履带式除草机器人高地隙移动平台机构优化设计

李江龙，卢智琴，鲍义东，杨 帆，李云婷

（贵州航天智慧农业有限公司，贵州 贵阳 550000）

作物生长杂草在田间与作物竞争养分、水和光照等资源，是影响作物产量的重要原因之一[1]。已有的除草方式包括人工除草、化学除草、物理除草、机械化除草和生物除草等[2]，最主要除草方式仍是化学除草。2016年，上海市崇明区农业技术推广中心调查了50个家庭农场，发现了从业人员年龄大、技术来源少、除草方式多样、农药使用过多等问题[3]。《纽约时报》曾报道使用除草剂过度会导致杂草抗药性增强[4]，部分除草剂如如二氯喹啉酸等因难以降解而对作物产生不良影响[5]。大力发展除草机器人是解决田间除草环节人力和环保问题的关键，利用机器视觉识别作物和杂草，有针对性地喷洒化学除草剂以减少用药量。本文旨在阐述除草机器人的产生、现状及趋势，重点分析除草机器人的结构与技术，使人们对除草机器人有一定认识。研究除草机器人的目的是减少人力和降低化学除草剂量，这对缓解劳动力短缺和保护生态环境具有重要意义。聚焦田间杂草清除领域，不涉及观赏草坪、园林等其他应用场景，但对其他除草应用领域也具有参考意义。

美国加州大学Lee 等[6]研究了一款基于机器视觉的除草机器人，作物和杂草的位置可以得到检测，且化学除草剂可以精准喷洒。Astrand 等[7]研究了一种行内除草机器人，采用灰度和彩色视觉：灰度视觉在12 株杂草/作物密度下可识别出作物行，误差在±2 cm；作物和杂草可通过彩色视觉辨别。丹麦农业科学研究所Bak 等[8]研究了一款绘制杂草地图的机器人，配备摄像机用于行导航和杂草检测，采用四轮转向和分布式多处理器控制系统，具有较好的野外操纵性。Perez-Ruiz 等[9]在加州大学戴维斯分校农场针对番茄移栽研究了一种除草机器人，除草刀具开合的控制可通过精确测速技术并结合实时测向数据实现。南京林业大学陈勇团队[10]研究了一种玉米苗期除草机器人，包括四轮车身、切割抹药装置等结构，采用切割外加涂抹化学除草剂的方式，可行间和株间同时除草。中国农业大学李伟团队[11]研制了一种以拖拉机为动力的锄草机器人，设计了月牙形锄草刀具，通过机器视觉，当识别到作物时，可自动旋转刀具避开作物。华南理工大学张勤团队[12]研究了水田除草机器人，我国南方水田环境复杂，杂草、浮萍、蓝藻等的颜色与水稻秧苗十分相近，易混淆。

除草机器人已有很大的发展，也有一些产品问世，但从统计数据看，目前用于田间的除草机器人数量并不多，距普及还有很长时间。在国内，田间除草机器人当前停留在试验阶段，除草机器人的研究有重要的现实意义。但目前来看，采用拖拉机或重型自走式底盘悬挂打顶机的方案，还存在通过性差、机动性差、普适性差、自重过大几个问题。

2 机构设计的整体方案

为满足作物田间管理作业需求，需要移动平台有较好的普适性、通过性、机动性与稳定性以应对复杂恶劣的农田环境；能够搭载多个、多种作业装置，实现高效作业、一机多用；满足不同种植行距、不同生长高度植株的作业需求，同时尽可能地保护作业生态；具有良好的行进、调速、转向性能，机动灵活。针对这些需求，设计了一种除草机器人高地隙移动平台。移动平台包括车架、传动机构、履带机构、动力与控制系统，其整体结构轴测图见图1。

图1 移动平台整体结构图Fig.1 The overall structure of mobile platform

2.1 平台技术参数

综合考虑种植环境及除草机器人工作环境，要求除草机器人具有高地隙底盘结构，可以保证留有足够空间将作物穿过机械平台，在除草过程中不会受到“二次伤害”。考虑到除草效率以及作物种植特点，对平台外形尺寸及履带进行设计，以保证履带在地垄间隙运动时避免压苗情况出现。履带式除草机器人高地隙移动平台主要技术参数见表1。

表1 库尔勒香梨产量统计Tab.1 The yield of Korla fragrant pear

2.2 除草机器人平台关键部件的设计

2.2.1 车架设计

车架整体为龙门架式构型，材质为普通碳钢。整机质量不到95 kg，相比传统重型农业装备而言质量轻巧。型材表面阳极氧化，耐潮、耐腐蚀，能很好地适用于农田野外环境。根据有关测量数据，种植情况如表2。移动平台结构尺寸充分考虑了农作物农艺要求，履带间隔距离为660 mm；移动平台底部至地面的间隙710 mm，整体通过性良好，满足不同种植行距、不同生长高度棉花管理作业需求。

