轮式果园多功能自主导航作业平台设计

褚阳阳 汪冰清 薛金林 马拯胞

摘要：为实现果园作业机械的多功能应用，设计一款具备割草、喷药、搬运等功能的轮式果园多功能自主导航作业平台。根据作业需求对多功能平台进行总体设计，平台包括动力系统、行走系统、导航系统、控制系统、作业装置等。根据搬运需求计算确定整机驱动电机选型；对割刀进行运动和动力学分析，根据切削范围和稳定需求，计算确定割刀電机和电动推杆的型号；根据流体力学知识，计算确定满足喷药喷幅的药泵型号，并对其他关键部件进行计算选型。对样机进行最小转弯半径、割草性能、喷雾性能等基本性能试验。试验结果表明，所设计的平台最小转弯半径为120.75 cm，满足果园行间地头良好的通过性要求；割刀转速和高度可调，留茬高度可控制在5 cm以内，割草作业覆盖率在91.25%以上；喷药泵可根据车速、树形等进行压力调节，喷雾量均匀性变异系数在8.01%以内，保证喷雾均匀的同时减少农药浪费。

关键词：果园机械；多功能作业；轮式平台；自主导航

中图分类号：S224.4： S229+.1

文献标识码：A

文章编号：20955553 （2024） 02018007

收稿日期：2023年1月16日  修回日期：2023年4月23日

基金项目：江苏省农机装备与技术示范推广项目（NJ2021—38）；江苏现代农业产业技术体系建设项目（JAST［2022］483）；南京市现代农机装备与技术创新示范项目（NJ［2022］07）

第一作者：褚阳阳，男，1996年生，山东新泰人，硕士研究生；研究方向为农机装置智能化。Email： chuyy@njau.edu.cn

通讯作者：汪冰清，女，1973年生，江苏响水人，高级工程师；研究方向为农机信息化与智能化。Email： Wangbq209@163.com

Design of a wheeled multifunction autonomous operation platform in orchard

Chu Yangyang1， Wang Bingqing2， Xue Jinlin1， Ma Zhengbao3

（1. College of Engineering， Nanjing Agricultural University， Nanjing， 210031， China; 2. Jiangsu Agricultural

Machinery Information Center， Nanjing， 210017， China; 3. Jiangsu Agricultural Machinery Development and

Application Center， Nanjing， 210017， China）

Abstract：

In order to realize the multifunctional application of orchard operation machinery， a wheeled orchard multifunctional autonomous navigation operation platform was designe with functions such as mowing， spraying and carrying was designed. The overall design of the multifunctional platform is carried out according to the operation requirements. The platform includes a power system， a walking system， a navigation system， a control system and operating devices. The selection of drive motor of the whole machine was determined according to the handling demand. The motion and dynamics of cutter were analyzed， and the model of cutter motor and electric push rod was determined according to cutting range and stability demand. According to the knowledge of fluid mechanics， the model of the pump that meets the spray width was determined by calculation， and other key components were selected by calculation. The prototype was tested on the minimum turning radius， grass cutting performance and spraying performance. The results showed that the minimum turning radius of the platform we designed is 120.75 cm， which meted the requirements of good passability between rows of orchard. The speed and height of cutter can be adjusted， the stubble height can be controlled within 5 cm， and the coverage rate of mowing operation is more than 91.25%. The spray pump can adjust the pressure according to the speed and tree shape， and the variation coefficient of spray uniformity is within 8.01%， which ensures the uniformity of spray and reduces the waste of pesticides.

