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自走式高地隙喷雾机可调节底盘的设计与研究

自走式高地隙喷雾机可调节底盘的设计与研究

作者：朱洋洋河北农业大学

学位级别：硕士

玉米病虫害的防治是目前面临的一个重要问题。在玉米的整个生长阶段都可能伴随着病虫害的侵袭危害。传统玉米植保机械由于底盘较低只适应玉米初期和中期的植保作业,后期只能选择较高的喷雾机械,由于较高地隙喷雾机稳定性相对较差且对于... 详细信息

玉米病虫害的防治是目前面临的一个重要问题。在玉米的整个生长阶段都可能伴随着病虫害的侵袭危害。传统玉米植保机械由于底盘较低只适应玉米初期和中期的植保作业,后期只能选择较高的喷雾机械,由于较高地隙喷雾机稳定性相对较差且对于初期玉米病虫害防治效果不好。因此,针对玉米病虫害防治问题急需设计一台操作方便的喷雾机械。本课题通过对河北地区玉米种植模式调查研究特设计了一款底盘可调节高地隙喷雾机。该喷雾机通过液压系统可实现底盘升降调节、轮距调节和四轮液压转向等功能可满足对玉米前中后期的玉米植保作业要求,大大的提高了玉米病虫害防治水平。本文研究工作包括以下几方面:(1)分析了国内外高地隙喷雾机的研究现状和发展特点,并对我国河北地区玉米种植模式和病虫害发生规律进行了调查分析。根据玉米的生长高度及行距宽窄等因素确定整机设计方案。(2)根据设计方案对底盘机架的底盘升降结构、轮距调节结构和转向结构等关键结构进行设计研究,并在三维软件Solidworks中建立整机三维模型。(3)对喷雾机底盘调节结构中底盘升降结构、轮距调节结构和转向结构进行液压原理图设计并针对液压原理图中关键液压部件进行计算与选型,再根据液压原理图利用仿真软件AMEsim进行液压仿真并对仿真结果进行研究分析。(4)对可调节底盘静动态性能进行仿真分析与研究。基于有限元分析软件ANSYS Workbench对喷雾机底盘在满载工况下进行应力分析与应变分析,分析结果显示机架受到最大应力66.44MPa,最大变形位移为0.68mm满足材料的屈服极限要求。模态分析时底盘机架前十二阶频率频率在9.32Hz至12.72Hz和41.73Hz至68.73Hz区间,而喷雾机常见激励在5.00Hz至6.00Hz和20.00Hz左右避免了发生共振现象。(5)在满载工况下通过力学的理论基础对高地隙喷雾机进行力学分析计算可确定在喷雾机横向行驶时最容易发生侧翻,再借助仿真运动软件Adams对底盘机架在满载工况下进行稳定性侧翻分析。分析结果表明当旋转实验平台倾斜29.40度时底盘发生侧翻符合车辆稳定性要求。

关键词：高地隙喷雾机底盘可调节液压仿真有限元分析运动仿真

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四轮独立电驱动高地隙喷雾机的建模与辨识

四轮独立电驱动高地隙喷雾机的建模与辨识

作者：何思伟江苏大学

学位级别：硕士

随着城市化的不断发展和人口老龄化的逐渐加剧,我国农业人口不断减少。在此情况下农业生产和管理必然逐渐向着机械化、智能化转变。高地隙喷雾机作为一种高效的田间植保工具,对农作物各个时期病虫草害都起到较好的防治效果。现有的高地... 详细信息

