针对玉米移动式采集平台的设计

来源:用户上传      作者:贾朝元 仲红雨 冯亦工

　　摘   要：文章設计的移动采集平台主要用于采样收集田间植物性状特征，从全局角度出发，通过遥远控制移动采集平台行走在田间，采集植物性状特征。为此，根据田间的种植模式与移动采集平台设计对应关系，确定移动采集平台的相关设计参数，然后确定该移动采集平台结构的总体设计方案。驱动形式作为该平台的关键部件，根据机械设计和驱动要求等边界条件，选用适合的驱动机构和转向机构的驱动形式。
　　关键词：移动采集;遥远控制;驱动形式
　　1    移动采集平台结构总体设计
　　移动采集平台在田间（玉米地）行走时的运动状态很大程度上取决于田间（玉米地）土壤物理特性[1]，例如移动采集平台在田间行走时，当土壤较为松软且存在凸起或低洼的地形条件时，会降低移动采集平台的通过性和采集植物性状信息的采样准确性，因此保证悬架结构对总体设计尤为关键[2]。
　　针对移动采集平台行走平稳性和可靠性问题，本文假设移动采集平台在规范化种植的田间工作，此外考虑到玉米属于单子叶禾本科植物，植物茎干比较脆弱，需减少人为损害，故该移动采集平台采用棚架式机械结构[3]，行间距为500 mm左右，株距为100 mm左右。为了更加准确地采样，移动采集平台工作过程中采用间歇式行走作业模式，驱动机构需满足精准控制和频繁启停等精准性和灵活性要求。
　　1.1  移动采集平台总体设计方案A
　　移动采集平台总体设计方案A由悬架机构、驱动机构、车体机构、采集机构以及其他辅助机构组成，其中在4个轮胎支架上均安装了轮毂电机，驱动移动采集平台精准可控行走。该设计方案主要采用非独立悬架结构，且在阿科尔曼模型基础上进行了改进，利用差速原理，分析左前轮和右前轮速度变速趋势正好相反的实际运动形式，满足了移动采集平台转向性能需求，具体方案如图1所示。
　　虽然该设计方案能基本满足间歇行走和急停急走的运动性能要求，但是田间（玉米地）地面条件狭小，玉米秸秆高低程度不太均匀，对移动采集平台柔性控制和精准控制的要求较高[4]，该设计方案不尽如人意，因此需要在此基础上考虑工作环境的复杂性，进行相关的优化改进设计。
　　1.2  移动采集平台总体设计方案B
　　移动采集平台总体设计方案B旨在设计出用于自然生长环境下的田间（玉米地）采集移动采集平台。田间（玉米地）里狭窄空间和复杂地形环境，移动采集平台采用非独立悬架机构，在小半径运动范围内，实现四轮独立自由转向，如图2所示。当出现凹凸不平的土壤介质时，移动采集平台上的植物性状采集传感器可以保持较高的平衡性和稳定性，因此，该移动采集平台可以按照地形地貌变化情况而实时调整平台姿态，以保证移动采集平台的移动稳定性。此外，该移动采集平台采用轮毂电机驱动四轮行走，低能耗、低噪音、低污染，符合现代农业的绿色环保作业要求[5]。
　　在B方案中，移动采集平台的采集系统硬件包括玉米性状采集仪器、采集支架以及相关调整部分，可以在移动采集平台移动过程中实现仰视和俯视等不同角度的采集，同时可以调节远近采集行程，满足多样化功能需求，移动采集平台的采集系统的硬件设计部分如图3所示，其中1是移动采集平台底板，2是导轨，3是铰手架，4是移动转向平衡手柄。
　　（1）移动采集平台底板设计。在运动过程中平台要求有很好的刚度和强度，同时也要求质量轻便，因此设计采用AL6061材料，选用8 mm厚的AL6061基板，尺寸：1 000 mm× 1 000 mm×8 mm。底板主要是用于支撑水平调节仿形机构，使得移动采集平台在移动过程中保证水平。
　　（2）水平调节仿形机构设计。水平调节仿行机构主要由一条竖直导轨、一条水平导轨和铰手架组成。竖直导轨采用铝型材，与横向导轨之间通过铰手架连接，通过调节竖直导轨可以采集不同高度的玉米，通过调节横向导轨可以增大玉米采集器的横向距离，便于采集车身不容易到达的地方的玉米。横向导轨和竖直导轨都由采用40的铝型材。竖直导轨的长度1 000 mm，水平导轨的长度1 200 mm。
　　（3）铰手架设计。铰手架主要用于连接水平调节仿行机构的水平导轨和竖直导轨以及连接水平导轨和移动采集平台。选用AL6061铝合金。
