汪逸飛

摘 ?要：為了研究溫室運載平臺的側(cè)翻穩(wěn)定性，該文結(jié)合側(cè)翻領(lǐng)域不同的研究方法，提出了針對溫室運載平臺的研究新思路，為溫室運載平臺的設(shè)計提供一定的理論支持。根據(jù)輔助輪數(shù)量和是否有工作人員作業(yè)等情況，對斜坡工況繼續(xù)進行細分，構(gòu)建溫室運載平臺的分析模型，并通過Matlab分析，得到不同工況下的臨界側(cè)翻條件。結(jié)果表明，在斜坡作業(yè)工況下，當工作人員作業(yè)方向與斜坡方向相同時，溫室運載平臺最容易有側(cè)翻的危險。

關(guān)鍵詞：溫室運載平臺 ?傾翻 ?穩(wěn)定性

中圖分類號：S625 ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ?文章編號：1672-3791（2019）06（c）-0061-04

Abstract： In order to study the rollover stability of greenhouse carrier platform， this paper proposes a new research method based on different research methods in the rollover field， which provides some theoretical support for the design of greenhouse carrier platform. According to the number of training wheels and whether there are any staff working， the slope working conditions are further subdivided， and the analysis model of greenhouse carrying platform is constructed. Through Matlab analysis， the critical rollover conditions under different working conditions are obtained. The results show that under the slope working condition， when the working direction of the staff is the same as the slope direction， the greenhouse carrying platform is most prone to rollover.

Key Words： Greenhouse carrier platform; Tilt over; Stability

隨著近年來機器人技術(shù)的成熟，溫室農(nóng)業(yè)機器人由于其在降低勞動強度、提高作業(yè)效率上的出色表現(xiàn)，也在逐漸地普及。作為溫室機器人里比較重要的分支，溫室運載平臺的設(shè)計研究在我國內(nèi)較少，主要集中在鄭州大學(xué)[1]和上海交通大學(xué)[2]。而在國外，該技術(shù)發(fā)展較為成熟，包括日本的Torri[3]團隊、西班牙的Sánchezhermosilla[4]團隊等均研制出了較高水準的溫室機器人。

溫室運載平臺主要承擔在溫室內(nèi)部物料運載的任務(wù)，同時可搭載不同的作業(yè)部件，以實現(xiàn)一機多能的效果。溫室運載平臺作為一款小型農(nóng)用車輛，受到溫室內(nèi)部道路不平及本身重心較高的影響，工作人員在作業(yè)過程中最容易發(fā)生危險狀況就是側(cè)翻。目前國內(nèi)研究側(cè)翻穩(wěn)定性，一般按照車輛的不同有兩種研究方法：一種是以起重機系列為代表的，穩(wěn)定力矩研究法[5];另一種是以乘用車系列為代表的，準靜態(tài)研究方法[6]。但是由于溫室運載平臺的特殊性，其兼具了普通乘用車速度較快和起重機重心較高的特點，因此對于溫室運載平臺這類農(nóng)用機器人的側(cè)翻穩(wěn)定性研究較少，有較大研究價值。

該文根據(jù)溫室運載平臺的特點，結(jié)合了起重機和乘用車在側(cè)翻穩(wěn)定性研究方面的主要方法，分工況更加全面地對其穩(wěn)定性進行研究，以期能對溫室運載平臺的建設(shè)提供一定的理論基礎(chǔ)。

1 ?溫室運載平臺側(cè)翻穩(wěn)定性模型

針對圖1所示的溫室運載平臺，其側(cè)翻穩(wěn)定性是指在不同工況條件下，抵抗自重或慣性力引起的側(cè)翻的能力。該節(jié)將對穩(wěn)定性研究過程中重要的參數(shù)進行分析計算。

1.1 輪距計算

為了提升溫室運載平臺的整體側(cè)翻穩(wěn)定性，運載平臺底盤前后各有一個輔助輪的安裝接口，在作業(yè)過程中，在作業(yè)空間允許的情況下，工作人員可進行選裝。根據(jù)輔助輪的數(shù)量，該文的研究分為了無輔助輪、二輪輔助和四輪輔助3種不同的工作情況。由于輔助輪的加入，使得溫室運載平臺的輪距會隨著工作人員的調(diào)整而發(fā)生改變。因此該文引入等效輪距概念[7]，對各種情況下輪距進行計算，以達到更好的研究效果。

（1）無輔助輪。

1.2 傾覆邊確定

危險傾覆邊是由運載平臺的車輪的輪距與軸距等尺寸確定的。由于有輔助輪的參與，危險傾覆邊的尺寸也有了相應(yīng)的變化。在驗證運載平臺側(cè)翻穩(wěn)定性時，一般以最危險的極限情況進行校核[8]。

