(jìn)行改造設(shè)計(jì)，所設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品多以傳統(tǒng)的集中動(dòng)力源（通常為一個(gè)柴油機(jī)或汽油機(jī)）供能驅(qū)動(dòng)方式且在設(shè)計(jì)過程中僅考慮機(jī)械的通過性和穩(wěn)定性，多注重功能的實(shí)現(xiàn)，對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)拓?fù)湓O(shè)計(jì)和傳遞效率的考慮較少。日本和國內(nèi)的部分廠家開發(fā)了一種適用于丘陵山區(qū)耕作的微耕機(jī)型，但這些機(jī)型在使用過程中需要操作人員對(duì)機(jī)型進(jìn)行按壓才能實(shí)現(xiàn)良好的作業(yè)效果，并且在按壓過程中，機(jī)器的振動(dòng)容易增加操作人員的勞動(dòng)負(fù)荷，容易出現(xiàn)機(jī)械傷人的事故。

（2）模塊化設(shè)計(jì)理念在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)中得到了廣泛應(yīng)用，相關(guān)研究人員從模塊劃分、組合及模塊重構(gòu)推理方面進(jìn)行研究。然而，現(xiàn)有研究多集中在以功能流分解為基礎(chǔ)對(duì)已有機(jī)型進(jìn)行模塊劃分方法的研究，僅在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)層面以功能分解為基礎(chǔ)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行模塊劃分，未考慮丘陵山區(qū)動(dòng)力底盤及其配套機(jī)具在工作過程中部分關(guān)鍵部件之間的動(dòng)態(tài)響應(yīng)存在相互影響效應(yīng)（耦合性），采用以功能流為基礎(chǔ)的層次分解法設(shè)計(jì)出的模塊雖在結(jié)構(gòu)上可實(shí)現(xiàn)模塊化，但不利于對(duì)系統(tǒng)整體性能動(dòng)態(tài)特性的優(yōu)化，更沒有從設(shè)計(jì)和控制兩層面同時(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)和分析。

（3）現(xiàn)有研究對(duì)丘陵山區(qū)動(dòng)力底盤在非平坦地表作業(yè)時(shí)姿態(tài)自調(diào)平控制方法做了大量的研究。然而，這些研究僅從控制角度對(duì)丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)機(jī)械動(dòng)力底盤在坡道作業(yè)時(shí)車身的自調(diào)平和機(jī)具的姿態(tài)調(diào)整方面進(jìn)行研究，所設(shè)計(jì)的控制器多以PID 控制器為主，控制參數(shù)的設(shè)定具有一定的偶然性，對(duì)農(nóng)機(jī)具作業(yè)工況的自適應(yīng)性差。在車身調(diào)平和機(jī)具姿態(tài)調(diào)整協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)未考慮機(jī)械作業(yè)時(shí)動(dòng)力底盤與農(nóng)機(jī)具之間的互作效應(yīng)及作業(yè)時(shí)機(jī)組的動(dòng)態(tài)響應(yīng)規(guī)律，更未從設(shè)計(jì)?控制層面同時(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。

4 發(fā)展建議

4.1 新型動(dòng)力傳動(dòng)裝置開發(fā)

動(dòng)力底盤的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)型不僅影響農(nóng)業(yè)機(jī)械的通過性和穩(wěn)定性，同時(shí)也影響動(dòng)力底盤的空間布置形式，單動(dòng)力源集中供能的驅(qū)動(dòng)方式制約車輛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)行走機(jī)構(gòu)和動(dòng)力輸出接口的拓?fù)湓O(shè)計(jì)，不利于農(nóng)業(yè)機(jī)械的輕簡化和模塊化發(fā)展。隨著我國電機(jī)、電池和電控技術(shù)的發(fā)展，探索以高功率和體積密度的電機(jī)作為主要?jiǎng)恿υ?，采用多源?qū)動(dòng)的方案，研究多源驅(qū)動(dòng)方式下不同構(gòu)型方案生成和優(yōu)選方法，分析多源驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)裝置的功率流特性，開展傳動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)鏈主要參數(shù)設(shè)計(jì)方法研究。