　　（4）移动采集平台移动转向平衡手柄设计。移动采集平台主要作用是安装采集机械手和安装摄像头，因此在设计过程中应留有与采集机械手支架的安装孔和摄像头的放置位置。选用AL606铝合金材料。
　　2    移动采集平台关键部件设计
　　2.1  悬架的选择
　　悬架分为非独立悬架和独立悬架，当采用非独立悬架时，移动采集平台的左前轮和右前轮安装在同一个实心车桥上，左后轮和右后轮安装在一个实心车桥上，当一侧的车轮受到冲击而倾斜时，另一侧的车轮也会对应产生倾斜，左右两轮相互牵连，倾斜角度近似保持一致，不但利于移动采集平台的稳定性，还可以减少因倾斜而引起的轮胎磨损[6]。移动采集平台的左前轮和右前轮分别安装在前实心车桥上，左后轮和右后轮分别安装在后实心车桥上，左右两侧的车轮胎在一定程度上借助避震弹簧来实现载荷的缓冲与传递，当某一侧轮胎受到冲击而倾斜时，其冲击力和变形对另一侧轮胎产生的倾斜影响可以忽略不计，会诱发移动采集平台平稳性降低[7]。
　　综合对比以上两种悬架形式，非独立悬架对轮胎的磨耗小，有利于移动采集平台的操控感保持一致，同时也保证了田间玉米性状采集移动采集平台行走过程中稳定性和可靠性[8]，因此，本文移动采集平台优先选用非独立悬架进行相关的设计。
　　2.2  非独立悬架的设计
　　移动采集平台的非独立悬架使得左前轮和右前轮安装在前车桥上，左后轮和右后轮安装在后车桥上，左右两侧的车轮胎借助非独立悬架中避震弹簧来实现载荷的缓冲与传递，使得轮胎冲击而倾斜后对另一侧轮胎产生的倾斜影响大幅度降低，非独立悬架的具体结构如图4所示。 　　綜合对比以上两种悬架形式，非独立悬架对轮胎的磨耗小，有利于移动采集平台的操控感保持一致，且非独立悬架的构造比较简单，制造成本和维修成本都比较低。此外，非独立悬架要比独立悬架所占用的空间较小，可降低车底板的高度相对更加稳定一些，同时也保证了田间玉米性状采集移动采集平台行走过程中稳定性和可靠性，因此本文移动采集平台优先选用非独立悬架进行相关的设计。
　　2.3  移动采集平台驱动电机的选择
　　移动采集平台的驱动电机通常可以分为直流、交流伺服电机、直流无刷电机以及步进电机等4种类型，而且每一种驱动电机应用要求各不相同，在田间玉米地中行驶，若选择步进电机作为驱动电机，遇到凹凸不平的地面，很容易因为过载而出现丢步现象;当选择直流无刷电机作为驱动电机时，该驱动电机启动转矩大，过载能力强但控制精度较低，调速可控性较差。由于直流伺服电机在低频特性、矩频特性、运动性能、控制精度等许多性能方面都优于步进电机，故本机采用伺服电机和伺服控制系统。为保证移动采集平台的运行与控制要求，需要对直流伺服电机进行选型计算[9]。
　　2.3.1  驱动电机功率的计算
　　已知电机的输出功率为P，电机旋转过程中的摩擦系数为μ，且该系数取0.12，移动采集平台总体重量为500 kg，根据驱动电机功率与移动采集平台重量之间的对应关系，计算移动采集平台运行速度v为0.8 m/s时，驱动电机的功率为：
　　P=μ×m×g×v（1）
　　其中，g为重力加速度，取9.8 m/s2。由公式（1）计算可得，驱动电机的输出功率P为581.5 W，结合本移动采集平台由4个驱动电机驱动，则每一个驱动电机的输出功率必须大于145.6 W，综合考虑控制系统用电情况，采用24 V电压驱动，其单个驱动电机的输出功率应该为150 W。
　　2.3.2  驱动电机扭矩和转速的计算
　　移动采集平台在田间玉米地行走运动过程中，受到土壤等阻尼的影响，其摩擦行为如下：滚动摩擦力远比最大静止摩擦力小，因此只要在启动瞬间满足最大静止摩擦力的需求，移动采集平台就可以正常行走。根据机构的动力学特性可知，直径与速度之间存在反比例关系，当直径增大时驱动力减小，当直径减小时驱动力增大。已知驱动电机输出转矩为T，驱动轮的旋转半径为R，驱动电机数目为N，且N取4，驱动电机的转矩计算公式为：
　　（2）
　　根据驱动电机的转矩计算参数表可知，驱动电机的转矩为T=8.52 N.m，起动时需要克服的最大静摩擦力为15.34 N.m。
　　已知移动采集平台的驱动轮的驱动直径为D，则驱动电机的转速n的计算公式为：
　　（3）
　　当移动采集平台的运行速度v为0.8 m/s时，驱动电机的转速为201 r/min。
　　3    结语
