姚宗伯 劉晉浩 張霞

(北京林業(yè)大學(xué)，北京，100083)

第八次全國森林資源清查結(jié)果顯示我國人工林保存面積為0.69億hm2，蓄積為24.83億m3，人工林面積持續(xù)保持世界首位[1]。隨著天然林采伐量大大下降，森林采伐趨勢向人工林轉(zhuǎn)移，未來林業(yè)生產(chǎn)將由勞動力集約型向技術(shù)集約型轉(zhuǎn)變。同時由于人工林撫育具有季節(jié)性，需要在最佳季節(jié)完成，所以必須通過機械化、裝備化的方式來提高效率[2]。由于林業(yè)裝備尚未實現(xiàn)無人化作業(yè)，仍需由駕駛員操作完成，林區(qū)地形多以山地、丘陵為主，駕駛室的作業(yè)角度與視野變化極大地影響了駕駛員操作時的精準(zhǔn)性與工作效率，且作業(yè)裝備由于重心變化容易出現(xiàn)側(cè)翻、傾翻等危險現(xiàn)象，因此自動調(diào)平系統(tǒng)的使用將大大提高林業(yè)裝備作業(yè)時的精準(zhǔn)性與安全性。

1966年，美國人Jerry.C.Boone發(fā)明了一種在山地聯(lián)合收割機上應(yīng)用的自動調(diào)平系統(tǒng)，由于受限于當(dāng)時的技術(shù)水平，系統(tǒng)響應(yīng)慢、效率低，效果并不理想。如今美國的John Deere公司研發(fā)出具有自動調(diào)平功能的履帶式采伐機859MH、959MH系列，它通過兩個并聯(lián)液壓缸調(diào)節(jié)駕駛室的俯仰，由駕駛室與底盤的連接轉(zhuǎn)盤完成駕駛室的旋轉(zhuǎn)動作，缺點是僅主要完成了俯仰角度上的調(diào)平，其他方向角度上的調(diào)平效果并不理想[3]。我國林業(yè)調(diào)平系統(tǒng)研究起步晚，成果較少，相比國外有著不小的差距。劉凱等[4-5]設(shè)計的一種履帶式山地作業(yè)機自動調(diào)平系統(tǒng)基于四點支撐的調(diào)平方式，利用液壓缸、旋轉(zhuǎn)鉸實現(xiàn)作業(yè)機的找平，結(jié)構(gòu)簡單便于操作，但其穩(wěn)定性較差，振動明顯，四點支撐調(diào)平方式提升了重心高度，增加了傾翻的可能性。在林用裝備自動調(diào)平系統(tǒng)領(lǐng)域，國內(nèi)、外研究并未解決各方向角上自動調(diào)平效果不好及因調(diào)平動作導(dǎo)致整體重心提升從而影響整機安全性等問題。

本研究將采用Stewart六自由度并聯(lián)機構(gòu)平臺作為自動調(diào)平系統(tǒng)的設(shè)計平臺。Stewart平臺具有剛度大、負(fù)荷自重比高、載荷分布均勻、運動平穩(wěn)等特點，適用于需要高精度、大載荷且對工作空間要求相對較小的場景當(dāng)中，從而有效解決林用裝備在復(fù)雜環(huán)境下作業(yè)的適應(yīng)性問題。

1 林用裝備作業(yè)平臺自動調(diào)平系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)整體設(shè)計

林業(yè)機械裝備主要由作業(yè)裝置、調(diào)平裝置、動力裝置及行走裝置等構(gòu)成，如圖1所示。圖2所示為自動調(diào)平系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，采用六自由度并聯(lián)式調(diào)平液壓桿的方式來連接上、下平臺；上平臺連接機構(gòu)采用兩段式焊接骨架式連接，目的是相比較上平臺承托工作平臺的方式可以有效降低裝備重心防止出現(xiàn)傾翻的可能性。調(diào)平裝置與上、下平臺之間的連接采用虎克鉸接結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)承載力強且便于安裝。通過安裝在駕駛室下平臺的縱、橫兩個方向的傾角傳感器來檢測作業(yè)平臺的平衡狀態(tài)。

