果園多功能視頻遙控作業(yè)車的研制

范國強， 王學良， 張曉輝， 馮海明

(1.山東農業(yè)大學機械與電子工程學院，山東泰安 271018； 2.山東省園藝機械與裝備實驗室，山東泰安 271018；3.中通客車控股股份有限公司，山東聊城 252000)

近年來我國農業(yè)生產方式發(fā)展迅速，生產結構不斷升級，果園種植面積日益擴大。隨著我國城鎮(zhèn)化的快速推進和勞動力向城鎮(zhèn)的轉移，果園作業(yè)實現(xiàn)機械化的需求越來越迫切。果園作業(yè)機械既能夠節(jié)省大量的勞動力，又能提高工作效率和作業(yè)水平，因此在果園管理作業(yè)中具有重要作用。

因為我國果園主要采用矮化密植的種植模式，使得作業(yè)空間狹小，所以果園作業(yè)的機械化只能依靠小型作業(yè)機械。目前我國的果園作業(yè)機械主要依靠手動操作，存在勞動強大和作業(yè)環(huán)境惡劣(粉塵、蚊蟲以及農藥毒性等)等一系列問題。如果能夠實現(xiàn)小型果園作業(yè)車的遠程可視化遙控作業(yè)，則可以大大提高操作人員的安全性和舒適性。國內部分作業(yè)機型雖然可以實現(xiàn)遠程遙控，但存在載重量小、行進速度慢、作業(yè)效率低、作業(yè)功能單一以及無視頻監(jiān)控等缺點[1-4]，無法適應現(xiàn)代果園管理的需求。與歐美和日本等發(fā)達國家相比，我國的高科技農機遠未廣泛使用[5]。

針對我國國情，本研究設計一款小型多功能視頻遙控作業(yè)車，該作業(yè)車具有結構緊湊、作業(yè)半徑較小和機動靈活的特點，同時可以通過更換多種作業(yè)附具來實現(xiàn)多種作業(yè)，還可以通過遠程視頻進行遙控作業(yè)，可極大地提高操作人員的安全性和舒適性。

1 整機結構與性能

為適應果園狹小作業(yè)空間的要求，果園遙控作業(yè)車的整機必須結構緊湊，且控制可靠。液壓傳動具有傳動路線簡化、控制方便和功率密度大的優(yōu)點，因此本機所有作業(yè)裝置均采用液壓傳動進行驅動，使得整機結構緊湊。整機結構如圖1所示，它主要由動力系統(tǒng)、液壓傳動系統(tǒng)、遙控系統(tǒng)、車架、行走裝置和輔助工作裝置等組成，其中動力系統(tǒng)主要包括發(fā)動機；液壓系統(tǒng)包括齒輪泵、液壓管路、液壓缸以及壓力變送器等；電氣系統(tǒng)包括多路電磁閥、繼電器等。

為適應大棚和矮化果園作業(yè)，整個車體設計得比較緊湊。車體通過銷軸連接在行走機架上，發(fā)動機通過減震裝置安裝在車體的后半部分，以降低重心，提高整車的穩(wěn)定性。遙控裝置通過控制多路電磁閥，實現(xiàn)對整臺機器的操控。大臂通過鉸鏈軸安裝在機體后上方，其前端安裝鉸接機架，掛架上有快換銷軸，能夠連接不同的輔助工作裝置(鏟斗、挖掘裝置、開溝機、破碎機、鉆孔施肥器等)。采用Solid Works對樣機進行優(yōu)化設計與裝配，使得整機零部件布置緊湊，體積較小，設計的三維模型如圖2所示。

整機性能以及結構參數(shù)如表1所示。

2 工作原理

汽油機帶動雙聯(lián)齒輪泵輸出高壓油，為整個液壓系統(tǒng)提供動力，通過遙控系統(tǒng)控制電磁閥的通斷，進而實現(xiàn)對所有液壓裝置的控制，實現(xiàn)行走、舉升和作業(yè)等各種動作。整機液壓系統(tǒng)原理如圖3所示，主要由行走回路、大臂舉升回路以及附具工作回路構成。

表1 作業(yè)機主要技術參數(shù)

根據(jù)行走功率和作業(yè)載荷確定齒輪泵、馬達、液壓油缸、系統(tǒng)總流量和發(fā)動機功率，由系統(tǒng)流量確定合適的電磁閥[6]。液壓系統(tǒng)的參數(shù)如表2所示。

2.1 行走轉向原理

作業(yè)車采用液壓馬達直接連接車輪的方式，實現(xiàn)作業(yè)車行走。2個定量液壓泵分別控制左右兩側后驅動輪的液壓馬達，通過分別控制2路的2位3通電磁換向閥和3位4通電磁換向閥來控制2個液壓馬達的同步或差速運動，從而實現(xiàn)作業(yè)車的直行或轉向。

2.2 輔助裝置工作原理

如圖3所示，當左路的2位3通電磁換向閥和相應的3位4通電磁換向閥通電后，則接通當前回路的附具位置控制油缸，通過改變閥芯位置控制大臂油缸伸縮，從而實現(xiàn)大臂的舉升。附具是主要的工作裝置，為靈活地適應工作環(huán)境，須要適時調整附具位置。連通右路的2位3通電磁換向閥和相應的3位4通電磁換向閥，則接通當前回路控制附具的油缸伸縮，實現(xiàn)附具位置的調整。