　　文章主要进行移动采集平台的总体设计以及驱动形式和电池的选择研究工作。首先根据田间玉米地实际工况条件制定了两套总体设计方案，二者择优选择移动采集平台B方案，且对B方案进行了较为详细的说明解释。然后对移动采集平台的关键部件悬架机构进行相关设计参数校核分析，经过校核均满足设计需求。通过计算匹配确定了移动采集平台的动力总成部分，选择了直流无刷电机作为驱动电机，为后续控制设计工作的开展奠定了基础。
　　[参考文献]
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　　[2]刘惟信.平台设计[M].北京：清华大学出版社，2001.
　　[3]王望予.平台设计[M].北京：机械工业出版社，2005.
　　[4]陈家瑞.平台构造[M].北京：机械工业出版社，2005.
　　[5]成大先.机械设计手册：机械振动·机架设计（单行本）[M].5版.北京：化学工业出版社，2011.
　　[6]成大先.机械设计手册单行本（联接与紧固）[M].北京：化学工业出版社，2004.
　　[7]平台工程手册编辑委员会.平台工程手册（设计篇）[M].北京：人民交通出版社，2001.
　　[8]成大先.机械设计手册单行本（弹簧·起重运输件·五金件）[M].北京：化学工业出版社，2004.
　　[9]KAZOU A ，NIIYAMA.Analysis of toursimal stiffmess share rati of truck frame[J].Techniral Paper Series，1991（2）：18-21.
　　Design of mobile acquisition platform for maize
　　Jia Chaoyuan， Zhong Hongyu， Feng Yigong
　　（Jiangsu Shennong Agricultural Equipment Co.， Ltd.， Huaian 223001， China）
　　Abstract：The mobile acquisition platform designed in this paper is mainly used to sample and collect the characteristics of plant traits in the field. From the global point of view， it can collect the characteristics of plant traits by remote control mobile acquisition platform walking in the field. Therefore， according to the corresponding relation between the planting pattern in the field and the mobile acquisition platform design， the relevant design parameters of the mobile acquisition platform are determined， and the overall design scheme of the mobile acquisition platform structure is determined. The driving form is the key part of the platform， according to the boundary conditions such as mechanical design and driving requirements， the suitable driving mechanism and steering mechanism are selected.
　　Key words：mobile acquisition; remote control; driving form
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