1.作業(yè)裝置；2.載人工作平臺；3.操作平臺；4.調(diào)平裝置；5.動力裝置；6.行走裝置。

圖1林業(yè)機械裝備結(jié)構(gòu)

1.裝備上平臺前連接機構(gòu)；2.調(diào)平液壓缸；3.虎克鉸接機構(gòu)；4.傾角傳感器；5.裝備上平臺后連接機構(gòu)；6.裝備下平臺。

圖2調(diào)平系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖

1.2 整機三維建模及相應(yīng)參數(shù)

利用Solidworks軟件對其整體進行參數(shù)化三維建模，如圖3所示。為提高駕駛室焊接部分的強度與剛度，在駕駛室和前后連接機構(gòu)處增設(shè)加強筋板。由于要避免因復(fù)雜地形變化產(chǎn)生的外部力使得調(diào)平機構(gòu)有反向驅(qū)動趨勢，因此需在機構(gòu)中加入硬限位[4]。經(jīng)干涉校核后滿足設(shè)計要求，整機主要參數(shù)如表1所示。

表1整機相關(guān)參數(shù)

參數(shù)名稱參數(shù)值外廓尺寸(長、寬、高)7620、3580、4000mm軸距4020mm前輪輪距1930mm后輪輪距2110mm離地間隙750mm液壓缸活塞直徑40mm液壓缸活塞桿直徑25mm液壓缸總行程200mm發(fā)動機功率190kW最大行駛速度30km/h全車總質(zhì)量17480kg

借助MATLAB軟件反解出不同調(diào)平角度位姿下的各調(diào)平液壓桿件伸縮量，上平臺用mesh/suef函數(shù)畫出，下平臺用patch函數(shù)示意出，且可以實現(xiàn)根據(jù)調(diào)平機構(gòu)參數(shù)數(shù)據(jù)進行可視化分析。以調(diào)平角度為22.5°為例，其可視化示意圖見圖4。由反解計算出的不同調(diào)平角度下各調(diào)平液壓桿伸縮量如表2所示。

表2 調(diào)平角度對應(yīng)的各桿伸縮量

1.3 自動調(diào)平系統(tǒng)原理

自動調(diào)平系統(tǒng)原理如圖5所示，首先通過縱、橫兩個方向的傾角傳感器采集、傳遞傾角信號，傾角信號直接反應(yīng)了作業(yè)平臺的實際情況，其次用控制模塊的控制器將這些由計算機處理后的數(shù)字量通過D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬電信號，最后電信號經(jīng)過校正與反饋處理，最終傳遞給液壓執(zhí)行機構(gòu)開始驅(qū)動液壓桿進行調(diào)平作業(yè)。整個控制過程中采用3個閉環(huán)控制回路，通過各部分反饋信號校正出最優(yōu)結(jié)果，減少其他因素干擾，大大提高了自動調(diào)平最終結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1.4 自動調(diào)平策略

由平面幾何可知，3點可確定一個平面，六自由度并聯(lián)式調(diào)平機構(gòu)增加了液壓桿數(shù)量，從而增加了靜不定的次數(shù)，因此帶來了“虛腿”問題?！疤撏取爆F(xiàn)象將有可能破壞操作平臺的穩(wěn)定性，在外部復(fù)雜環(huán)境的干擾下可能出現(xiàn)車體振蕩，發(fā)生偏移等現(xiàn)象，影響了自動調(diào)平系統(tǒng)的可靠性和安全性。

傳統(tǒng)的“虛腿”解決方案是在借助力傳感器來測量是否有“虛腿”的存在，本研究的解決方案是采用一種基于伺服電機電流的虛腿補償控制策略，利用伺服電機繞組等效電流判斷出各液壓桿支撐力大小是否為零。根據(jù)繞組電流與支撐力矩關(guān)系設(shè)定閾值，將實際電流與閾值之間差值進行閉環(huán)反饋從而補償“虛腿”變成“實腿”。同時選用了控制角度誤差法，通過控制調(diào)平液壓缸的伸縮量調(diào)節(jié)角度，使最終X、Y軸的傾角θx、θy為0°，實現(xiàn)調(diào)平。當(dāng)0°≤θ<5°時不進行自動調(diào)平，由于傾角較小對操作平臺的實際作業(yè)影響甚微，同時避免高頻次的自動調(diào)平給駕駛員帶來不適感；當(dāng)5°≤θ<30°時進行自動調(diào)平；當(dāng)θ>30°時系統(tǒng)發(fā)動危險警告，提醒容易出現(xiàn)傾翻現(xiàn)象。

