李尚平 閆昱曉 徐 冰 李凱華 李 威 彭 卓

(1.廣西民族大學(xué)電子信息學(xué)院， 南寧 530006； 2.廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 南寧 530004)

0 引言

甘蔗作為我國(guó)重要的經(jīng)濟(jì)作物，90%的產(chǎn)地集中在廣西、云南等多丘陵地區(qū)，丘陵蔗田約占種植面積的60%以上[1]。種植方式存在小而分散，地形復(fù)雜，機(jī)耕道路差等問(wèn)題，影響了甘蔗全程機(jī)械化推進(jìn)，造成原料及砍運(yùn)成本居高不下，嚴(yán)重制約了我國(guó)糖業(yè)發(fā)展和在國(guó)際上的競(jìng)爭(zhēng)力[2-3]。目前，我國(guó)丘陵地區(qū)的甘蔗轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)多采用半掛側(cè)翻式結(jié)構(gòu)或廂式轉(zhuǎn)運(yùn)結(jié)構(gòu)[4-5]，依靠操作員手動(dòng)操作進(jìn)行甘蔗轉(zhuǎn)運(yùn)。車(chē)型輪距大、提升重心高，在田間進(jìn)行甘蔗轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)，由于地形復(fù)雜或操作員經(jīng)驗(yàn)不足，容易發(fā)生側(cè)翻危險(xiǎn)，造成較大的經(jīng)濟(jì)和安全損失。

國(guó)外甘蔗種植區(qū)主要集中在平原地區(qū)，因地貌環(huán)境和種植方式的差異，引進(jìn)和仿制國(guó)外的甘蔗轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)輪距過(guò)寬、安全性差，不適用于我國(guó)蔗田的地形地貌[6]。因此，需開(kāi)發(fā)適用于丘陵地區(qū)的甘蔗轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)，提高甘蔗機(jī)械化種植效率。本文基于課題組自主研發(fā)的剪叉式甘蔗轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)機(jī)構(gòu)特點(diǎn)[7]，研究針對(duì)丘陵地區(qū)甘蔗轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)卸蔗前車(chē)身的自動(dòng)平衡，實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)安全提升作業(yè)的有效控制。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于農(nóng)機(jī)具的調(diào)平研究，多為采用底盤(pán)上的三點(diǎn)懸掛支撐方式調(diào)整機(jī)身[8-12]與耕整地類(lèi)農(nóng)機(jī)的牽引器具調(diào)平[13-16]，鮮見(jiàn)對(duì)丘陵地區(qū)甘蔗轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)等載重農(nóng)機(jī)的駐車(chē)調(diào)平控制系統(tǒng)研究[17-18]。丘陵地區(qū)甘蔗轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)存在安全性不足，工作環(huán)境惡劣等隱患，現(xiàn)有控制方法和調(diào)平策略沒(méi)有解決甘蔗轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)采用四點(diǎn)支撐結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)“虛腿”(三點(diǎn)支撐結(jié)構(gòu)用于支撐平臺(tái)，一個(gè)位于最低點(diǎn)的支撐結(jié)構(gòu)處于懸空或者不受力狀態(tài)，以下簡(jiǎn)稱(chēng)為“虛腿”)問(wèn)題，在地況復(fù)雜的環(huán)境中難以穩(wěn)定作業(yè)，且甘蔗轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)在卸蔗時(shí)，手動(dòng)操作難度高、效率低等問(wèn)題有待解決。本文基于剪叉式甘蔗轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)，針對(duì)轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)在卸蔗過(guò)程的穩(wěn)定性和工作效率問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種剪叉式甘蔗轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)調(diào)平控制系統(tǒng)，以期提高丘陵地區(qū)剪叉式甘蔗轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)的安全性和工作效率。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

剪叉式甘蔗轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)采用雙剪叉式提升機(jī)構(gòu)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)負(fù)責(zé)甘蔗收獲機(jī)與大型集蔗車(chē)之間的轉(zhuǎn)運(yùn)工作，由于集蔗車(chē)的車(chē)廂護(hù)欄高，該雙剪叉式甘蔗轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)在丘陵地區(qū)田間駐車(chē)卸蔗前，需將車(chē)廂提升至3.8 m高度再進(jìn)行車(chē)廂翻轉(zhuǎn)和側(cè)面卸載作業(yè)。但因地面不平，導(dǎo)致轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)底盤(pán)和車(chē)身處于不平衡的狀態(tài)，整車(chē)重心極易發(fā)生較大程度偏移甚至側(cè)翻事故。因此，卸蔗前需要先調(diào)整車(chē)身平衡，再進(jìn)行提升轉(zhuǎn)運(yùn)作業(yè)。