Keywords：

orchard machinery; multifunctional operation; wheeled platform; autonomous navigation

0 引言

我国是水果生产和消费大国，果树种植面积及水果年产量都位于世界前列［1］。近年来，根据果园管理建设需要以及降低果园生产成本需求，果园机械正朝着通用化、智能化方向发展［2］，发展多功能果园生产管理机械是必然趋势。

欧美等国家早在20世纪60年代后已经开始果园多功能作业平台的研究［34］，英国Genie公司和澳大利亚CRENDON公司的升降采摘平台、日本筑水农机运输管理机等，这些平台或管理机操纵性和稳定性较好，能够满足果园采摘方面的平台升降和果实运输等需求，法国JTC viticulture公司葡萄园管理机能够实现旋耕、施肥、除草、喷药、果枝修剪等功能［5］。我国在这方面研究起步较晚，2007年，新疆机械研究院研发了我国第一台果园多功能作业机，该平台可以完成运输、剪枝、采摘登高以及喷药等工作［6］；之后，诸多学者和公司根据我国果园特点不断进行多功能平台研究和改进，张亚等［7］设计的果园多功能管理平台能够完成开沟、施肥、施药作业，并且设计监控系统，可顺利实现果园作业监控与管理；洛阳玛斯特研发的履带自走式多功能管理机，该机除运输外还可以进行旋耕、植保、割草、开沟、施肥、枝条粉碎等工作［8］；杨涛等［9］设计一款适宜丘陵地带的微型电动多功能行驶平台，基本能够适应壕沟、坡道等场景。

综上所述，目前常见的果园多功能作业平台多种多样，但是存在机械结构复杂、生产成本高、利用率低等缺点。本文针对果园生产管理需求，设计一款挂接方便、结构简单、转向轻便的集割草、搬运、喷药等功能于一体的果园多功能自主导航作业平台。

1 整机结构与工作原理

现代标准化高密度果园行距一般在4～5 m，株距1～2 m，树冠直径1～2 m，树高2～3 m，树干高度0.6 m以上［10］，平台设计应满足标准化果园行间的自主导航、割草、喷药、搬运等要求，即喷药幅宽应在0.6～3 m，最小转弯半径小于2 m，果园留草高度控制在10 cm左右［11］。

1.1 整机结构

履带式果园机械具有良好的地形适应能力、爬坡能力强等，但运行速度相对较低、功耗较大；而轮式果园机械具有速度快、牵引力大、机动性好、可靠性高、噪声低、对地面損害小等优点［1213］。标准化果园地形平整，轮式作业可以很好地满足需求。

本文所设计作业平台主要包括行走系统、动力系统、导航系统、控制系统、作业装置等，结构如图1所示。整机主要技术参数如表1所示。

1.割草装置

2.电动推杆

3.喷药装置

4.药箱

5.报警装置

6.信号接收器

7.显示器

8.底盘总成

9.摄像头

10.驱动轮

整机驱动采用蓄电池组，配套动力为：48V-100AH，是平台的主要动力来源；导航系统采用GPS与和视觉融合，可实现平台在果园中的自主导航；控制系统是平台的核心，是整机的大脑；作业装置包括可拆卸的割草装置、喷药装置、搬运平台等。分布式电驱动形式传动链短、结构紧凑、传动效率高，可以很好地简化底盘的动力与传动结构［1415］；相较于单轮胎，双轮胎更加稳定，与地面接触面积更大，承重能力更强，延长轮胎使用寿命，可以很好地减少轴距，结构紧凑，减小转弯半径［1617］，因此选择四轮独立驱动（4 Wheels Independent Drive， 4WID）作为作业平台的行驶系统，外侧最大宽度为0.88 m，最大行驶速度为5 km/h，作用是支承整机全部质量。

1.2 工作原理

整机在遥控装置的作用下进行工作，GPS和相机可实现平台的自主导航，相机可以识别果园环境并做出反应。驱动电机的正反转作用下实现平台的前进或后退，转向时，两侧电机输出不同转速形成转速差，平台在内外轮转速差的作用下完成转向动作。喷药装置和割草装置可拆卸，药箱拆下时，周转箱等可以放在载物台完成搬运工作。在悬挂装置和支撑轮作用下，割草装置可以保持稳定，割草作业完成后，在电动推杆的作用下，割草装置提升，平台可更加平稳地行驶。

