自適應調節重心林間運輸車設計與仿真

王慧 安洋 崔生樂 楊春梅

摘要：為提高運輸車在林間的工作效率，研究設計一款能夠遠程遙控且能根據自身運動姿態自動調節重心的小型林間履帶式運輸車。通過理論計算完成整車各部分機構的設計，分析整車在可調節重心機構調控下的通過性，確定可調節重心機構的控制策略，并利用Recurdyn軟件對整機進行通過性模擬仿真。仿真結果表明，經過調控重心后，整機的通過性得到有效提升，整機上坡的極限角度提高17.9%，橫坡的極限角度提高18.3%，極限越障高度提高18.7%，跨壕極限寬度提高13.9%。

關鍵詞：林地環境；林間履帶式運輸機；可調節重心機構；通過性；Recurdyn

中圖分類號：TH122： U469.6+94? 文獻標識碼：A? ?文章編號：2095-5553 （2024） 03-0148-08

Design and simulation of forest transporter with self-adaptive center of gravity

Wang Hui， An Yang， Cui Shengle， ?Yang Chunmei

（College of Mechanical and Electrical Engineering， Northeast Forestry University， Harbin， 150040， China）

Abstract：

In order to improve the working efficiency of the transporter in the forest， this paper studies and designs a small forest crawler transporter which can be remotely controlled and automatically adjust the center of gravity according to its own movement posture. The mechanism design of each part of the whole vehicle is completed by theoretical calculation， and the trafficability of the whole vehicle under the control of the adjustable center of gravity mechanism is analyzed， and the control strategy of the adjustable center of gravity mechanism is determined. The simulation results show that after the control of the center of gravity， the machine trafficability is effectively improved， the limit Angle of the machine uphill is increased by 17.9%， the limit Angle of the transverse slope is increased by 18.3%， the limit obstacle height is increased by 18.7%， and the limit width of the trench is increased by 13.9%.

Keywords：?forest environment; forest crawler conveyor； adjustable center of gravity mechanism; trafficability； Recurdyn

0 引言

我國林業種類繁多，按照形成方式可以分為天然林與人工林兩大類。其中天然林是經過植被自然生成的，地形十分復雜且林間距大小不一；而人工林是通過人工措施形成的森林。人工林的經營目的明確，樹種選擇、空間配置及其他造林技術措施都是按照人們的要求來安排的。按照經營目的人工林可分為，防護林、特種用途林、薪炭林、經濟林以及用材林。通過我國大力發展林業，其森林覆蓋率已經從20世紀80年代初的12%，提高到目前的22.96%，人工林面積居全球第一［1］。人工林特點一般為同齡林，林相整齊；森林樹種組成較少，層次結構較單純；個體的水平分布均勻，布局較合理。成年人工林間距大部為3～5m。

林間剩余物是指以木材生產為主的森林經營和生產過程中產生的林木剩余物，包括森林采伐和造材剩余物、加工剩余物、森林撫育和間伐剩余物等。林間剩余物是一種重要的生物質能源，但每年都有大量的林間剩余物沒有被回收利用。在環境污染和能源日益緊缺的情況下，林間剩余物的利用，不僅可以有效緩解能源短缺壓力，還可有效減少資源浪費、環境污染和森林火災等問題［2， 3］。

但由于林區惡劣的運輸環境，車輛無法進入運輸，我國對于林區的生產運輸問題還是主要依靠于人力及畜力，這大大降低了林間作業運輸的生產效率。應智能化與時代發展的要求，將科技與林業結合，設計一款小型靈活、通過性高、能夠滿足運輸要求且能在林間復雜環境行走的履帶式運輸車變得很有必要。

Doi等［4］研究設計了一種帶有能夠自動升降調平平臺的林間運輸車，可以在車輛通過復雜地形時使載物箱保持水平，從而提高車輛行駛的穩定性。但這種裝置在一定程度上提高了整車的重心，在更加復雜的地形上無疑增加了翻車的風險。韓振浩等［5］研究設計了一種可以調節重心的山地果園運輸機，經過調節重心后運輸機的通過性得到了一定提升，但其在通過各種地形時都需要提前手動進行調節，實際操作起來并不方便且容易出錯，且該運輸機并不能適應林間復雜的地形。