1.2 工作原理

控制中心安裝于駕駛室內(nèi)，分別與三軸姿態(tài)傳感器和壓力變送器通信連接，用于實(shí)時(shí)接收轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)狀態(tài)信號(hào)，并輸出使各液壓缸動(dòng)作的控制信號(hào)；三軸姿態(tài)傳感器固定于車(chē)身底盤(pán)，用于測(cè)量轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)與水平面的夾角α(車(chē)身左右方向偏移角度，簡(jiǎn)稱(chēng)側(cè)向角α)和β(車(chē)身前后方向偏移角度，簡(jiǎn)稱(chēng)縱向角β)；4個(gè)輔助支撐裝置安裝于底盤(pán)結(jié)構(gòu)支點(diǎn)處；壓力變送器安裝于各個(gè)輔助支撐裝置液壓缸進(jìn)油口，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)液壓缸內(nèi)的壓力變化情況。甘蔗轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)調(diào)平控制系統(tǒng)工作原理如圖2所示，控制中心接收來(lái)自各傳感器的信號(hào)，發(fā)出指令通過(guò)液壓系統(tǒng)控制各個(gè)液壓缸有序調(diào)平動(dòng)作；經(jīng)過(guò)車(chē)身狀態(tài)安全檢測(cè)后，再進(jìn)行卸蔗所需的車(chē)廂提升、車(chē)廂門(mén)開(kāi)啟、車(chē)廂向側(cè)面傾倒、車(chē)廂收回下落和輔助支撐裝置收回等動(dòng)作。

2 輔助支撐調(diào)平系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 輔助支撐機(jī)構(gòu)

平臺(tái)輔助支撐結(jié)構(gòu)可分為三點(diǎn)支撐、四點(diǎn)支撐或多點(diǎn)支撐[19-20]。且支撐點(diǎn)數(shù)量越多，控制過(guò)程越冗雜，其中三點(diǎn)支撐實(shí)現(xiàn)較為簡(jiǎn)單，但三點(diǎn)支撐易出現(xiàn)傾覆,不適于丘陵地區(qū)農(nóng)機(jī)調(diào)平。相比較三點(diǎn)支撐，四點(diǎn)等多點(diǎn)支撐的穩(wěn)定性較好但控制策略和系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度較高，且易出現(xiàn)“虛腿”現(xiàn)象，不僅造成各支撐結(jié)構(gòu)受力嚴(yán)重不均、對(duì)整個(gè)底盤(pán)支撐平臺(tái)形成沖擊，同時(shí)影響轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)在后續(xù)使用過(guò)程的穩(wěn)定性。由于轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)自重和車(chē)廂裝載噸位較大，本設(shè)計(jì)將輔助支撐裝置液壓缸設(shè)計(jì)為可活動(dòng)的輔助支撐腿。在各個(gè)支撐裝置液壓缸進(jìn)油口安裝壓力變送器，對(duì)缸內(nèi)受壓情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，采用閉環(huán)控制法有效解決四點(diǎn)支撐結(jié)構(gòu)容易出現(xiàn)的“虛腿”問(wèn)題。因此，本文采用適用丘陵地區(qū)駐車(chē)作業(yè)的四點(diǎn)支撐結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)調(diào)平策略對(duì)轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)調(diào)平進(jìn)行控制。

2.1.1“虛腿”檢測(cè)

甘蔗轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)調(diào)平控制方案在進(jìn)入調(diào)平流程前，首先需解決“虛腿”問(wèn)題。控制中心實(shí)時(shí)檢測(cè)各個(gè)輔助支撐裝置液壓缸內(nèi)部壓力情況pi(i=1,2,3,4)，通過(guò)pi≤p′(p′為由轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)自重計(jì)算出的各輔助支撐裝置承重值)判斷該輔助支撐裝置是否著地承重，且在車(chē)身調(diào)平后繼續(xù)檢測(cè)轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中是否存在“虛腿”現(xiàn)象，以保證轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程穩(wěn)定安全性。輔助支撐“虛腿”檢測(cè)原理圖如圖3所示。

2.1.2調(diào)平控制策略設(shè)計(jì)

