丘陵山区农机防侧翻研究现状_胡平.pdf

新疆农机化2025年第1期 doi 10 13620 ki issn1007 7782 2025 01 016 中图分类号 S232 文献标识码 A 0 引言 我国丘陵山区农业生产面临 无机可用 无好 机用 的问题 缺乏适合大坡度农机装备研发的理 论支撑 1 2 农业农村部 十四五 全国农业机械化 发展规划 强调发展丘陵山区专用农机 推动通用 动力机械装备研发 3 丘陵山地地块小 坡度大 地 面不平整 导致农机作业中爬坡稳定性差 易倾翻 因此农机防侧翻研究是开发山区农机的基础 农机在陡坡作业时 地形起伏导致底盘俯仰角 过大 易引发重心不稳或车轮离地 造成侧倾或翻 车 为提高防侧翻及作业稳定性 常用三种控制策 略 1 优化农机结构设计 2 设计主动控制系 统 3 主动控制与机械结构优化 这些研究旨在为 山区农机作业提供自动调平机制 1 农机自身结构对平稳性的影响 受山区地形影响 传统农机在陡坡或起伏坡道 行驶时 易因重心不稳导致倾倒或侧翻 优化农机结 构可调整姿态 保持水平 提升作业稳定性和抗侧翻 能力 常用方法包括底盘调平 重心调控 姿态调控 和全向调平设计 底盘调平通过角度传感器检测车身倾角 控制 液压泵调整车架高度 实现车身调平 赖晓等 4 设计 了一种适用于履带式甘蔗收获机的底盘调平机构 解决了履带式甘蔗收获机在横向斜坡的丘陵山地作 文章编号 1007 7782 2025 01 0057 05 丘陵山区农机防侧翻研究现状 胡 平 胡 波 广西科技大学自动化学院 广西柳州 545006 摘 要 丘陵山区农机作业常面临侧倾 翻车问题 阻碍了农机推广 尤其在无人农场和自主农业机器人中更为突出 本文 从三个方面探讨了防侧翻null制研究现状 1 通过优化机械结构实现车身自动null平 但时效性null验证 2 采用主动null制系 统或改进null制方法优化农机参数 但存在时滞和累计误null 3 结合主动null制与机械结构优化提升抗侧翻能力 基于现有研 究 提出四个优化方向 机械结构设计 基于反馈的主动null制系统 机器视觉与传感器感知和智能预测算法 该研究为丘陵 山区农机防侧翻技术提供了参考 关键词 山区农机 防侧翻 null制 Researchstatusofanti rolloverofagriculturalmachineryin hillyandmountainousareas HuPing HuBo College of Automation Guangxi University of Science and Technology Liuzhou 545000 Guangxi China Abstract Agriculturalmachinerywhenoperatinginhillyandmountainousareasoftenfacesproblemswithsidewaystiltingand overturning whichhindersthepromotionofagriculturalmachinery especiallyinthecaseofunmannedfarmsandautonomous agriculturalrobots Thispaperdiscussesthecurrentstateofresearchonanti rollovercontrolfromthefollowingthreeperspectives Automaticbodylevelingisachievedbyoptimizingthemechanicalstructure butthetimelinessneedstobeverified Activecontrol systemsorimprovedcontrolmethodsareusedtooptimizetheparametersofagriculturalmachines buttherearetimelagsand cumulativeerrors Combiningactivecontrolwithmechanicalstructureoptimizationtoimproverolloverresistanceofagricultural machinery Basedontheexistingresearch optimizationwillbecarriedoutinfouraspects includingmechanicalstructuredesign feedback basedactivecontrolsystem machinevisionandsensorperception andintelligentpredictionalgorithm