針對玉米移動式采集平臺的設計

賈朝元 仲紅雨 馮亦工

摘? ?要：文章設計的移動采集平臺主要用于采樣收集田間植物性狀特征，從全局角度出發，通過遙遠控制移動采集平臺行走在田間，采集植物性狀特征。為此，根據田間的種植模式與移動采集平臺設計對應關系，確定移動采集平臺的相關設計參數，然后確定該移動采集平臺結構的總體設計方案。驅動形式作為該平臺的關鍵部件，根據機械設計和驅動要求等邊界條件，選用適合的驅動機構和轉向機構的驅動形式。

關鍵詞：移動采集;遙遠控制;驅動形式

1? ? 移動采集平臺結構總體設計

移動采集平臺在田間（玉米地）行走時的運動狀態很大程度上取決于田間（玉米地）土壤物理特性[1]，例如移動采集平臺在田間行走時，當土壤較為松軟且存在凸起或低洼的地形條件時，會降低移動采集平臺的通過性和采集植物性狀信息的采樣準確性，因此保證懸架結構對總體設計尤為關鍵[2]。

針對移動采集平臺行走平穩性和可靠性問題，本文假設移動采集平臺在規范化種植的田間工作，此外考慮到玉米屬于單子葉禾本科植物，植物莖干比較脆弱，需減少人為損害，故該移動采集平臺采用棚架式機械結構[3]，行間距為500 mm左右，株距為100 mm左右。為了更加準確地采樣，移動采集平臺工作過程中采用間歇式行走作業模式，驅動機構需滿足精準控制和頻繁啟停等精準性和靈活性要求。

1.1? 移動采集平臺總體設計方案A

移動采集平臺總體設計方案A由懸架機構、驅動機構、車體機構、采集機構以及其他輔助機構組成，其中在4個輪胎支架上均安裝了輪轂電機，驅動移動采集平臺精準可控行走。該設計方案主要采用非獨立懸架結構，且在阿科爾曼模型基礎上進行了改進，利用差速原理，分析左前輪和右前輪速度變速趨勢正好相反的實際運動形式，滿足了移動采集平臺轉向性能需求，具體方案如圖1所示。

雖然該設計方案能基本滿足間歇行走和急停急走的運動性能要求，但是田間（玉米地）地面條件狹小，玉米秸稈高低程度不太均勻，對移動采集平臺柔性控制和精準控制的要求較高[4]，該設計方案不盡如人意，因此需要在此基礎上考慮工作環境的復雜性，進行相關的優化改進設計。

1.2? 移動采集平臺總體設計方案B

移動采集平臺總體設計方案B旨在設計出用于自然生長環境下的田間（玉米地）采集移動采集平臺。田間（玉米地）里狹窄空間和復雜地形環境，移動采集平臺采用非獨立懸架機構，在小半徑運動范圍內，實現四輪獨立自由轉向，如圖2所示。當出現凹凸不平的土壤介質時，移動采集平臺上的植物性狀采集傳感器可以保持較高的平衡性和穩定性，因此，該移動采集平臺可以按照地形地貌變化情況而實時調整平臺姿態，以保證移動采集平臺的移動穩定性。此外，該移動采集平臺采用輪轂電機驅動四輪行走，低能耗、低噪音、低污染，符合現代農業的綠色環保作業要求[5]。

在B方案中，移動采集平臺的采集系統硬件包括玉米性狀采集儀器、采集支架以及相關調整部分，可以在移動采集平臺移動過程中實現仰視和俯視等不同角度的采集，同時可以調節遠近采集行程，滿足多樣化功能需求，移動采集平臺的采集系統的硬件設計部分如圖3所示，其中1是移動采集平臺底板，2是導軌，3是鉸手架，4是移動轉向平衡手柄。

（1）移動采集平臺底板設計。在運動過程中平臺要求有很好的剛度和強度，同時也要求質量輕便，因此設計采用AL6061材料，選用8 mm厚的AL6061基板，尺寸：1 000 mm× 1 000 mm×8 mm。底板主要是用于支撐水平調節仿形機構，使得移動采集平臺在移動過程中保證水平。

（2）水平調節仿形機構設計。水平調節仿行機構主要由一條豎直導軌、一條水平導軌和鉸手架組成。豎直導軌采用鋁型材，與橫向導軌之間通過鉸手架連接，通過調節豎直導軌可以采集不同高度的玉米，通過調節橫向導軌可以增大玉米采集器的橫向距離，便于采集車身不容易到達的地方的玉米。橫向導軌和豎直導軌都由采用40的鋁型材。豎直導軌的長度1 000 mm，水平導軌的長度1 200 mm。

（3）鉸手架設計。鉸手架主要用于連接水平調節仿行機構的水平導軌和豎直導軌以及連接水平導軌和移動采集平臺。選用AL6061鋁合金。

（4）移動采集平臺移動轉向平衡手柄設計。移動采集平臺主要作用是安裝采集機械手和安裝攝像頭，因此在設計過程中應留有與采集機械手支架的安裝孔和攝像頭的放置位置。選用AL606鋁合金材料。

