一种电驱式油茶果采摘底盘*

张立勇 ， 王 欣 ， 戴忠顺 ， 夏 添 ， 王文军 ， 龚五堂

（荆州职业技术学院，湖北 荆州 434020）

0 引言

油茶种植产区主要分布在我国湖南、湖北、广西等地，油茶因营养价值高，有“东方橄榄油”的称号[1]。近年来，我国油茶产业发展迅速，全国共有400多万hm²高产油茶林[2-4]。虽然农业机械化已广泛应用于农业生产过程中，但是油茶采摘环节的机械化仍相对滞后。目前，油茶果以人工采摘为主，由于采摘劳动强度大、农村劳动力短缺等因素[5-8]，油茶果种植成本上升。因此，加大油茶果机械化采摘装备的研发力度十分迫切，且该装备对油茶产业的大力发展有着显著的推进作用。由于油茶树大多种植在缓坡地带，没有一种较好的行走机械，目前履带式运输机操作方便，具有适应性好、橡胶履带附着力强等特点，可在多石地、湿软的地面上行驶，并有较好的越障能力，但其生产和运行维护成本较高，需预先铺设道路系统，且运输速度较慢[9-10]。相较于汽油机底盘，电驱式底盘在农业中的应用还比较少，故本文设计了一款用于采摘油茶果的电驱式行走底盘。

调查研究发现，规模化种植的油茶树的高度为2 m～3 m，直径约为2 m，油茶果主要分布在冠层0.3 m处，油茶树的株距约为3 m。油茶树种植园艺参数如图1所示。

图1 油茶树种植园艺参数及分布

1 机械结构

结合油茶树规模化种植特性和园艺分布特点，为了便于底盘灵活地在油茶林行走和采摘，该底盘装置整体尺寸和运动性能参数如表1所示。

表1 采摘底盘参数

该装置主要由底盘框架、电气系统、驱动系统组成。底盘框架承受装置的总重量和地面的反力，缓和不平路面对车身造成的冲击，减少装置行驶中的振动，保持行驶的平顺性；电气系统主要控制装置的驱动系统，接受驱动信号和指令，并对采集数据进行处理；驱动系统主要控制装置的四个轮胎，实现前进、后退、转向等功能。

底盘框架为承载式横梁结构车身，主要由立柱、侧围板、上支板、下支板组成，如图2所示。上部平台可以搭载油茶果采摘机构，内部下支板主要放置电气硬件设备。

图2 底盘框架

前驱式驱动系统如图3所示，主要包括导向前轮组和从动后轮组。导向前轮组由左驱动电机、右驱动电机、导向轮、轴承、驱动轴、前梁等组成。驱动电机为带刹车型86型步进电机，可以实现角位移精准控制，并且具有自锁功能。导向轮为越野防滑型，轮胎通过联轴器与步进电机固接，整体采用双轴承反向安装。左、右导向轮相互独立控制，实现左、右同步运动或者差速运动，左、右导向轮组通过螺栓安装在前横梁上。从动后轮组由从动轮、从动轴、轴承等组成，从动轮与从动轴通过轴承固接在后梁上，可以实现左、右相对或者同向运动。

图3 前驱式驱动系统

2 电气设计

2.1 控制系统

采摘底盘控制系统硬件主要由锂电池、24 V稳压电源、PLC、驱动器、遥控器组成。其电气原理图如图4所示，PLC控制步进电机驱动，通过发射脉冲控制步进电机转动角度，实现电机任意角位移精准控制，电源为整个系统持续供电。

图4 控制系统电气原理图

2.2 硬件组成

硬件结构组成如图5所示，PLC型号为PLC16X8-MT，该控制器能以100 Hz～50 000 Hz的动态频率同时或者单独控制步进/伺服电机，精准实现启动、暂停、缓停、加减速运动、触发急停等功能。步进电机采用86CM85型大扭矩电机，驱动器搭配使用MA860C，通过24 V脉冲信号驱动电机运动，具有大扭矩、高效率、响应快、精度高等优良特性。

图5 硬件结构组成图

2.3 控制程序

底盘驱动控制程序如图6所示，通过串口数据和外部传感器信号，该控制程序可以完成对电机的启动、加减速、暂停等动作及内部动作的逻辑运算控制，进而可以实现底盘的前进、后退、转向等功能，具有精度高、误差小、效率高等特点。

图6 底盘驱动控制程序图

3 样机制造

采摘底盘物理样机如图7所示，上支板和下支板均采用2020铝型材加工而成，该型材可以自由组合搭建，方便安装其他零件和搭载其他系统，同时在满足承载载荷的情况下，可以最大程度地减轻机架的整体重量、简化机架的结构，实现轻量化设计，便于小车在低矮的油茶林间行走和工作。驱动轮胎均采用越野型防滑轮胎，通过增加轮胎与地面的摩擦系数，让底盘获得较好的抓地性能。前挡与侧围板均采用不锈钢板金件弯折而成，其内部空间用于安装控制系统和硬件装置。通过多重测试，证明该样机能实现远程控制、自由行走、精准定位等功能，具有续航时间长、能耗低等特点。

图7 采摘底盘样机实物图

4 结论

1）借助软件设计并构建了底盘三维实体模型，对各部分组件进行了虚拟装配，并对其进行了运动仿真，证明该设计符合技术要求和园艺种植特性，提高了整车通过性能和稳定性能。

2）油茶果采摘底盘采用承载式横梁的结构与电驱式轻量化的底盘设计，为后续搭载油茶果采摘机械臂提供了行走系统，并且相较于燃油机械不会发生振动和噪声，工作性能更加稳定。

3）结合油茶树种植特性，对底盘整体布局提出了有效的设计方案。实物样机的制造和功能的实现验证了该方案的可行性，弥补了电驱式底盘在油茶果机械装置应用领域的空白，为后续进一步研究油茶果采摘机械提供了有力支撑。