自走式遙控噴藥車的設計

楊一，張鋒偉，宋學鋒，許淵，王鋒，李青

（730070 甘肅省 蘭州市 甘肅農業大學 機電工程學院）

0 引言

自走式遙控噴藥車可以在各類農作物整個生長期內不受限制地完成農藥噴灑作業，尤其是針對胡麻作物的中后期植保作業，可以做到不傷苗、不壓苗，且噴灑效率高。由于是遠程控制，可防止操作員中毒，適用于與胡麻等莖稈同高作物生長期的噴藥作業[1]。

在病蟲害防治和疾病控制以及植保機械領域，西方一些發達國家在這些方面的技術較完善，基本達到了自動化水平，而在我國尚處于起步階段，植保機械數量短缺，技術落后，功能單一，無法滿足現代農業的植保要求。我國目前廣泛使用的噴藥機械以原始手動操作機械、小型化為主，主要有3WFZ-12 型自走高桿噴藥機[2]，3WPZ-1600 型玉米高架自走式噴藥機[3]，3WP-1200 型噴桿噴藥機等[4]。由于農田與普通公路不同，對作業機械的動力性能和穩定性要求較高，因此，研究和設計一種具有良好平臺動力和高穩定性可遠程控制的噴藥車具有很強的現實意義。

本文針對國內外市場噴藥車的種類和特色以及發展現狀，結合相關設計的標準，制定了自走式遙控噴藥車的整體設計方案，并對關鍵部件進行了具體分析與研究。整機結構大多采用鋼結構，通過焊接與鉸接兩種方式組裝了整個噴藥車。應用單片機技術和紅外遙感技術，實現了自走式噴藥車機的行走、轉向、噴桿的升降折疊等遠程控制以及噴藥車車輪橫向間距的調整[5]，以適應不同的行距需求。噴藥架伸縮機構可增大噴藥車噴灑作業面積[6]。根據胡麻機械化植保相關農藝要求及機械化標準[7]，確定了整機及各部分的零件大小與尺寸，對自走式遙控噴藥車進行了Solidworks 建模與試制[8]。試制完成后對整機進行轉彎半徑實驗、爬坡性能實驗以及整機胡麻田間噴霧試驗。實驗結果表明：自走式遙控噴霧車在田間最小轉彎半徑為2.1 m，最大爬坡角度為40°，轉向靈敏，動力充沛，行駛穩定，噴霧植保效果好，能夠滿足胡麻等高桿農作物田間試驗的要求。

1 自走式遙控噴藥車的設計

1.1 整機結構設計

自走式遙控噴藥車的三維模型結構如圖1 所示。噴藥作業時由操作員給出啟動信號，然后執行相應的操作，同時通過操作員遠程遙控給出噴藥信號，噴藥泵開啟執行噴藥作業。當需要調節噴藥架高度時，操作員通過遙控器發出信號使第一電推桿接通電流，使活塞開始運動帶動噴藥架的升降運動；當需要轉向時或倒車時，同樣由操作員給相應的信號，通過傳統機構帶動車輪實現轉向和倒車。作業結束后，操作員可通過手持遙控器給出信號，使得第二電推桿通電，其活塞推動兩側噴藥架置于折疊狀態。另外，在作業前，為了適應不同種植模式的胡麻作業噴藥需求，操作員可通過轉動絲桿、調節支腿伸出量來實現輪距的調節[9]。

圖1 整機三維模型Fig.1 3D model of whole machine

1.2 設計參數

根據胡麻機械化植保相關農藝要求，確定的整機主要技術參數見表1。

表1 整機主要技術參數Tab.1 Main parameters of machine

2 關鍵部件的設計

2.1 整機控制系統的設計

自走式遙控噴藥車控制系統主要包括噴藥機的行走、轉向、噴桿升降、折疊，液位檢測和報警裝置。系統的硬件設計框圖如圖2 所示，主要由單片機系統模塊、無線電遙控模塊、電源模塊、直流無刷步進電機驅動模塊等組成。

圖2 系統硬件部分設計框圖Fig.2 System hardware design block diagram

通過分析各種單片微控制器在實際應用中的優缺點，系統選擇型號為STC80C52 的英特爾8位單片機，并設計了紅外芯片和其他器件的模型。單片機最小系統的主要作用是為系統提供振蕩時鐘、電源和硬件復位功能。控制系統主要結構如圖3 所示。單片機資源分配見表2。

圖3 控制系統主要結構圖Fig.3 Main structure diagram of control system

表2 單片機資源分配表Tab.2 SCM resource allocation

2.2 無線電遙控系統設計

自走式噴藥車的遙控部分采用紅外遙控技術，它是利用無線電信號作為遙控指令來完成各種指定動作，一般由發射器和接收器兩部分組成，本系統選用 HT6421 型紅外芯片。當操作員按下命令鍵后，通過編碼電路對命令鍵進行編碼，再傳給調制電路將命令密鑰調制到適當的信號頻帶，通過放大電路將信號放大，接收器接收并驗證信號，然后通過解調電路、解碼電路將信號轉換成微處理器可以接收的信號用于讀寫[10]。

