自主行走植保車的設計與試驗研究

秦偉樺，冉云亮，朱晨輝，秦超彬，王萬章

（1.472000 河南省 三門峽市 河南省煙草公司三門峽市公司；2.450002 河南省 鄭州市 鄭州容大科技股份有限公司；3.450002 河南省 鄭州市 河南農(nóng)業(yè)大學 機電工程學院）

0 引言

隨著科學技術發(fā)展，人們越來越重視對煙草的研究。煙草的高經(jīng)濟價值歷來舉世公認，在增加國民經(jīng)濟方面意義重大[1-2]。近年來，衛(wèi)星導航、信息無線傳輸、傳感器和控制技術等加速了智能化農(nóng)機的設計和開發(fā)，但在煙草農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，煙草植保、打頂?shù)拳h(huán)節(jié)還未實現(xiàn)機械化，生產(chǎn)過程勞動強度大、費時、費工[3]，嚴重制約了我國煙草規(guī)模化及機械化種植[4]。

在田間管理車輛的研究方面，陳勇[5]開發(fā)研究了自動除草的四輪驅(qū)動作業(yè)車，計算機從地面圖像中識別出雜草目標，再發(fā)出指令控制機械臂切割雜草并涂抹除草劑；王寶梁[6]設計了一款兩輪驅(qū)動的作業(yè)車，并針對葉菜類蔬菜進行噴灑和機械除草作業(yè)；劉路[7]以機械化種植并生長到中后期的玉米為研究對象，應用了一款履帶式作業(yè)車搭載彌霧機，在作物行間大面積均勻施藥展開技術研究；尹振波[8]在已有底盤的基礎上，用一種小型兩驅(qū)電動四輪車，研究了超聲波避障功能；張一星[9]設計了一款兩輪驅(qū)動的作業(yè)車，使用電動車輪轂電機；車延超[10]設計了一款變量噴灑的作業(yè)車，使用電動車輪轂電機，基于圖像進行施藥；白如月[11]等設計了一種可以在作物行間自主行走的施藥機器人，實現(xiàn)植保作業(yè)車在溫室內(nèi)的自動行走并均勻施藥；陳黎卿[12]等設計了一種遙控噴霧機，行駛速度在2～10 km/h，使用阿克曼轉(zhuǎn)向原理，設計了四桿轉(zhuǎn)向機構。

本文根據(jù)煙草種植農(nóng)藝和植保作業(yè)需求，設計了一款自主行走時植保作業(yè)車，搭配噴霧系統(tǒng)作業(yè)部件，可實現(xiàn)煙草田間自主行走噴霧作業(yè)，提高煙草病蟲害防治機械智能化水平。

1 作業(yè)車結構設計

結合煙草田間植保作業(yè)要求，作業(yè)車的結構設計應充分考慮煙草的種植模式、作業(yè)期作物長勢等因素，因此，設計距地間隙可以調(diào)整的作業(yè)底盤和輪距，使作業(yè)車能符合不同種植行距的煙草田間植保作業(yè)需求。作業(yè)車設計輪距為1～1.3 m，離地間隙為0.7～1.3 m；采用四輪驅(qū)動，動力由電動機提供。電機的控制能夠滿足智能化的應用。自主行走式植保作業(yè)車主要技術參數(shù)如表1 所示，結構如圖1 所示。

圖1 作業(yè)車結構圖Fig.1 Structure diagram of the operating vehicle

2 主要部件設計

2.1 轉(zhuǎn)向結構設計

折腰轉(zhuǎn)向通過鉸接的底盤單元來改變車輛的前進方向。在轉(zhuǎn)彎期間，可以保持驅(qū)動元件提供最大推力，如圖2 所示。采用中梁式車架，車輪與車架在平面內(nèi)沒有發(fā)生相對運動，提高了越野性能。轉(zhuǎn)向機構不需要扭轉(zhuǎn)梁和其他部件，優(yōu)化了前后橋結構。轉(zhuǎn)向時，兩側(cè)車輪不會相對車橋偏轉(zhuǎn)，隨著折腰角φ的增加，轉(zhuǎn)向半徑明顯減小。通過理論分析，設計采用的軸距為 1 200 mm，前車梁與后車梁長度相同。

轉(zhuǎn)彎瞬時半徑中心（C）描述了作業(yè)車在大地坐標系下的旋轉(zhuǎn)半徑，可用于控制作業(yè)車進行路徑跟蹤。由于設定路徑的每個小部分可以通過其曲率半徑來描述，因此，可用作控制前后平臺之間所需的折腰角度。

