新疆農機化2025年第1期 doi 10 13620 ki issn1007 7782 2025 01 016 中圖分類號 S232 文獻標識碼 A 0 引言 我國丘陵山區農業生產面臨 無機可用 無好 機用 的問題 缺乏適合大坡度農機裝備研發的理 論支撐 1 2 農業農村部 十四五 全國農業機械化 發展規劃 強調發展丘陵山區專用農機 推動通用 動力機械裝備研發 3 丘陵山地地塊小 坡度大 地 面不平整 導致農機作業中爬坡穩定性差 易傾翻 因此農機防側翻研究是開發山區農機的基礎 農機在陡坡作業時 地形起伏導致底盤俯仰角 過大 易引發重心不穩或車輪離地 造成側傾或翻 車 為提高防側翻及作業穩定性 常用三種控制策 略 1 優化農機結構設計 2 設計主動控制系 統 3 主動控制與機械結構優化 這些研究旨在為 山區農機作業提供自動調平機制 1 農機自身結構對平穩性的影響 受山區地形影響 傳統農機在陡坡或起伏坡道 行駛時 易因重心不穩導致傾倒或側翻 優化農機結 構可調整姿態 保持水平 提升作業穩定性和抗側翻 能力 常用方法包括底盤調平 重心調控 姿態調控 和全向調平設計 底盤調平通過角度傳感器檢測車身傾角 控制 液壓泵調整車架高度 實現車身調平 賴曉等 4 設計 了一種適用于履帶式甘蔗收獲機的底盤調平機構 解決了履帶式甘蔗收獲機在橫向斜坡的丘陵山地作 文章編號 1007 7782 2025 01 0057 05 丘陵山區農機防側翻研究現狀 胡 平 胡 波 廣西科技大學自動化學院 廣西柳州 545006 摘 要 丘陵山區農機作業常面臨側傾 翻車問題 阻礙了農機推廣 尤其在無人農場和自主農業機器人中更為突出 本文 從三個方面探討了防側翻null制研究現狀 1 通過優化機械結構實現車身自動null平 但時效性null驗證 2 采用主動null制系 統或改進null制方法優化農機參數 但存在時滯和累計誤null 3 結合主動null制與機械結構優化提升抗側翻能力 基于現有研 究 提出四個優化方向 機械結構設計 基于反饋的主動null制系統 機器視覺與傳感器感知和智能預測算法 該研究為丘陵 山區農機防側翻技術提供了參考 關鍵詞 山區農機 防側翻 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 基金項目 中央引導地方科技發展資金 丘陵山地經濟作物 農業機械化與智能化創新中心 桂科 ZY22096023 中國 煙草總公司煙草農機研究與應用領域揭榜掛帥項目 丘陵 山區專用動力底盤的研發與應用 中煙板 2023 138 號 廣西科技大學創新項目 GKYC202457 通訊作者 胡 波 農業綜述 57 新疆農機化 2025年第1期 1 2 3 4 5 6 7 8 9 14 13 12 11 1015 圖5 扭腰姿態調整裝置結構圖 1 前橋殼體2 滾架3 前驅動橋軸孔4 搖擺軸孔5 過橋殼體6 擺動軸 7 連接銷軸8 避讓凹null9 扭腰null整拖拉機構10 扭腰null整油缸11 缸 桿套裝孔12 銷軸套13 缸桿套裝部件14 安裝座15 前橋驅動軸 業時容易側翻問題 楊騰祥等 5 提出基于平行四邊 形原理設計調平底盤 實現底盤離地高度與橫向傾 斜角度的主動調節 調平底盤機械結構如圖1 其與 傳統底盤相比 在橫向落差為 130 mm的條件下調 平底盤最大橫向傾角降低約75 通過控制策略對 底盤進行調平 實現農機車身調平 這些方法都在一 定程度上提高了農機行駛穩定性和抗傾翻的能力 陳晨 6 以番茄收獲機底盤左右側平衡時和傾斜時兩 種狀態下的液壓油缸受力分析為切入點 設計了底 盤調平液壓系統 其底盤調平油缸布置如圖2 針對 液壓進行底盤調平 但時效性不高 長時間調平工作 容易縮短液壓元件壽命 除此之外 也可以通過優 化底盤機械結構 擴大底盤與地面的接觸面積 來防 止農機發生側翻現象 Gao Q M等 7 提出了一種采用 平衡搖臂懸架機構的山地車輛動力底盤設計方案 通過改變山地車輛的可變離地間隙 可變輪距和自 調平底盤以適應各種類型作物種植的田埂截面和高 度 耿端陽等 8 采用可伸縮式履帶行走底盤 圖3 通過調整履帶輪距增大整機重力變化的安全范圍 降低坡地作業機器側翻風險 使整機在復雜地形條 件下的行駛穩定性提高了27 