2 六自由度并聯(lián)式自動調(diào)平機構(gòu)穩(wěn)定性

林業(yè)裝備在山地等不平路面行駛作業(yè)時容易發(fā)生傾翻現(xiàn)象，所以調(diào)平機構(gòu)的穩(wěn)定性將嚴(yán)重影響到作業(yè)安全性，調(diào)平后重心將會發(fā)生位置變化，從而可以極大地降低發(fā)生傾翻的可能性。

2.1 調(diào)平作業(yè)橫坡穩(wěn)定性

為研究橫坡上作業(yè)平臺的穩(wěn)定性，現(xiàn)對其進行橫坡上的受力分析。如圖6所示實線表示作業(yè)機調(diào)平后的狀態(tài)，粉色點劃線表示未調(diào)平狀態(tài)，作業(yè)整機所受地面的支持力分別為N1和N2，左、右兩側(cè)輪所受的摩擦阻力分別為F1和F2，調(diào)平裝置最大調(diào)節(jié)角為30°，即在極限調(diào)平角狀態(tài)下驗證穩(wěn)定性。在橫坡時，最危險現(xiàn)象即為繞A點發(fā)生側(cè)翻，設(shè)最大安全坡角為α使其不發(fā)生側(cè)翻。

若橫坡下不發(fā)生側(cè)翻現(xiàn)象，其臨界條件如下：

(Gcosα-Ksinα)×μ≥Gsinα+Kcosα；

(1)

KL3+N1L1+N2L4=GL2。

(2)

其中風(fēng)阻K=0.25 kPa，附著系數(shù)μ=0.68。

(3)

(4)

令f2=f1，聯(lián)合以上公式。式中：s表示調(diào)平后重心垂直方向的變化量，則s=12 mm；e表示調(diào)平后重心水平方向的變化量，則e=86 mm；B表示左、右輪距1 930 mm，輪寬b=760 mm；H表示初始未調(diào)平狀態(tài)下重心距輪胎的垂直距離，H=1 120 mm。當(dāng)支持力N2及支持力距L1均為零時，得出最大坡角α=39°，取安全系數(shù)為1.25，因此安全角極值為α=31.2°，滿足設(shè)計要求。

2.2 調(diào)平作業(yè)縱坡穩(wěn)定性

為研究縱坡上作業(yè)平臺的穩(wěn)定性，現(xiàn)對其進行縱坡上的受力分析。如圖7所示，實線表示作業(yè)機調(diào)平后的狀態(tài)，粉色點劃線表示未調(diào)平狀態(tài)，作業(yè)整機所受地面的支持力為N，行駛時的前進牽引力為T，阻力為f，調(diào)平裝置最大調(diào)節(jié)角30°，即在極限調(diào)平角狀態(tài)下驗證穩(wěn)定性。在縱坡時，最危險現(xiàn)象即為繞A點發(fā)生傾翻，即支持力N為零的后翻時的臨界情況，設(shè)不發(fā)生后傾翻的最大安全坡角為α。

縱坡下不發(fā)生側(cè)翻現(xiàn)象，其臨界條件如下：

KL3+NL1=GL2。

(5)

設(shè)風(fēng)阻K=0.25 kPa，附著系數(shù)μ=0.68。

f1=(Gsinα+Kcosα)×(H-s)+NL1。

(6)

(7)

令f2=f1，式中：s表示調(diào)平后重心垂直方向的變化量，則s=42 mm；e表示調(diào)平后重心水平方向的變化量，則e=210 mm；H表示初始未調(diào)平狀態(tài)下重心距輪胎的垂直距離，H=1 120 mm。根據(jù)臨界條件，當(dāng)支持力N以及支持力距L1均為零時，得出最大坡角α=44°，取安全系數(shù)為1.25，因此安全角極值為α=35.2°。

