無線遠程操控果園自平衡運輸車設計

石少健 陳燕慧

摘?要：介紹了一種無線遠程操控果園自平衡運輸車的設計。通過SolidWorks三維建模，對組成平衡車的機械結構及工作原理進行了詳細的敘述，使其具備能夠維持動態平衡的運輸特性，并對整車的設計觀念、結構設計及工作運轉進行了分析。將無線遠程操控果園自平衡運輸車與傳統的果園運輸裝置進行對比，突出其能夠實現遠程操控的先進性，以及能夠適用于果園內各種復雜道路的應用性;能夠滿足采摘業相關需求。

關鍵詞：遠程操控;自平衡車;結構設計

0?引言

隨著城鎮化水平的推進、農村勞動力的減少及土地集約化的推進，農業機械化的發展將是必然趨勢[1]。傳統的農業機械在一定程度上解決了大部分勞動問題，像大型農用機械的推廣使用，能夠以成倍的工作速度完成人們難以完成的工作量，提高勞動效率。在信息技術不斷發展的背景下，農業科技領域實現了進一步的發展，將電子信息技術完善應用于農業機械中，能夠借助電子信息技術這一手段來推進農業機械的現代化進程，進而為農業產業的進一步發展奠定基礎[2]。電子信息技術的應用轉變了傳統的農用機械設計方式，并促使農業機械朝著智能化、自動化方向發展。丘陵山地水果產業是典型的丘陵山地農業，而丘陵山地果園的機械化運輸已成為丘陵山地果園作業的核心需求[3]。桃樹、蘋果、葡萄等一些果樹枝干較為低矮，一些大型的農用運輸機械無法進入果園，只能作為外部運輸工具;再加上果園內道路復雜崎嶇，水果在采摘搬運過程利用人力運輸方式（小推車、挑擔、抱）必將浪費大量勞動力，出現效率低下的問題，而且容易磕碰造成損傷，嚴重影響果品質量。

1?設計目標與整體技術參數

針對果園內各種環境因素綜合分析，

設計主要有兩個目標：一是結構簡單緊湊，無線遠程操控，操作靈活，經濟性好，綠色環保，在丘陵山地等復雜地形通過能力強;二是滿足果園內果樹與果樹之間距離要求，以及運輸路線中較大枝干的高度要求。 整體技術參數如表所示。

2?總體結構設計

無線遠程操控果園自平衡運輸車主要由動力裝置、自平衡裝置、無線遠程操控裝置、傳動機構、行駛機構等組成。該車采用坦克履帶車的結構形式，由電動機帶動履帶驅動輪，從而使左右雙履帶進行運轉，通過無線遠程操控裝置搭配電子控制模塊對整車進行遠程控制，結合實地場景路況，選擇最優化的運輸方向;當車子通過陡峭路面，控制中心利用對平面兩個自由度監測及控制，實現對車廂的動態平衡控制。該運輸車總體設計結構簡單，各裝置結構緊湊，提高了可操作性。總體結構如圖1所示。

2.1?動力裝置選擇

動力裝置由位于車體底盤中48 V無刷直流輪轂電機、電子調速器以及遠程接收機組成，實現動力供應。

根據已確定的參數規格，計算運輸車以滿載工況在最大爬坡度路面上行駛時直流電動機所需要的功率大小。綜合考慮該運輸車極限工況，選擇的直流電動機功率應不小于0.21 kW，所以選用額定功率為0.5 kW的直流無刷輪轂電機作為該運輸車的動力裝置。

2.2?傳動機構設計

該運輸車的傳動裝置為實現降速增扭以及保證動力的持續輸出，采用電動機帶動小鏈輪與驅動輪大鏈輪之間鏈傳動，根據預期相關參數對鏈傳動進行設計。

2.3?行駛機構設計

行駛機構單邊設計由一條履帶、一個驅動輪、一個導向輪、四個支重輪、四個緩沖彈簧等組成。驅動輪將傳動機構轉矩轉換成履帶運轉的動力，從而帶動導向輪、支重輪轉動;導向輪根據驅動輪相對位置而定，目的在于引導履帶能夠正確繞轉，并可以防止履帶跑偏和越軌;緩沖彈簧對支重輪起緩解沖擊壓力以及調整履帶的彈性松緊度作用。

