電動遙控履帶式果園噴藥車的設計

張 健,秦慶國,張智剛,劉兆朋,何 杰

(1.華南農業大學 南方農業機械與裝備關鍵技術教育部重點實驗室,廣州 510642;2.青島農業大學 機電工程學院,山東 青島 266109)

0 引言

中國果園面積約在280萬hm2,而農藥是果樹豐產優質的有力保障,但果園種植的機械化水平整體偏低,采用汽柴油發動機提供行走動力的人工駕駛自走履帶式噴藥車仍是當前果園植保機械的主要力量[1]。由于缺少對駕駛員的必要保護,施藥過程中不可避免地造成駕駛員人體傷害,且隨著勞動力的短缺,植保人員的緊缺已成為社會問題。

將駕駛員與施藥車輛脫離,保障駕駛員免受農藥侵害,采用遙控方式是最簡單、經濟的方案。文獻[2]提出了一種履帶式車輛的遙控方法,但車體需提供液壓動力,不適用于果園機械。文獻[3-4]通過控制操縱搖桿完成履帶式車輛轉向與行走控制,盡管能夠達到遙控目的,但由于傳統履帶式果園車輛行走動力來源于同一發動機,通過控制差速齒輪完成轉向控制,安裝難度較大,操縱靈敏度欠佳,不利于產業化推廣。

本文采用汽油發電機作為動力源、直流無刷伺服電機作為運動執行器,設計了電動遙控履帶式噴藥車。車輛離地間隙162mm,外形尺寸800mm×725mm×600mm,配備5kW汽油發電機和2個1kW伺服電機,采用基于Lora的無線通信技術實現遠程遙控作業。

1 硬件設計

電控履帶式智能噴藥車結構框圖,如圖1所示。發電機車體內安裝的裝置包括蓄電池、行進無刷直流電動機、測速光電碼盤和整車控制系統。

1.風送式噴頭 2.汽油發電機 3.電動柱塞泵 4.儲藥箱

直流無刷伺服電機具有效率高、控制精度高及扭矩大的特點[5-6],因此動力執行器采用直流無刷伺服電機無刷發動機。兩個伺服電機通過減速器分別安裝于左右履帶輪主驅動輪軸上, 采用雙路輸出伺服驅動器獨立控制兩個伺服電機轉速,以突破傳統差速齒輪減速方式所帶來的速度控制非線性化問題;減速器采用擺線針輪減速結構的高精密控制用減速機RV50,具備小型、輕量、高剛性和耐超載的特點;底盤采用橡膠履帶以保證車輛的果園地形適應性;配備減震裝置提高噴藥車的穩定性。汽油發電機為主供電單元,鉛蓄電池輔助供電單元,兩者構成車輛的供電系統。車輛主要技術參數如表1所示。

表1 履帶噴藥車主要技術參數

m1載重質量250kg;m2蓄電池質量30kg;P0為伺服電機功率;P1為柱塞泵功率。

2 供電系統設計

供電系統是整車系統的核心之一,為車輛提供行駛動力及車輛控制系統電源。供電系統接線示意圖如圖2所示。車輛采用5kW汽油發電機提供動力,功率控制完成發電機啟停控制;大功率整流器完成發電機輸出電壓的DC-DC變換,變換后輸出電壓為48V;加裝20Ah鉛蓄電池目的在于維持電壓輸出的穩定。之所以加裝汽油發動機而非電池供電是因為:整車功率最高可達2 500W,以加裝48V/80Ah鋰電池為例,動力轉換效率估算為80%,則續航時間約為1.23h,施藥量約為0.5L/min, 一次滿負荷充電僅能施藥為36.9L;而電池充電時間至少需要3h,這將對作業造成極大的不方便。

圖2 供電系統原理框圖

2.1 行駛驅動功率計算

根據文獻[7],主動輪的最大驅動力及功率可以表示為

(1)

Mmax=Fqr

(2)

Wmax=FqVx

(3)

其中,Fq為主動輪最大驅動力(N),Mmax為主動輪最大力矩(N· m),Wmax為主動輪所需最大功率(kW),Vx為驅動輪線速度(m/s),G為裝滿藥后車體質量(kg),r為驅動輪節圓半徑(m),f為滾動阻力因數,λ為摩擦阻力因數,μ為轉向阻力系數。根據果園行駛環境,取值G=390kg、Vx=1.67m/s、r=0.227m、f=0. 1、λ=0.3、μ=0.6粗略估算Wmax=2kW。

2.2 農藥噴灑系統計算

農藥噴灑電力消耗是整套供電系統主要電力消耗來源,其參數計算對整車性能起關鍵性作用。其中,電動柱塞噴藥泵的壓力損失為動壓力損失、靜壓力損失及局部壓力損失,根據文獻[8],其計算公式為

(4)

(5)

(6)

其中,ρ為空氣密度(kg/m3),Vf為氣流速度(m/s),R為輸送管道半徑(m),η為摩擦因數,I為風管長度,ξ為局部阻力系數。根據噴藥環境,取近似值ρ=1.19kg/m3、Vf=10m/s、R=0.02m、η=0.1、I=2、ξ=0.3。

計算得總壓為

P=Pd+Pm+Pj=3000Pa

(7)

柱塞泵電機功率為

(8)

