履帶式除草機(jī)器人高地隙移動平臺機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

李江龍，盧智琴，鮑義東，楊 帆，李云婷

（貴州航天智慧農(nóng)業(yè)有限公司，貴州 貴陽 550000）

作物生長雜草在田間與作物競爭養(yǎng)分、水和光照等資源，是影響作物產(chǎn)量的重要原因之一[1]。已有的除草方式包括人工除草、化學(xué)除草、物理除草、機(jī)械化除草和生物除草等[2]，最主要除草方式仍是化學(xué)除草。2016年，上海市崇明區(qū)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心調(diào)查了50個家庭農(nóng)場，發(fā)現(xiàn)了從業(yè)人員年齡大、技術(shù)來源少、除草方式多樣、農(nóng)藥使用過多等問題[3]?！都~約時報》曾報道使用除草劑過度會導(dǎo)致雜草抗藥性增強(qiáng)[4]，部分除草劑如如二氯喹啉酸等因難以降解而對作物產(chǎn)生不良影響[5]。大力發(fā)展除草機(jī)器人是解決田間除草環(huán)節(jié)人力和環(huán)保問題的關(guān)鍵，利用機(jī)器視覺識別作物和雜草，有針對性地噴灑化學(xué)除草劑以減少用藥量。本文旨在闡述除草機(jī)器人的產(chǎn)生、現(xiàn)狀及趨勢，重點分析除草機(jī)器人的結(jié)構(gòu)與技術(shù)，使人們對除草機(jī)器人有一定認(rèn)識。研究除草機(jī)器人的目的是減少人力和降低化學(xué)除草劑量，這對緩解勞動力短缺和保護(hù)生態(tài)環(huán)境具有重要意義。聚焦田間雜草清除領(lǐng)域，不涉及觀賞草坪、園林等其他應(yīng)用場景，但對其他除草應(yīng)用領(lǐng)域也具有參考意義。

美國加州大學(xué)Lee 等[6]研究了一款基于機(jī)器視覺的除草機(jī)器人，作物和雜草的位置可以得到檢測，且化學(xué)除草劑可以精準(zhǔn)噴灑。Astrand 等[7]研究了一種行內(nèi)除草機(jī)器人，采用灰度和彩色視覺：灰度視覺在12 株雜草/作物密度下可識別出作物行，誤差在±2 cm；作物和雜草可通過彩色視覺辨別。丹麥農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所Bak 等[8]研究了一款繪制雜草地圖的機(jī)器人，配備攝像機(jī)用于行導(dǎo)航和雜草檢測，采用四輪轉(zhuǎn)向和分布式多處理器控制系統(tǒng)，具有較好的野外操縱性。Perez-Ruiz 等[9]在加州大學(xué)戴維斯分校農(nóng)場針對番茄移栽研究了一種除草機(jī)器人，除草刀具開合的控制可通過精確測速技術(shù)并結(jié)合實時測向數(shù)據(jù)實現(xiàn)。南京林業(yè)大學(xué)陳勇團(tuán)隊[10]研究了一種玉米苗期除草機(jī)器人，包括四輪車身、切割抹藥裝置等結(jié)構(gòu)，采用切割外加涂抹化學(xué)除草劑的方式，可行間和株間同時除草。中國農(nóng)業(yè)大學(xué)李偉團(tuán)隊[11]研制了一種以拖拉機(jī)為動力的鋤草機(jī)器人，設(shè)計了月牙形鋤草刀具，通過機(jī)器視覺，當(dāng)識別到作物時，可自動旋轉(zhuǎn)刀具避開作物。華南理工大學(xué)張勤團(tuán)隊[12]研究了水田除草機(jī)器人，我國南方水田環(huán)境復(fù)雜，雜草、浮萍、藍(lán)藻等的顏色與水稻秧苗十分相近，易混淆。

除草機(jī)器人已有很大的發(fā)展，也有一些產(chǎn)品問世，但從統(tǒng)計數(shù)據(jù)看，目前用于田間的除草機(jī)器人數(shù)量并不多，距普及還有很長時間。在國內(nèi)，田間除草機(jī)器人當(dāng)前停留在試驗階段，除草機(jī)器人的研究有重要的現(xiàn)實意義。但目前來看，采用拖拉機(jī)或重型自走式底盤懸掛打頂機(jī)的方案，還存在通過性差、機(jī)動性差、普適性差、自重過大幾個問題。

