丘陵山區農用預檢測主動調平底盤設計與試驗

劉平義 柯呈鵬 柯 婷 李海濤 魏文軍 趙 晨

(中國農業大學工學院，北京 100083)

0 引言

我國地形多樣，地貌復雜，丘陵山區面積比例超過50%的省份廣泛分布在中南、東南、西南和西北地區，這些地區同時是糧食和特色經濟作物的主產區，農業經濟發展潛力巨大[1-2]。目前，丘陵山地農業機械化水平薄弱，農機作業時車身及作業部件難以保持水平，影響作業質量，車輛容易傾翻，嚴重影響操作人員安全[3-5]。

目前，國外丘陵山地農用底盤的研究主要向降低重心、控制車體的方向發展[6-9]，CASE IH公司的大型聯合收獲機，可實時監測谷物情況和作業信息，根據田間作業情況自動調節工作部件。國內自動控制技術也已得到應用[10-12]，采用自動控制技術能夠有效提高土地整理效率。彭賀等[13]設計了一種能實現丘陵山地輪式拖拉機車身實時調平且傳遞動力的新型車身調平系統。張季琴等[14]研發的山地微耕機，安裝有調整車身傾斜度的專用液壓差高裝置，同時實現調平和調高功能。

隨著調平精度、調平支撐、懸架數目的增加，以車身四點調平為代表的車身多點調平將是發展趨勢。文獻[15-16]研究了一種具有4組主動可調懸架及前、后車體折腰自由度的主動調平底盤。劉平義等[17]提出了一種農用底盤自適應調平方法，在幅值和波長特定的波形地面上行走作業時，側傾角和俯仰角之和可降低60%左右；并進一步提出了丘陵山區農用仿形行走動態調平底盤，該底盤可在1°精度范圍內實現動態調平[18]。

目前調平技術基于被調平部件不平信息，根據不平信息由控制器控制執行機構完成調平[19-22]，是一種被動、滯后的調平方法，尤其在車輛動態行走時，調平總在傾斜之后，無法在理論上實現絕對調平。

本文提出一種適用于丘陵山地作業的農用底盤預檢測主動調平方法，該方法提前檢測底盤行駛前方地面情況，判斷如何實施調平動作，在底盤傾斜同時進行調平，以期通過主動預防，避免或減少農用車輛在崎嶇不平地面上行駛作業過程中發生的底盤傾斜。

1 設計方案與工作原理

預檢測主動調平底盤采用獨立懸架，前端安裝地面檢測裝置提前獲取底盤行駛前方某一特定距離處的地面信息，根據已獲得的地面信息和底盤當前行駛狀態，分別計算底盤在檢測點處保持水平情況下，各懸架將要完成的調節量，在當前位置至檢測點處的行駛過程中完成各獨立懸架高度調節，實現底盤預檢測實時動態主動調平。

1.1 底盤設計方案

預檢測主動調平底盤主要包括：前車架、后車架、Y型可調懸架、底盤傾角狀態傳感器、車輪、高度測距傳感器,如圖1所示。前后車架通過剛性連接機構進行連接，車輪通過Y型可調懸架與車架相連，前、后車架上分別平行且對稱布置兩組Y型可調懸架。通過4組Y型可調懸架高度調節車身俯仰角和側傾角。沿各車輪正前方向、在車架上分別布置4個高度測距傳感器，高度測距傳感器豎直方向上分別與各車輪中心在同一平面內，水平方向與前車架和后車架在同一平面內，能夠實時測量車輪即將通過的地面相對高度信息。

圖1 預檢測主動調平底盤結構簡圖

Y型可調懸架主要由滑塊、連桿、支撐桿、絲杠電機、滑塊測距傳感器和直線導軌組成，如圖2所示。通過控制直線導軌末端的絲杠電機驅動滑塊沿直線導軌首、末端移動，實現Y型可調懸架高度調整，從首端移向末端時懸架高度增大，反之高度減小。滑塊測距傳感器布置在直線導軌末端，通過實時測量滑塊與直線導軌末端的距離，獲取滑塊位置信息。