假設(shè)甘蔗轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)傾斜狀態(tài)下車(chē)身底盤(pán)坐標(biāo)系OXYZ與水平面坐標(biāo)系OX1Y1Z1共用同一坐標(biāo)原點(diǎn)O，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖4所示，則側(cè)向角α為底盤(pán)X軸方向與水平面坐標(biāo)X1軸的傾角，縱向角β為底盤(pán)Y軸方向與水平面坐標(biāo)Y1軸的傾角,4個(gè)頂點(diǎn)表示各輔助支撐裝置位置。

當(dāng)α、β都不等于0°，與X軸傾角為α的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣表示為

(1)

式中R1——三維空間變換矩陣

與Y軸傾角為β的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣表示為

(2)

式中R2——三維空間變換矩陣

得出變換矩陣

(3)

本文所設(shè)計(jì)的調(diào)平控制系統(tǒng)中，由于甘蔗轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)工作狀態(tài)初始傾斜角度一般較小，轉(zhuǎn)運(yùn)前當(dāng)α或β超過(guò)±8°，則系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警，通知停止轉(zhuǎn)運(yùn)作業(yè)。因此可以忽略高階項(xiàng)的影響，由極限定理近似認(rèn)為:sinα≈α,sinβ≈β,cosα≈cosβ≈1。則R可化簡(jiǎn)為

(4)

假設(shè)，在轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)底盤(pán)坐標(biāo)系OXYZ中，各輔助支撐裝置坐標(biāo)Pi為

Pi=(Xi,Yi,Zi) (i=1,2,3,4)

(5)

(6)

目前，采用輔助支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)平的方法主要分為基于角度誤差調(diào)平和基于位置誤差調(diào)平。其中，基于位置誤差調(diào)平常用于工程機(jī)械或傳感器安裝環(huán)境干擾較少的車(chē)型[21-24]，需在支撐點(diǎn)處安裝位移傳感器測(cè)量裝置行程。由于甘蔗轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)一般在田間進(jìn)行甘蔗裝卸，甘蔗收獲季節(jié)又多為雨季，道路泥濘，轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)工作環(huán)境惡劣，位移傳感器易受外界因素干擾，所以本設(shè)計(jì)采用數(shù)據(jù)獲取較為穩(wěn)定的角度誤差調(diào)平方法?；诮嵌日`差調(diào)平方法包括“追逐式”調(diào)平策略和“定點(diǎn)不動(dòng)”調(diào)平策略[25]。在調(diào)平過(guò)程中，由于甘蔗轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)負(fù)載噸位較大，液壓系統(tǒng)存在一定的滯后性，故不宜有液壓支撐裝置下降的動(dòng)作, 所以采取“追逐式”策略中向最高點(diǎn)對(duì)齊的調(diào)平方法。以輔助支撐裝置的初始最高點(diǎn)為基準(zhǔn)，其余輔助支撐裝置采用只伸長(zhǎng)不收縮的方式追逐最高點(diǎn)，通過(guò)檢測(cè)搜索閉環(huán)控制，使各支撐點(diǎn)與初始最高點(diǎn)處于同一水平高度，以達(dá)到調(diào)平的目的。由式(6)可得各個(gè)支撐裝置在水平面坐標(biāo)系OX1Y1Z1中Z1軸方向的坐標(biāo)為

(7)

因各個(gè)輔助支撐裝置在車(chē)身底盤(pán)坐標(biāo)系中Z軸的坐標(biāo)值均為0，可判斷最高點(diǎn)支撐裝置為

(8)

“追逐式”調(diào)平策略過(guò)程如圖5所示。

假設(shè)，車(chē)身初始狀態(tài)如圖4所示，則由α、β角度信息可判斷輔助支撐裝置3為最高點(diǎn)，為保護(hù)車(chē)體設(shè)備以及輔助支撐裝置的剛性結(jié)構(gòu)，調(diào)平動(dòng)作要求降低對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞性影響，整個(gè)過(guò)程盡量平穩(wěn)。本文采用的“追逐式”調(diào)平策略在車(chē)身調(diào)平過(guò)程中低位支撐點(diǎn)需有序向最高點(diǎn)靠攏，調(diào)平過(guò)程示意圖如圖6所示。平面ABCD是4個(gè)支撐裝置所構(gòu)成平面，平面A′B′C′D′是地理系絕對(duì)水平面，經(jīng)過(guò)調(diào)整后平面ABCD與平面A′B′C′D′保持平行，且不改變點(diǎn)C初始位置。