2 機(jī)構(gòu)設(shè)計的整體方案

為滿足作物田間管理作業(yè)需求，需要移動平臺有較好的普適性、通過性、機(jī)動性與穩(wěn)定性以應(yīng)對復(fù)雜惡劣的農(nóng)田環(huán)境；能夠搭載多個、多種作業(yè)裝置，實現(xiàn)高效作業(yè)、一機(jī)多用；滿足不同種植行距、不同生長高度植株的作業(yè)需求，同時盡可能地保護(hù)作業(yè)生態(tài)；具有良好的行進(jìn)、調(diào)速、轉(zhuǎn)向性能，機(jī)動靈活。針對這些需求，設(shè)計了一種除草機(jī)器人高地隙移動平臺。移動平臺包括車架、傳動機(jī)構(gòu)、履帶機(jī)構(gòu)、動力與控制系統(tǒng)，其整體結(jié)構(gòu)軸測圖見圖1。

圖1 移動平臺整體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The overall structure of mobile platform

2.1 平臺技術(shù)參數(shù)

綜合考慮種植環(huán)境及除草機(jī)器人工作環(huán)境，要求除草機(jī)器人具有高地隙底盤結(jié)構(gòu)，可以保證留有足夠空間將作物穿過機(jī)械平臺，在除草過程中不會受到“二次傷害”?？紤]到除草效率以及作物種植特點，對平臺外形尺寸及履帶進(jìn)行設(shè)計，以保證履帶在地壟間隙運動時避免壓苗情況出現(xiàn)。履帶式除草機(jī)器人高地隙移動平臺主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 庫爾勒香梨產(chǎn)量統(tǒng)計Tab.1 The yield of Korla fragrant pear

2.2 除草機(jī)器人平臺關(guān)鍵部件的設(shè)計

2.2.1 車架設(shè)計

車架整體為龍門架式構(gòu)型，材質(zhì)為普通碳鋼。整機(jī)質(zhì)量不到95 kg，相比傳統(tǒng)重型農(nóng)業(yè)裝備而言質(zhì)量輕巧。型材表面陽極氧化，耐潮、耐腐蝕，能很好地適用于農(nóng)田野外環(huán)境。根據(jù)有關(guān)測量數(shù)據(jù)，種植情況如表2。移動平臺結(jié)構(gòu)尺寸充分考慮了農(nóng)作物農(nóng)藝要求，履帶間隔距離為660 mm；移動平臺底部至地面的間隙710 mm，整體通過性良好，滿足不同種植行距、不同生長高度棉花管理作業(yè)需求。

表2 作物種植情況Tab.2 The crop planting

2.2.2 傳動機(jī)構(gòu)

傳動機(jī)構(gòu)主要由動力軸、傳動鏈、鏈輪、減速器和動力輸出系統(tǒng)組成。發(fā)動機(jī)至減速器采用鏈?zhǔn)絺鲃?，采用齒輪減速器，采用鏈傳動作動力輸出系統(tǒng)。該傳動方式結(jié)構(gòu)簡單、工作平穩(wěn)、價格低廉、傳動效率高。選用了履帶運輸車專用減速器，傳動比合適，具有傳動平穩(wěn)準(zhǔn)確，可靠性高的優(yōu)點。鏈傳動動力輸出系統(tǒng)功率適當(dāng)，發(fā)熱量適中，傳動平穩(wěn)、價格適中。傳動方案確定后進(jìn)行傳動比分配。一級傳動為鏈傳動，傳動比不宜過大，設(shè)定為1∶2。履帶式移動平臺行駛速度為0.4～0.6 km/h，動力經(jīng)鏈條傳遞至減速器，根據(jù)此要求進(jìn)行計算，以滿足要求。

2.2.3 履帶機(jī)構(gòu)