随着城市化的不断发展和人口老龄化的逐渐加剧,我国农业人口不断减少。在此情况下农业生产和管理必然逐渐向着机械化、智能化转变。高地隙喷雾机作为一种高效的田间植保工具,对农作物各个时期病虫草害都起到较好的防治效果。现有的高地隙喷雾机主要为机械传动、液压助力转向结构,在泥泞水田工作时容易深陷淤泥无法转向,甚至损坏底盘。本文研究的四轮独立电驱动高地隙喷雾机采用轮毂电机提供动力,由于其特殊的自转向底盘结构,无需外部助力只需控制四个车轮差速即可完成转向,但对系统的控制性能提出了更高的要求。本文首先设计了连杆约束自转向结构,然后建立运动学模型并设计基于运动学模型的控制器,最后建立动力学模型并完成参数辨识,主要研究内容如下:（1）四轮独立电驱动高地隙喷雾机底盘约束连杆设计。在高地隙喷雾机底盘基本自转向结构的基础上设计连杆约束方案,将前后转向桥联动后得到约束自转向结构,利用底盘结构几何关系建立方程,以求特殊解的方式解得安装点并以最小形变为目标选定连杆安装位置。连杆约束方案造价低,生产加工方便,已在喷雾机上应用。（2）建立四轮独立电驱动高地隙喷雾机运动学模型并基于此设计运动控制器。首先建立底盘运动学模型,然后基于运动学模型设计上层轮速分配控制器和下层轮速跟踪控制器,最后进行试验,结果表明:在平坦路面车速跟踪曲线上升时间为1.9s,转角跟踪曲线上升时间为2.0s,满足应用要求;在越过11cm高障碍物过程中转向桥转角在期望转角附近有最大值为7.5°的震荡;在田间工作时行走功能正常,足以应对大部分田间的工作场景。（3）建立四轮独立电驱动高地隙喷雾机动力学模型。首先以大地和底盘活动部件建立相应坐标系,再分别计算其动能和广义力,利用拉格朗日方程求解出动力学方程;然后代入轮毂电机模型,通过化简最终获得与电机输入电压相关联的动力学模型。（4）设计底盘动力学模型参数辨识试验并利用最小二乘法完成参数辨识。首先使用欧拉积分将动力学模型离散化并且化简为最小二乘格式;然后搭建试验平台,安装差分GPS系统获取喷雾机的空间坐标和偏航角,同时采集转向桥转角和电机输入电压;获取的数据经过高斯平滑、坐标变换等处理后再运行最小二乘一次完成算法获得模型参数。

关键词：四轮独立电驱动高地隙喷雾机运动学模型动力学模型参数辨识

新型前-后双转向轴四轮独立驱动高地隙喷雾机的路径跟踪模型预测控制

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新型前-后双转向轴四轮独立驱动高地隙喷雾机的路径跟踪模型预测...

作者：姚震江苏大学

学位级别：硕士

国家非常重视智能化农业机械装备技术发展,未来无人农用机械是其中重要的一个应用。农机机械结构需有良好的灵活性以减少农机对农田的破坏。传统农机大都采用燃油驱动和前轮转向的传统机械传动,传动效率低、灵活性差。而四轮独立驱动（4... 详细信息

国家非常重视智能化农业机械装备技术发展,未来无人农用机械是其中重要的一个应用。农机机械结构需有良好的灵活性以减少农机对农田的破坏。传统农机大都采用燃油驱动和前轮转向的传统机械传动,传动效率低、灵活性差。而四轮独立驱动（4WID）农机装备可以提供足够驱动力和控制自由度,能有效克服驱动轮侧滑的影响,提高喷雾机在复杂作业环境下的通过性。农机装备的无人驾驶作业集环境感知、规划与决策、驱动与控制于一体。而其中驱动与控制主要实现农机装备的启、停、加减速、转向运动与路径跟踪。路径跟踪的本质就是通过控制农机装备的纵向、侧向、转向运动使其按照期望的规划路径行驶,从而满足农业作业需求。本文针对传统高地隙喷雾机的结构缺点以及智能化低,提出了4WID驱动底盘的新型高地隙喷雾机,这种前后双转向轴、辅助推杆装置的4WID底盘结构无需传统农机的方向盘操控即可实现转向,便于实现无人驾驶作业。研究喷雾机的路径跟踪控制策略,主要内容如下:（1）首先提出了一种新型的前后双转向轴的高地隙4WID喷雾机,分析了喷雾机结构,搭建喷雾机的运动学模型和动力学模型,并用ADAMS软件对提出的新型高地隙喷雾机建立ADAMS底盘运动学模型,为后续的路径跟踪控制的研究打下基础。（2）基于建立的喷雾机的底盘运动学模型和单点预瞄原理,设计了路径跟踪控制器。在路径跟踪过程中,使喷雾机横向偏差和航向偏差保持在一定的误差范围内。在复杂作业环境下,利用液压推杆、连杆装置一起实现差速转向,减少路径跟踪误差的同时,保证前后轮轨迹的高度一致,减少压苗。（3）在运动学、动力学模型的单点预瞄控制的基础上,提出模型预测控制（MPC）的路径跟踪控制方法。采用分层结构,上层控制器以喷雾机转角和加速度为控制量,引入航向偏差和滑移进行路径跟踪控制,下层根据得到的转角和加速度来计算轮胎的转速,从而实现喷雾机的路径跟踪。（4）基于Matlab/Simulink和ADAMS仿真软件建立联合仿真平台,验证所搭建模型及单点预瞄控制、MPC路径跟踪控制算法的正确性。设置不同作业环境,验证喷雾机直行和转向的跟踪性能,仿真结果表明了所研究路径跟踪控制算法的有效性。（5）搭建A＆D5436硬件仿真实验平台,进行路径跟踪控制实验,实验结果表明了高地隙喷雾机具有良好的稳定性,路径跟踪控制算法具有较好的控制精度。