首先，對(duì)危險(xiǎn)性較大的車(chē)身低位側(cè)向邊進(jìn)行調(diào)整，點(diǎn)A和點(diǎn)B同時(shí)上升至側(cè)向角-z≤α≤z(z為默認(rèn)車(chē)身處于水平狀態(tài)的角度)，此時(shí)點(diǎn)B與點(diǎn)C等高，點(diǎn)A與點(diǎn)D等高；其次對(duì)車(chē)身低位縱向邊進(jìn)行調(diào)整，點(diǎn)A和點(diǎn)D同時(shí)上升至縱向角-z≤β≤z，此時(shí)點(diǎn)A、B、C、D等高，則由支撐裝置所構(gòu)成平面ABCD與地理系水平面A′B′C′D′保持平行狀態(tài)。

兩點(diǎn)同時(shí)上升的“追逐式”調(diào)平策略可避免液壓四點(diǎn)支撐結(jié)構(gòu)在非水平狀態(tài)下著地調(diào)整時(shí)，因自身速度和位移的差距在調(diào)平過(guò)程出現(xiàn)“虛腿”的問(wèn)題。增加車(chē)身穩(wěn)定性和抗顛覆能力，縮短了調(diào)平時(shí)間，對(duì)車(chē)身底盤(pán)和輔助支撐裝置液壓缸起到緩沖作用，且液壓系統(tǒng)電磁閥換向頻率低，對(duì)電磁閥磁芯損害較小。

2.2 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

液壓系統(tǒng)原理圖如圖7所示，系統(tǒng)組成包括液壓泵、溢流閥、三位四通電磁換向閥、二位二通常閉插裝閥、車(chē)廂舉升油缸、車(chē)廂門(mén)油缸、車(chē)廂翻轉(zhuǎn)油缸和輔助支撐裝置油缸等。

整機(jī)液壓系統(tǒng)動(dòng)力來(lái)源為車(chē)載24 V蓄電池；采用YUKEN公司的DSG03型并聯(lián)組合多路三位四通電磁換向閥，配合同型號(hào)的直動(dòng)插裝式溢流閥，防止系統(tǒng)過(guò)載；選用4個(gè)二位二通常閉插裝閥對(duì)輔助支撐油缸進(jìn)行獨(dú)立控制，并加裝液壓鎖實(shí)現(xiàn)輔助支撐裝置保壓功能。換向閥通過(guò)接收控制中心指令，對(duì)油液流向進(jìn)行換向，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)輔助支撐支路、車(chē)廂舉升支路、車(chē)廂門(mén)支路和車(chē)廂翻轉(zhuǎn)支路液壓油缸的單獨(dú)控制。

2.3 調(diào)平控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

甘蔗轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)調(diào)平控制系統(tǒng)的控制原理圖如圖8所示，α0、β0和p′分別為車(chē)身側(cè)向角、縱向角和各輔助支撐裝置壓力信息的目標(biāo)值，α、β和pi分別為實(shí)際測(cè)得的車(chē)身側(cè)向角、縱向角，以及壓力變送器測(cè)得的各輔助支撐裝置液壓缸實(shí)際壓力信息。

控制中心通過(guò)A/D模塊將壓力變送器獲取到的各輔助支撐裝置液壓缸壓電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息；利用姿態(tài)傳感器獲取車(chē)身α、β角度信息；車(chē)身狀態(tài)信息經(jīng)過(guò)程序?yàn)V波處理后用于系統(tǒng)控制?？刂浦行母鶕?jù)當(dāng)前車(chē)身狀態(tài)信息，輸出控制信號(hào)至液壓系統(tǒng)，進(jìn)而控制輔助支撐裝置支路的三位四通電磁換向閥和二位二通常閉插裝閥，通過(guò)輔助支腿動(dòng)作調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)身恢復(fù)水平狀態(tài)并消除“虛腿”。車(chē)身狀態(tài)安全檢測(cè)通過(guò)后，控制中心輸出信號(hào)至液壓系統(tǒng)，控制負(fù)責(zé)車(chē)廂提升支路、車(chē)廂門(mén)支路和車(chē)廂翻轉(zhuǎn)支路的電磁換向閥，改變車(chē)廂狀態(tài)完成卸蔗動(dòng)作，等待下一次轉(zhuǎn)運(yùn)指令。

