汪逸飞
摘 要：为了研究温室运载平台的侧翻稳定性，该文结合侧翻领域不同的研究方法，提出了针对温室运载平台的研究新思路，为温室运载平台的设计提供一定的理论支持。根据辅助轮数量和是否有工作人员作业等情况，对斜坡工况继续进行细分，构建温室运载平台的分析模型，并通过Matlab分析，得到不同工况下的临界侧翻条件。结果表明，在斜坡作业工况下，当工作人员作业方向与斜坡方向相同时，温室运载平台最容易有侧翻的危险。
关键词：温室运载平台 倾翻 稳定性
中图分类号：S625 文獻标识码：A 文章编号：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
随着近年来机器人技术的成熟，温室农业机器人由于其在降低劳动强度、提高作业效率上的出色表现，也在逐渐地普及。作为温室机器人里比较重要的分支，温室运载平台的设计研究在我国内较少，主要集中在郑州大学[1]和上海交通大学[2]。而在国外，该技术发展较为成熟，包括日本的Torri[3]团队、西班牙的Sánchezhermosilla[4]团队等均研制出了较高水准的温室机器人。
温室运载平台主要承担在温室内部物料运载的任务，同时可搭载不同的作业部件，以实现一机多能的效果。温室运载平台作为一款小型农用车辆，受到温室内部道路不平及本身重心较高的影响，工作人员在作业过程中最容易发生危险状况就是侧翻。目前国内研究侧翻稳定性，一般按照车辆的不同有两种研究方法：一种是以起重机系列为代表的，稳定力矩研究法[5];另一种是以乘用车系列为代表的，准静态研究方法[6]。但是由于温室运载平台的特殊性，其兼具了普通乘用车速度较快和起重机重心较高的特点，因此对于温室运载平台这类农用机器人的侧翻稳定性研究较少，有较大研究价值。
该文根据温室运载平台的特点，结合了起重机和乘用车在侧翻稳定性研究方面的主要方法，分工况更加全面地对其稳定性进行研究，以期能对温室运载平台的建设提供一定的理论基础。
1 温室运载平台侧翻稳定性模型
针对图1所示的温室运载平台，其侧翻稳定性是指在不同工况条件下，抵抗自重或惯性力引起的侧翻的能力。该节将对稳定性研究过程中重要的参数进行分析计算。
1.1 轮距计算
为了提升温室运载平台的整体侧翻稳定性，运载平台底盘前后各有一个辅助轮的安装接口，在作业过程中，在作业空间允许的情况下，工作人员可进行选装。根据辅助轮的数量，该文的研究分为了无辅助轮、二轮辅助和四轮辅助3种不同的工作情况。由于辅助轮的加入，使得温室运载平台的轮距会随着工作人员的调整而发生改变。因此该文引入等效轮距概念[7]，对各种情况下轮距进行计算，以达到更好的研究效果。
（1）无辅助轮。
1.2 倾覆边确定
危险倾覆边是由运载平台的车轮的轮距与轴距等尺寸确定的。由于有辅助轮的参与，危险倾覆边的尺寸也有了相应的变化。在验证运载平台侧翻稳定性时，一般以最危险的极限情况进行校核[8]。
温室运载平台根据倾覆的方向，分为纵向倾覆边与侧向倾覆边两种。如图3所示，侧向倾覆边为运载平台侧向轮距，纵向倾覆边为前后轮距，根据安装辅助轮的个数会有较大幅度的改变，由于车身较长，所以辅助轮对侧向倾覆边的影响要比纵向倾覆边大很多。
1.3 侧翻稳定性的测评方法
目前侧翻稳定性的分析计算方法主要有3种，分别为力矩不等式法、稳定性安全系数法和按临界倾覆载荷标定额定起重量法[9]。该文采用目前主流的力矩不等式法，该方法也被GB/T 3811-2008所采用，而且在欧美国家也有很广泛的应用。力矩法的原理较为简单，其核心就是求得运载平台的侧翻力矩与稳定力矩，运载平台的侧翻稳定条件为：
M稳定≥M侧翻 （4）
根据不同的工况，可得出不同的力矩不等式，通过这些不等式，即可很容易求得运载平台侧翻的临界条件。
2 温室运载平台侧翻稳定性分析计算
该节斜坡作业工况，研究工作人员在斜坡上作业时，升降平台高度与斜坡角对侧翻稳定性的影响，通过判断是否有工作人员以及是否有安装辅助轮，配合升降台高度的变化，即可得到侧翻临界条件。