34 重心調控則是利用傳感器檢測農機的傾斜角 度 并通過合理設計機械結構 如調整農機具的位 置 來改變農機整車重心位置 從而達到防側翻的目 的 韓振浩等 9 設計了一種基于重心自適應調控的 山地果園運輸車 圖4 其通過對履帶底盤 可移動 載物臺以及控制系統的關鍵部件設計并制定整機重 心控制策略來提升運輸車的坡地行駛性能 根據遙 控器發送地形模式指令 可移動載物臺進行水平相 對位置的動態調控 進而改變整機重心位置以適應 不同地形 所提策略在運輸車橫向極限翻傾角和下 坡極限翻傾角等都得到了有效提高 但沒有考慮調 節的時效性 姿態調控則利用安裝在農機上的傳感器進行實 時農機側傾 俯仰等姿態角度檢測 并將角度信息傳 輸給控制器進行姿態分析 計算當前姿態與期望姿 態的偏差 再通過調整懸掛系統或車架的姿態來調 圖4 山地果園運輸車結構圖 1 null臺2 機體3 行null系4 橫向滑軌5 鋰電池6 null制器 7 底盤直流電機8 減速器9 電機驅動器10 傾角傳感器 11 水平定位機構12 縱向滑軌 a 整機軸側圖 b 機體內部圖 1 3 2 5 6 7 8 4 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 12 11 10 9 8 圖1 橫向調平底盤系統結構 1 驅動輪2 車架3 升降null4 負重輪5 null鍵軸6 位null傳感器7 張緊輪 8 null壓缸9 姿態傳感器10 連桿11 搖null12 變速箱 1 2 4 3 圖2 底盤調平油缸布置圖 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 圖3 可伸縮式履帶底盤結構 1 左行null梁2 null壓缸3 伸縮架4 右行null梁5 履帶6 驅動輪7 null向輪 8 耐磨板9 伸縮null10 梁架11 支重輪12 銷軸13 加強筋14 null向套 農業綜述 58 新疆農機化2025年第1期 整農機整車的姿態 以保證農機的作業穩定性 張 開興等 10 設計了輪式丘陵山地拖拉機扭腰姿態調整 裝置 圖5 通過調整前后車身的相對轉動 即通過 控制扭腰調整油缸與滾架的配合使用 前橋殼體隨 著油缸運動來實現拖拉機扭腰姿態調整 以適應丘 陵山地作業環境 提高穩定性 Sun J等 11 提出了一 種基于并聯四桿機構的姿態調整裝置 通過橫向調 平調整農機整機姿態以預防農機側翻風險的發生 全向調平包括橫向調平和縱向調平 原理為利 用傾角傳感器實現對農機橫向傾角和縱向傾角的實 時監控 再通過控制器實現對農機橫向與縱向的全 面調平 孫景彬等 12 提出基于平行四桿機構的橫向 調平裝置和基于雙車架機構的縱向調平裝置的遙控 全向調平山地履帶拖拉機 其通過全向調平的方式 有效提高了拖拉機坡地行駛和作業的穩定性及抗側 滑 抗傾翻性能 通過橫向縱向融合進行全向調平 考慮更加綜合全面 具有很好的適配性 但時效性仍 有待考察 優化農機自身結構本質是增加一個調平的機械 結構 在農機作業時利用傳感器實現對農機姿態的 實時監控與在線測量 再結合控制器通過調節優化 自身機械結構 如底盤結構 重心調平 姿態調平和 全面調平的方式來保證農機適應丘陵山區復雜的地 形環境 通過調平農機姿態來有效降低農機側翻的 風險 2 控制系統對農機平穩性的影響 農機作業穩定性是衡量農機在山區坡道安全作 業的關鍵指標 主要指農機在作業中不發生滑移和 傾翻的能力 其中側傾角是重要參量 除優化機械 結構外 還可通過引入主動控制系統或相關算法調 控農機姿態 有效預防側翻 提升作業穩定性 通過傾角傳感器對農機運動狀態進行實時監 控 防側翻問題可以轉換為對傾角的控制 王龍龍 等 13 針對拖拉機在斜坡行駛中受復雜路況激擾易引 發的極限態側翻失穩的問題 設計了主動側翻回穩 控制系統 圖6 其依據側翻危險程度實時調整陀 螺轉子的進動角速度 定量輸出側翻回穩力矩 但缺 少反饋控制 無法實時反饋調整陀螺轉子的進動角 速度 李臻等 14 利用傾角傳感器實時測量農機車身 數據 也設計了基于主動轉向控制的輪式拖拉機主 動防側翻控制系統 有效提高了農機抗側翻的能力 Wang L L等 15 也提出了一種基于 單萬向節控制力 矩陀螺儀 