由于田地凹凸不平，普通輪式車輛的重心較高，不適宜在田地間行駛，在泥濘路上容易打滑，破壞土壤；農(nóng)業(yè)橡膠履帶車具有質(zhì)心低、接地比壓小、爬坡能力強(qiáng)、通過能力強(qiáng)、使用壽命長、價格低廉等優(yōu)點，適合在不平整的土地上行駛。因此，選擇履帶式行走系統(tǒng)。履帶行走裝置采用“四輪一帶”結(jié)構(gòu)，主要組成為驅(qū)動輪、張緊輪、支重輪、誘導(dǎo)輪、履帶和車架等。行駛過程中，驅(qū)動輪通過輪齒和履帶的嚙合將履帶卷起。當(dāng)前進(jìn)的驅(qū)動力大于行走阻力時，車輛向前行駛。戰(zhàn)車型的履帶有較大的前進(jìn)角和離去角，越障性能好，適用于路面條件惡劣的環(huán)境，故選擇戰(zhàn)車型履帶。由于田地的道路條件較差，履帶行走系統(tǒng)的前傾角和后傾角應(yīng)盡量取較大的值，該機(jī)的前傾角和后傾角分別為42.4°和41.5°。驅(qū)動輪可以前置，也可以后置。后輪驅(qū)動的傳動效率高，采用驅(qū)動輪后置的方式，優(yōu)點是履帶受力大的區(qū)段短，延長了履帶的使用壽命，履帶不容易拱起來。但是操縱機(jī)構(gòu)和傳動機(jī)構(gòu)需要占用空間。當(dāng)驅(qū)動輪采用前輪驅(qū)動的時候，發(fā)動機(jī)對稱布置在兩側(cè)車廂內(nèi)，調(diào)節(jié)前后狀態(tài)見圖2。

圖2 履帶行走機(jī)構(gòu)簡圖Fig.2 The diagram of crawler traveling mechanism

3 穩(wěn)定性分析

高地隙移動平臺重心較高，為確保移動平臺在有坡度的地面行駛或作業(yè)時不至于傾覆，需要分析移動平臺的穩(wěn)定性。在移動平臺緩慢行駛或靜止的情況下，忽略平臺空氣阻力、輪胎彈性變形等因素進(jìn)行分析。

3.1 縱向穩(wěn)定性分析

移動平臺上坡或下坡時，可能會發(fā)生縱向傾覆。以移動平臺上坡的情況進(jìn)行力學(xué)分析，受力分析圖，見圖3。

圖3 移動平臺縱向穩(wěn)定性分析Fig.3 The longitudinal stability analysis of mobile platform

建立其平衡方程如下：

式中：FN1——前輪所受支撐力，N；FN2——后輪所受支撐力，N；G——移動平臺所受重力，N；α1——上坡狀態(tài)縱向傾覆角，°；Ff1——前輪所受摩擦力，N；Ff2——后輪所受摩擦力，N；h——重心至地面垂直距離，mm；L1——重心至前輪水平距離，mm；L2——重心至后輪水平距離，mm。

移動平臺前輪支撐力為零，即N時，移動平臺縱向傾覆，此時：

同理，移動平臺下坡時縱向傾覆角為：

式中：α2——下坡狀態(tài)縱向傾覆角，°。

利用Solidworks 軟件對移動平臺進(jìn)行質(zhì)量屬性分析，得重心高度h=464.39 mm，重心與前輪、后輪水平距離分別為L1=389.22 mm、L2=550.78 mm。將所得參數(shù)代入式（3）、（4）中，得移動平臺上下坡縱向傾覆角分別為α1=49.86°、α2=39.97°。

3.2 橫向穩(wěn)定性分析

當(dāng)移動平臺左右車身不在同一水平面上時，可能會發(fā)生橫向傾覆。此時移動平臺受力情況，見圖4。

圖4 移動平臺橫向穩(wěn)定性分析Fig.4 The lateral stability analysis of mobile platform

當(dāng)高側(cè)輪所受支撐力為零時移動平臺橫向傾覆，此時：

式中：L3——重心至單側(cè)輪胎水平距離，mm；β——橫向傾覆角，°。

移動平臺左右結(jié)構(gòu)基本對稱，那么重心至單側(cè)輪胎水平距離即一半輪距，故L3=405mm。將所得參數(shù)代入式（6）中，可得其橫向傾覆角為β=41.09°。