2.3.1硬件設(shè)計(jì)

作為剪叉式甘蔗轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)調(diào)平控制系統(tǒng)的核心部件，控制中心需對(duì)獲取的各類(lèi)信息進(jìn)行高效實(shí)時(shí)處理。選用STM32F103ZET6芯片作為核心模塊，可搭配液晶屏編程實(shí)現(xiàn)可視化設(shè)計(jì)。姿態(tài)傳感器選用維特智能公司的WT901型高精度三軸姿態(tài)傳感器，測(cè)量精度0.05°。壓力變送器選用與系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)兼容的PT210B型壓電式傳感器，信號(hào)輸出為0～3.3 V，量程0～8 MPa，精度等級(jí)±0.5%FS。系統(tǒng)電源由24 V蓄電池配合壓降模塊構(gòu)成。

2.3.2軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的核心部分是軟件，直接影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度。本設(shè)計(jì)采用Keil μVision5軟件，使用C++語(yǔ)言進(jìn)行控制程序的開(kāi)發(fā)。

甘蔗轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)調(diào)平控制系統(tǒng)軟件主循環(huán)程序由各傳感器的通信協(xié)議程序、可視化程序和車(chē)身狀態(tài)自動(dòng)控制程序3部分組成。程序啟動(dòng)后系統(tǒng)進(jìn)行初始化，控制中心與姿態(tài)傳感器通過(guò)串口TTL方式通信，通過(guò)A/D模塊轉(zhuǎn)換方式采集壓力變送器信息。檢測(cè)各傳感器通信正常后，將獲取到的車(chē)身狀態(tài)信息存放至內(nèi)存緩沖區(qū)并實(shí)時(shí)更新，可視化程序和車(chē)身狀態(tài)自動(dòng)控制程序?qū)彌_區(qū)內(nèi)信息進(jìn)行讀取；轉(zhuǎn)運(yùn)指令發(fā)出后，車(chē)身狀態(tài)自動(dòng)控制程序根據(jù)讀取到的數(shù)據(jù)進(jìn)行判定，發(fā)送指令至液壓系統(tǒng)，完成甘蔗轉(zhuǎn)運(yùn)所需動(dòng)作；在卸蔗過(guò)程中控制系統(tǒng)對(duì)車(chē)身狀態(tài)不斷循環(huán)檢測(cè)，當(dāng)超出安全范圍時(shí)，系統(tǒng)立即停止所有動(dòng)作并發(fā)出報(bào)警信號(hào)，等待操作員處理。主程序流程圖如圖9所示，程序運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)中斷優(yōu)先級(jí)管理實(shí)現(xiàn)各部分程序運(yùn)行互不影響。

2.3.3濾波設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)需實(shí)時(shí)獲取車(chē)身姿態(tài)信息，而工作中轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)會(huì)不可避免地出現(xiàn)振動(dòng)干擾，從而對(duì)控制的準(zhǔn)確性產(chǎn)生一定影響。為增加信號(hào)曲線的平滑度，針對(duì)控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)獲取頻率較高、采樣周期短的特點(diǎn)，在程序內(nèi)采用加權(quán)遞推平均濾波方法[26]對(duì)姿態(tài)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，調(diào)整系統(tǒng)對(duì)當(dāng)前所受干擾的靈敏度。濾波后車(chē)身姿態(tài)角度對(duì)比效果如圖10所示，數(shù)據(jù)平滑度較好，可增加控制系統(tǒng)的魯棒性。

壓力變送器自身電荷漂移會(huì)產(chǎn)生測(cè)量誤差，針對(duì)含有噪聲的壓力信號(hào)，采用小波軟閾值去噪[27]的方法對(duì)壓力信號(hào)進(jìn)行處理。為確定最佳小波基，本文在大量仿真計(jì)算的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步選取了去噪效果較好的dbN(N取4)、coifN(N取4)、symN(N取4，8)小波基進(jìn)行去噪處理分析，在分解尺度為4時(shí)不同類(lèi)型小波基去噪效果對(duì)比如表1所示。