可以看出，所設(shè)計的調(diào)平機構(gòu)滿足坡地穩(wěn)定性要求。同時發(fā)現(xiàn)林業(yè)裝備機械在不平路面的穩(wěn)定性受輪寬、輪距、軸距及車輛重心位置等因素的影響，因此提高林用作業(yè)裝備在不平路面的穩(wěn)定性，可適當(dāng)?shù)恼{(diào)整以上條件。

3 林用裝備作業(yè)平臺自動調(diào)平系統(tǒng)運動仿真

3.1 ADAMS運動仿真環(huán)境的建立

將在Solidworks軟件中參數(shù)化建立的三維模型導(dǎo)入到ADAMS中，并添加約束、碰撞、摩擦、驅(qū)動、重力、材料屬性等，經(jīng)軟件成功驗證后可開始進行仿真[7]。為了保證車身實際運動過程中姿態(tài)變化的真實性，對輪胎與路面設(shè)置接觸碰撞力。通過調(diào)整接觸的邊界條件后[8]，ADAMS仿真所設(shè)置的具體參數(shù)如表3所示。

表3 ADAMS仿真參數(shù)

為了更真實地模擬林區(qū)地面環(huán)境，使用基于PSD離散采樣的道路模擬方法—即“FFT”法創(chuàng)建相應(yīng)的路面模型[9]。道路不平度是時間域或空間域的隨機過程，為了便于統(tǒng)計分析，通常將其簡化為均值為0的Gaussian隨機過程[10]。第八次全國森林清查結(jié)果及黃國勝等[11]對福建省立地質(zhì)量調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，林地平均坡度16.6°，小于35°的林地面積達到88.03%(大于35°屬于險坡不適合林地作業(yè))，最后取道路常數(shù)α=0.15 m-1，β=0.006 m，采樣間隔為0.1 m。并調(diào)用ADAMS軟件自帶庫里的輪胎文件uat.tir模擬真實輪胎[12]，圖8為林用裝備作業(yè)平臺自動調(diào)平系統(tǒng)的運動仿真圖。

3.2 MATLAB/Simulink與ADAMS聯(lián)合仿真的搭建

為了實現(xiàn)調(diào)平系統(tǒng)的自動控制，將利用MATLAB/Simulink軟件中的控制功能與ADAMS軟件建立的運動環(huán)境進行聯(lián)合仿真。首先利用ADAMS/control控制接口模塊將ADAMS環(huán)境接入到MATLAB/Simulink中作為其一個子模塊使用[13-14]。在ADAMS/control接口設(shè)置中將6個調(diào)平液壓桿件的伸縮力變量作為輸入變量用來進行調(diào)平控制，將上平臺的橫、縱2個傾角變量作為輸出變量用來反饋平臺實際狀態(tài)到控制系統(tǒng)當(dāng)中。設(shè)置兩個軟件的數(shù)據(jù)交換時間為0.01 s，MATLAB/Simulink自動調(diào)平控制系統(tǒng)如圖9、10所示。

其中模糊控制器模塊采用模糊PID方式進行控制，其搭建的連接框圖如圖11所示，最終封裝在Controller中。模糊PID控制將根據(jù)PID_3個參數(shù)與偏差以及偏差的變化量之間的模糊關(guān)系，進行不斷的運算推理，實時在線整定PID_3個參數(shù)，從而滿足自動調(diào)平系統(tǒng)快速穩(wěn)定響應(yīng)的需求。

3.3 自動調(diào)平系統(tǒng)平順性及安全性

設(shè)置車輪轉(zhuǎn)動驅(qū)動速度為120°/s，仿真時間為20 s，對在隨機復(fù)雜林區(qū)地形下的作業(yè)進行模擬仿真，得到自動調(diào)平前、后的加速度曲線，如圖12—圖14所示，圖中標(biāo)號為1的曲線為不具備自動調(diào)平功能裝備的數(shù)據(jù)曲線，圖中標(biāo)號為2的曲線為使用了自動調(diào)平系統(tǒng)后裝備的數(shù)據(jù)曲線，加速度標(biāo)記測量點為駕駛室座椅處。