Thisresearch contentwillprovidereferencefortheanti rollovertechnologyofagriculturalmachineryinhillyandmountainousareas Key words Agriculturalmachineryinmountainousareas Preventrollover Control 修回日期 2024 11 28 基金项目 中央引导地方科技发展资金 丘陵山地经济作物 农业机械化与智能化创新中心 桂科 ZY22096023 中国 烟草总公司烟草农机研究与应用领域揭榜挂帅项目 丘陵 山区专用动力底盘的研发与应用 中烟板 2023 138 号 广西科技大学创新项目 GKYC202457 通讯作者 胡 波 农业综述 57 新疆农机化 2025年第1期 1 2 3 4 5 6 7 8 9 14 13 12 11 1015 图5 扭腰姿态调整装置结构图 1 前桥壳体2 滚架3 前驱动桥轴孔4 摇摆轴孔5 过桥壳体6 摆动轴 7 连接销轴8 避让凹null9 扭腰null整拖拉机构10 扭腰null整油缸11 缸 杆套装孔12 销轴套13 缸杆套装部件14 安装座15 前桥驱动轴 业时容易侧翻问题 杨腾祥等 5 提出基于平行四边 形原理设计调平底盘 实现底盘离地高度与横向倾 斜角度的主动调节 调平底盘机械结构如图1 其与 传统底盘相比 在横向落差为 130 mm的条件下调 平底盘最大横向倾角降低约75 通过控制策略对 底盘进行调平 实现农机车身调平 这些方法都在一 定程度上提高了农机行驶稳定性和抗倾翻的能力 陈晨 6 以番茄收获机底盘左右侧平衡时和倾斜时两 种状态下的液压油缸受力分析为切入点 设计了底 盘调平液压系统 其底盘调平油缸布置如图2 针对 液压进行底盘调平 但时效性不高 长时间调平工作 容易缩短液压元件寿命 除此之外 也可以通过优 化底盘机械结构 扩大底盘与地面的接触面积 来防 止农机发生侧翻现象 Gao Q M等 7 提出了一种采用 平衡摇臂悬架机构的山地车辆动力底盘设计方案 通过改变山地车辆的可变离地间隙 可变轮距和自 调平底盘以适应各种类型作物种植的田埂截面和高 度 耿端阳等 8 采用可伸缩式履带行走底盘 图3 通过调整履带轮距增大整机重力变化的安全范围 降低坡地作业机器侧翻风险 使整机在复杂地形条 件下的行驶稳定性提高了27 34 重心调控则是利用传感器检测农机的倾斜角 度 并通过合理设计机械结构 如调整农机具的位 置 来改变农机整车重心位置 从而达到防侧翻的目 的 韩振浩等 9 设计了一种基于重心自适应调控的 山地果园运输车 图4 其通过对履带底盘 可移动 载物台以及控制系统的关键部件设计并制定整机重 心控制策略来提升运输车的坡地行驶性能 根据遥 控器发送地形模式指令 可移动载物台进行水平相 对位置的动态调控 进而改变整机重心位置以适应 不同地形 所提策略在运输车横向极限翻倾角和下 坡极限翻倾角等都得到了有效提高 但没有考虑调 节的时效性 姿态调控则利用安装在农机上的传感器进行实 时农机侧倾 俯仰等姿态角度检测 并将角度信息传 输给控制器进行姿态分析 计算当前姿态与期望姿 态的偏差 再通过调整悬挂系统或车架的姿态来调 图4 山地果园运输车结构图 1 null台2 机体3 行null系4 横向滑轨5 锂电池6 null制器 7 底盘直流电机8 减速器9 电机驱动器10 倾角传感器 11 水平定位机构12 纵向滑轨 a 整机轴侧图 b 机体内部图 1 3 2 5 6 7 8 4 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 12 11 10 9 8 图1 横向调平底盘系统结构 1 驱动轮2 车架3 升降null4 负重轮5 null键轴6 位null传感器7 张紧轮 8 null压缸9 姿态传感器10 连杆11 摇null12 变速箱 1 2 4 3 图2 底盘调平油缸布置图 1 右前油缸2 右后油缸3 左后油缸4 左前油缸 1 5 6 2 4 7 11 3 13 14 12 8 9 10 图3 可伸缩式履带底盘结构 1 左行null梁2 null压缸3 伸缩架4 右行null梁5 履带6 驱动轮7 null向轮 8 耐磨板9 伸缩null10 梁架11 支重轮12 销轴13 加强筋14 null向套 农业综述 58 新疆农机化2025年第1期 整农机整车的姿态 以保证农机的作业稳定性 张 开兴等 10 设计了轮式丘陵山地拖拉机扭腰姿态调整 装置 图5 通过调整前后车身的相对转动 即通过 控制扭腰调整油缸与滚架的配合使用 前桥壳体随 着油缸运动来实现拖拉机扭腰姿态调整 以适应丘 陵山地作业环境 