發射器電路選擇HT6221 20/SOP 解碼芯片，X1 和X2 作為455 kHz 諧振輸出，VDD 和VSS連接到電源的接地引腳，DOUT 是數據地址的輸出端口，AIN 是低位地址碼的掃描輸入端，R1-R4 和C1-C8 分別是垂直和水平鍵盤矩陣，D7 是二進制系統的最高數據位。

根據噴藥車實際需求，在發射模塊中設計了9 個按鍵，9 個按鍵的分配見表3。

表3 按鍵名稱功能表Tab.3 Key names and functions

行走轉向裝置的工作原理如圖4 所示。工作時，操作員通過遙控器給出信號，主控制單元接收到信號后，接通電機電源啟動電機，將動力傳輸到減速器驅動車輪向前行駛[11]。行駛過程中，當路面平整度較差時，通過車前的前橋擺動仿形結構可以保證整機水平狀態，同時也有效防止了藥箱內藥液外濺撒漏。當操作員給出倒車或者停車信號時，主控單元接收到信號控制電機斷電或反轉，從而實現停車和倒車。

圖4 行走轉向裝置示意圖Fig.4 Walking steering device

噴桿升降折疊裝置的工作原理如圖5 所示。操作人員給出信號，主控單元接收信號并發出信號使電推桿通電。當一級電推通電伸縮時，驅動四桿機構連接桿擺動，實現噴桿整體的升降[12]。升降過程為：當主支架兩側二級電推桿完全伸出時，翼支架在推力作用下轉動，直到與主支架夾角為0°，此時翼支架呈展開狀態；當二級電推桿完全回縮時，翼支架在推桿拉力作用下旋轉至收攏狀態，此時與主支架夾角為90°。

圖5 噴桿升降折疊裝置Fig.5 Boom lifting and folding device

3 自走式噴藥車的性能試驗分析

根據前期的整機總體方案要求以及三維模型設計，對遠程遙控式噴霧車進行了試制。為了驗證整機在加速行駛、恒速行駛、轉向停車、噴桿升降、噴桿折疊等過程的可控性以及人機結合效果，對其進行了相關的調試和試驗驗證。3WP4-1100 型自走式噴藥車試驗主要為整機性能試驗，包括行駛轉向、爬坡性能以及胡麻田間行駛噴霧實驗。整機性能實驗場地選擇在陜西惠途智能裝備有限公司實驗基地，胡麻田間行駛噴霧試驗是在甘肅省白銀市景泰縣條山農場試驗基地進行的。

試驗結果表明：整機運行平穩、轉彎靈活可靠，行駛過程中未發生翻車失速現象，噴霧效果良好，經過一定時間的觀察，植保效果也良好。同時，通過操作員遙控噴桿能平穩實現升降和折疊。整個測試過程主控信號接收和反饋迅速，每一環節都可通過遙控精準控制。整機初步達到了設計要求，已具備田間試驗的相關條件。

4 結論

在胡麻等植物的生長過程中，對于其病蟲害的防治是重要的環節之一。本文通過分析現有的國內外植保機械現狀以及胡麻機械化植保作業過程中存在的操作靈敏性差、機器運輸困難、自動化程度低、藥物對操作人員的傷害等問題，設計了一種可遠程遙控的自走式噴藥車，通過對整機的結構設計、關鍵部件設計、性能試驗等展開研究，得出以下結論；

（1）通過對3WP4-1100 型自走式噴藥車整機的設計，給出了系統的主要設計參數和相關農藝要求，并描述了控制系統、無線遙控系統、噴桿升降裝置、轉向裝置等關鍵部件的基本設計原理。

（2）根據前期的整機總體方案要求以及三維模型設計，對遠程遙控式噴霧車進行了試制，試制完成后對整機進行轉彎半徑實驗、爬坡性能實驗以及整機胡麻田間噴霧實驗，實驗結果表明：遠程遙控式噴霧車在田間最小轉彎半徑為2.1 m，最大爬坡角度為40°，轉向靈敏、動力充沛、行駛穩定、噴霧植保效果好等能夠滿足胡麻等高桿農作物田間實驗的要求。

但是通過模擬仿真分析發現，遠程遙控自走式的噴藥車機身在前進過程中存在顛簸，運行速度時刻發生變化，但總體保持平穩狀態，這主要是輪胎接觸的顆粒床體狀況不同所致，需要進一步研究整機在作業過程中如何避免顛簸和振動。在整機性能試驗中還發現，整機控制靈敏性較好，能基本實現啟停、轉向、噴藥、噴桿升降、折疊等功能，但在行走轉向過程中出現了車輪同步性差和轉向卡頓問題，因此有必要進一步改進整機的驅動方式與轉向方式。