关键词：高地隙喷雾机无人驾驶路径跟踪单点预瞄控制模型预测控制

3WPZ—500高地隙喷雾机的稳定性分析撤稿

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中国农机化学报 2017年第10期38卷 24-29+66页

作者：何成奎谢娣何瑞银张平李东南京农业大学工学院达州职业技术学院

高地隙喷雾机质心高、负载大,作业时机身起伏较大,因此对高地隙喷雾机作业时稳定性的研究就很有必要。以3WPZ—500自走式水旱两用高地隙喷雾机为例,通过理论计算和侧倾平台实验对其稳定性进行研究:得出不同质心位置时纵向极限倾翻角、... 详细信息

高地隙喷雾机质心高、负载大,作业时机身起伏较大,因此对高地隙喷雾机作业时稳定性的研究就很有必要。以3WPZ—500自走式水旱两用高地隙喷雾机为例,通过理论计算和侧倾平台实验对其稳定性进行研究:得出不同质心位置时纵向极限倾翻角、横向极限倾翻角的理论值和实验值;借助ADAMS/View和MATLAB进行转弯稳定性的仿真,得出车轮转角为30°、不同质心位置时有转弯侧倾倾向性的速度。通过仿真和理论计算,得出在转弯半径一定时,转弯极限速度与喷雾机加水量关系不大。

关键词：高地隙喷雾机稳定性理论计算实验测试仿真分析

基于并联双自由度转动机构的高地隙喷雾机驱动系统结构设计

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南方农机 2018年第21期49卷 20-21页

作者：刘勇兰顾若波王渝姜铭南通科技职业学院江苏南通226000

并联机构具有高刚度、高承载能力,结构紧凑等优点。本文基于并联双自由度转动机构RGRR—Ⅰ,设计了一种高地隙喷雾机驱动系统的结构,该设计可以使得高地隙喷雾机实现具有行驶及转向于一体的独立驱动,大幅度提高高地隙喷雾机的行驶和转向... 详细信息

并联机构具有高刚度、高承载能力,结构紧凑等优点。本文基于并联双自由度转动机构RGRR—Ⅰ,设计了一种高地隙喷雾机驱动系统的结构,该设计可以使得高地隙喷雾机实现具有行驶及转向于一体的独立驱动,大幅度提高高地隙喷雾机的行驶和转向灵活性,使得高地隙喷雾机能适应复杂的行驶条件,提高其工作效率。

关键词：高地隙喷雾机驱动系统结构设计

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高地隙喷雾机主动空气悬架减振控制与实验

农业机械学报 2018年第6期49卷 60-67页

作者：武秀恒秦嘉浩杜岳峰宋正河陈雨谢斌中国农业大学工学院北京100083 现代农业装备优化设计北京市重点实验室北京100083 西北农林科技大学机械与电子工程学院陕西杨凌712100

高地隙自走式喷雾机在接近于系统固有频率的地面条件下工作时,由于车身重心高、喷杆质量大且展开后较长,导致工作时车身与喷杆大幅剧烈摆动,影响作业质量甚至危及安全。针对此,本文提出适时开启的主动空气悬架减振方案。方案实施过程中... 详细信息

高地隙自走式喷雾机在接近于系统固有频率的地面条件下工作时,由于车身重心高、喷杆质量大且展开后较长,导致工作时车身与喷杆大幅剧烈摆动,影响作业质量甚至危及安全。针对此,本文提出适时开启的主动空气悬架减振方案。方案实施过程中,一方面需要解决空气弹簧充放气过程中的非线性控制问题,另一方面则需面对车身加速度与位移多变量同时控制以及最大控制力和悬架行程受限的传统问题。为此,制定了一种空气悬架H∞状态反馈与时频非线性联合减振控制策略。首先求解系统在约束条件下的H∞状态反馈控制器增益,基于此控制器可计算系统在地面扰动下的空气弹簧所应实施的目标压力;然后设计时频非线性控制器,依靠该控制器实时调节比例电磁阀开度进而控制空气弹簧压力使其跟随目标。基于室内台架实验,在模拟地面条件接近于系统固有频率以及田间随机路面激励两种工况下,对所提策略进行了验证。结果表明,系统在一阶共振频率的激励下,被动悬架簧载质量最大加速度达8.5 m/s2左右,半主动悬架的最大加速度约为7 m/s2,而主动空气悬架的最大加速度降低至2.5 m/s2,并在主动控制过程中,悬架位移始终保持在限制范围内,激振结束后悬架位移逐渐恢复至零初始位置;在随机田间路面激励工况下,主动控制悬架的车身加速度亦显著降低,证明了主动减振方案的有效性。