綜上，本文設計一款能夠遠程遙控且能根據自身運動姿態自動調節重心的小型林間履帶式運輸機。

1 機構設計與分析

1.1 可調節重心機構

通過閱讀大量文獻得知，履帶底盤的通過性與重心的位置密切相關［6， 7］。例如在越障的過程中，翻車的臨界狀態便是整機的重心垂線與垂直壁障的近邊重合［8， 9］。所以本文設想一種能夠根據自身的姿態可以實時自動調節整車的重心位置的裝置，使整車的通過性提高，降低翻車的風險。

根據工作原理，可移動調節重心機構設計如圖1所示。

該機構由兩個步進電機，一個縱向導軌和一個橫向導軌以及其他若干零部件組成。步進電機控制精準，在低速時也能提供較大扭矩。通過齒輪將步進電機的動力傳遞給滑軌上，進而平穩地控制承載在滑軌上的載物箱前后左右移動，起到調節重心的作用?？刂撇糠钟蓅tm32f103單片機、姿態傳感器、距離傳感器等組成。通過傳感器等實時檢測整車的姿態，以及相應的距離，然后將信號傳送到單片機進行處理，進而對機構進行調整使整車的重心位于適當的位置。

1.2 履帶底盤

履帶式底盤的結構設計由雙直流無刷電機、減速器、驅動輪、支撐輪、導向輪、張緊輪以及履帶組成?？紤]林間地形復雜，障礙物隨處可見，需要越障，爬坡及轉向次數較多，因此采用倒梯形結構底盤，將動力后置，且采用雙電機分別控制兩側履帶行進，有利于提高整車的通過性并縮小轉向角度。

底盤運動時，驅動輪將直流電機的能量轉化為底盤行駛的動能，支撐輪起到支撐履帶的作用，導向輪和張緊裝置保證了履帶的卷繞方向并承受行駛時履帶受到的沖擊力。支重輪通過游離三角與車架鉸接，其位置可根據地形的變化進行調節，避免支撐輪懸空時對底盤產生的載荷分布不均，從而提高底盤的穩定性。

整機底盤通過遙控［9］的方式進行行走作業，采用無差速的方式驅動履帶底盤的兩側履帶，兩側直流電機通過減速器驅動底盤兩側的主動輪。每個直流電機由控制系統直接控制，前進或者后退時由控制系統控制兩個電機進行正轉或者反轉操作，轉向時，由控制系統改變底盤兩側電機的速度實現底盤的差速轉向、切邊轉向以及原地轉向。

1.3 整機結構

整機結構由電動履帶式底盤，柴油發電機，自適應可移動調節重心裝置、電池、控制箱以及傳動和驅動機構組成。設計整機負載高，通過性強，通過遙控可實現在林間進行靈活的運輸工作，從而提高操作人員的安全性。整機尺寸為2000mm×1500mm×1100mm，結構如圖2所示。

整機行走由柴油發電機提供動力，解決了裝備在林間復雜地形行走的功率問題。大部分功率提供給驅動底盤行走的兩個大功率直流電機上，小部分電力通過電池存儲起來，通過電池將電力供給驅動可移動調節重心機構的電機上以減少能源浪費?？烧{節重心裝置由兩個步進電機作為動力源，通過姿態傳感和距離傳感器等在行走的過程中自動檢測信號，進而通過控制器來自動調節載物箱的位置以達到調節重心的目的，從而提高整車的通過性。

1.4 整機重心位置計算

確定重心位置是實現該機構功能的基礎，同時為保證車輛能夠擁有良好的通過性，重心位置應該盡可能地設計在車輛的中心的正下方，且重心越低車輛行駛越穩定。本文采用分塊法，根據整機各個機構將其分成數個簡單的模塊，分別求解出各個模塊的重心，在整機外部一點建立三維坐標系分別確定每個模塊重心在坐標系中的位置，最后求解出整機的重心。分塊法計算重心示意圖如圖3所示。