表2 作物种植情况Tab.2 The crop planting

2.2.2 传动机构

传动机构主要由动力轴、传动链、链轮、减速器和动力输出系统组成。发动机至减速器采用链式传动，采用齿轮减速器，采用链传动作动力输出系统。该传动方式结构简单、工作平稳、价格低廉、传动效率高。选用了履带运输车专用减速器，传动比合适，具有传动平稳准确，可靠性高的优点。链传动动力输出系统功率适当，发热量适中，传动平稳、价格适中。传动方案确定后进行传动比分配。一级传动为链传动，传动比不宜过大，设定为1∶2。履带式移动平台行驶速度为0.4～0.6 km/h，动力经链条传递至减速器，根据此要求进行计算，以满足要求。

2.2.3 履带机构

由于田地凹凸不平，普通轮式车辆的重心较高，不适宜在田地间行驶，在泥泞路上容易打滑，破坏土壤；农业橡胶履带车具有质心低、接地比压小、爬坡能力强、通过能力强、使用寿命长、价格低廉等优点，适合在不平整的土地上行驶。因此，选择履带式行走系统。履带行走装置采用“四轮一带”结构，主要组成为驱动轮、张紧轮、支重轮、诱导轮、履带和车架等。行驶过程中，驱动轮通过轮齿和履带的啮合将履带卷起。当前进的驱动力大于行走阻力时，车辆向前行驶。战车型的履带有较大的前进角和离去角，越障性能好，适用于路面条件恶劣的环境，故选择战车型履带。由于田地的道路条件较差，履带行走系统的前倾角和后倾角应尽量取较大的值，该机的前倾角和后倾角分别为42.4°和41.5°。驱动轮可以前置，也可以后置。后轮驱动的传动效率高，采用驱动轮后置的方式，优点是履带受力大的区段短，延长了履带的使用寿命，履带不容易拱起来。但是操纵机构和传动机构需要占用空间。当驱动轮采用前轮驱动的时候，发动机对称布置在两侧车厢内，调节前后状态见图2。

图2 履带行走机构简图Fig.2 The diagram of crawler traveling mechanism

3 稳定性分析

高地隙移动平台重心较高，为确保移动平台在有坡度的地面行驶或作业时不至于倾覆，需要分析移动平台的稳定性。在移动平台缓慢行驶或静止的情况下，忽略平台空气阻力、轮胎弹性变形等因素进行分析。

3.1 纵向稳定性分析

移动平台上坡或下坡时，可能会发生纵向倾覆。以移动平台上坡的情况进行力学分析，受力分析图，见图3。

图3 移动平台纵向稳定性分析Fig.3 The longitudinal stability analysis of mobile platform

建立其平衡方程如下：

式中：FN1——前轮所受支撑力，N；FN2——后轮所受支撑力，N；G——移动平台所受重力，N；α1——上坡状态纵向倾覆角，°；Ff1——前轮所受摩擦力，N；Ff2——后轮所受摩擦力，N；h——重心至地面垂直距离，mm；L1——重心至前轮水平距离，mm；L2——重心至后轮水平距离，mm。

移动平台前轮支撑力为零，即N时，移动平台纵向倾覆，此时：

同理，移动平台下坡时纵向倾覆角为：

式中：α2——下坡状态纵向倾覆角，°。

利用Solidworks 软件对移动平台进行质量属性分析，得重心高度h=464.39 mm，重心与前轮、后轮水平距离分别为L1=389.22 mm、L2=550.78 mm。将所得参数代入式（3）、（4）中，得移动平台上下坡纵向倾覆角分别为α1=49.86°、α2=39.97°。

3.2 横向稳定性分析

当移动平台左右车身不在同一水平面上时，可能会发生横向倾覆。此时移动平台受力情况，见图4。

图4 移动平台横向稳定性分析Fig.4 The lateral stability analysis of mobile platform

当高侧轮所受支撑力为零时移动平台横向倾覆，此时：

式中：L3——重心至单侧轮胎水平距离，mm；β——横向倾覆角，°。

移动平台左右结构基本对称，那么重心至单侧轮胎水平距离即一半轮距，故L3=405mm。将所得参数代入式（6）中，可得其横向倾覆角为β=41.09°。

由公式（3）、（4）、（6）可以看出，移动平台稳定性与重心高度、左右两侧轮胎轮距、前后两端轮胎轴距有关。轮距、轴距越大、平台重心高度越低，稳定性就越好，抗倾覆能力就越强。

4 运动学仿真分析

在以理论分析的方法计算得出移动平台倾覆角后，利用Solidworks Motion进行运动学仿真做进一步验证。

4.1 仿真过程

通过翻转试验来获得倾覆角参数，试验平台与试验过程见图5。对移动平台三维模型进行极端处理，即调整其为地隙最高、轮距最窄状态，从稳定性分析的理论计算中可得出此时移动平台的稳定性最差。在移动平台上施加汽油机等负载，分别进行上下坡与横向行驶的倾覆仿真。

图5 仿真试验示意图Fig.5 The schematic diagram of simulation experiment

仿真时先添加重力场，设置重力方向与重力加速度数值。设置移动平台轮胎与平板为实体接触，二者材料分别为Rubber（Dry）、Steel（Dry）。修改静态摩擦系数为1，取较大静摩擦系数以防止仿真过程中轮胎发生滑移。其余参数如刚度、力指数、阻尼、穿透度等采用系统默认值。设置旋转马达驱动平板转动，运动形式为等速，旋转速度为1RPM。