在l1=l2的情況下，l 取前后車架長度為 r1=r2。

作業(yè)車在轉(zhuǎn)向過程中的內(nèi)圈半徑rmin為

外圈半徑 rmax（最小轉(zhuǎn)彎半徑）為

當最大轉(zhuǎn)向角為 50°，輪距為 1 000 mm 時，內(nèi)圈轉(zhuǎn)彎半徑為 787 mm，最小轉(zhuǎn)彎半徑為 1 787 mm，適合全地形作業(yè)的轉(zhuǎn)向需求。

由于作業(yè)車采用小型輕量化底盤結構設計，整體載重較小，所以采用電機主動轉(zhuǎn)向。經(jīng)查詢，選用一款 48 V 直流減速電機，轉(zhuǎn)速 72 r/min，最大輸出扭矩達到 60 N·m。同時，設計了適用于折腰轉(zhuǎn)向的齒輪傳動系，減速比為6，經(jīng)過齒輪傳動系的傳遞，可以達到轉(zhuǎn)向的使用要求。

2.2 輪距調(diào)整結構設計

輪距調(diào)整功能的實現(xiàn)需要將車架進行分離，目前應用較多的為液壓推桿，通過雙排鏈輪連接傳動系，分別驅(qū)動前后橋底部的連接推桿，達到輪距調(diào)整的目的。本設計的輪距調(diào)整以機械結構調(diào)節(jié)為主，可提高輪距調(diào)整的穩(wěn)定性和可靠性（如圖3 所示）。調(diào)節(jié)裝置與支撐柱之間使用 U 型螺絲進行固定，可以調(diào)整高度；裝置橫梁與車架橫梁采用螺孔螺栓固定，可以調(diào)節(jié)輪距。

圖3 底盤調(diào)節(jié)結構Fig.3 Regulatory structure of the chassis

2.3 噴霧系統(tǒng)設計

2.3.1 噴桿的設計

噴桿設計寬度為 6 m，噴桿折疊后的尺寸與輪距相差不大，可以更好地進行轉(zhuǎn)場作業(yè)。采用多段式折疊的方法。在主噴桿與副噴桿的連接處，設計了一種可以按壓旋轉(zhuǎn)的結構，彈簧底座與圓管之間，使用梯形槽固定，彈簧上部與固定螺栓間安裝有墊片可直接按壓旋轉(zhuǎn)。這種結構可以方便地進行折疊或展開，同時，保證作業(yè)時的平衡性和穩(wěn)定性。

2.3.2 噴頭、水泵和噴霧控制器的選擇

噴頭是植保作業(yè)中的關鍵部件，噴頭的型號、數(shù)量和安裝間距直接影響植保作業(yè)質(zhì)量。結合煙草田間管理植保作業(yè)的農(nóng)藝要求，本次設計采用噴嘴流量為 1，3 號藍色噴嘴。因為作業(yè)車用電池作為能源，選用電動隔膜泵作為噴霧作業(yè)動力源，配置噴頭 12 個，藥箱容量 200 L，隔膜泵最大流量為 18.9 。設計選用變量噴霧控制器，可依據(jù)作業(yè)車的速度實現(xiàn)對噴霧機藥液管路的流量控制，主要包括主控制器、GPS 接收器、流量計、壓力傳感器、速度傳感器、比例控制閥、主閥和節(jié)閥。噴霧裝置主要部件如圖4 所示.。

圖4 噴霧裝置Fig.4 Spray device

3 控制系統(tǒng)設計

3.1 主要部件的選擇

自主植保作業(yè)車的控制模式采用手動和自動兩種方式，可以使用遙控器進行人機交互。在自動模式下，可以輸入預定路徑的 KML 數(shù)據(jù)，植保作業(yè)車控制器通過讀取 IMU 姿態(tài)信息和 GPS衛(wèi)星定位信息調(diào)整轉(zhuǎn)向，控制驅(qū)動電機按照預定路徑自主行走。在作業(yè)過程中，作業(yè)車通過無線通訊模塊實時回傳位置和速度信息，在電腦或手機端可以進行查看并修改航線或行駛速度。

使用遙控器控制作業(yè)車時，可以進行模式切換并且手動控制作業(yè)車的油門、轉(zhuǎn)向和噴霧藥泵開關，基本原理為：手動發(fā)射信號由接收機接受并傳遞給主控制器，控制器根據(jù)信號值調(diào)整作業(yè)車的工作狀態(tài)。設計采用遙控器工作頻率為2.4 GHz，脈沖寬度調(diào)制（PWM）發(fā)送信號。采用 ATMEL 公司生產(chǎn)的 ATMEGA2560-16AU 型號的單片機作為行走作業(yè)車控制系統(tǒng)的核心，該類型單片機具有系統(tǒng)工作穩(wěn)定、運算速度快、功耗低等特點。芯片的連通性包括EBI/EMI，I2C，SPI，UART/USART，外圍設備具有欠壓檢測/復位，POR，PWM，WDT 等功能，可滿足設計需要。

