履带式果园作业平台的全向调平系统设计与实验评价

《Smart Agricultural Technology》：Design and Experimental Evaluation of an Omnidirectional Leveling System for Crawler Orchard Working Platforms

为提升履带式果园作业平台在复杂地形上的稳定性和作业效率，本研究设计了一种基于五点支撑机构的全向液压调平系统。采用“俯仰优先、侧倾次之”的主从耦合液压控制策略，通过运动学分析建立调平参数的非线性映射，并利用NSGA-II算法优化了液压缸推力与系统响应时间。仿真与实验结果表明，该系统实现了最大±12°的纵向和±9.3°的侧向调平范围，总体调平时间控制在3.0秒内，在动态作业中可保持超过71%的时间处于±2°的稳定阈值内。该研究为农用机械调平系统的发展提供了技术参考，有望解决传统平台底盘倾斜大、效率低、有安全隐患的痛点。

　　

新疆拥有广阔的果园种植面积，但诸如采摘、修剪、套袋等高处作业依然严重依赖效率低下、劳动强度高的传统人工梯子。同时，持续的劳动力短缺和成本上升，加之机械化作业发展滞后，已成为制约该地区水果产业转型升级的主要瓶颈。更棘手的是，当地复杂的果园地形给常规设备带来了显著的倾覆风险，对作业机械的稳定性构成了严峻挑战。为了改善果园机械化水平、提高作业效率并保障作业安全，研发一种具备调平功能的履带式果园作业平台具有重要的现实意义。而随着履带式果园平台的基本行走和升降功能日益标准化，调平性能已成为评估设备适应性和技术先进性的关键指标。针对这一问题，由石河子大学刘宇阳、李静斌等人组成的研究团队开展了一项关于“履带式果园作业平台全向调平系统设计与实验评价”的研究，相关成果发表在《Smart Agricultural Technology》上。

为了评估所提出的全向调平系统，研究人员主要采用了以下几种关键方法：1. 机械与液压系统设计：设计了基于五点支撑机构、带有中心限位功能的液压驱动全向调平机构，并构建了集调平、升降和辅助扩展功能的四回路液压动力单元。2. 控制策略与仿真：制定了“俯仰优先，侧倾次之”的主从耦合顺序控制逻辑，并利用AMESim软件构建了液压-机械联合仿真模型，以评估系统的调平范围和时间。3. 运动学分析与多目标优化：通过建立平台的几何运动学模型，定义了调平姿态与液压缸行程之间的非线性映射关系，并引入NSGA-II多目标遗传算法对核心设计变量进行协同优化，以在液压缸推力和系统响应时间之间取得最优平衡。4. 原型实验验证：制造了物理样机，并在真实的果园工作条件下进行了现场性能测试，以验证调平精度、响应速度以及动态稳定性，并将实验结果与仿真数据进行对比。

2.1. 全向调平系统的设计

研究人员为履带果园作业平台设计了一个集成的全向调平系统。该系统主要由三个子系统构成：全向调平机构、移动底盘和升降工作平台。核心的调平机构采用了具有中心限位特征的五点支撑结构，它集成了两个三角形铰接组件，并由两对对称布置在左右两侧的液压缸作为主驱动器。这种设计旨在解决传统刚性四点支撑系统在崎岖地形上容易因几何过约束而产生“虚腿”现象，以及三点结构负载能力不足的问题，形成一个具有运动确定性同时增强重载稳定性的混合策略。配套的液压系统采用了主从耦合驱动策略，两个主液压缸直接连接液压动力单元进行精确控制，而两个从动缸则通过控制阀实现油缸腔室之间的流体交换，以被动跟随运动。控制硬件基于STM32F103微控制器，并采用“俯仰优先，侧倾次之”的顺序控制策略来处理多液压缸协同时的干扰，确保在俯仰和侧倾角同时存在偏差时优先校正俯仰角，以此简化多缸协调的复杂性，防止液压系统“流量竞争”导致的不稳定。

2.2. 运动学分析

通过建立调平系统的几何模型并进行解析推导，研究人员定义了调平姿态与液压缸行程、关键结构参数（如铰点安装位置和方向）之间的非线性映射关系。分析涵盖了纵向（俯仰）和横向（侧倾）两个方向的调平过程。例如，在纵向调平时，主动缸的伸长会导致从动缸被动地相应收缩。通过数学模型，可以精确计算出达到目标调平角所需的液压缸行程变化量（ΔL），以及液压缸所需提供的推力（F₁, F₂等）。该分析为后续的稳定性评估和参数优化奠定了理论基础，并明确指出调平机构的性能受其结构参数影响。

3. 结果与讨论

3.1. 仿真与优化结果

利用建立的数学模型和NSGA-II算法，研究人员对六个核心设计变量进行了多目标协同优化，旨在液压缸推力和系统响应时间之间取得最佳平衡。优化后的参数被用于构建AMESim联合仿真模型。仿真结果表明，该全向调平系统的最大调节范围为纵向±12°、侧向±9.3°，对应的调平时间分别为3.0秒和2.5秒。此外，研究还建立了平台的整体倾覆模型，计算出其纵向和横向极限倾覆角分别为40.1°和33.0°，从而明确了平台的安全运行边界。

3.2. 原型实验结果

为了验证仿真结果和系统的实际性能，研究团队进行了样机场地性能测试。实验结果表明：在静态调平测试中，系统的最大静态调平误差为0.55°，总体调平时间均能控制在3.0秒以内。在动态运行测试中，平台在超过71%的作业时间内，其纵向和横向角度能够维持在±2°的稳定性阈值内。原型实验数据与仿真结果具有良好的一致性，有效验证了所提出的全向调平系统的有效性和实用性。

4. 结论与意义

本研究成功设计并验证了一种用于履带式果园作业平台的全向液压调平系统。通过创新的五点支撑机械结构、主从耦合的液压控制策略以及“俯仰优先，侧倾次之”的顺序控制逻辑，该系统有效解决了多液压缸协同时的干扰和流量竞争问题。基于运动学模型的NSGA-II多目标优化，使得系统在液压缸推力和响应速度之间达到了较优的平衡。最终的仿真和原型实验证实，该系统具有调平范围广（纵/横分别达±12°/±9.3°）、响应速度快（3秒内完成调平）、静态精度高（误差≤0.55°）和动态稳定性好（超71%时间稳定在±2°内）等优点。

这项研究的主要贡献在于：1. 构建了完整的履带果园作业平台结构框架，为系统分析调平机理和优化参数提供了基础；2. 建立了精确的运动学模型，明确了平台安全运行的极限倾覆角；3. 实现了主从液压调平系统与机械结构的有效耦合，在复杂载荷下显著增强了整体结构可靠性；4. 通过实地果园试验验证了系统的性能。该研究为履带式果园作业平台调平系统的开发提供了有价值的理论参考和技术支持，对提高果园作业机械化水平、保障作业人员安全、提升作业效率具有重要的实际意义。