整車的橫向機構設計采用對稱分布，所以X軸向重心可以看作近似位于整機橫向的中心線處。Y軸向重心的計算，可以先假設一個點O為Y軸向重心位置，然后將分塊后各部分的重心位置到該點的垂直距離假設為y0，y1，y2……。Z軸向的重心位置計算，可以假設點O為Z軸向的重心位置，然后將分塊后各部分的重心位置到該點的Z軸向的距離假設為z0，z1，z2……。再以可調節重心機構的極限移動位置為例，計算出整機經過該機構調整過后的重心位置，如圖3（c）所示。

根據已知條件和力矩平衡可得

y1+y5=L1y2+y4=L2y2+y5=L3y3+y4=L4m1y1+m2y2=m3y3+m4y4+m5y5（1）

式中：m1——載物箱質量，kg；m2——可調節重心機構質量，kg；m3——履帶底盤質量，kg；m4——電池質量，kg；m5——柴油發電機質量，kg；L1——載物箱與柴油發電機的質心橫向距離，mm；L2——可調節重心機構與電池的質心橫向距離，mm；L3——可調節重心機構與柴油發電機的質心橫向距離，mm；L4——底盤與電池的質心橫向距離，mm。

求解式（1）可得整機經過調節前的重心在Y軸向的位置。

z1+z2=D1z1+z3=D2z1+z4=D3z1+z5=D4m1z1=m2z2+m3z3+m4z4+m5z5（2）

式中：D1——載物箱與可調節重心機構的質心縱向距離，mm；D2——載物箱與底盤的質心縱向距離，mm；D3——載物箱與電池的質心縱向距離，mm；D4——載物箱與柴油發電機的質心縱向距離，mm。

求解式（2）可得整機重心在Z軸向的位置。

由于整機設計的時候一般都為左右對稱，所以整機X軸向的重心位于整機的橫向中心。但經過調節時，整機重心會有橫向變動。

m1（Δd－Δx）=（m2+m3+m4+m5）Δx（3）

式中：Δd——載物箱沿X軸向移動距離，mm；Δx——整機重心沿X軸向移動的距離，mm。

求解式（3）可得整車經過橫向調節前后的重心在X軸向的重心位置，如圖3（b）所示。

1.5 通過性分析

林間地形復雜多變，多有坡道、障礙物以及壕溝，普通車輛在林間難以行走，且有翻車的危險。因此要求需要有良好的通過性以及穩定性。因整車在滿載時，重心最高通過性最差，且重心經過機構調節更明顯，所以本文以整車滿載500kg時為例，通過調節重心機構調控重心分別對這三種情況進行整機的通過性分析。

1.5.1 上、下坡以及通過橫坡分析

整機在上下坡時，受到自身的重力，和地面給的支持力以及摩擦力。受力分析如圖4所示。

如圖4所示，整機在穩定上下坡過程中所受力和力矩平衡。根據已知條件，經過計算分析可以得出整機上下坡的極限角度α、β，以及經過可調節重心機構調節后的極限角度α′、β′，如式（4）所示。

α=arctanbh－r2β=arctanch－r2α′=arctanb+Δyh－r2β′=arctanc+Δyh－r2（4）

式中：b——支重輪A與質心位置的縱向距離，mm；c——支重輪B與質心位置的縱向距離，mm；h——質心高度，mm；r2——支重輪半徑，mm；Δy——整機質心沿Y軸向移動的距離，mm;α、α′——經過調節前后的極限上坡角度，（°）；β、β′——經過調節前后的極限下坡角度，（°）。