可以看出自動調(diào)平系統(tǒng)平順性效果表現(xiàn)良好，在使用了自動調(diào)平系統(tǒng)后總加速度由峰值的1.658 5 m/s2降至1.216 4 m/s2，平均值由0.307 3 m/s2降至0.206 3 m/s2，平均值下降了32.87%，大大提高了駕駛員的舒適性。同時分析對比兩個曲線可以看出，并不是所有的曲線2的數(shù)值均小于曲線1，并從中發(fā)現(xiàn)曲線2的波峰相比較于曲線1的波峰有一定的延時性，但曲線1中所有的大數(shù)值波峰在自動調(diào)平后都被大幅度削減。以上分析表明了自動調(diào)平系統(tǒng)對舒適性極差的環(huán)境作業(yè)有著明顯的改善作用，但因為其主動調(diào)平動作造成對路面?zhèn)鬟f來的振動存在一定的延時反應(yīng)，從而導(dǎo)致偶爾出現(xiàn)加速度略微上漲的現(xiàn)象。

對測量出的總加速度曲線2進行計算，得出其功率譜密度曲線如圖15所示。利用ADAMS軟件質(zhì)心計算功能計算得到質(zhì)心點的坐標(biāo)并進行標(biāo)記，繪制出質(zhì)心高度變化軌跡曲線如圖16所示。

根據(jù)ISO2631-1978E《人體承受全身振動的評價指南》規(guī)定，振動頻率范圍達到4.0～12.5 Hz時會對駕駛員產(chǎn)生共振反應(yīng)，容易產(chǎn)生疲勞感覺，從而影響工作效率。從功率譜密度曲線可以看出頻率主要集中在0～2 Hz，由此不會產(chǎn)生共振反應(yīng)。質(zhì)心高度軌跡曲線1的峰值為0.984 m，曲線2的峰值為0.934 m，重心峰值下降了5.1%。曲線1質(zhì)心高度平均值為0.846 5 m，曲線2質(zhì)心高度平均值為0.801 3 m，重心高度平均值下降了5.3%?？梢娮詣诱{(diào)平系統(tǒng)提高了行駛作業(yè)中的安全性，但同時由于主動調(diào)平過程造成了一定的延時性，可看出在時間8 s以后出現(xiàn)自動調(diào)平動作未完成時質(zhì)心高度略高于普通裝備的現(xiàn)象。

4 結(jié)論

針對林區(qū)復(fù)雜地形下作業(yè)所帶來的一系列問題，根據(jù)Stewart六自由度并聯(lián)機構(gòu)剛度大、載荷分布均勻、運動平穩(wěn)等一系列優(yōu)點，設(shè)計了一種林用裝備作業(yè)平臺的自動調(diào)平系統(tǒng)。通過數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)應(yīng)用自動調(diào)平系統(tǒng)后加速度平均值下降32.87%，重心高度平均值下降5.3%，且功率譜頻率范圍主要集中在0～2Hz，不會和人體產(chǎn)生共振現(xiàn)象。這表明了自動調(diào)平系統(tǒng)有效地提高了駕駛員操作的準(zhǔn)確性、工作效率、舒適性以及安全性。由于如今我國林用自動調(diào)平系統(tǒng)的相關(guān)研究與實際應(yīng)用能力都很薄弱，開發(fā)周期時間長，本研究應(yīng)用ADAMS與MATLAB/Simulink仿真軟件，對在隨機復(fù)雜林區(qū)地形下具有自動調(diào)平系統(tǒng)功能的裝備作業(yè)過程進行聯(lián)合仿真，仿真結(jié)果對林用自動調(diào)平系統(tǒng)的研究具有一定的指導(dǎo)意義。但也發(fā)現(xiàn)由于主動調(diào)平動作帶來一定的延時與擾動問題，使得具有自動調(diào)平功能的裝備性能數(shù)據(jù)上并未全面優(yōu)于普通裝備，同時實際作業(yè)中液壓系統(tǒng)與電控系統(tǒng)以及復(fù)雜多變的環(huán)境帶來的外部力影響較為復(fù)雜，在今后的研究里可針對此些問題做進一步研究。