表2 液壓系統(tǒng)參數(shù)

2.3 遙控系統(tǒng)工作原理

上位機監(jiān)控系統(tǒng)通過通信模塊實現(xiàn)對下位機即作業(yè)車的遠程監(jiān)控和操作，下位機同時連接多路電磁閥，通過電磁閥控制各個液壓回路的通斷，進而控制液壓馬達、液壓缸的動作，從而實現(xiàn)對作業(yè)車行走和各種作業(yè)的控制。圖4為遙控系統(tǒng)的總體結構。

2.3.1 遙控系統(tǒng)硬件構成 遙控系統(tǒng)主要由遠程遙控端、通信中轉站和車載受控端組成。遠程監(jiān)控端利用視頻采集軟件開發(fā)工具包(software development kit，簡稱SDK)的二次開發(fā)技術實現(xiàn)下位機系統(tǒng)采集的視頻信息和處理的數(shù)據(jù)信息在顯示屏上的實時顯示，同時也可以通過功能控制無線網(wǎng)絡聯(lián)系車載受控系統(tǒng)，其硬件系統(tǒng)包括PC機、無線視頻接收器、無線控制指令發(fā)射器、視頻采集卡和RS-485轉化器等。

通信中轉站是聯(lián)系監(jiān)控中心和作業(yè)車的無線傳輸系統(tǒng)。該系統(tǒng)的功能控制網(wǎng)絡和視頻信號網(wǎng)絡是2個相互獨立的系統(tǒng)。功能控制網(wǎng)絡由無線微波收發(fā)器組成，其信號遵循一定的編碼協(xié)議，系統(tǒng)通電后自動搭建無線網(wǎng)絡，視頻信號網(wǎng)絡采用視頻收發(fā)器進行傳輸，采用專用的1.2 G頻段。

車載受控端的遙控部件主要由STM32控制器、攝像頭、視頻發(fā)射器、控制信號接收器和驅動繼電器等各類傳感器組成。

2.3.2 遙控軟件結構 遙控軟件主要包括監(jiān)控中心軟件、通信協(xié)議、下位機系統(tǒng)程序等三大系統(tǒng)。

2.3.2.1 上位機系統(tǒng) 監(jiān)控中心系統(tǒng)即上機位系統(tǒng)，監(jiān)控中心軟件是基于VC++開發(fā)的視頻采集和動作控制監(jiān)控軟件，其結構功能如圖5所示。

2.3.2.2 下位機系統(tǒng) 下位機軟件系統(tǒng)是主要的控制系統(tǒng)，負責信息的采集上傳和執(zhí)行器的動作控制[7-8]。其軟件系統(tǒng)流程如圖6所示。

2.3.2.3 通信協(xié)議 通信協(xié)議是上位機與下位機之間上傳下達的重要橋梁，通信系統(tǒng)控制信號采用自定義協(xié)議格式，數(shù)據(jù)信號傳遞以幀為基本單位，所有數(shù)據(jù)均采用十六進制格式[9-11]。本系統(tǒng)不論上傳還是下發(fā)，均要求有應答幀，在規(guī)定時間內若無回復則重新發(fā)送，連續(xù)5次無回復，則須要復位重啟，這是為系統(tǒng)設計的心跳包機制[12]，可有效避免因信號故障導致作業(yè)車失控的現(xiàn)象。

3 樣機性能試驗

為驗證樣機的可靠性，檢測作業(yè)車各項性能，在山東農業(yè)大學農學試驗站對設計的樣機進行相關測試。

本次試驗分為2個階段，共試驗20次。第1階段為指令試驗，遙控距離為50 m，試驗次數(shù)為10次，試驗中作業(yè)車可準確快速執(zhí)行前進、倒退、轉彎、大臂舉升、附具位置調整等操作，且監(jiān)控的視頻圖像清晰流暢。第2階段為載荷試驗階段，遙控距離為300 m，試驗次數(shù)為10次，作業(yè)車順利完成380 kg沙土的鏟取和裝載工作。整機性能測試如表3所示。試驗證明，整機運行平穩(wěn)，動作控制可靠，監(jiān)控端視頻清晰流暢，指令傳輸迅速，樣機響應迅速。

4 結論

針對密植果園作業(yè)空間狹窄的特點，采用液壓傳動系統(tǒng)，研制一種可遠程視頻遙控的小型作業(yè)車。該作業(yè)車具有結構緊湊、作業(yè)半徑較小和機動靈活的特點，同時可以更換多種作業(yè)附具實現(xiàn)多種作業(yè)。

針對密植果園作業(yè)中存在的安全性和舒適性較差問題，基于VC++開發(fā)一套由遠程遙控端、通信中轉站和車載受控端組成的遠程視頻遙控系統(tǒng)，可實現(xiàn)對作業(yè)車的遠程視頻遙控。試驗證明，該遙控系統(tǒng)動作控制可靠，監(jiān)控端視頻清晰流暢，指令傳輸迅速，樣機響應迅速，能夠滿足果園作業(yè)要求。

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表3 整機性能測試

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