SGCMG的拖拉機主動安全控制方法來產 生防側翻扭矩 圖6 極限態側翻回穩陀螺主動控制系統結構示意圖 1 伺服電機2 支承框架3 轉子電機4 陀螺轉子5 系統基座 6 被null拖拉機 為提高控制精度 可引入PID控制算法進行農 機防側翻控制 通過傾角傳感器實時監測車身姿態 并反饋 利用PID算法實現車身調平 楊福增等 16 設 計了車身與農具姿態協同控制系統 采用 PID 算法 實現車身調平 雙閉環模糊 PID 算法實現農具姿態 調整 張軍等 17 采用內置陀螺儀實時監控農機工作 姿態 并對農機進行了改造 利用模糊自適應PID 控制器 圖7 通過電磁比例閥和電磁開關閥精確 控制轉向角度使系統平穩進入預定路線 通過傾角 傳感器直接測量農機當前車身狀態 再通過PID控 制系統計算輸出目前角度的農機姿態調整 有效提 高了農機的工作穩定性 圖7 模糊自適應PID控制器算法 基于遺傳算法的主動防側翻控制 主要是通過 實時反饋和調整控制參數 系統可以持續保持農機 的作業穩定性并降低側翻風險 姜惠等 18 提出基于 改進遺傳算法的運動控制方法 利用傾角傳感器實 時檢測車身傾角并結合拖拉機輪心高度信息計算實 時拖拉機姿態參數值 通過控制算法先調整車身側 傾角再調整車身俯仰角 最終實現橫向和縱向坡地 的綜合調平 提高運動控制方法的適用性 所提算法 較傳統遺傳算法響應時間有效縮短 除了常用的控 制算法 賈全等 19 提出一種利用 RBF 網絡進行干擾 補償的前輪角度自適應滑模控制方法 通過對控制 工程中的不確定干擾進行逼近 有效提高了轉向控 制系統對非線性干擾的自適應能力 Song Z S等 20 根據變結構理論的滑動模式控制構建了拖拉機 進動角速度 側傾回穩 力矩M 陀螺轉子 角動量H Z X Y 1 2 5 3 4 6 模糊推理 電磁轉向閥 電磁比例閥 PID 控制器 角度傳感器 實際轉向角度 rin error I電流 de dt 農業綜述 59 新疆農機化 2025年第1期 SMC 算法 并設計了主動轉向 AS 控制系統 其 可轉換拖拉機側傾和俯仰運動 以便在潛在側翻時 恢復拖拉機姿態 康杰等 21 以胎壓傳感器 傾角傳感 器作為輸入 設計了一種輪式拖拉機主動防側翻系 統 圖8 通過檢測拖拉機輪胎胎壓判斷是否有側 翻風險 并根據風險等級控制方向 轉向角度和車 速 從而保證拖拉機的機身穩定 對于主動防側翻控制系統或算法研究 主要是 以傾角傳感器實現對農機車身狀態相關參數的實 時監控數據作為輸入 再結合控制系統或算法來根 據農機當前車身狀態來進一步調整農機姿態 有效 減少了農機側翻的風險 提高了農機作業穩定性 但缺少反饋控制機制 無法消除累積誤差的影響 3 自身結構結合控制系統對農機平穩性的影響 有些研究者將優化自身機械結構與主動防側 翻控制系統兩者有效結合 以更高效地提高農機作 業的平穩性 從而大大降低了農機側翻的風險 孫澤宇等 22 以履帶式作業機為研究對象 設計 了一種基于 3層車架 的液壓全向調平系統 圖 9 并提出了復合Q學習 BP神經網絡 PID QBP PID 的全向調平控制策略 圖10 通過將液壓調平 與控制策略的有效結合 相較于PID與BP PID 調 平時間縮短 且未出現超調量 蔣俞等 23 也提出了基 于 三層車架 的鉸接式全向調平系統結構方案 并 采用多目標遺傳算法優化關鍵結構參數 實驗結果 表明 其全向調平履帶式作業機能夠明顯減小最大 機身傾角 并實現快速調平 GONZALEZ D O等 24 設 計了一種基于液壓傳動的電液調平系統 能夠預測 并解決拖拉機的傾翻問題 提高拖拉機橫向穩定 性 Qin J h等 25 基于1 16的比例拖拉機模型 提出 農用輪式拖拉機主動防側翻控制方法 該方法通過 結合單軸動量飛輪系統和主動轉向系統 在緊急情 況下提供拖拉機姿態的主動校正 種昆等 26 利用姿 態調整后驅動橋 姿態調整前驅動橋 發動機及電液 控制系統 設計了一種可進行姿態調平的丘陵山地 拖拉機 有效提高了整機作業穩定性 通過防側翻 控制系統與優化農機機械結構的有效結合 進一步 提升了農機調平的時效性 通過將農機自身機械結構與控制系統相結合 有效改善了農機的作業穩定性 并提高了調平時效 性提高 然而該系統仍缺少反饋機制 未能解決累積 