提高稳定性 Sun J等 11 提出了一 种基于并联四杆机构的姿态调整装置 通过横向调 平调整农机整机姿态以预防农机侧翻风险的发生 全向调平包括横向调平和纵向调平 原理为利 用倾角传感器实现对农机横向倾角和纵向倾角的实 时监控 再通过控制器实现对农机横向与纵向的全 面调平 孙景彬等 12 提出基于平行四杆机构的横向 调平装置和基于双车架机构的纵向调平装置的遥控 全向调平山地履带拖拉机 其通过全向调平的方式 有效提高了拖拉机坡地行驶和作业的稳定性及抗侧 滑 抗倾翻性能 通过横向纵向融合进行全向调平 考虑更加综合全面 具有很好的适配性 但时效性仍 有待考察 优化农机自身结构本质是增加一个调平的机械 结构 在农机作业时利用传感器实现对农机姿态的 实时监控与在线测量 再结合控制器通过调节优化 自身机械结构 如底盘结构 重心调平 姿态调平和 全面调平的方式来保证农机适应丘陵山区复杂的地 形环境 通过调平农机姿态来有效降低农机侧翻的 风险 2 控制系统对农机平稳性的影响 农机作业稳定性是衡量农机在山区坡道安全作 业的关键指标 主要指农机在作业中不发生滑移和 倾翻的能力 其中侧倾角是重要参量 除优化机械 结构外 还可通过引入主动控制系统或相关算法调 控农机姿态 有效预防侧翻 提升作业稳定性 通过倾角传感器对农机运动状态进行实时监 控 防侧翻问题可以转换为对倾角的控制 王龙龙 等 13 针对拖拉机在斜坡行驶中受复杂路况激扰易引 发的极限态侧翻失稳的问题 设计了主动侧翻回稳 控制系统 图6 其依据侧翻危险程度实时调整陀 螺转子的进动角速度 定量输出侧翻回稳力矩 但缺 少反馈控制 无法实时反馈调整陀螺转子的进动角 速度 李臻等 14 利用倾角传感器实时测量农机车身 数据 也设计了基于主动转向控制的轮式拖拉机主 动防侧翻控制系统 有效提高了农机抗侧翻的能力 Wang L L等 15 也提出了一种基于 单万向节控制力 矩陀螺仪 SGCMG的拖拉机主动安全控制方法来产 生防侧翻扭矩 图6 极限态侧翻回稳陀螺主动控制系统结构示意图 1 伺服电机2 支承框架3 转子电机4 陀螺转子5 系统基座 6 被null拖拉机 为提高控制精度 可引入PID控制算法进行农 机防侧翻控制 通过倾角传感器实时监测车身姿态 并反馈 利用PID算法实现车身调平 杨福增等 16 设 计了车身与农具姿态协同控制系统 采用 PID 算法 实现车身调平 双闭环模糊 PID 算法实现农具姿态 调整 张军等 17 采用内置陀螺仪实时监控农机工作 姿态 并对农机进行了改造 利用模糊自适应PID 控制器 图7 通过电磁比例阀和电磁开关阀精确 控制转向角度使系统平稳进入预定路线 通过倾角 传感器直接测量农机当前车身状态 再通过PID控 制系统计算输出目前角度的农机姿态调整 有效提 高了农机的工作稳定性 图7 模糊自适应PID控制器算法 基于遗传算法的主动防侧翻控制 主要是通过 实时反馈和调整控制参数 系统可以持续保持农机 的作业稳定性并降低侧翻风险 姜惠等 18 提出基于 改进遗传算法的运动控制方法 利用倾角传感器实 时检测车身倾角并结合拖拉机轮心高度信息计算实 时拖拉机姿态参数值 通过控制算法先调整车身侧 倾角再调整车身俯仰角 最终实现横向和纵向坡地 的综合调平 提高运动控制方法的适用性 所提算法 较传统遗传算法响应时间有效缩短 除了常用的控 制算法 贾全等 19 提出一种利用 RBF 网络进行干扰 补偿的前轮角度自适应滑模控制方法 通过对控制 工程中的不确定干扰进行逼近 有效提高了转向控 制系统对非线性干扰的自适应能力 Song Z S等 20 根据变结构理论的滑动模式控制构建了拖拉机 进动角速度 侧倾回稳 力矩M 陀螺转子 角动量H Z X Y 1 2 5 3 4 6 模糊推理 电磁转向阀 电磁比例阀 PID 控制器 角度传感器 实际转向角度 rin error I电流 de dt 农业综述 59 新疆农机化 2025年第1期 SMC 算法 并设计了主动转向 AS 控制系统 其 可转换拖拉机侧倾和俯仰运动 以便在潜在侧翻时 恢复拖拉机姿态 康杰等 21 以胎压传感器 倾角传感 器作为输入 设计了一种轮式拖拉机主动防侧翻系 统 图8 通过检测拖拉机轮胎胎压判断是否有侧 翻风险 并根据风险等级控制方向 转向角度和车 速 从而保证拖拉机的机身稳定 对于主动防侧翻控制系统或算法研究 主要是 以倾角传感器实现对农机车身状态相关参数的实 时监控数据作为输入 再结合控制系统或算法来根 据农机当前车身状态来进一步调整农机姿态 有效 减少了农机侧翻的风险 提高了农机作业稳定性 但缺少反馈控制机制 无法消除累积误差的影响 3 自身结构结合控制系统对农机平稳性的影响 有些研究者将优化自身机械结构与主动防侧 翻控制系统两者有效结合 以更高效地提高农机作 业的平稳性 