整機在橫坡上穩定行駛時，受自身的重力，地面的支持力以及摩擦力。受力分析如圖5所示。

根據力矩平衡，對C點進行力矩分析計算可得整機在通過橫坡時經過可調節重心機構調節前后的極限角度γ與γ′，如式（5）所示。

γ=arctanS2hγ′=arctan0.5S+Δxh（5）

式中：S——軌距，mm;γ、γ′?——經過調節前后的橫坡極限角度，（°）。

1.5.2 越障分析

整機的越障過程，可以分為三部分。首先是前導輪接觸障礙物，并在動力作用下將車身微微抬起。然后隨著整機不斷前進，整機的重心也隨之不斷上升和前移，并在這個過程中重心會逐漸接近障礙物外表面的豎直延長線。根據質心運動學可知，當整車的質心能越過障礙物的豎直延長線時，整車才能順利跨越過障礙物。最后重心跨過障礙物的豎直延長線，并隨著整機繼續前進，重心下降直到完成越障。整機跨越障礙物的臨界狀態如圖6所示。

對處于臨界狀態的整機進行靜力學分析，此時整機所受力平衡且所受力矩平衡。對拖輪A進行力矩平衡分析計算，可得整機在越障時經過可調節重心機構調節前后的極限上坡高度，如式（6）所示。

H=sinθ（b－htanθ）H′=sinθ′（b+Δy－htanθ′）（6）

式中：H、H′——經過調控前后的極限越障高度，mm；θ、θ′——經過調控前后的極限越障角度，（°）。

但由于機械結構的限制，所以最大越障高度不能超過主動輪中心與地面的垂直距離，所以整機的實際最大越障高度

Hmax=min（H′，h1）（7）

式中：Hmax——實際越障最大高度，mm；h1——主動輪中心高度，mm。

1.5.3 跨壕分析

整機能否跨越壕溝與多個因素有關，比如壕溝的寬度，整機的重心位置，履帶底盤的長度和行駛速度等。在整機跨越壕溝中，極限的臨界狀態為整機重心的豎直延長線與近側壕溝豎直界面重合時，支撐端履帶另一端剛好接觸在壕溝遠側邊界上。則整機前端或者后端不會陷落壕溝，此時的壕溝寬度為整機跨越壕溝的極限寬度。

因整機重心不在中心，所以經過分析整機在進入與離去階段跨好寬度會略有不同。如圖7所示，整機處于進入階段時，可跨壕溝寬度為臨界跨壕寬度M1。當整機處于離去階段時，臨界跨壕寬度為M2，可據此來確定整機極限的寬度，如式（8）所示。

M1=e2+h12+r1M2=f2+h12+r1（8）

式中：M1——進入階段時臨界跨壕寬度，mm；M2——離去階段時臨界跨壕寬度，mm；e——主動輪與質心的橫向距離，mm；f——導向輪與質心的橫向距離，mm；r1——主動輪半徑，mm。

經過可調節重心機構調節重心位置后，整機可跨壕溝最大距離為

M1′=（e+Δy）2+h12+r1M2′=（f+Δy）2+h12+r1M=min（M1′，M2′）（9）

式中：M——整機可跨壕溝最大距離，mm。

1.6 可調重心機構控制策略

姿態傳感器作為一種高精度的測量儀器，是檢測載體姿態變化的重要工具，其在工業控制、軍事裝備、航空航天等領域應用十分廣泛。本文將此傳感器靈活的運用在林業裝備上，通過安裝在整機底盤上的姿態傳感器，可以檢測到整機的實時位姿［13］。然后將檢測到的信號傳送到主控制器上，主控制器根據接收到的數據進行處理，隨后傳出指令控制機構上的步進電機驅動滑軌，對載物箱的位置進行調整并運用PID算法進行反饋調節，進而起到調節整機重心的作用，實現整機重心的自適應調整。同時在橫向滑軌與縱向滑軌上各安裝一個距離傳感器，通過記錄可調節重心機構的起始平衡位置，在機構啟動或停止時通過距離傳感器檢測的距離初始化載物箱的位置。且由控制器設置橫向滑軌與縱向滑軌的極限移動距離，保證載物箱移動距離不會超出極限，導致危險情況發生。

