无线远程操控果园自平衡运输车设计

石少健 陈燕慧

摘 要：介绍了一种无线远程操控果园自平衡运输车的设计。通过SolidWorks三维建模，对组成平衡车的机械结构及工作原理进行了详细的叙述，使其具备能够维持动态平衡的运输特性，并对整车的设计观念、结构设计及工作运转进行了分析。将无线远程操控果园自平衡运输车与传统的果园运输装置进行对比，突出其能够实现远程操控的先进性，以及能够适用于果园内各种复杂道路的应用性;能够满足采摘业相关需求。

关键词：远程操控;自平衡车;结构设计

0 引言

随着城镇化水平的推进、农村劳动力的减少及土地集约化的推进，农业机械化的发展将是必然趋势[1]。传统的农业机械在一定程度上解决了大部分劳动问题，像大型农用机械的推广使用，能够以成倍的工作速度完成人们难以完成的工作量，提高劳动效率。在信息技术不断发展的背景下，农业科技领域实现了进一步的发展，将电子信息技术完善应用于农业机械中，能够借助电子信息技术这一手段来推进农业机械的现代化进程，进而为农业产业的进一步发展奠定基础[2]。电子信息技术的应用转变了传统的农用机械设计方式，并促使农业机械朝着智能化、自动化方向发展。丘陵山地水果产业是典型的丘陵山地农业，而丘陵山地果园的机械化运输已成为丘陵山地果园作业的核心需求[3]。桃树、苹果、葡萄等一些果树枝干较为低矮，一些大型的农用运输机械无法进入果园，只能作为外部运输工具;再加上果园内道路复杂崎岖，水果在采摘搬运过程利用人力运输方式（小推车、挑担、抱）必将浪费大量劳动力，出现效率低下的问题，而且容易磕碰造成损伤，严重影响果品质量。

1 设计目标与整体技术参数

针对果园内各种环境因素综合分析，

设计主要有两个目标：一是结构简单紧凑，无线远程操控，操作灵活，经济性好，绿色环保，在丘陵山地等复杂地形通过能力强;二是满足果园内果树与果树之间距离要求，以及运输路线中较大枝干的高度要求。 整体技术参数如表所示。

2 总体结构设计

无线远程操控果园自平衡运输车主要由动力装置、自平衡装置、无线远程操控装置、传动机构、行驶机构等组成。该车采用坦克履带车的结构形式，由电动机带动履带驱动轮，从而使左右双履带进行运转，通过无线远程操控装置搭配电子控制模块对整车进行远程控制，结合实地场景路况，选择最优化的运输方向;当车子通过陡峭路面，控制中心利用对平面两个自由度监测及控制，实现对车厢的动态平衡控制。该运输车总体设计结构简单，各装置结构紧凑，提高了可操作性。总体结构如图1所示。

2.1 动力装置选择

动力装置由位于车体底盘中48 V无刷直流轮毂电机、电子调速器以及远程接收机组成，实现动力供应。

根据已确定的参数规格，计算运输车以满载工况在最大爬坡度路面上行驶时直流电动机所需要的功率大小。综合考虑该运输车极限工况，选择的直流电动机功率应不小于0.21 kW，所以选用额定功率为0.5 kW的直流无刷轮毂电机作为该运输车的动力装置。

2.2 传动机构设计

该运输车的传动装置为实现降速增扭以及保证动力的持续输出，采用电动机带动小链轮与驱动轮大链轮之间链传动，根据预期相关参数对链传动进行设计。

2.3 行驶机构设计

行驶机构单边设计由一条履带、一个驱动轮、一个导向轮、四个支重轮、四个缓冲弹簧等组成。驱动轮将传动机构转矩转换成履带运转的动力，从而带动导向轮、支重轮转动;导向轮根据驱动轮相对位置而定，目的在于引导履带能够正确绕转，并可以防止履带跑偏和越轨;缓冲弹簧对支重轮起缓解冲击压力以及调整履带的弹性松紧度作用。

2.4 自平衡装置结构设计

运输车通过陡峭的路面时，自平衡装置自动实时保持车厢平衡。该装置主要由伺服电动机、电动机支座、法兰以及支座底板等组成，且位于底盘中部凸台上;采用单片机实时读取IMU（Inertial measurement unit）惯性传感器MPU6050内角度和角速度信号数据，并应用卡尔曼融合滤波方式和 PID 控制算法进行信号处理[4]，最终输出相应的补偿信号（PWM）控制伺服电机，来维持运输车车厢动态平衡;该装置在最底部存在两个伺服电动机，被用来控制X（前后）方向;在第二层支座底板还存在着另外两个控制Y（左右）轴方向的伺服电动机;其中第一层与第二层高度差250 mm，X、Y轴方向最大为±45°的补偿角度，大于该运输车最大爬坡度22°，能够应对多种果园地形;为提高车斗的稳定性以及避免单个机械摇臂应力集中问题，在两个方向上各安放两个相距500 mm同步运行的伺服电动机，同时驱动两个机械摇臂，使负荷均匀分散开。结构如图2所示。

当运输车以满载工况条件在最大爬坡度路面上直线行驶时，相应的整个运输车与水平路面存在一定的夹角，若要使车厢由倾斜状态向水平动态平衡状态转变，则伺服电机应根据補偿信号转动相应的补偿角度[5]。

2.5 远程操控装置设计

智能化农业，是指通过电子信息技术的逻辑运算、传导和传递，发挥适宜指令指挥科研仪器、农业机械来完成正确的动作，最终实现农业生产和管理的智能化[6]。该运输车秉承智能化设计原则，在控制方面采用无线远程操控利用BOYUAVT×102D（1W+OSD）高清图像传输装置搭配使用WFT09II遥控器与接收机进行实时远程控制。

根据装置实际测评使用情况，高清图像传输装置能够在3 km内使实现视频高清传输，满足远距离操控使用需求。WFT09II遥控器能够在空旷地1 km内稳定操控，能够满足当前果园现状及使用需求。

3 结论

该无线远程操控果园自平衡运输车采用刚性底盘履带运输车结构形式，再搭配上自平衡装置和无线远程操控装置，使整车具有智能化、可靠性高、灵活可操作、性能安全稳定的特点，解决了运输车行驶，人必须与车跟随的问题，以及保证车厢在装有负载的工况下实时保持其动态平衡，极大的降低了水果在果园采摘运输时因磕碰造成的损伤，完美的适应丘陵山地以及大棚等环境地形，降低广大果农的劳动力，提高经济效益，具有良好的发展前景。

参考文献：

[1] 白学峰，鲁植雄，常江雪，等.中国农业机械化现状与发展模式研究[J].农机化研究，2017，39（10）：256-262.

[2] 林翔.电子信息技术在农业机械中的应用研究[J].信息通信，2016（1）：170-171.

[3] 吴伟斌，赵奔，朱余清，等.丘陵山地果园运输机的研究进展[J].华中农业大学学报，2013，32（4）：135-142.

[4] 赖义汉，王凯.基于MPU6050的双轮平衡车控制系统设计[J].河南工程学院学报（自然科学版），2014，26（1）：53-57.

[5] 王军锋，唐宏.伺服电机选型的原则和注意事项[J].装备制造技术，2009（11）：129-131.

[6] 甘代祥.智能化农机技术与装备探讨[J].建材与装饰，2016（29）：226-227.