自主行走植保车的设计与试验研究

秦伟桦，冉云亮，朱晨辉，秦超彬，王万章

（1.472000 河南省 三门峡市 河南省烟草公司三门峡市公司；2.450002 河南省 郑州市 郑州容大科技股份有限公司；3.450002 河南省 郑州市 河南农业大学 机电工程学院）

0 引言

随着科学技术发展，人们越来越重视对烟草的研究。烟草的高经济价值历来举世公认，在增加国民经济方面意义重大[1-2]。近年来，卫星导航、信息无线传输、传感器和控制技术等加速了智能化农机的设计和开发，但在烟草农业生产中，烟草植保、打顶等环节还未实现机械化，生产过程劳动强度大、费时、费工[3]，严重制约了我国烟草规模化及机械化种植[4]。

在田间管理车辆的研究方面，陈勇[5]开发研究了自动除草的四轮驱动作业车，计算机从地面图像中识别出杂草目标，再发出指令控制机械臂切割杂草并涂抹除草剂；王宝梁[6]设计了一款两轮驱动的作业车，并针对叶菜类蔬菜进行喷洒和机械除草作业；刘路[7]以机械化种植并生长到中后期的玉米为研究对象，应用了一款履带式作业车搭载弥雾机，在作物行间大面积均匀施药展开技术研究；尹振波[8]在已有底盘的基础上，用一种小型两驱电动四轮车，研究了超声波避障功能；张一星[9]设计了一款两轮驱动的作业车，使用电动车轮毂电机；车延超[10]设计了一款变量喷洒的作业车，使用电动车轮毂电机，基于图像进行施药；白如月[11]等设计了一种可以在作物行间自主行走的施药机器人，实现植保作业车在温室内的自动行走并均匀施药；陈黎卿[12]等设计了一种遥控喷雾机，行驶速度在2～10 km/h，使用阿克曼转向原理，设计了四杆转向机构。

本文根据烟草种植农艺和植保作业需求，设计了一款自主行走时植保作业车，搭配喷雾系统作业部件，可实现烟草田间自主行走喷雾作业，提高烟草病虫害防治机械智能化水平。

1 作业车结构设计

结合烟草田间植保作业要求，作业车的结构设计应充分考虑烟草的种植模式、作业期作物长势等因素，因此，设计距地间隙可以调整的作业底盘和轮距，使作业车能符合不同种植行距的烟草田间植保作业需求。作业车设计轮距为1～1.3 m，离地间隙为0.7～1.3 m；采用四轮驱动，动力由电动机提供。电机的控制能够满足智能化的应用。自主行走式植保作业车主要技术参数如表1 所示，结构如图1 所示。

图1 作业车结构图Fig.1 Structure diagram of the operating vehicle

2 主要部件设计

2.1 转向结构设计

折腰转向通过铰接的底盘单元来改变车辆的前进方向。在转弯期间，可以保持驱动元件提供最大推力，如图2 所示。采用中梁式车架，车轮与车架在平面内没有发生相对运动，提高了越野性能。转向机构不需要扭转梁和其他部件，优化了前后桥结构。转向时，两侧车轮不会相对车桥偏转，随着折腰角φ的增加，转向半径明显减小。通过理论分析，设计采用的轴距为 1 200 mm，前车梁与后车梁长度相同。

转弯瞬时半径中心（C）描述了作业车在大地坐标系下的旋转半径，可用于控制作业车进行路径跟踪。由于设定路径的每个小部分可以通过其曲率半径来描述，因此，可用作控制前后平台之间所需的折腰角度。

在l1=l2的情况下，l 取前后车架长度为 r1=r2。

作业车在转向过程中的内圈半径rmin为

外圈半径 rmax（最小转弯半径）为

当最大转向角为 50°，轮距为 1 000 mm 时，内圈转弯半径为 787 mm，最小转弯半径为 1 787 mm，适合全地形作业的转向需求。

由于作业车采用小型轻量化底盘结构设计，整体载重较小，所以采用电机主动转向。经查询，选用一款 48 V 直流减速电机，转速 72 r/min，最大输出扭矩达到 60 N·m。同时，设计了适用于折腰转向的齿轮传动系，减速比为6，经过齿轮传动系的传递，可以达到转向的使用要求。

2.2 轮距调整结构设计

轮距调整功能的实现需要将车架进行分离，目前应用较多的为液压推杆，通过双排链轮连接传动系，分别驱动前后桥底部的连接推杆，达到轮距调整的目的。本设计的轮距调整以机械结构调节为主，可提高轮距调整的稳定性和可靠性（如图3 所示）。调节装置与支撑柱之间使用 U 型螺丝进行固定，可以调整高度；装置横梁与车架横梁采用螺孔螺栓固定，可以调节轮距。

图3 底盘调节结构Fig.3 Regulatory structure of the chassis

2.3 喷雾系统设计

2.3.1 喷杆的设计

喷杆设计宽度为 6 m，喷杆折叠后的尺寸与轮距相差不大，可以更好地进行转场作业。采用多段式折叠的方法。在主喷杆与副喷杆的连接处，设计了一种可以按压旋转的结构，弹簧底座与圆管之间，使用梯形槽固定，弹簧上部与固定螺栓间安装有垫片可直接按压旋转。这种结构可以方便地进行折叠或展开，同时，保证作业时的平衡性和稳定性。