表1 不同類(lèi)型小波基的去噪效果Tab.1 Denoising effects of different types of wavelet bases

由表1可知，不同類(lèi)型小波基的均值去噪后與原樣本差別不大，而標(biāo)準(zhǔn)差有顯著差異，采用sym8小波基去噪后標(biāo)準(zhǔn)差由去噪前的0.309 0 MPa減小到0.296 6 MPa，去噪效果最為顯著。所以本文采用sym8小波函數(shù)去噪的方法對(duì)壓力傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，從而提高排除“虛腿”的控制精準(zhǔn)性，濾波前后的轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)輔助支撐裝置受力情況對(duì)比如圖11所示。結(jié)果表明:經(jīng)濾波處理后壓力數(shù)據(jù)清晰度明顯提高，有明顯的局部分辨特性，提高了實(shí)時(shí)控制的有效性和可靠性。

3 試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)設(shè)備與器材

剪叉式甘蔗轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)樣機(jī)如圖12所示。

為驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的甘蔗轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)調(diào)平控制系統(tǒng)可靠性，根據(jù)相似性原理，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)按照與樣機(jī)車(chē)廂4∶1的比例建立了試驗(yàn)平臺(tái)，如圖13所示。平臺(tái)整體長(zhǎng)度1 200 mm，寬度530 mm,高度1 000 mm(其中車(chē)廂高度為530 mm)；車(chē)廂滿(mǎn)載量為120 kg (相當(dāng)實(shí)際樣機(jī)滿(mǎn)載7.88 t計(jì)算，按照與樣機(jī)滿(mǎn)載量64∶1的比例縮小的裝載量)，車(chē)廂提升后的試驗(yàn)平臺(tái)高度為1 650 mm。試驗(yàn)所需器材物品還包括裝滿(mǎn)水的礦泉水瓶(礦泉水瓶的外形、質(zhì)量與甘蔗較為接近，存放時(shí)間久)，用來(lái)進(jìn)行模擬負(fù)載甘蔗和轉(zhuǎn)運(yùn)甘蔗過(guò)程的負(fù)荷試驗(yàn)，每瓶水為0.55 kg，共218瓶水；采用角度墊塊模擬轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)所處田間地面存在坡度和凹凸不平情況。

3.2 試驗(yàn)與結(jié)果

試驗(yàn)分為平臺(tái)穩(wěn)定性控制和模擬甘蔗轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)自動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)控制2組試驗(yàn)?？刂浦行耐ㄟ^(guò)串口打印方式，在試驗(yàn)過(guò)程中同步向計(jì)算機(jī)端發(fā)送車(chē)身狀態(tài)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集頻率為50 Hz。

3.2.1試驗(yàn)平臺(tái)穩(wěn)定性控制單因素試驗(yàn)

甘蔗轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)在卸蔗過(guò)程中會(huì)因?yàn)榍鹆暾岬?、道路不平等因素發(fā)生較大重心偏移甚至側(cè)翻事故。如圖14所示，利用試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行單因素側(cè)翻臨界對(duì)比試驗(yàn)，考察轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)初始側(cè)向角和輔助支撐裝置側(cè)向跨距對(duì)車(chē)身重心偏移的影響。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)地面為基本水平的剛性地面，使用角度墊塊墊起輔助支撐裝置，模擬因田間道路不平車(chē)身發(fā)生傾斜的情況，并保持無(wú)“虛腿”狀態(tài)。設(shè)置平臺(tái)車(chē)廂負(fù)載質(zhì)量為120 kg，向傾卸甘蔗一側(cè)的方向墊起角度分別選取0°、2°、4°、6°、8°；輔助支撐裝置縱向跨距不變，單獨(dú)改變其側(cè)向跨距，跨距選取490(490 mm為等比例縮小后的輪胎跨距)、650、730 mm，進(jìn)行單因素穩(wěn)定性臨界試驗(yàn)。在試驗(yàn)過(guò)程中關(guān)閉側(cè)面車(chē)門(mén)，以模擬極端側(cè)翻的工作狀況，試驗(yàn)共15組，每組重復(fù)試驗(yàn)3次，試驗(yàn)全程對(duì)車(chē)身側(cè)向角變化進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。模擬卸蔗過(guò)程的車(chē)身側(cè)向角相較于未卸蔗前車(chē)身初始側(cè)向角的平均絕對(duì)誤差和均方根誤差，如表2所示。

表2 不同狀態(tài)卸蔗過(guò)程試驗(yàn)平臺(tái)角度穩(wěn)定性誤差Tab.2 Angular stability error of test platform in different states of sugarcane unloading process (°)