圖2 Y型可調懸架結構簡圖

1.2 調平底盤工作原理

圖3 懸架調平原理圖

圖3為調平底盤工作原理圖，底盤通過平坦路面時，各Y型可調懸架的滑塊在直線導軌上相對位置一致時，各懸架高度相等，底盤保持水平，狀態如圖3a所示；當底盤前輪即將通過凸型地面時，前車架左、右可調懸架上的滑塊沿直線導軌向首端移動，前車架左、右懸架高度降低，后車架懸架高度保持不變，底盤在凸型地面保持水平，狀態如圖3b所示；當底盤前輪即將通過凹型地面時，前車架左、右可調懸架上的滑塊沿直線導軌向末端移動，前車架左、右懸架高度升高，后車架懸架高度保持不變，底盤在凹型地面水平，狀態如圖3c所示；在凹凸不平地面上行駛時，根據提前檢測到的地面信息，前、后車架的左、右懸架上各滑塊分別沿直線導軌向末、首、首和末端移動，分別通過前、后車架的左、右懸架升高、降低、降低和升高，實現底盤水平，狀態如圖3d所示。

1.3 控制系統設計

控制系統基于微處理器Arduino Mega 2560，硬件主要包括高度測距傳感器、滑塊測距傳感器、底盤傾角狀態傳感器、絲杠步進電機等，控制系統結構如圖4所示。

圖4 控制系統結構圖

微處理器Arduino Mega 2560為控制系統核心部件，主要負責通信、調整機構調整量計算、傳感器集成等。高度測距傳感器和滑塊測距傳感器輸出模擬量參數可以通過I/O口和微處理器直接相連。

高度測距傳感器獲取地面相對高度信息后，輸入、并通過微處理器計算懸架所需調整量。滑塊測距傳感器實時監測滑塊位置，輸入、并通過微處理器計算滑塊位移，最后通過控制絲杠步進電機驅動滑塊移動到預定位置，完成懸架高度調整，實現底盤調平。底盤傾角狀態傳感器實時檢測調平誤差，并傳輸給微處理器，作為下個調整周期調整量的誤差補償量。

1.4 工作流程設計

預檢測主動調平系統工作流程如圖5所示。

圖5 調平系統工作流程

2 調平參數分析

2.1 底盤懸架調整與預檢測調平參數分析

圖6 Y型可調懸架位置調節關系圖

lBC/lDG=lCI/(lCI+lCD)

(1)

(2)

(3)

(4)

由幾何關系得

(5)

(6)

(7)

(8)

根據式(8)可以推導j+T時刻滑塊沿直線導軌的位移與懸架高度變化量的關系為

(9)

式中lAD——桿AD段長度

lDE——桿DE段長度

lBC——桿BC段長度

lCD——桿CD段長度

θ——支撐桿與直線導軌夾角

2.2 底盤負載能力及調平速度分析

預檢測主動調平底盤通過各懸架高度調節實現調平時，通過對單個懸架進行受力分析，計算負載與調平速度的關系，受力如圖7所示。

圖7 懸架受力分析圖

設單個懸架質量與其所受載荷總質量為w，地面對車輪的支持力為N。F1、F2為一對大小相等、方向相反、沿AD直線分別作用于A、D點的平衡力,則

cosα=hlDE/2

tanβ=lBC/S

二力桿AD在A、D點處分別受到的作用力為F1、F2，大小相等，方向相反。長連桿CE在D點處受到的力F3與F2大小相等，方向相反，即

F1=F2=F3

由長桿受力平衡得

Fcosβ=F3sinα

Fsinβ+N=F3cosα

得

式中S——導軌AB長度

h——導軌AB與點E距離

α——AD與垂直方向夾角

g——重力加速度

β——F與導軌AB之間夾角

對導軌AB和滑塊BC單獨進行受力分析，如圖8所示。

圖8 滑塊受力分析圖

力F作用于C點，滑塊BC在C點處受到的反作用力為FC，所受扭矩為MB，兩者關系為

MB=FClBCcosβ

滑塊受到水平拉力FBx為

(10)