2? ? 移動采集平臺關鍵部件設計

2.1? 懸架的選擇

懸架分為非獨立懸架和獨立懸架，當采用非獨立懸架時，移動采集平臺的左前輪和右前輪安裝在同一個實心車橋上，左后輪和右后輪安裝在一個實心車橋上，當一側的車輪受到沖擊而傾斜時，另一側的車輪也會對應產生傾斜，左右兩輪相互牽連，傾斜角度近似保持一致，不但利于移動采集平臺的穩定性，還可以減少因傾斜而引起的輪胎磨損[6]。移動采集平臺的左前輪和右前輪分別安裝在前實心車橋上，左后輪和右后輪分別安裝在后實心車橋上，左右兩側的車輪胎在一定程度上借助避震彈簧來實現載荷的緩沖與傳遞，當某一側輪胎受到沖擊而傾斜時，其沖擊力和變形對另一側輪胎產生的傾斜影響可以忽略不計，會誘發移動采集平臺平穩性降低[7]。

綜合對比以上兩種懸架形式，非獨立懸架對輪胎的磨耗小，有利于移動采集平臺的操控感保持一致，同時也保證了田間玉米性狀采集移動采集平臺行走過程中穩定性和可靠性[8]，因此，本文移動采集平臺優先選用非獨立懸架進行相關的設計。

2.2? 非獨立懸架的設計

移動采集平臺的非獨立懸架使得左前輪和右前輪安裝在前車橋上，左后輪和右后輪安裝在后車橋上，左右兩側的車輪胎借助非獨立懸架中避震彈簧來實現載荷的緩沖與傳遞，使得輪胎沖擊而傾斜后對另一側輪胎產生的傾斜影響大幅度降低，非獨立懸架的具體結構如圖4所示。

綜合對比以上兩種懸架形式，非獨立懸架對輪胎的磨耗小，有利于移動采集平臺的操控感保持一致，且非獨立懸架的構造比較簡單，制造成本和維修成本都比較低。此外，非獨立懸架要比獨立懸架所占用的空間較小，可降低車底板的高度相對更加穩定一些，同時也保證了田間玉米性狀采集移動采集平臺行走過程中穩定性和可靠性，因此本文移動采集平臺優先選用非獨立懸架進行相關的設計。

2.3? 移動采集平臺驅動電機的選擇

移動采集平臺的驅動電機通常可以分為直流、交流伺服電機、直流無刷電機以及步進電機等4種類型，而且每一種驅動電機應用要求各不相同，在田間玉米地中行駛，若選擇步進電機作為驅動電機，遇到凹凸不平的地面，很容易因為過載而出現丟步現象;當選擇直流無刷電機作為驅動電機時，該驅動電機啟動轉矩大，過載能力強但控制精度較低，調速可控性較差。由于直流伺服電機在低頻特性、矩頻特性、運動性能、控制精度等許多性能方面都優于步進電機，故本機采用伺服電機和伺服控制系統。為保證移動采集平臺的運行與控制要求，需要對直流伺服電機進行選型計算[9]。

2.3.1? 驅動電機功率的計算

已知電機的輸出功率為P，電機旋轉過程中的摩擦系數為μ，且該系數取0.12，移動采集平臺總體重量為500 kg，根據驅動電機功率與移動采集平臺重量之間的對應關系，計算移動采集平臺運行速度v為0.8 m/s時，驅動電機的功率為：

P=μ×m×g×v（1）

其中，g為重力加速度，取9.8 m/s2。由公式（1）計算可得，驅動電機的輸出功率P為581.5 W，結合本移動采集平臺由4個驅動電機驅動，則每一個驅動電機的輸出功率必須大于145.6 W，綜合考慮控制系統用電情況，采用24 V電壓驅動，其單個驅動電機的輸出功率應該為150 W。

2.3.2? 驅動電機扭矩和轉速的計算

移動采集平臺在田間玉米地行走運動過程中，受到土壤等阻尼的影響，其摩擦行為如下：滾動摩擦力遠比最大靜止摩擦力小，因此只要在啟動瞬間滿足最大靜止摩擦力的需求，移動采集平臺就可以正常行走。根據機構的動力學特性可知，直徑與速度之間存在反比例關系，當直徑增大時驅動力減小，當直徑減小時驅動力增大。已知驅動電機輸出轉矩為T，驅動輪的旋轉半徑為R，驅動電機數目為N，且N取4，驅動電機的轉矩計算公式為：

（2）

根據驅動電機的轉矩計算參數表可知，驅動電機的轉矩為T=8.52 N.m，起動時需要克服的最大靜摩擦力為15.34 N.m。

已知移動采集平臺的驅動輪的驅動直徑為D，則驅動電機的轉速n的計算公式為：

（3）

當移動采集平臺的運行速度v為0.8 m/s時，驅動電機的轉速為201 r/min。

3? ? 結語

文章主要進行移動采集平臺的總體設計以及驅動形式和電池的選擇研究工作。首先根據田間玉米地實際工況條件制定了兩套總體設計方案，二者擇優選擇移動采集平臺B方案，且對B方案進行了較為詳細的說明解釋。然后對移動采集平臺的關鍵部件懸架機構進行相關設計參數校核分析，經過校核均滿足設計需求。通過計算匹配確定了移動采集平臺的動力總成部分，選擇了直流無刷電機作為驅動電機，為后續控制設計工作的開展奠定了基礎。

[參考文獻]

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[3]王望予.平臺設計[M].北京：機械工業出版社，2005.

[4]陳家瑞.平臺構造[M].北京：機械工業出版社，2005.

[5]成大先.機械設計手冊：機械振動·機架設計（單行本）[M].5版.北京：化學工業出版社，2011.

[6]成大先.機械設計手冊單行本（聯接與緊固）[M].北京：化學工業出版社，2004.

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[8]成大先.機械設計手冊單行本（彈簧·起重運輸件·五金件）[M].北京：化學工業出版社，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