根據整機的通過性分析，改變重心在一個適當的位置可以提高整機的通過性。通過MATLAB軟件求解式（1），根據載物箱沿Y軸移動距離的變化，可以計算得到重心在Y軸向位置的變化。選取多個數據作為離散點，如表1所示為載物箱縱向移動距離的變化長度對應的重心位置改變的距離。

根據表1中的數據可以看出Δl與Δy的關系大致成線性變化，利用MATLAB軟件對表一中的數據進行一次線性擬合，得到 Δl與Δy的線性擬合關系如式（10）所示。

Δl=2.2Δy－1.42（10）

式中：Δl——載物箱沿Y軸移動的距離，mm。

同理根據式3，可以得到在X軸向載物箱重心的變化距離Δx與整機重心的變化距離Δd之間的關系，如式（11）所示。

Δd=2.22Δx（11）

根據整機的通過性分析，整機在上下坡時本身可通過最大斜坡傾角為α，經過調節重心后可通過最大斜坡傾角為α′，當整機通過最大斜坡傾角時，此時也有翻車的風險。為了提高安全性，應及時通過機構調節重心使整機處于一個安全的可控的范圍。且在小角度的安全范圍內，并不需要機構頻繁地調整重心，避免能源浪費，提高機構壽命。所以當整機本身傾斜角達到α時，應調節載物箱到達極限位置上。如式（4）所示，為最大傾角與重心縱向距離變化的關系。將式進行修改，可得可調節重心機構準備開始調節的傾角α″。

α″=arctanb－Δyh－r2（12）

同時根據Δl與Δy的線性擬合關系，將式（10）與式（12）結合，得到載物箱縱向移動距離與角度的變化關系如式（13）所示。

Δl=2.14（b－htanα″）+0.16（13）

在橫坡上行駛時，整機本身的最大通過橫坡角度為γ，在經調節重心后角度變化為γ′。同理將式（5）進行修改，可得可調節重心機構準備開始調節的橫坡傾角γ″。

γ″=arctan0.5S－Δxh（14）

根據在X軸向載物箱重心的變化距離Δd與整機重心的變化距離Δx之間的關系，結合式（12）與式（14），可得到載物箱橫向移動距離與角度的變化如式（15）所示。

Δd=2.15（0.5S－htanβ″）（15）

綜上所述，在整機通過各種地形時，由姿態傳感器實時檢測整機傾角的變化，在橫向與縱向的傾角超過一定的角度時，便由控制器下達指令控制電機帶動滑軌移動進而控制載物箱移動，并根據式（13）與式（15），由整機傾角的變化精確控制載物箱移動的方向與距離。

2 模擬仿真

2.1 建立模型

本文采用Recurdyn軟件對整機進行動力學仿真［15］，RecurDyn （Recursive Dynamic）是新一代多體系統動力學仿真分析軟件。它采用相對坐標系運動方程理論和完全遞歸算法，非常適合于求解多體系統動力學問題，是一款集成了多學科、多功能、綜合性的專業CAE仿真平臺，且Recurdyn本身帶有專業的履帶模塊，便于履帶建模和計算仿真。

首先運用Recurdyn中的履帶模塊，對鏈節、主動輪、拖輪、導向輪、支撐論以及支架進行參數化建模。使用assembly功能，順次連接主動輪等創建履帶，然后添加約束和動力。退出該模塊，將履帶與導入的Solidworks整機主體模型進行裝配，添加約束，材料屬性等。最后根據Recurdyn的ground功能創建路面，鑒于林間的工作環境，采用其中的黏土（clayey soil）路面模型。添加履帶表面與路面的接觸點，進行仿真分析。