由表2可知，試驗(yàn)平臺(tái)轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程角度平均絕對(duì)誤差和均方根誤差隨初始側(cè)向角的增大呈上升趨勢(shì)；隨輔助支撐裝置側(cè)向跨距的增加呈下降趨勢(shì)。不同初始狀態(tài)的甘蔗轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程試驗(yàn)平臺(tái)重心最大偏移角對(duì)比如圖15所示。

由圖15可知,平臺(tái)卸蔗過(guò)程重心偏移角與初始側(cè)向角成正比。在支撐裝置側(cè)向跨距490 mm，初始側(cè)向角6°工況下，試驗(yàn)平臺(tái)轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程重心最大偏移0.401°，處于危險(xiǎn)臨界狀態(tài)并出現(xiàn)嚴(yán)重晃動(dòng)；在支撐裝置側(cè)向跨距490 mm，初始側(cè)向角8°工況下，試驗(yàn)平臺(tái)轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程重心最大偏移2.625°，已經(jīng)發(fā)生側(cè)傾事故。僅使用輪胎結(jié)構(gòu)作為支撐跨距，在大角度情況進(jìn)行甘蔗轉(zhuǎn)運(yùn)發(fā)生危險(xiǎn)的可能性較大；當(dāng)增加輔助支撐裝置跨距后，試驗(yàn)平臺(tái)隨跨距的增加趨于穩(wěn)定。采用輔助支撐裝置可有效減小甘蔗轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程的危險(xiǎn)性。

側(cè)向跨距分別為650、730 mm，初始側(cè)向角分別為0°、2°、4°、6°、8°工況下，試驗(yàn)平臺(tái)向重心偏移方向的輔助支撐裝置平均壓力如圖16所示。

由圖16可知，卸蔗過(guò)程中平臺(tái)重心偏移方向的支撐裝置所受壓力與初始側(cè)向角成正比，所以需要調(diào)整車(chē)身初始姿態(tài)角度，提高卸蔗過(guò)程車(chē)身穩(wěn)定性。輔助支撐裝置跨距730 mm相較于650 mm所受壓力較為均勻，且考慮剪叉式甘蔗轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)在田間卸蔗時(shí)和大型集蔗車(chē)的并行間距問(wèn)題，確定試驗(yàn)平臺(tái)輔助支撐裝置側(cè)向伸展跨距730 mm為最佳跨距。

3.2.2調(diào)平控制系統(tǒng)試驗(yàn)

在確保轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程平穩(wěn)性的前提下，綜合考慮控制精度和效率，設(shè)定試驗(yàn)平臺(tái)的側(cè)向角和縱向角閾值均處在±0.6°范圍內(nèi)為默認(rèn)水平狀態(tài)，即當(dāng)車(chē)身調(diào)平達(dá)到默認(rèn)水平時(shí)，只需消除“虛腿”就可以進(jìn)行卸蔗動(dòng)作。設(shè)計(jì)3組不同傾斜狀態(tài)下的調(diào)平控制試驗(yàn)進(jìn)行可行性分析。

設(shè)置試驗(yàn)平臺(tái)的初始側(cè)向角為-0.253°，縱向角為0.115°，則平臺(tái)處于默認(rèn)水平狀態(tài)。使用甘蔗轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)調(diào)平控制系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，系統(tǒng)判斷車(chē)身狀態(tài)不需調(diào)平，消除“虛腿”過(guò)程結(jié)束后，平臺(tái)側(cè)向角為-0.170°，縱向角為0.110°。轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中各車(chē)身狀態(tài)參數(shù)變化如圖17所示，可見(jiàn)調(diào)平后轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中支撐裝置壓力穩(wěn)定，無(wú)“虛腿”出現(xiàn)，表明轉(zhuǎn)運(yùn)狀態(tài)平穩(wěn)。

如圖18所示，在輔助支撐裝置3下方放入干擾物體，模擬田間道路凹凸不平的情況。

設(shè)置試驗(yàn)平臺(tái)向車(chē)廂卸蔗側(cè)的初始側(cè)向角為-8.091°，縱向角為0.308°，則平臺(tái)處于側(cè)向角需要調(diào)平，縱向角默認(rèn)水平狀態(tài)。經(jīng)控制系統(tǒng)判斷后，車(chē)身側(cè)向角方向需進(jìn)行調(diào)平，縱向角方向默認(rèn)水平。調(diào)平結(jié)束后車(chē)身側(cè)向角為0.170°，縱向角為0.346°，且消除了“虛腿”問(wèn)題。轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中平臺(tái)各狀態(tài)參數(shù)變化如圖19所示，可見(jiàn)車(chē)身調(diào)平后轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程平穩(wěn)。