2 关键装置设计

2.1 驱动电机选型

相较于燃油驱动，电驱动不需要机械式的传动部分，导线易弯折，因此电驱动可很好的压缩空间，减小整机体积及质量；另一方面，电驱动可以很好地做到节约能源，减少废气排放［18］，因此整机采用电驱动方式。

平台在果园行驶时，由于运输时产生的负载较大，当载荷量达到目标值300 kg时，此时电机克服载重所需驱动力

Ft≥μG

（1）

式中：

Ft——车轮驱动力，N；

μ——

轮胎与地面的静摩擦因数，取μ=0.7；

G——整机满载质量，N。

此时驱动力应为4 550 N。

当车辆行驶在地面上时，驱动轮驱动力

Ft=ηT0R

（2）

T0=9 550×P0n

（3）

式中：

P0——电机输出功率，kW；

T0——电机输出扭矩，N·m；

n——电机转速，r/min；

R——驱动轮半径，m；

η——传动效率，取为0.9。

因此在满载行驶时，电机的驱动力至少应为7 kW。

为满足作业平台行驶和运输需求，选用的驱动电机输出扭矩为1 282 N·m，最终选定TKM38B-30-80B14电机，最大输出功率为7.5 kW，驱动器型号为KYDBL48150-1E。

2.2 割草部件设计

果园内杂草在一定程度上可以起到保水保温、补充有机养分的作用，考虑到实际生产，果园杂草不完全清除，而是采用割草确保将杂草控制在一定高度内。割草装置由外壳、割刀、悬挂装置、支撑轮、电机等组成，如图2所示。外壳后侧板空缺安装保护罩，内部包含两个旋割刀，悬挂装置两侧支撑臂分别与主机铰接，提升臂直接使用电动推杆与主机铰接，在电动推杆的作用下，割草部件可以进行提升和下降。旋耕割刀错位安装，保证割幅的同时使结构更加紧凑、减小装置质量，两个电机独立驱动，减小机械阻力，保证了作业效率。割刀高度根据割草高度和果园地形需要，可通过调节螺栓对支撑轮进行调节，改善割草效果。

1.保护罩

2.外壳

3.割刀装置电路总成

4.割刀驱动电机

5.高度调节装置

6.支承轮

2.2.1 割刀转速计算

为保证割刀稳定工作，选取割刀刀头处对割刀进行动力学分析，如图3所示。

平台行驶时，在割刀刀头处，其位移随其转速和行驶速度的变化为

x=r（1－cosωt）

y=vt+rsinωt

（4）

式中：

r——割刀割幅半径，m；

v——平台行驶速度，m/s；

ω——割刀角速度，rad/s。

对时间t进行微分求出其速度

vx=ωrsinωt

vy=v+ωrcosωt

（5）

对速度进行合成求出刀头的绝对速度

va=vx2+vy2=ω2r2+v2+2vωrcosωt

（6）

当cosωt最小，即cosωt为-1时，速度最小，此时割刀刀头切向速度与行进速度共线反向。为保证割刀作业稳定，无支撑的割刀切削线速度应保持在40～80 m/s［19］，取平台以最大速度匀速行驶，v=5 km/h，刀头处线速度最小处设置为不超过40 m/s。按照切削稳定、保证切削范围的要求，设计机械在行间行走至少可以覆盖果园行间距的一半，初步设定割幅范围600 mm，求出电机转速应大于1 229 r/min，因此本设计采用的电机转速有1 500 r/min和2 500 r/min两个挡位。

2.2.2 電动推杆选型

为选择合适的电动推杆以保证所挂接装置的平稳提升，将割草部件简化为如图4所示的模型，并对其进行受力分析。由图4（a）可知，当电动推杆恰好可以提升装置时，轮1受到地面的力为0，此时作用在割草部件上的力平衡和力矩平衡方程