滾珠絲桿的驅動力經驗公式為

(11)

式中T1——絲桿電機扭矩

d——絲桿直徑

φ——螺紋升角

ρ——當量摩擦角

聯立式(10)、(11)，滾珠絲桿驅動力等于滑塊的水平拉力，得出單個懸架自身以及負載總質量w與絲桿電機扭矩T1之間的關系為

底盤負載質量Wf與絲桿電機扭矩T1之間的關系為

Wf=4w-m=

(12)

式中m——底盤質量

絲桿電機為步進電機，求出滑塊的最大移動速度v2與步進電機頻率f之間的關系

式中L——滾珠絲桿導程

n——電機轉速

f——步進電機脈沖頻率

θ——步進電機步距角

設高度測距傳感器與車輪中心正前方距離為sc，車輛以速度v1勻速運動，可得調整周期T為

T=sc/v1

單個調整周期T內滑塊位移的最大距離x為

底盤單個調整周期內的調平極限角γ為

(13)

2.3 調平執行策略分析

為消除調平系統誤差，通過底盤傾角狀態傳感器檢測調平效果并作為反饋元件消除每個調整周期的誤差，避免誤差累積。

誤差補償步驟為：位于底盤中心點O的底盤傾角狀態傳感器實時監控每次調平結束后底盤的俯仰角與側傾角，調整系統結合俯仰角與側傾角，并根據點Ai(i=1，2，3，4)與點O的相對坐標，計算每個懸架的調整量，作為下個調整周期調整量的誤差補償量。

根據四點支撐平臺調平原理[23]，采用“中心點”不動法計算誤差補償量，如圖9所示。以點O為中心，建立動坐標系OXYZ描述存在誤差時的底盤平面A1A2A3A4、靜坐標系OX′Y′Z′描述水平時的底盤平面A′1A′2A′3A′4。設j+T時刻調平后，底盤傾角狀態傳感器測得車身俯仰角α1和側傾角β1。

圖9 四點支撐平臺坐標系旋轉示意圖

假設動坐標系先繞X軸旋轉β1，再繞Y軸旋轉α1，坐標轉換矩陣為

(14)

若動坐標系先繞Y軸旋轉β1，再繞X軸旋轉α1，坐標系轉換矩陣為

(15)

誤差導致的俯仰角和側傾角很小，故sinα1=α1，sinβ1=β1，sinα1sinβ1=0，cosα1=cosβ1=1,分別代入T1和T2得

(16)

靜坐標系內A′i(X′i，Y′i，Z′i)與動坐標系內Ai(Xi，Yi，Zi)關系為

(17)

點Ai的Z坐標誤差調整值為

ΔZ=Z-Z′=-α1X′i-β1Y′i

(18)

3 試驗

3.1 底盤樣機參數

試制預檢測主動調平底盤小比例樣機，如圖10所示。

圖10 底盤樣機實物圖

樣機尺寸為1 m×0.5 m×0.6 m(長×寬×高)，車輪直徑0.3 m，軸距1.09 m，輪距0.58 m, 連桿長0.483 m, 支撐桿長0.72 m。直線導軌由滾珠絲桿組成，有效行程為0.4 m,導程為0.005 m，螺紋升角7.11°。車架上安裝4組FLS40L40005C7型帶導軌絲杠的57步進電機，高度測距傳感器安裝在車輪中心正前方0.3 m處，4個車輪由4個86J1880-842型帶減速器的86步進電機單獨驅動。底盤總質量為80 kg，去除車輪和車輪步進電機質量后，底盤質量為50 kg。