从而大大降低了农机侧翻的风险 孙泽宇等 22 以履带式作业机为研究对象 设计 了一种基于 3层车架 的液压全向调平系统 图 9 并提出了复合Q学习 BP神经网络 PID QBP PID 的全向调平控制策略 图10 通过将液压调平 与控制策略的有效结合 相较于PID与BP PID 调 平时间缩短 且未出现超调量 蒋俞等 23 也提出了基 于 三层车架 的铰接式全向调平系统结构方案 并 采用多目标遗传算法优化关键结构参数 实验结果 表明 其全向调平履带式作业机能够明显减小最大 机身倾角 并实现快速调平 GONZALEZ D O等 24 设 计了一种基于液压传动的电液调平系统 能够预测 并解决拖拉机的倾翻问题 提高拖拉机横向稳定 性 Qin J h等 25 基于1 16的比例拖拉机模型 提出 农用轮式拖拉机主动防侧翻控制方法 该方法通过 结合单轴动量飞轮系统和主动转向系统 在紧急情 况下提供拖拉机姿态的主动校正 种昆等 26 利用姿 态调整后驱动桥 姿态调整前驱动桥 发动机及电液 控制系统 设计了一种可进行姿态调平的丘陵山地 拖拉机 有效提高了整机作业稳定性 通过防侧翻 控制系统与优化农机机械结构的有效结合 进一步 提升了农机调平的时效性 通过将农机自身机械结构与控制系统相结合 有效改善了农机的作业稳定性 并提高了调平时效 性提高 然而该系统仍缺少反馈机制 未能解决累积 误差对农机控制造成的影响 4 总结与展望 在农机机械结构优化上 依据倾角传感器调整 底盘姿态以适应山区地形 但环境多变常致调平不 及时 增加侧翻风险 主动防侧翻控制则通过传感 器测量姿态 运用算法调整农机参数 然山区复杂 环境干扰传感器 导致数据突变及时滞 影响调整 时效性 为提升山区农机防侧翻性能 提出以下优 化策略 1 对于农机自身机械结构方面 采用宽胎 增 强悬挂刚度 降低重心 研发可变形底盘自动调节装 置 探索高精度快速响应的全向调平方法 2 对于农机主动防侧翻控制方面 结合动力 学模型 完善反馈控制系统 如主动转向 差动制动 引入模糊控制等智能算法增强鲁棒性和适应性 拖拉机 左前轮胎压 拖拉机 左后轮胎压 拖拉机 右前轮胎压 拖拉机 右后轮胎压 输入 输入 输入 输入 主动防侧翻 控制器 转向液压 控制阀 拖拉机油门 发动机熄火 开关 输出 输出 输出 图8 主动防侧翻系统工作原理图 1 2 3 4 5 6 7 8 910 作业 设备 调平 系统 行驶 系统 图9 履带式作业机整机结构示意图 1 运null 架2 上层车架3 横向null平油缸4 中间车架5 纵向null平油 缸6 下层车架7 履带8 张紧轮9 支撑轮10 驱动轮 Q学习算法 性能指标函数J k 权值更新 定义 输入层 输出层 隐含层 BP神经网络 P I D 控 制 器 全 向 调 平 系 统 Y d k e k u k y k x 1 x 2 x 3 K D K I K P O 2 O 1 O 3 i j kw ij w jk 图10 作业机QBP PID机身姿态控制器结构示意图 农业综述 60 新疆农机化2025年第1期 3 优化传感器感知能力 选用高精度快速响 应传感器 多传感器融合提高测量精度 构建角度反 馈模型消除累计误差 增加机器视觉实时监控 设置 防侧翻阈值预测风险 4 引入机器学习算法 分析预测传感器数据 提前调整农机姿态 规避侧翻风险 实现智能主动防 侧翻控制 降低侧翻概率 参考文献 1 孙景彬 刘志杰 杨福增 等 丘陵山地农业装备与坡地 作业关键技术研究综述 J 农业机械学报 2023 54 5 1 18 2 牟孝栋 杨福增 段罗佳 等 丘陵山地拖拉机调平与防 翻关键技术研究现状与发展趋势 J 智慧农业 中英文 2024 6 3 1 16 3 中华人民共和国农业农村部 十四五 全国农业机械化 发展规划 EB OL 2021 12 28 nybgb 2022 202201 202203 t20220302 6390250 htm 4 赖晓 程健华 李尚平 等 丘陵履带式甘蔗收获机底盘调 平机构设计与试验 J 农业机械学报 2024 55 12 100 109 5 杨腾祥 金诚谦 蔡泽宇 等 履带式联合收割机横向调 平底盘设计 J 中国农机化学报 2020 41 7 1 8 6 陈晨 自走式番茄收获机底盘调平液压系统设计 J 新疆 农机化 2023 5 8 11 7 Gao Q M Gao F Tian L et al Design and development of a variable ground clearance variable wheel track self leveling hillside vehicle power chassis V2 HVPC J Journal of Ter ramechanics 