2.2 通過性仿真

以整機滿載500kg且低速1.08km/h行駛時為例，建立各種復雜地形通過仿真來分析整機在重心調控前以及調控后的通過性。

2.2.1 上下坡及橫坡通過性仿真

整機在斜坡以及橫坡的通過性仿真如圖8、圖9所示，由于整機重心相對來說較為靠后，在上坡時更容易翻車，調控重心效果也更為明顯，所以本文在縱向調控時只針對整機上坡進行仿真。在整機仿真時以初始坡度20°開始仿真，隨后坡度每次增加一度，進行多次仿真直到整機傾覆為止，可以得到在未調控重心前的極限上下坡以及橫坡角度。

隨后利用機構調節載物箱位置，每次移動40mm并適當增加斜坡角度，進行多次仿真直到機構到達可調節范圍內的極限位置處。仿真結果如表1所示。

2.2.2 越障仿真

通過閱讀大量文獻以及進行多次仿真試驗可知，整機在翻越壁障時，速度越低，俯仰角越小，行駛過程越平穩，通過性越強，所以在越障時應盡量減速慢行。本文以低速0.36km/h速度進行整機翻越300mm壁障的仿真，越障仿真過程如圖10所示。

以低速進行仿真模擬時，設定初始壁障高度為200mm，每次增加20mm，直至整機無法翻越為止。隨后利用機構調節載物箱縱向位置，每次移動40mm并適當增加壁障高度，直到重心到達可調節范圍內的極限位置處。仿真結果如表3所示。

2.2.3 跨壕仿真

當整機跨壕時，可以分為進入和離去兩個階段，而重心在整機中的位置便會影響整機跨壕的能力。本文首先在調控整機重心前進行多次跨壕仿真，逐漸增大壕溝距離直到整機掉入壕溝之中，記錄此時壕溝距離為整機在調控前的極限跨壕距離。

隨后利用機構調節載物箱位置，每次移動40mm并適當調整壕溝寬度，進行多次仿真。仿真過程如圖11所示，仿真結果如表4所示。

2.3 結果分析

本文通過對整機的通過性試驗仿真，得到整機翻越各種地形的仿真結果如表2～表4所示，對其數據進行整理分析繪制折線圖，如圖12所示?？梢钥闯?，經過可調重心機構調控后整機翻越各種地形的能力呈上升趨勢，說明整機的通過性得到了有效提升。由于理論分析時未考慮土壤變形等其他因素影響，導致仿真結果與計算分析數值存在一些差別，但總體符合計算分析趨勢。根據仿真結果數據進行計算，經過調控后，上坡的極限角度提高了17.9%，橫坡的極限角度提高了18.3%。調控重心后的整機極限越障高度較調控前提高了18.7%，跨壕極限距離相較于調控前提高了13.9%。

3 結論

為提高運輸車在林間復雜地形的工作效率，本文提出一種可調節重心的小型林間履帶運輸車，完成底盤等機構的設計，并對整機的通過性進行理論分析，制定可調節重心機構的控制策略，最后利用Recurdyn軟件對整機通過各種復雜地形進行模擬仿真。

1） 通過模擬仿真得出在調控重心前整機上坡的極限角度為35.21°，通過橫坡的最大角度為28°，可翻越最大壁障高度為320mm，跨越壕溝最大寬度為834mm。由于未考慮路面等因素影響，仿真結果與理論分析有一定差別，但總體符合理論分析趨勢。

2） 經過可調節重心機構進行調控后，整機的通過性能得到有效提升。通過仿真結果可知經過調控后整機上坡的極限角度提高17.9%，橫坡的極限角度提高18.3%，極限越障高度提高18.7%，跨壕極限寬度提高13.9%。

3） 經過理論分析和仿真驗證，本文所設計的整機可以在林間復雜環境下進行高效率的工作。

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基金項目：中央財政林業科技推廣示范項目（黑［2022］ TG13號）；中央高?；究蒲袠I務費專項資金項目（2572022DP02）

第一作者：王慧，女，1965年生，黑龍江哈爾濱人，博士，副教授；研究方向為林業機械。E-mail： Wanghui90527@126.com

通訊作者：楊春梅，女，1977年生，黑龍江哈爾濱人，博士，教授；研究方向為林業智能裝備與檢測。E-mail： ycmnefu@126.com