其中,P為柱塞泵電機功率(kW),p為泵出口壓力(MPa ),q為理論流量(L/min),η為整體效率。計算得P=0.49kW。

3 整車控制系統

整車控制系統完成車輛行駛遙控控制,包括遠距離指令接收裝置和主控制系統。主控系統通過遠距離指令接收裝置接收遙控指令信號,控制左右履帶伺服電機轉速和電動柱塞泵的開啟/關閉。

3.1 主控制系統

主控制系統時整車控制系統核心,其主要功能為完成對左右履帶伺服電機的轉速控制。主控制系統硬件結構如圖3所示。其中,無刷直流電動機型號110AS0408-15;48V電源由車輛供電系統提供,主控電源系統提供+15、5、3.3、1.9V電源。其中,+15V和5V由DC-DC電源模塊產生,為運放、逆變器工作電源;3.3V和1.9V為DSP供電電源,由電源芯片TPS767D318產生。參考文獻[9]單個伺服電機控制系統的設計方法,將伺服電機個數拓展為2個。同樣,主控制系統采用TI公司32位DSP芯片TMS320F-28335作為CPU,IR2131實現三相逆變驅動,采用ISO7140實現信號隔離CSNE150- 100采樣母線電流,調理電路為二階有源低通濾波器,采用相電流直接控制法對伺服電機速度閉環控制[10-11]。雙路無刷直流電動機上均配備2500線光電編碼器,光電編碼器的A、B、Z信號與DSP的EQEP引腳相連,利用DSP內置光電碼盤速度解算模塊,獲取左右履帶行進速度;采用I/O口控制電磁閥完成噴藥開關動作。

圖3 主控制器硬件結構框圖

3.2 遠距離指令接收裝置

履帶式噴藥車多作業于樹林,無線通信易受遮擋,采用傳統WIFI或者ZigBee無線通信技術,通信距離衰減嚴重,無法滿足要求。Lora調制技術同時兼顧了通信距離、功耗和抗干擾的優勢,適用于超遠距離擴頻通信[12-13],在增大通信功率的情況下,通信距離可達8km,因此采用基于Lora的無線通信技術完成遠距離遙控作業。Lora通信協議采用SX1278芯片實現,遙控端電路原理圖如圖4所示。其中,MCU為STM32F103,命令接收端電路原理圖與遙控端一致,區別在于MCU為主控制芯片MCU。

圖4 Lora無線通信電路原理圖

主控制模塊根據接收到的指令完成噴藥電磁閥的開關動作和左右履帶的行駛控制。所接收到的命令形式如表2所示。每幀數據以字符‘S’為幀頭,‘E’為幀尾,第2～3幀數據表示左右履帶車速范圍為0x00-0XFF即-10km/h-10km/h,0X80表示靜止,0X00-0X7F為倒退行進,0x81-0XFF表示履帶前進方向行進;第四幀數據為噴藥動作控制,0X00表示停止噴藥,0X01表示啟動噴藥;第五位為數據奇校驗位。為防止車輛失控,車輛若0.1s在接收不到有效指令將停車停止作業。

表2 遙控命令形式

4 樣機性能試驗

采用圖5樣機進行了遙控距離、車速精度性能、爬坡能力和噴藥量測試。針對爬坡能力測試,測試條件為模板斜坡,在滿負荷條件下,車輛能夠輕松通過30°木板斜坡,最高爬坡角度為40°。

圖5 試驗樣機

4.1 遙控距離測試

在空曠地塊(操場)及果樹噴藥時期的果林進行實驗,啟動無線數據發送裝置,連接遙控器,調整遙控距離,測定次數200次。不同距離下指令延遲時間、丟包率、連接失敗率如表3所示。

由表2實驗數據可得:Lora數傳在空曠環境下穩定傳送指令距離可達8km,在復雜果園環境下無線通信受到干擾及遮擋,可穩定通信1km。

表3 遙控距離試驗結果

4.2 控制精度性能測試

測量車輛在不同坡度下行駛的控制精度,所選DBL2450-2E伺服驅動系統具備2500線增量式編碼器,可精確測量其控制精度誤差。為提高計算精度,測定30次50m距離下的偏移角度。不同坡度下車輛行駛50m的偏移距離、偏移角度及控制精度性能測試如表4所示。

表4 控制精度性能測試數據

由表4可知:隨著爬坡坡度的增加,偏移角度以正切函數增加,在30°的坡度時可達到9‰控制精度,完全可以滿足作業要求。

4.3 噴霧量的測定

試驗用液體為含類藥液雜質的混合液體,啟動電動柱塞泵,調整柱塞泵輸出壓力為1、2、3、4、5MPa。利用量筒收集噴頭噴灑的液體,測定時間為15s,記錄每次噴藥量,重復測量30次。不同壓力下的平均噴藥量、總噴藥量及標準差系數如表5所示。

表5 不同壓力噴霧量試驗數據

由表5可以看出:每次測量噴藥量都會有較小的波動,隨著噴霧壓力的升高,噴霧量隨之增加,但增加的速度變緩。

5 結論

1)針對傳統果園履帶式噴藥車難以實現智能控制的問題,設計了電動遙控履帶式噴藥車。該作業機械結構合理,行動自如,可依據不同果樹特點進行調整噴藥。其最大優勢在于極大程度上解放了勞動力,提高作業效率,避免了果農長時間噴藥導致中毒的危險。

2)試驗數據表明:在果園環境下,遙控距離可達1km,丘陵地區30°的陡度控制偏差能保持在1°以內;噴霧在25MPa壓力以內標準差能2.35MPa以內。樣機控制性能、地形適應能及噴霧穩定性良好,提高了噴藥的質量和效率。