Tcosα=Fcosθ

N+Fsinθ=Tsinα+G0

Fsinθ·s+Tsinα·L=N（L+l）

（7）

式中：

F——电动推杆对装置的力，N；

T——支撑臂对装置的力，N；

N——地面对装置的支撑力，N；

G0——割草装置质量，N；

L、s——

电动推杆铰点、支撑臂铰点与质心的水平距离，m；

l——

支撑轮地面触点与装置前壁的水平距离，m；

α、θ——

提升杆、电动推杆和水平面的夹角，（°）。

（a） 割草装置刚好抬起

（b） 割草部件完全抬起

求解方程组，电动推杆对装置的力

F=G0（L+l）（L+l+s）sinθ－lcosθtanα

（8）

由图4（b）可知，当装置完全离地且处于平衡状态，地面对装置不存在作用力，此时求解得电动推杆对装置的力

F=G0·cosα0sin（θ0－α0）

（9）

将其外形尺寸代入相关参数，s=l=0.2 m，L=0.6 m，静止状态下，α≈35°，θ≈30°，被抬起后，α0≈22°，θ0≈20°。计算得出电动推杆力应在3 332 N以上，为保证其工作稳定，选择采用LV5000电动推杆，其推力5 000 N，工作电压为24 V，速度为25 mm/s，行程为300 mm。

2.3 喷药装置设计

喷药装置由药箱、药泵、电磁阀、喷杆及喷头组成，如图5所示。可拆卸药箱安装在载物台上，药箱内装有液位传感器，当液面低于一定程度时会自动报警停止喷药并记录工作点位。喷杆位于药箱后部两侧，每侧安装4个喷头，喷头仰角由上至下依次减小，以保证喷雾对树冠全覆盖。

1.喷杆

2.喷头

3.药泵

4.载物台

根据伯努利方程，药液在药泵出口和喷嘴处的速度、压力等关系为

p0+ρgh0+12ρv02=∑4i=1pi+ρghi+12ρvi2+Δpw

（10）

式中：

p0、pi——

药泵出口、喷头处的药液压力，Pa；

ρ——药液密度，kg/m3；

g——重力加速度，m/s2；

h0、hi——

药泵出口、喷头处的药液高度，m；

v0、vi——

药泵出口、喷头处的药液流速，m/s；

Δpw——管道压力损失，Pa。

Δpw=Δpf+Δpr

（11）

Δpf=λl0dρv-22

（12）

Δpr=ξρv-22

（13）

式中：

Δpf——

沿程压力损失，Pa;

Δpr——

局部压力损失，Pa；

l0——管道长度，m；

d——管道直径，m；

v-——药液平均流速，m/s；

λ——沿程阻力系数；

ξ——局部阻力系数。

根据文献［20］，喷头射程理论公式为

Rδ=

1Kln1+Kvicosδ1Kg+arctanKgvisinδ+

hiKg+12Kg1Kg+arctanKg

（visinδ）2

（14）

K=34Cddρaρ

（15）

式中：

Rδ——喷头射程，m；

Cd——摩擦阻力系数；

ρa——空气密度，kg/m3；

δ——喷射仰角，（°）。

根据标准化果园一般行距，整机宽度为0.88 m，因此最高处喷头覆盖至少为2.06 m（图6）。药泵型号选择为LS-535，药泵压力在1.5～4.4 MPa可调节，喷速可根据车速以及树冠大小情况进行调整，实现可变量喷雾。

3 性能试验

3.1 试验内容

图7为果园作业平台样机，试验包括整机基本性能试验和作业性能试验，基本性能试验主要是最小转弯半径测定，作业性能试验包括割草性能试验、喷雾性能试验。

试验选在南京万村百果园内进行，果园位于江苏省南京市江宁区谷里街道石坝社区，隶属于南京万村黄玉梨专业合作社，是较典型的标准化果园。园区陆地面积约70 hm2，主要有梨、枇杷、杨梅、草莓、火龙果以及猕猴桃等果树。试验果园为梨园，每行有梨树30棵左右，树冠高度在0.8～2.5 m范围内，株间距1.5 m，行间距4.2 m。

3.2 基本性能试验与分析

最小转弯半径是评价该平台在果园中通过性能的重要指标［21］。试验时，通过遥控使平台分别完成左转和右转运动，得到不同的运动轨迹，对不同运动轨迹上的点进行测量，得到转弯直径，计算直径均值进而获得平台的最小转弯半径。