温室运载平台斜坡作业工况，由于有作业人员的全程参与，故不考虑运载平台上无人时的状态。斜坡作业工况主要研究工作人员的工作幅度与升降台高度对斜坡最大临界角的影响。当工作人员作业时，由于体态的变化，质心的位置也在发生着变化。图4代表着工作人员在升降平台上作业幅度逐渐加大的过程。为了研究运载平台的极限状态，该文取工作人员在工作幅度最大时作为研究对象。为了简化研究过程，该文将人的质心分为上下两部分，下半身重力提供稳定力矩，作用点在倾覆线内部，上半身重力作为倾覆力矩，作用点在倾覆线外部。按照斜坡方向与工作人员作业方向的不同，斜坡作业工况侧翻稳定性分析如下。
2.1 工作人员作业方向与斜坡方向相同
（1）侧翻临界条件。
（2）计算结果。
将侧翻临界条件带入Matlab中仿真，我们可以得到不同工作状态下斜坡侧翻临界角随着升降台高度的变化曲线。需要注意的是，公式中的轮距B为等效轮距，需要根据安装辅助轮的个数来进行修改数值。
由表1可看出，当工作人员的作业方向与斜坡方向相同时，在没有辅助轮的情况下，临界的坡道角仅为3°～5°，远不能满足日常作业的需求。虽然工作人员的质心位置参数确定为理想中的极限状态，在普通作业过程中坡道角可能会提升较多，但安装了辅助轮之后效果提升更明显，所以建议工作人员在空间允许条件下安装辅助轮。
2.2 工作人员工作方向与斜坡方向相反
（1）侧翻临界条件。
（2）计算结果。
将侧翻临界条件带入Matlab中仿真，我们可以得到不同工作状态下斜坡侧翻临界角随着升降台高度的变化曲线。
仿真结果如表2所示，当工作人员的作业方向与斜坡方向相反时，由于此时人的重力提供了稳定力矩，使得侧翻临界坡道角有很大的改善。对比表1而言，无辅助轮情况下效果非常显著，二轮辅助和四轮辅助情况均有着1～2倍的增长。
3 结论
（1）该文结合起重机及普通乘用车侧翻稳定性研究的方法，提出了一种针对温室运载平台这种有独特结构和使用环境的农用机器人的侧翻稳定性研究思路。
（2）斜坡作业工况容易造成侧翻，安装辅助轮后，最大能提升300%的临界侧翻坡道角，效果明显。
参考文献
[1] 马世榜.关于农业温室自动化作业平台的研究——行走机构及导引控制方式[D].郑州大学，2009.
[2] 陈小波.自走式温室喷雾机承载平台的设计与研究[D].上海交通大学，2011.
[3] Torii T.Research in autonomous agriculture vehicles in Japan[J].Computers & Electronics in Agricultu-re，2000，25（1-2）：133-153.
[4] Sánchezhermosilla J， González R， Rodríguez F， et al. Mechatronic description of a laser autoguided vehicle for greenhouse operations[J].Sensors，2013，13（1）：769-784.
[5] 周奇才，周在磊，李文軍，等.2500t环轨式起重机抗倾覆稳定性分析[J].机械设计与研究，2012（4）：108-112.
[6] 汪一立.车辆货物约束系统侧翻力学特性的研究[D].武汉理工大学，2010.
[7] 赵亮，张正龙，韦宏法，等.重型车侧翻特性理论分析及防侧翻支架设计[J].工程设计学报，2014（1）：75-79.
[8] 张肇伟.YTQU160履带式起重机抗倾覆稳定性研究[D].长安大学，2012.
[9] 石磊.起重机抗倾覆稳定性分析探究[J].中国机械，2015（3）：89-90.
[10] 何锋，杨利勇.非满载罐式汽车准静态侧翻阈值的计算与分析[J].贵州师范大学学报：自然科学版，2004，22（2）：73-76.
[11] 吴伟斌，冯运琳，罗阔，等.可调地隙采摘式菠萝运输车底盘的设计与研究[J].农机化研究，2016，38（5）：132-137.
[12] 吴心平，汪元波，杨宗田.刚性汽车的纵向极限稳定性分析[J].汽车实用技术，2011（9）：51-53.