关键词：高地隙喷雾机主动空气悬架 H∞状态反馈控制非线性时频控制离散小波变换实验

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高地隙喷雾机车液耦合作业平顺性优化

振动与冲击 2021年第16期40卷 140-150页

作者：王麒淦冯静安余希胜宋宝石河子大学机械电气工程学院新疆石河子832003 华中科技大学机械科学与工程学院武汉430074

针对高地隙喷雾机作业时其平顺性不佳的问题,建立ADAMS软件高地隙喷雾机虚拟样机仿真模型,并基于谐波叠加原理建立适应于高地隙喷雾机田间作业工况的E等级随机路面模型。考虑液体晃动对高地隙喷雾机作业的影响,建立药箱液体受迫晃动模型... 详细信息

针对高地隙喷雾机作业时其平顺性不佳的问题,建立ADAMS软件高地隙喷雾机虚拟样机仿真模型,并基于谐波叠加原理建立适应于高地隙喷雾机田间作业工况的E等级随机路面模型。考虑液体晃动对高地隙喷雾机作业的影响,建立药箱液体受迫晃动模型,并对其随机加速度激励进行研究,结果表明液体晃动程度受侧向和纵向加速度影响较大。根据药箱液体受迫晃动模型建立高地隙喷雾机车液耦合模型,对高地隙喷雾机不同车速、不同充液率、不同悬架参数工况下的高地隙喷雾机平顺性进行研究,得出各因素对高地隙喷雾机作业平顺性的影响规律,并优化最佳悬架参数,提高了高地隙喷雾机作业平顺性。

关键词：高地隙喷雾机平顺性优化车液耦合优化设计

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高地隙喷雾机轮距与轴距尺寸组合的优化

石河子大学学报（自然科学版） 2020年第2期38卷 155-159页

作者：王麒淦冯静安宋宝喻俊志王卫兵石河子大学机械电气工程学院新疆石河子832003 华中科技大学机械科学与工程学院湖北武汉430074 中国科学院自动化研究所北京100190

为给高地隙喷雾机轮距和轴距尺寸设计和驾驶员稳定性操作提供依据,本文研究针对高地隙喷雾机作业时易发生侧倾失稳和行驶平顺性不佳的问题,建立9种轮距和轴距尺寸组合方式的ADAMS高地隙喷雾机虚拟样机仿真模型,并基于谐波叠加原理建立... 详细信息

为给高地隙喷雾机轮距和轴距尺寸设计和驾驶员稳定性操作提供依据,本文研究针对高地隙喷雾机作业时易发生侧倾失稳和行驶平顺性不佳的问题,建立9种轮距和轴距尺寸组合方式的ADAMS高地隙喷雾机虚拟样机仿真模型,并基于谐波叠加原理建立适应于高地隙喷雾机田间作业工况的E等级随机路面模型。为对高地隙喷雾机轮距和轴距尺寸组合进行优化选择以提高其作业侧倾稳定性和行驶平顺性,选取高地隙喷雾机三种作业车速、三种药箱药液装载量,以高地隙喷雾机质心侧向加速度和其驾驶室座椅处垂向加速度为试验指标,对仿真结果进行分析,得到高地隙喷雾机轮距和轴距尺寸分别为2 800 mm和4 100 mm时为其最优尺寸组合;对最优轮距和轴距尺寸组合的高地隙喷雾机进行分析,得到了其作业失稳条件。

关键词：高地隙喷雾机轮距轴距侧倾稳定性行驶平顺性优化设计

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高地隙自走式喷雾机电控液压转向系统设计

数字农业与智能农机 2022年第9期 107-110页

作者：张加伟孙俊英顾硕文山东五征集团有限公司山东日照276800

传统的高地隙自走式喷雾机由于体积较大、车体地隙较高等诸多特点而无法快速完成转场作业,在转向不灵活的情况下造成现实作业效率低下。基于此,本文对转向系统动力学内容进行分析,提出了液压系统设计内容,利用AMESim软件相继建立了机械... 详细信息

传统的高地隙自走式喷雾机由于体积较大、车体地隙较高等诸多特点而无法快速完成转场作业,在转向不灵活的情况下造成现实作业效率低下。基于此,本文对转向系统动力学内容进行分析,提出了液压系统设计内容,利用AMESim软件相继建立了机械-液压系统耦合模型,为后期高地隙自走式喷雾机电控液压转向系统设计创设提供参考。

关键词：高地隙喷雾机转向系统设计液压系统 AMESim