2014 56 77 90 8 耿端阳 孙延成 李华彪 等 履带式坡地玉米收获机设 计与试验 J 农业工程学报 2021 37 13 11 19 9 韩振浩 朱立成 苑严伟 等 基于重心自适应调控的山地 果园运输车设计与试验 J 农业机械学报 2022 53 2 430 442 10 张开兴 张斓 李政平 等 轮式丘陵山地拖拉机扭腰姿 态调整装置设计与试验 J 农业机械学报 2022 53 6 425 4 33 11 Sun J Meng C Zhang Y et al Design and physical model experiment of an attitude adjustment device for a crawler tractor in hilly and mountainous regions J Information Processing in Agriculture 2020 7 3 466 478 12 孙景彬 楚国评 潘冠廷 等 遥控全向调平山地履带拖 拉机设计与性能试验 J 农业机械学报 2021 52 5 358 369 13 王龙龙 蓝鸿 周胥 等 拖拉机极限态侧翻回稳陀螺主动 控制系统设计与试验 J 农业机械学报 2022 53 S2 320 327 14 李臻 秦嘉浩 基于主动转向控制的轮式拖拉机主动防 侧翻控制方法与系统 CN110126915 B P 2020 11 17 15 Wang L L Zhu J H Liu F H et al Algorithm and scale experiment of gyro based tractor rollover control towards hilly farmland application J Computers and Electronics in Agriculture 220 2024 108925 16 杨福增 牛瀚麟 孙景彬 等 山地履带拖拉机与农具姿 态协同控制系统设计与试验 J 农业机械学报 2022 53 1 414 422 17 张军 李丙春 农机自动驾驶系统方案剖析 J 新疆农机 化 2023 4 11 15 18 姜惠 唐小虎 张旭烽 等 丘陵山地姿态调整轮式拖拉 机运动控制研究 J 农业机械学报 2024 55 6 392 403 19 贾全 张小超 苑严伟 等 拖拉机自动转向系统容错自 适应滑模控制方法 J 农业工程学报 2018 34 10 76 84 20 Song Z S Wang L L Liu Y M et al Actively steering a wheeled tractor against potential rollover using a sliding mode control algorithm Scaled physical test J Biosystems Engineering 213 2022 13 29 21 康杰 聂友红 何培祥 轮式拖拉机主动防侧翻系统的设 计 J 农机化研究 2023 45 2 236 240 22 孙泽宇 夏长高 蒋俞 等 基于QBP PID的履带式作业 机全向调平控制研究 J 农业机械学报 2023 54 12 397 406 23 蒋俞 孙泽宇 汪若尘 等 丘陵山区履带式作业机全向 调平系统设计与性能试验 J 农业工程学报 2023 39 18 64 73 24 GONZALEZ D O MARTIN GORRIZ B BERROCAL I I et al Development of an automatically deployable roll over protective structure for agricultural tractors based on hydraulic power Prototype and first tests J Computers and Electronics in Agriculture 2016 124 46 54 25 Qin J h Wu A B Song Z S et al Recovering tractor stability from an intensive rollover with a momentum flywheel and active steering System formulation and scale model verifi cation J Computers and Electronics in Agriculture 190 2021 106458 26 种昆 李洪迁 李政平 等 丘陵山地姿态调整轮式拖拉 机的设计与仿真 J 农机化研究 2021 43 1 247 251 农业综述 61