設(shè)置試驗(yàn)平臺(tái)向車(chē)廂卸蔗側(cè)的初始側(cè)向角為-3.961°，縱向角為2.818°，則平臺(tái)處于側(cè)向角和縱向角均需要調(diào)平狀態(tài)。經(jīng)控制系統(tǒng)判斷后，側(cè)向角和縱向角方向均需輔助調(diào)平，調(diào)平結(jié)束后車(chē)身側(cè)向角為-0.297°，縱向角為0.099°，且消除了“虛腿”問(wèn)題。轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程平臺(tái)各狀態(tài)參數(shù)變化如圖20所示，可見(jiàn)車(chē)身調(diào)平后轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程較平穩(wěn)。

不同工況下的3組試驗(yàn)結(jié)果參數(shù)對(duì)比如表3所示。

表3 不同工況下試驗(yàn)結(jié)果參數(shù)對(duì)比Tab.3 Comparison of test results parameters under different working conditions

試驗(yàn)表明，本文所設(shè)計(jì)的甘蔗轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)調(diào)平控制系統(tǒng)可在20 s內(nèi)使試驗(yàn)平臺(tái)在卸蔗前由傾斜狀態(tài)調(diào)整至基本水平狀態(tài)，調(diào)平精度在0.3°范圍內(nèi)；控制系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)卸蔗，車(chē)廂舉升翻轉(zhuǎn)和動(dòng)作回收在35 s內(nèi)完成；受地面干擾的情況下也可消除“虛腿”問(wèn)題，并使試驗(yàn)平臺(tái)在甘蔗轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中保持穩(wěn)定。由文獻(xiàn)[8-12]可知，農(nóng)機(jī)具的調(diào)平精度要求一般在1°范圍以?xún)?nèi)，本文設(shè)計(jì)的調(diào)平系統(tǒng)可維持車(chē)身在0.3°范圍內(nèi)，基本滿(mǎn)足農(nóng)機(jī)具設(shè)備的實(shí)際作業(yè)使用要求。

4 結(jié)論

(1)基于雙剪叉式提升機(jī)構(gòu)和四點(diǎn)輔助支撐裝置，設(shè)計(jì)了一種剪叉式甘蔗轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)調(diào)平控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)液壓輔助支撐裝置，采用“追逐式”調(diào)平策略對(duì)四點(diǎn)支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)剪叉式甘蔗轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)的調(diào)平控制，減少了甘蔗轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中因外界環(huán)境造成的危險(xiǎn)性；并通過(guò)液壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)廂舉升、開(kāi)門(mén)、翻轉(zhuǎn)等轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)作的自動(dòng)化控制，采用可視化車(chē)身狀態(tài)監(jiān)測(cè)和一鍵式控制，降低了人工勞動(dòng)強(qiáng)度和操作難度。

(2)在試驗(yàn)平臺(tái)穩(wěn)定性試驗(yàn)中，處于危險(xiǎn)臨界狀態(tài)的側(cè)向角為6°，側(cè)向跨距為490 mm；通過(guò)誤差分析，表明了采用輔助支撐裝置可減小試驗(yàn)平臺(tái)在甘蔗轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中的危險(xiǎn)性,側(cè)向跨距730 mm為最佳輔助支撐裝置跨距。在調(diào)平控制系統(tǒng)試驗(yàn)中，采用本文設(shè)計(jì)的調(diào)平控制系統(tǒng)，輔助支撐裝置可在28 s內(nèi)觸地并排除“虛腿”，在20 s內(nèi)完成車(chē)身調(diào)平，剪叉式轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)由初始傾斜狀態(tài)至轉(zhuǎn)運(yùn)完成總過(guò)程保持在80 s內(nèi)。其中，車(chē)廂舉升翻轉(zhuǎn)和動(dòng)作回收在35 s內(nèi)完成，滿(mǎn)足60 s內(nèi)完成車(chē)廂舉升翻轉(zhuǎn)和下降動(dòng)作的設(shè)計(jì)要求；試驗(yàn)平臺(tái)調(diào)平精度在0.3°內(nèi)，轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程平穩(wěn)，基本滿(mǎn)足丘陵地區(qū)甘蔗轉(zhuǎn)運(yùn)作業(yè)的實(shí)際使用要求。