由公式（3）、（4）、（6）可以看出，移動平臺穩(wěn)定性與重心高度、左右兩側(cè)輪胎輪距、前后兩端輪胎軸距有關(guān)。輪距、軸距越大、平臺重心高度越低，穩(wěn)定性就越好，抗傾覆能力就越強(qiáng)。

4 運動學(xué)仿真分析

在以理論分析的方法計算得出移動平臺傾覆角后，利用Solidworks Motion進(jìn)行運動學(xué)仿真做進(jìn)一步驗證。

4.1 仿真過程

通過翻轉(zhuǎn)試驗來獲得傾覆角參數(shù)，試驗平臺與試驗過程見圖5。對移動平臺三維模型進(jìn)行極端處理，即調(diào)整其為地隙最高、輪距最窄狀態(tài)，從穩(wěn)定性分析的理論計算中可得出此時移動平臺的穩(wěn)定性最差。在移動平臺上施加汽油機(jī)等負(fù)載，分別進(jìn)行上下坡與橫向行駛的傾覆仿真。

圖5 仿真試驗示意圖Fig.5 The schematic diagram of simulation experiment

仿真時先添加重力場，設(shè)置重力方向與重力加速度數(shù)值。設(shè)置移動平臺輪胎與平板為實體接觸，二者材料分別為Rubber（Dry）、Steel（Dry）。修改靜態(tài)摩擦系數(shù)為1，取較大靜摩擦系數(shù)以防止仿真過程中輪胎發(fā)生滑移。其余參數(shù)如剛度、力指數(shù)、阻尼、穿透度等采用系統(tǒng)默認(rèn)值。設(shè)置旋轉(zhuǎn)馬達(dá)驅(qū)動平板轉(zhuǎn)動，運動形式為等速，旋轉(zhuǎn)速度為1RPM。

4.2 仿真結(jié)果

通過仿真分析，得到移動平臺在縱向上坡、縱向下坡、橫向行駛3 種狀態(tài)下，傾覆一側(cè)輪胎接觸力峰值曲線見圖6。傾覆一側(cè)輪胎接觸力穩(wěn)定為零值后，意味著移動平臺發(fā)生側(cè)翻。結(jié)合旋轉(zhuǎn)馬達(dá)轉(zhuǎn)速，可以計算得出此時平板對應(yīng)角位移，即移動平臺傾覆角。

圖6 傾覆一側(cè)輪胎接觸力曲線圖Fig.6 The contact force curve of tire on overturned side

從仿真圖解可以看出，3 種情況下移動平臺傾覆一側(cè)輪胎接觸力分別在7.27 s、6.85 s、7.05 s 后穩(wěn)定為零值，即發(fā)生傾覆。計算得出傾覆角參數(shù)見表3。

表3 運動仿真結(jié)果Tab.3 The dynamic simulation results

仿真結(jié)果與理論計算得出的傾覆角數(shù)值基本一致，說明結(jié)果可靠。取理論計算與運動仿真2種分析方法中傾覆角數(shù)值較小的為最終解，確定移動平臺地隙最高輪距最窄時縱向上坡傾覆角、縱向下坡傾覆角、橫向側(cè)翻傾角分別為43.62°、43.02°、42.3°。移動平臺上下坡與橫向行駛傾覆角均大于預(yù)設(shè)的最大爬坡角，說明移動平臺穩(wěn)定性滿足使用需求。

5 靜力學(xué)仿真分析

移動平臺車身是除草機(jī)器人的主要承載部件，必須有足夠的強(qiáng)度才能在面對復(fù)雜的農(nóng)田環(huán)境時，不產(chǎn)生變形、失效甚至斷裂的情況。所以基于SolidWorks Simulation 對移動平臺車身進(jìn)行了靜力學(xué)分析，確保車體可以承受足夠大的載荷而不發(fā)生失效。

5.1 靜應(yīng)力仿真

為降低仿真分析的計算難度，對車架進(jìn)行簡化，見圖7。去除車架上所有非承載部件以及部分輔助支撐部件，如車架上用以安裝減震彈簧或連稈的支座，以及車架中部橫稈與外伸前懸下方用以輔助支撐的L鋼。