選定丘陵山區底盤常用行走速度2、5 km/h，設離地間隙最低、調節難度最大時的狀態為初始調節點，根據式(9)、(12)、(13)得到底盤負載Wf和單個調整周期內調平極限角γ的關系，如圖11所示。

圖11 底盤負載和單個調整周期內調平極限角的關系

受限于所采用57步進電機、底盤小比例樣機底盤最大負載為130.41 kg(底盤質量的2.6倍)。由圖11可知，給定底盤行走速度時，調平速度與負載成反比；行走速度為2 km/h時，單個調整周期內的最大調平極限角為24°左右，行走速度為5 km/h時，單個調整周期內的最大調平極限角為13°左右。考慮到國家禁止在25°以上陡坡地開墾種植農作物，不提倡在15°以上陡坡地開墾種植農作物，因此調平速度與負載均滿足要求，驗證了調平方法的正確性與可行性。

高度測距傳感器和滑塊測距傳感器均選擇適應性強、價格便宜的超聲波測距傳感器。考慮到底盤傾角狀態傳感器作為反饋元件、測量精度要求較高，選擇SVT 626T型雙軸數字型傾角傳感器，精度為0.03°。底盤傾角狀態傳感器可通過USB和便攜式計算機相連，含有一個電源接口和一個RS232串口可實現和微控制器通信，連續不斷地將車身俯仰角、側傾角信息傳輸到便攜式計算機中進行記錄。

3.2 試驗驗證

為驗證預檢測主動調平方法的可行性及預檢測主動調平底盤的調平性能，在室外試驗田進行不同地形條件下的試驗，試驗均在2019年6月進行。

考慮到底盤車輪直徑為300 mm、農用底盤作業地形復雜多樣、并參照實際比例關系，人工堆砌圖12所示幅值為70 mm、波長為600 mm的坡形路面進行試驗。

圖12 試驗地形

試驗中調平底盤行走方向分別與地面波形呈90°、60°通過，樣機速度為5 km/h，如圖13所示。分別對比調平底盤不調平和預檢測主動調平2種情況下俯仰角和側傾角變化，以檢驗調平效果。

圖13 地面調平試驗

圖14 波形地面調平試驗結果

試驗中俯仰角與側傾角的變化曲線如圖14所示。由圖14a可知，底盤不調平時，俯仰角完全隨地形變化，波動范圍比較大，最大俯仰角為3.51°；預檢測主動調平時俯仰角在0°附近波動且在90%以上的時間內保持在±0.5°以內，側傾角不受地形影響，在0°范圍內波動。由圖14b可知，底盤不調平時最大俯仰角為2.51°，最大側傾角為2.82°；預檢測主動調平時俯仰角、側傾角都在0°附近波動且在90%以上的時間內保持在±0.5°以內波動，具有較高的精度，驗證了預檢測主動調平方法的可行性和理論分析計算的正確性。預檢測調平試驗數據的波動主要來源于底盤制造誤差與傳感器測量誤差。

4 結論

(1)提出了預檢測主動調平方法，該方法可提前獲取底盤行駛前方某一特定距離處的地面信息，根據已獲得地面信息和底盤當前行駛狀態，分別計算底盤行駛至檢測點處底盤保持水平時各懸架將要執行的調節量，在底盤傾斜的同時，通過各獨立懸架高度調節實現底盤實時動態主動調平。

(2)設計了一種采用Y型可調懸架作為調平機構的農用車輛預檢測主動調平底盤，分析了底盤懸架調整與預檢測調平參數、承載能力與調平速度及調平執行策略，結果表明，可通過Y型可調懸架的高度調節實現底盤調平。

(3)崎嶇不平地面行走試驗結果表明，在預檢測主動調平行走過程中，底盤可在精度0.5°范圍內實現動態調平，驗證了預檢測主動調平方法以及丘陵山地農用預檢測主動調平底盤設計方案的可行性。