测试结果如表2所示，在不挂接机具的情况下，平台最小转弯半径为120.75 cm，相较于空载状态下其自身长宽尺寸，基本可以认定平台能够实现原地转向，说明其在果园行间具有良好的转向性能和通过性能。

3.3 作业性能试验与分析

3.3.1 割草性能测试

进行割草性能试验时，设定1 500 r/min和2 500 r/min两种割草转速，分别调节割刀转速和高度，记录不同转速和不同的留茬高度以及割刀割草作业覆盖的面积，单位面积内割刀覆盖面积即为作业覆盖率。试验结果如表3所示。

从表3可知，杂草最小留茬高度在5 cm以内，单位面积内割刀覆盖率达到91.25%以上，当割刀转速增加或者割刀高度降低时，割草作业覆盖率增大。

3.3.2 喷雾性能测试

进行喷雾性能测试时，将喷头的喷雾量作为参考指标，喷头的喷雾量均匀性常用变异系数来表示［2223］。进行喷雾量测试时，按照以下步骤：（1）在8个喷头处加装量筒用以收集喷头喷出的药液；（2）打开喷雾装置，喷雾1min；（3）读取量筒内的药液量；（4）分别调节药泵输出压力和行车速度，重复步骤（2）～步骤（4）。

喷雾量变异系数

CV=Sq-×100%

（16）

S=∑（qi－q-）2Ni－1

（17）

q-=∑qiNi

（18）

式中：

S——喷雾量标准差；

Ni——喷头数量，i=1，2，…，8；

q-——

单位时间内喷头平均喷雾量，mL/min；

qi——

单位时间内各喷头的喷雾量，mL/min。

药箱内的药液全部用完所耗费时间

t0=V∑qi

（19）

式中：

V——药箱容积，L。

因此，一个箱药所能覆盖株数与车速的对应关系

Nt=tv2γ

（20）

式中：

γ——树冠半径，m。

对平台进行喷雾性能测试为喷雾量测试，不同压力下的喷药量如表4所示。

由表4可知，在不同药泵压力下，1 min内总喷雾量在［2300mL，6000mL］范围内，喷雾量均匀性变異系数不超过8.01%，当药泵喷药压力增大时，喷雾量增加且更加稳定均匀。

4 结论

1） 根据果园机械通用化要求，设计一款具备割草、喷药、搬运等功能的轮式果园多功能自主导航作业平台。进行了多功能平台的总体方案设计，并计算确定了搬运、转向、割草、喷药等关键部件的设计参数：平台空载时长×宽×高为1 620 mm×884 mm×1 260 mm，最大驱动功率7.5 kW，最大行驶速度5 km/h，整机最大质量350 kg，最大载重300 kg；电动推杆推力5 000 N，割刀电机转速有1 500 r/min和2 500 r/min两个挡位可调节，割幅600 mm；药泵压力在1.5～4.4 MPa可调节，最高处喷药幅度在2.06 m以上。

2） 对样机进行了最小转弯半径、割草性能、喷雾性能等基本性能试验。试验结果表明，所设计的平台最小转弯半径为120.75 cm，在果园行间行驶具有良好的稳定性和通过性能。设定1 500 r/min和2 500 r/min两种割草转速，四种不同割草高度，割草稳定性好，留茬高度在5 cm以内，割草覆盖率在91.25%以上，当割刀转速增加或者割刀高度降低时，割刀作业覆盖率增大。药泵压力可以根据不同车速不同树形进行调节，能实现可变量喷雾，喷雾量均匀性变异系数在8.01%以内，提高喷雾均匀性，减少农药浪费。

3） 该平台结构紧凑小巧，能够配备不同机具，可满足标准化果园行间的搬运、植保等作业需求。能够减少果园机械生产成本，提高果园作业效率，对推动果园机械通用化、智能化发展具有重要意义。

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