溫室運載平臺根據(jù)傾覆的方向，分為縱向傾覆邊與側(cè)向傾覆邊兩種。如圖3所示，側(cè)向傾覆邊為運載平臺側(cè)向輪距，縱向傾覆邊為前后輪距，根據(jù)安裝輔助輪的個數(shù)會有較大幅度的改變，由于車身較長，所以輔助輪對側(cè)向傾覆邊的影響要比縱向傾覆邊大很多。

1.3 側(cè)翻穩(wěn)定性的測評方法

目前側(cè)翻穩(wěn)定性的分析計算方法主要有3種，分別為力矩不等式法、穩(wěn)定性安全系數(shù)法和按臨界傾覆載荷標定額定起重量法[9]。該文采用目前主流的力矩不等式法，該方法也被GB/T 3811-2008所采用，而且在歐美國家也有很廣泛的應(yīng)用。力矩法的原理較為簡單，其核心就是求得運載平臺的側(cè)翻力矩與穩(wěn)定力矩，運載平臺的側(cè)翻穩(wěn)定條件為：

M穩(wěn)定≥M側(cè)翻 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（4）

根據(jù)不同的工況，可得出不同的力矩不等式，通過這些不等式，即可很容易求得運載平臺側(cè)翻的臨界條件。

2 ?溫室運載平臺側(cè)翻穩(wěn)定性分析計算

該節(jié)斜坡作業(yè)工況，研究工作人員在斜坡上作業(yè)時，升降平臺高度與斜坡角對側(cè)翻穩(wěn)定性的影響，通過判斷是否有工作人員以及是否有安裝輔助輪，配合升降臺高度的變化，即可得到側(cè)翻臨界條件。

溫室運載平臺斜坡作業(yè)工況，由于有作業(yè)人員的全程參與，故不考慮運載平臺上無人時的狀態(tài)。斜坡作業(yè)工況主要研究工作人員的工作幅度與升降臺高度對斜坡最大臨界角的影響。當工作人員作業(yè)時，由于體態(tài)的變化，質(zhì)心的位置也在發(fā)生著變化。圖4代表著工作人員在升降平臺上作業(yè)幅度逐漸加大的過程。為了研究運載平臺的極限狀態(tài)，該文取工作人員在工作幅度最大時作為研究對象。為了簡化研究過程，該文將人的質(zhì)心分為上下兩部分，下半身重力提供穩(wěn)定力矩，作用點在傾覆線內(nèi)部，上半身重力作為傾覆力矩，作用點在傾覆線外部。按照斜坡方向與工作人員作業(yè)方向的不同，斜坡作業(yè)工況側(cè)翻穩(wěn)定性分析如下。

2.1 工作人員作業(yè)方向與斜坡方向相同

（1）側(cè)翻臨界條件。

（2）計算結(jié)果。

將側(cè)翻臨界條件帶入Matlab中仿真，我們可以得到不同工作狀態(tài)下斜坡側(cè)翻臨界角隨著升降臺高度的變化曲線。需要注意的是，公式中的輪距B為等效輪距，需要根據(jù)安裝輔助輪的個數(shù)來進行修改數(shù)值。

由表1可看出，當工作人員的作業(yè)方向與斜坡方向相同時，在沒有輔助輪的情況下，臨界的坡道角僅為3°～5°，遠不能滿足日常作業(yè)的需求。雖然工作人員的質(zhì)心位置參數(shù)確定為理想中的極限狀態(tài)，在普通作業(yè)過程中坡道角可能會提升較多，但安裝了輔助輪之后效果提升更明顯，所以建議工作人員在空間允許條件下安裝輔助輪。

2.2 工作人員工作方向與斜坡方向相反

（1）側(cè)翻臨界條件。

（2）計算結(jié)果。

將側(cè)翻臨界條件帶入Matlab中仿真，我們可以得到不同工作狀態(tài)下斜坡側(cè)翻臨界角隨著升降臺高度的變化曲線。

仿真結(jié)果如表2所示，當工作人員的作業(yè)方向與斜坡方向相反時，由于此時人的重力提供了穩(wěn)定力矩，使得側(cè)翻臨界坡道角有很大的改善。對比表1而言，無輔助輪情況下效果非常顯著，二輪輔助和四輪輔助情況均有著1～2倍的增長。

3 ?結(jié)論

（1）該文結(jié)合起重機及普通乘用車側(cè)翻穩(wěn)定性研究的方法，提出了一種針對溫室運載平臺這種有獨特結(jié)構(gòu)和使用環(huán)境的農(nóng)用機器人的側(cè)翻穩(wěn)定性研究思路。

（2）斜坡作業(yè)工況容易造成側(cè)翻，安裝輔助輪后，最大能提升300%的臨界側(cè)翻坡道角，效果明顯。

參考文獻

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