2.3.2 喷头、水泵和喷雾控制器的选择

喷头是植保作业中的关键部件，喷头的型号、数量和安装间距直接影响植保作业质量。结合烟草田间管理植保作业的农艺要求，本次设计采用喷嘴流量为 1，3 号蓝色喷嘴。因为作业车用电池作为能源，选用电动隔膜泵作为喷雾作业动力源，配置喷头 12 个，药箱容量 200 L，隔膜泵最大流量为 18.9 。设计选用变量喷雾控制器，可依据作业车的速度实现对喷雾机药液管路的流量控制，主要包括主控制器、GPS 接收器、流量计、压力传感器、速度传感器、比例控制阀、主阀和节阀。喷雾装置主要部件如图4 所示.。

图4 喷雾装置Fig.4 Spray device

3 控制系统设计

3.1 主要部件的选择

自主植保作业车的控制模式采用手动和自动两种方式，可以使用遥控器进行人机交互。在自动模式下，可以输入预定路径的 KML 数据，植保作业车控制器通过读取 IMU 姿态信息和 GPS卫星定位信息调整转向，控制驱动电机按照预定路径自主行走。在作业过程中，作业车通过无线通讯模块实时回传位置和速度信息，在电脑或手机端可以进行查看并修改航线或行驶速度。

使用遥控器控制作业车时，可以进行模式切换并且手动控制作业车的油门、转向和喷雾药泵开关，基本原理为：手动发射信号由接收机接受并传递给主控制器，控制器根据信号值调整作业车的工作状态。设计采用遥控器工作频率为2.4 GHz，脉冲宽度调制（PWM）发送信号。采用 ATMEL 公司生产的 ATMEGA2560-16AU 型号的单片机作为行走作业车控制系统的核心，该类型单片机具有系统工作稳定、运算速度快、功耗低等特点。芯片的连通性包括EBI/EMI，I2C，SPI，UART/USART，外围设备具有欠压检测/复位，POR，PWM，WDT 等功能，可满足设计需要。

3.2 电路设计

设计采用典型的 IMU，包括三轴姿态陀螺仪和三轴加速度计，分别测量角速度和线性加速度。MPU-6000 将三轴加速度计和三轴陀螺仪集成在一个硅片上，具有较低的噪音，比较好的温度稳定性和精度。当连接到三轴磁强计时，MPU-6000 提供完整的 9 轴运动融合输出到 I2C 或 SPI端口。接口电路如图 5 所示。

图5 陀螺仪与单片机的接口电路Fig.5 Interface circuit of gyroscope and single-chip microcomputer

磁强计使用型号为 HMC5883L，精度在1～2°，可以通过 I2C 通信，具有简易的 I2C 系列总线接口。接口电路如图6 所示。

图6 磁强计与单片机的接口电路Fig.6 Interface circuit of magnetometer and single-chip microcomputer

针对所使用的驱动电机型号，设计适用于控制系统和电机之间连接的驱动模块，电机的转速调节主要依靠 MOSFET 场效应管，且控制系统经过滤波和 PID 调节对电机进行转速的调整。电路原理如图 7 所示。转向电机的控制电路需要用到继电器控制电机正反转，搭建了 H 桥，如图 8 所示。电路板实物图如图9 所示。

图7 电机驱动模块电路图Fig.7 Circuit diagram of the motor drive module

图8 转向电机控制电路Fig.8 Control circuit of steering motor

图9 控制系统电路板Fig.9 Circuit board of control system

4 样机性能试验

为了进一步验证植保作业车的设计是否符合要求，在河南省滑县某工厂进行了样机试验，主要对作业车转向性能、直线行走和续航时间等进行测试。实物样机如图10 所示。

图10 作业车样机Fig.10 Operation vehicle prototype

4.1 转向性能试验

作业车设计最大转向角为 50°，最小轮距1 000 mm。在轮距不变的情况下，植保作业车以3 km/h 的速度在干砂土地面上低速转向，自转一圈，可以得到作业车车轮的内侧和外侧轨迹（如图 11 所示），利用卷尺测量外侧轨迹可测得作业车的最小转弯半径为2 000 mm。

图11 转弯半径试验Fig.11 Turning radius test

4.2 直线偏移量试验

自主行驶植保作业车在田间行走时，直线行走的偏移率是评价控制系统的重要指标，具体的试验方法为：以设计的作业速度 6 km/h 在预定直线路径行走 100 m，测量终点与起点之间的偏移量，重复 5 次并记录数据（见表2）。由直线偏移量试验数据得出，平均偏移量为 5.51 cm，直线偏移量主要跟测试场地的平整程度和 GPS 精度有关。结果表明该植保作业车可以进行高效可靠的作业。

表2 直线偏移量试验数据Tab.2 Test data of straight line offset rate

4.3 续航时间测试

在试验场地内，在满载条件下以 6 km/h 的作业速度在预定区域内进行不间断的行驶，得到续航时间，共进行了 5 次试验，试验数据如表3所示。植保作业车满载情况下的续航时间平均值达到了2.54 h，符合设计要求。

表3 续航时间试验数据Tab.3 Test data of endurance time

5 结论

自主行走植保作业车，采用驱动电机推动折腰转向，车架距地间隙可调节，配合喷杆及喷雾装置和遥控器的自动控制，车辆机动性强，转向方便，控制灵活；植保车轮距调整范围为 1～1.3 m，适用于烟草田间跨垄作业及玉米、大豆不同宽窄行的植保农艺要求，适用范围广，推广价值高；作业车最小转弯半径为 2 mm，直线偏移率 0.05 m，续航时间 2.54 h。试验结果表明，样机性能参数基本达到设计要求。