3.2 電路設計

設計采用典型的 IMU，包括三軸姿態(tài)陀螺儀和三軸加速度計，分別測量角速度和線性加速度。MPU-6000 將三軸加速度計和三軸陀螺儀集成在一個硅片上，具有較低的噪音，比較好的溫度穩(wěn)定性和精度。當連接到三軸磁強計時，MPU-6000 提供完整的 9 軸運動融合輸出到 I2C 或 SPI端口。接口電路如圖 5 所示。

圖5 陀螺儀與單片機的接口電路Fig.5 Interface circuit of gyroscope and single-chip microcomputer

磁強計使用型號為 HMC5883L，精度在1～2°，可以通過 I2C 通信，具有簡易的 I2C 系列總線接口。接口電路如圖6 所示。

圖6 磁強計與單片機的接口電路Fig.6 Interface circuit of magnetometer and single-chip microcomputer

針對所使用的驅(qū)動電機型號，設計適用于控制系統(tǒng)和電機之間連接的驅(qū)動模塊，電機的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)主要依靠 MOSFET 場效應管，且控制系統(tǒng)經(jīng)過濾波和 PID 調(diào)節(jié)對電機進行轉(zhuǎn)速的調(diào)整。電路原理如圖 7 所示。轉(zhuǎn)向電機的控制電路需要用到繼電器控制電機正反轉(zhuǎn)，搭建了 H 橋，如圖 8 所示。電路板實物圖如圖9 所示。

圖7 電機驅(qū)動模塊電路圖Fig.7 Circuit diagram of the motor drive module

圖8 轉(zhuǎn)向電機控制電路Fig.8 Control circuit of steering motor

圖9 控制系統(tǒng)電路板Fig.9 Circuit board of control system

4 樣機性能試驗

為了進一步驗證植保作業(yè)車的設計是否符合要求，在河南省滑縣某工廠進行了樣機試驗，主要對作業(yè)車轉(zhuǎn)向性能、直線行走和續(xù)航時間等進行測試。實物樣機如圖10 所示。

圖10 作業(yè)車樣機Fig.10 Operation vehicle prototype

4.1 轉(zhuǎn)向性能試驗

作業(yè)車設計最大轉(zhuǎn)向角為 50°，最小輪距1 000 mm。在輪距不變的情況下，植保作業(yè)車以3 km/h 的速度在干砂土地面上低速轉(zhuǎn)向，自轉(zhuǎn)一圈，可以得到作業(yè)車車輪的內(nèi)側(cè)和外側(cè)軌跡（如圖 11 所示），利用卷尺測量外側(cè)軌跡可測得作業(yè)車的最小轉(zhuǎn)彎半徑為2 000 mm。

圖11 轉(zhuǎn)彎半徑試驗Fig.11 Turning radius test

4.2 直線偏移量試驗

自主行駛植保作業(yè)車在田間行走時，直線行走的偏移率是評價控制系統(tǒng)的重要指標，具體的試驗方法為：以設計的作業(yè)速度 6 km/h 在預定直線路徑行走 100 m，測量終點與起點之間的偏移量，重復 5 次并記錄數(shù)據(jù)（見表2）。由直線偏移量試驗數(shù)據(jù)得出，平均偏移量為 5.51 cm，直線偏移量主要跟測試場地的平整程度和 GPS 精度有關。結果表明該植保作業(yè)車可以進行高效可靠的作業(yè)。

表2 直線偏移量試驗數(shù)據(jù)Tab.2 Test data of straight line offset rate

4.3 續(xù)航時間測試

在試驗場地內(nèi)，在滿載條件下以 6 km/h 的作業(yè)速度在預定區(qū)域內(nèi)進行不間斷的行駛，得到續(xù)航時間，共進行了 5 次試驗，試驗數(shù)據(jù)如表3所示。植保作業(yè)車滿載情況下的續(xù)航時間平均值達到了2.54 h，符合設計要求。

表3 續(xù)航時間試驗數(shù)據(jù)Tab.3 Test data of endurance time

5 結論

自主行走植保作業(yè)車，采用驅(qū)動電機推動折腰轉(zhuǎn)向，車架距地間隙可調(diào)節(jié)，配合噴桿及噴霧裝置和遙控器的自動控制，車輛機動性強，轉(zhuǎn)向方便，控制靈活；植保車輪距調(diào)整范圍為 1～1.3 m，適用于煙草田間跨壟作業(yè)及玉米、大豆不同寬窄行的植保農(nóng)藝要求，適用范圍廣，推廣價值高；作業(yè)車最小轉(zhuǎn)彎半徑為 2 mm，直線偏移率 0.05 m，續(xù)航時間 2.54 h。試驗結果表明，樣機性能參數(shù)基本達到設計要求。