2.4?自平衡裝置結構設計

運輸車通過陡峭的路面時，自平衡裝置自動實時保持車廂平衡。該裝置主要由伺服電動機、電動機支座、法蘭以及支座底板等組成，且位于底盤中部凸臺上;采用單片機實時讀取IMU（Inertial measurement unit）慣性傳感器MPU6050內角度和角速度信號數據，并應用卡爾曼融合濾波方式和 PID 控制算法進行信號處理[4]，最終輸出相應的補償信號（PWM）控制伺服電機，來維持運輸車車廂動態平衡;該裝置在最底部存在兩個伺服電動機，被用來控制X（前后）方向;在第二層支座底板還存在著另外兩個控制Y（左右）軸方向的伺服電動機;其中第一層與第二層高度差250 mm，X、Y軸方向最大為±45°的補償角度，大于該運輸車最大爬坡度22°，能夠應對多種果園地形;為提高車斗的穩定性以及避免單個機械搖臂應力集中問題，在兩個方向上各安放兩個相距500 mm同步運行的伺服電動機，同時驅動兩個機械搖臂，使負荷均勻分散開。結構如圖2所示。

當運輸車以滿載工況條件在最大爬坡度路面上直線行駛時，相應的整個運輸車與水平路面存在一定的夾角，若要使車廂由傾斜狀態向水平動態平衡狀態轉變，則伺服電機應根據補償信號轉動相應的補償角度[5]。

2.5?遠程操控裝置設計

智能化農業，是指通過電子信息技術的邏輯運算、傳導和傳遞，發揮適宜指令指揮科研儀器、農業機械來完成正確的動作，最終實現農業生產和管理的智能化[6]。該運輸車秉承智能化設計原則，在控制方面采用無線遠程操控利用BOYUAVT×102D（1W+OSD）高清圖像傳輸裝置搭配使用WFT09II遙控器與接收機進行實時遠程控制。

根據裝置實際測評使用情況，高清圖像傳輸裝置能夠在3 km內使實現視頻高清傳輸，滿足遠距離操控使用需求。WFT09II遙控器能夠在空曠地1 km內穩定操控，能夠滿足當前果園現狀及使用需求。

3?結論

該無線遠程操控果園自平衡運輸車采用剛性底盤履帶運輸車結構形式，再搭配上自平衡裝置和無線遠程操控裝置，使整車具有智能化、可靠性高、靈活可操作、性能安全穩定的特點，解決了運輸車行駛，人必須與車跟隨的問題，以及保證車廂在裝有負載的工況下實時保持其動態平衡，極大的降低了水果在果園采摘運輸時因磕碰造成的損傷，完美的適應丘陵山地以及大棚等環境地形，降低廣大果農的勞動力，提高經濟效益，具有良好的發展前景。

參考文獻：

[1] 白學峰，魯植雄，常江雪，等.中國農業機械化現狀與發展模式研究[J].農機化研究，2017，39（10）：256-262.

[2] 林翔.電子信息技術在農業機械中的應用研究[J].信息通信，2016（1）：170-171.

[3] 吳偉斌，趙奔，朱余清，等.丘陵山地果園運輸機的研究進展[J].華中農業大學學報，2013，32（4）：135-142.

[4] 賴義漢，王凱.基于MPU6050的雙輪平衡車控制系統設計[J].河南工程學院學報（自然科學版），2014，26（1）：53-57.

[5] 王軍鋒，唐宏.伺服電機選型的原則和注意事項[J].裝備制造技術，2009（11）：129-131.

[6] 甘代祥.智能化農機技術與裝備探討[J].建材與裝飾，2016（29）：226-227.