圖7 簡化后的車架Fig.7 The simplified frame

依次對仿真的材料屬性、固定約束、外部載荷與網(wǎng)格參數(shù)等進(jìn)行設(shè)置。將各零部件的材料定義為304 不銹鋼，對應(yīng)德標(biāo)牌號為X5CrNi18-10，DIN碼為1.4301，材料屬性見表4。

表4 材料屬性參數(shù)Tab.4 The material property parameters

為完成靜應(yīng)力分析，首先需要對模型進(jìn)行約束，固定約束車架4 個底腳。假定車架上方的承載質(zhì)量為150 kg，因此對車架上方平面施加1 500 N 的均布外部載荷。在車架兩側(cè)還掛接有兩個質(zhì)量為27.72 kg 的側(cè)箱，故在車架側(cè)邊對應(yīng)的橫稈上施加280 N的外部載荷。

為了取得較為精確的結(jié)果，采用軟件設(shè)定的最大密度劃分網(wǎng)格，具體設(shè)置參數(shù)見表5。結(jié)果見圖8。

表5 網(wǎng)格劃分參數(shù)Tab.5 The meshing parameters

圖8 網(wǎng)格化后的車架Fig.8 The gridded frame

仿真結(jié)果圖解見圖9。由圖解知，應(yīng)力應(yīng)變主要集中在上方橫稈中部、外伸前懸與車架后端。實際上，車架上方橫稈中部、外伸前懸有L鋼輔助支撐，車架后端上有連接有減震彈簧。那么車架的實際強(qiáng)度會比仿真結(jié)果更好。仿真結(jié)果見表6。

表6 靜力學(xué)仿真結(jié)果Tab.6 The static simulation results

圖9 車架靜力學(xué)仿真Fig.9 The static simulation of frame

5.2 靜應(yīng)力分析

移動平臺車架的強(qiáng)度需要滿足應(yīng)力與應(yīng)變不超過許用值，即滿足下列條件：

式中：σmax——車架上的最大應(yīng)力，MPa；[σ]——材料的許用應(yīng)力，MPa；σs——材料的屈服強(qiáng)度，MPa；ns——安全系數(shù)；εmax——材料的最大等量應(yīng)變；[ε]——材料的許用應(yīng)變，MPa。

考慮農(nóng)田路況并不平整，移動平臺行駛時可能會受到較大的振動與沖擊，取安全系數(shù)為ns=5。而屈服極限σs=400 MPa，代入得許用應(yīng)力[σ]=80 MPa。由仿真結(jié)果可知，最大應(yīng)力σmax=2.236 MPa＜＜[σ]。假定一個極小值為材料的許用應(yīng)變，取[ε]=0.005。由仿真結(jié)果知，最大應(yīng)變εmax=7.712×10-6＜＜[ε]。

綜上所述，車架整體的力學(xué)性能良好，所受應(yīng)力等參數(shù)遠(yuǎn)小于許用值，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度能滿足棉花打頂裝置的運載與作業(yè)需求。

6 結(jié)論

本文依托橫向課題“基于數(shù)據(jù)分析的雙目視覺識別除草機(jī)器人研發(fā)”，對履帶式除草機(jī)器人高地隙移動平臺進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析。結(jié)合農(nóng)作物種植模式和農(nóng)藝要求，確定了適合高稈作物田間管理作業(yè)需求的高地隙移動平臺總體方案。對傳動機(jī)構(gòu)、履帶機(jī)構(gòu)、車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計。分析了移動平臺行駛、轉(zhuǎn)向性能，確保整機(jī)機(jī)動性良好。以理論計算、運動仿真的方法分析了移動平臺的穩(wěn)定性，2 種方法結(jié)果基本一致，得到移動平臺上下坡與橫向傾覆角分別為43.62°、43.02°、42.3°。在農(nóng)田實際工況下對樣機(jī)進(jìn)行了性能試驗，結(jié)果表明移動平臺行進(jìn)速度范圍為0.4～6 km/h，遠(yuǎn)程搖控距離大于450 m，可搭載150 kg 負(fù)載并穩(wěn)定移動，能順利實現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向，滿足棉花打頂裝置的運載與作業(yè)需求。