4.2 仿真结果

通过仿真分析，得到移动平台在纵向上坡、纵向下坡、横向行驶3 种状态下，倾覆一侧轮胎接触力峰值曲线见图6。倾覆一侧轮胎接触力稳定为零值后，意味着移动平台发生侧翻。结合旋转马达转速，可以计算得出此时平板对应角位移，即移动平台倾覆角。

图6 倾覆一侧轮胎接触力曲线图Fig.6 The contact force curve of tire on overturned side

从仿真图解可以看出，3 种情况下移动平台倾覆一侧轮胎接触力分别在7.27 s、6.85 s、7.05 s 后稳定为零值，即发生倾覆。计算得出倾覆角参数见表3。

表3 运动仿真结果Tab.3 The dynamic simulation results

仿真结果与理论计算得出的倾覆角数值基本一致，说明结果可靠。取理论计算与运动仿真2种分析方法中倾覆角数值较小的为最终解，确定移动平台地隙最高轮距最窄时纵向上坡倾覆角、纵向下坡倾覆角、横向侧翻倾角分别为43.62°、43.02°、42.3°。移动平台上下坡与横向行驶倾覆角均大于预设的最大爬坡角，说明移动平台稳定性满足使用需求。

5 静力学仿真分析

移动平台车身是除草机器人的主要承载部件，必须有足够的强度才能在面对复杂的农田环境时，不产生变形、失效甚至断裂的情况。所以基于SolidWorks Simulation 对移动平台车身进行了静力学分析，确保车体可以承受足够大的载荷而不发生失效。

5.1 静应力仿真

为降低仿真分析的计算难度，对车架进行简化，见图7。去除车架上所有非承载部件以及部分辅助支撑部件，如车架上用以安装减震弹簧或连秆的支座，以及车架中部横秆与外伸前悬下方用以辅助支撑的L钢。

图7 简化后的车架Fig.7 The simplified frame

依次对仿真的材料属性、固定约束、外部载荷与网格参数等进行设置。将各零部件的材料定义为304 不锈钢，对应德标牌号为X5CrNi18-10，DIN码为1.4301，材料属性见表4。

表4 材料属性参数Tab.4 The material property parameters

为完成静应力分析，首先需要对模型进行约束，固定约束车架4 个底脚。假定车架上方的承载质量为150 kg，因此对车架上方平面施加1 500 N 的均布外部载荷。在车架两侧还挂接有两个质量为27.72 kg 的侧箱，故在车架侧边对应的横秆上施加280 N的外部载荷。

为了取得较为精确的结果，采用软件设定的最大密度划分网格，具体设置参数见表5。结果见图8。

表5 网格划分参数Tab.5 The meshing parameters

图8 网格化后的车架Fig.8 The gridded frame

仿真结果图解见图9。由图解知，应力应变主要集中在上方横秆中部、外伸前悬与车架后端。实际上，车架上方横秆中部、外伸前悬有L钢辅助支撑，车架后端上有连接有减震弹簧。那么车架的实际强度会比仿真结果更好。仿真结果见表6。

表6 静力学仿真结果Tab.6 The static simulation results

图9 车架静力学仿真Fig.9 The static simulation of frame

5.2 静应力分析

移动平台车架的强度需要满足应力与应变不超过许用值，即满足下列条件：

式中：σmax——车架上的最大应力，MPa；[σ]——材料的许用应力，MPa；σs——材料的屈服强度，MPa；ns——安全系数；εmax——材料的最大等量应变；[ε]——材料的许用应变，MPa。

考虑农田路况并不平整，移动平台行驶时可能会受到较大的振动与冲击，取安全系数为ns=5。而屈服极限σs=400 MPa，代入得许用应力[σ]=80 MPa。由仿真结果可知，最大应力σmax=2.236 MPa＜＜[σ]。假定一个极小值为材料的许用应变，取[ε]=0.005。由仿真结果知，最大应变εmax=7.712×10-6＜＜[ε]。

综上所述，车架整体的力学性能良好，所受应力等参数远小于许用值，其结构强度能满足棉花打顶装置的运载与作业需求。

6 结论

本文依托横向课题“基于数据分析的双目视觉识别除草机器人研发”，对履带式除草机器人高地隙移动平台进行结构设计与分析。结合农作物种植模式和农艺要求，确定了适合高秆作物田间管理作业需求的高地隙移动平台总体方案。对传动机构、履带机构、车架结构进行了设计。分析了移动平台行驶、转向性能，确保整机机动性良好。以理论计算、运动仿真的方法分析了移动平台的稳定性，2 种方法结果基本一致，得到移动平台上下坡与横向倾覆角分别为43.62°、43.02°、42.3°。在农田实际工况下对样机进行了性能试验，结果表明移动平台行进速度范围为0.4～6 km/h，远程摇控距离大于450 m，可搭载150 kg 负载并稳定移动，能顺利实现原地转向，满足棉花打顶装置的运载与作业需求。