3WP-200型智能植保機器人縱橫向極限穩定性分析

張義勝　侯心愛　章杰成　田凱　鞏彬　張希峰

摘要：為確保3WP-200型智能植保機器人的作業穩定性，分析其行走系統的受力情況，計算其發生上下坡縱翻和坡上橫翻的臨界條件。分析結果表明：機器人滿載時，上坡時最大坡度<49.23°，下坡時最大坡度<60.11°;橫向行駛時，質心偏心距值朝下和朝上的最大坡度分別為30.11°和35.75°。

關鍵詞：植保機器人;穩定性;分析;縱橫向

中圖分類號：S491? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：1674-1161（2021）06-0028-02

針對丘陵山區地塊小、地勢不平、植保作業條件差等特點，研制3WP-200型智能植保機器人。該機型尺寸小，轉彎作業靈活，具有良好的地形適應性和通過性，容易進入丘陵山區狹小地塊作業。由于丘陵山區地形不平、坡度大，植保機器人經常需要爬坡運行，需要其縱橫向具有較高的穩定性。為此，分析植保機器人行走系統的受力情況，計算其發生上下坡縱翻和坡上橫翻的臨界條件，探討提高3WP-200型植保機器人縱橫向穩定性的措施。

1 機器人上下坡縱翻臨界條件

植保機器人的坡上行走穩定性，基本上由其結構參數決定。植保機器人上下坡行走時，容易發生縱向翻倒。以植保機器人等速上坡為例，分析植保機器人縱翻的臨界條件。植保機器人滿載等速上坡時的受力情況如圖1所示。

在圖1中，N1，N2為地面對前、后輪胎的垂直反作用力;G為機器人滿載重力;a和b分別為機器人滿載質心到前后軸的距離，取870 mm和580 mm;h為機器人滿載質心高度，500 mm;β為縱向坡角度;機器人軸距1 450 mm。

在圖1中，分別對機器人前、后輪胎接地點取力矩，則地面對前、后輪胎的切向反作用力分別F1和F2為：

隨著道路縱向坡度角的增大，F1值減小。當F1=0時，植保機器人將失去轉向能力，可能發生繞后軸的縱向翻倒。由F1=0可得：bGcosβ-hGsinβ=0。

經計算得到植保機器人等速上坡時發生縱翻的臨界條件：

式中，βmax上為植保機器人上坡時不翻車的最大坡度角;b為機器人滿載質心到前后軸的距離，取580 mm;h為機器人滿載質心高度，500 mm。

由式（1）計算得到：βmax上=49.23 °。

同理可得植保機器人等速下坡時發生縱翻的臨界條件，即下坡時不翻車的最大坡度角為60.11 °。

2 機器人坡上橫翻臨界條件

車輛橫向穩定性控制歷來是研究人員關注的重點。植保機器人滿載等速坡上橫向行駛時，其受力情況如圖2所示。

圖2中：N1，N2為地面對左、右輪胎的垂直反作用力;F1，F2為地面對左、右輪胎的切向反作用力;G為機器人滿載重力;h為機器人滿載質心高度，500 mm;β為縱向坡角度;B為機器人輪距，650 mm;e為機器人滿載質心到寬度中心的偏心距，35 mm。

對機器人左右輪胎接地點取力矩，則得：

隨著道路坡度角的增大，F1值減小。當F1=0時，植保機器人將失去轉向能力，可能發生繞左輪胎橫向翻倒。由F1=0可得：（0.5B-e）Gcosβ-hGsinβ=0。

機器人質心偏心距e值朝下坡方向時，植保機器人等速坡上橫向行駛時發生橫翻的臨界條件：

βmax橫下=arctan30.11 °。30.11 °為植保機器人坡上橫向行駛時不翻車的最大坡度角。

當機器人質心偏心距e值朝上坡方向時，則βmax橫上=arctan=35.75 °。

3 結論

當植保機器人滿載上下坡進行農藥噴灑作業時，下坡穩定性大于上坡。上坡時最大坡度要低于49.23°，下坡時最大坡度要低于60.11 ° 。當植保機器人滿載后者坡上橫向作業時，如果機器人質心偏心距e值朝下坡方向，最大坡度要低于30.11 °;如果機器人質心偏心距e值朝上坡方向，最大坡度要低于35.75 °?？紤]到安全系數、駐車制動等因素，實際最大坡度應遠低于上述計算值。

為提高植保機器人的穩定性，在坡上進行農藥噴灑作業時，應盡量避免滿載運行，即減少藥箱的裝藥量，降低機器人質心高度。作業時，適當降低作業速度也有利于提高穩定性。保機器人坡上橫向行駛農藥噴灑作業時，可改變植保機器人行走方向，使機器人質心偏心距e值朝上坡方向，有利于提高穩定性。

參考文獻

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Analysis of the Vertical and Horizontal Ultimate Stability of the 3WP-200

Type Intelligent Plant Protection Robot

ZHANG Yisheng1， HOU Xin'ai1， ZHANG Jiecheng2， TIAN Kai2， GONG Bin1， ZHANG Xifeng1

（1. Zibo City Institute of Agricultural Mechanization， Zibo Shandong 255086， China; 2. Shandong Luhong Agricultural Science and Technology Co.， Ltd.， Qufu Shandong 273100， China）

Abstract： In order to ensure the operation stability of the 3WP-200 intelligent plant protection robot， this paper analyzed the force situation of its walking system， and calculated the critical conditions of its uphill and downhill vertical turning and upper slope crossing. The analysis showed that when the robot was fully loaded， the maximum slope was < 49.23 ° when it was uphill， and the maximum slope< 60.11 ° when it was downhill. When driving laterally， the maximum slope of centroid eccentricity value is 30.11 ° downward and 35.75 ° upward， respectively.

Key words： plant protection robot; stability; analysis; vertical and horizontal

收稿日期：2021-07-08

基金項目：2019年山東省農業重大應用技術創新項目（SD2019NJ005）

作者簡介：張義勝（1962—），男，正高級工程師，從事糧食種植及收獲機械方面的研究。