4.2 零部件耦合/解耦模塊化設(shè)計(jì)方法研究

對(duì)丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)機(jī)械的開發(fā)不僅要求其在功能上滿足丘陵山區(qū)農(nóng)田作業(yè)的需求，更要求其在性能上滿足農(nóng)戶的使用需求，最大程度降低農(nóng)民的使用成本和降低勞動(dòng)負(fù)荷，這就要求丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)機(jī)械在開發(fā)階段就要分析不同動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置和農(nóng)機(jī)具間在不同作業(yè)場(chǎng)景下的協(xié)同效應(yīng)，包括不同動(dòng)力裝置和農(nóng)機(jī)具間在結(jié)構(gòu)上換裝的便利性，在功能上的高效性。因此，探索考慮丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)機(jī)械的動(dòng)力底盤及配套農(nóng)機(jī)具組成的系統(tǒng)中關(guān)鍵零部件動(dòng)態(tài)特性之間耦合機(jī)理、解耦方法及模塊化建模方法可為丘陵山區(qū)動(dòng)力底盤作業(yè)時(shí)動(dòng)態(tài)特性分析及動(dòng)力底盤和農(nóng)機(jī)具的自適應(yīng)協(xié)調(diào)控制提供理論基礎(chǔ)。

4.3 農(nóng)機(jī)機(jī)組智能化協(xié)同自適應(yīng)控制研究

丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)的特點(diǎn)是機(jī)具樣式多、作業(yè)環(huán)境復(fù)雜和隨機(jī)干擾性大。要保證機(jī)組的作業(yè)效率和質(zhì)量，需要從設(shè)計(jì)和控制兩層面對(duì)機(jī)組在復(fù)雜環(huán)境下作業(yè)時(shí)的控制進(jìn)行分析。因此，未來可從丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)時(shí)動(dòng)力底盤與農(nóng)機(jī)具間動(dòng)態(tài)特性分析，以及從設(shè)計(jì)?控制層面對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)優(yōu)化控制設(shè)計(jì)，開展丘陵山區(qū)動(dòng)力底盤作業(yè)時(shí)車身和機(jī)具姿態(tài)的自適應(yīng)控制。此外，基于丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)工況的復(fù)雜性，現(xiàn)有研究中對(duì)控制器的設(shè)計(jì)多以簡化的理想模型為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)出的控制器需要人為對(duì)參數(shù)進(jìn)行反復(fù)調(diào)整和標(biāo)定，未來研究中可利用數(shù)字驅(qū)動(dòng)建模的方法對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析，以便于控制器的設(shè)計(jì)及控制層面，可采用強(qiáng)化學(xué)習(xí)和最優(yōu)控制理論對(duì)機(jī)組的作業(yè)過程進(jìn)行協(xié)同自適應(yīng)優(yōu)化控制。

5 結(jié)束語

提升丘陵山區(qū)的農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平是提升我國農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的關(guān)鍵抓手，也是未來實(shí)現(xiàn)丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化和智能化的重要途徑。本研究從農(nóng)業(yè)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法、農(nóng)業(yè)機(jī)械的模塊化設(shè)計(jì)和農(nóng)業(yè)機(jī)械的控制3個(gè)方面對(duì)丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)機(jī)械的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，并針對(duì)當(dāng)前研究中存在的不足之處提出了建議。

（1）通過使用新型動(dòng)力源裝置（電機(jī)或馬達(dá)）構(gòu)建新型多源動(dòng)力驅(qū)動(dòng)和輸出的丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)機(jī)械動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)方案。

（2）在利用模塊化方法對(duì)丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)深入研究動(dòng)力底盤及配套農(nóng)機(jī)具組成的機(jī)組中關(guān)鍵零部件功能、性能和結(jié)構(gòu)耦合機(jī)理及解耦方法。分析動(dòng)力底盤及配套農(nóng)機(jī)具組成的機(jī)組在作業(yè)工況下，系統(tǒng)中各關(guān)鍵零部件在功能、性能和結(jié)構(gòu)方面的耦合關(guān)系及機(jī)理，探究各關(guān)鍵零部件之間的解耦方法，為系統(tǒng)的模塊化劃分、換裝接口設(shè)計(jì)和建模分析方法提供參考。

（3）在復(fù)雜作業(yè)工況下利用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)建模和控制的方法對(duì)底盤行走系統(tǒng)、車身姿態(tài)調(diào)整和農(nóng)機(jī)具姿態(tài)的協(xié)調(diào)優(yōu)化控制展開研究，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械性能提升。

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