誤差對農機控制造成的影響 4 總結與展望 在農機機械結構優化上 依據傾角傳感器調整 底盤姿態以適應山區地形 但環境多變常致調平不 及時 增加側翻風險 主動防側翻控制則通過傳感 器測量姿態 運用算法調整農機參數 然山區復雜 環境干擾傳感器 導致數據突變及時滯 影響調整 時效性 為提升山區農機防側翻性能 提出以下優 化策略 1 對于農機自身機械結構方面 采用寬胎 增 強懸掛剛度 降低重心 研發可變形底盤自動調節裝 置 探索高精度快速響應的全向調平方法 2 對于農機主動防側翻控制方面 結合動力 學模型 完善反饋控制系統 如主動轉向 差動制動 引入模糊控制等智能算法增強魯棒性和適應性 拖拉機 左前輪胎壓 拖拉機 左后輪胎壓 拖拉機 右前輪胎壓 拖拉機 右后輪胎壓 輸入 輸入 輸入 輸入 主動防側翻 控制器 轉向液壓 控制閥 拖拉機油門 發動機熄火 開關 輸出 輸出 輸出 圖8 主動防側翻系統工作原理圖 1 2 3 4 5 6 7 8 910 作業 設備 調平 系統 行駛 系統 圖9 履帶式作業機整機結構示意圖 1 運null 架2 上層車架3 橫向null平油缸4 中間車架5 縱向null平油 缸6 下層車架7 履帶8 張緊輪9 支撐輪10 驅動輪 Q學習算法 性能指標函數J k 權值更新 定義 輸入層 輸出層 隱含層 BP神經網絡 P I D 控 制 器 全 向 調 平 系 統 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 圖10 作業機QBP PID機身姿態控制器結構示意圖 農業綜述 60 新疆農機化2025年第1期 3 優化傳感器感知能力 選用高精度快速響 應傳感器 多傳感器融合提高測量精度 構建角度反 饋模型消除累計誤差 增加機器視覺實時監控 設置 防側翻閾值預測風險 4 引入機器學習算法 分析預測傳感器數據 提前調整農機姿態 規避側翻風險 實現智能主動防 側翻控制 降低側翻概率 參考文獻 1 孫景彬 劉志杰 楊福增 等 丘陵山地農業裝備與坡地 作業關鍵技術研究綜述 J 農業機械學報 2023 54 5 1 18 2 牟孝棟 楊福增 段羅佳 等 丘陵山地拖拉機調平與防 翻關鍵技術研究現狀與發展趨勢 J 智慧農業 中英文 2024 6 3 1 16 3 中華人民共和國農業農村部 十四五 全國農業機械化 發展規劃 EB OL 2021 12 28 nybgb 2022 202201 202203 t20220302 6390250 htm 4 賴曉 程健華 李尚平 等 丘陵履帶式甘蔗收獲機底盤調 平機構設計與試驗 J 農業機械學報 2024 55 12 100 109 5 楊騰祥 金誠謙 蔡澤宇 等 履帶式聯合收割機橫向調 平底盤設計 J 中國農機化學報 2020 41 7 1 8 6 陳晨 自走式番茄收獲機底盤調平液壓系統設計 J 新疆 農機化 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 耿端陽 孫延成 李華彪 等 履帶式坡地玉米收獲機設 計與試驗 J 農業工程學報 2021 37 13 11 19 9 韓振浩 朱立成 苑嚴偉 等 基于重心自適應調控的山地 果園運輸車設計與試驗 J 農業機械學報 2022 53 2 430 442 10 張開興 張斕 李政平 等 輪式丘陵山地拖拉機扭腰姿 態調整裝置設計與試驗 J 農業機械學報 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 孫景彬 楚國評 潘冠廷 等 遙控全向調平山地履帶拖 拉機設計與性能試驗 J 農業機械學報 2021 52 5 358 369 13 王龍龍 藍鴻 周胥 等 拖拉機極限態側翻回穩陀螺主動 控制系統設計與試驗 J 農業機械學報 2022 53 S2 320 327 14 李臻 秦嘉浩 基于主動轉向控制的輪式拖拉機主動防 側翻控制方法與系統 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 楊福增 牛瀚麟 孫景彬 等 山地履帶拖拉機與農具姿 態協同控制系統設計與試驗 J 農業機械學報 2022 53 1 414 422 17 張軍 李丙春 農機自動駕駛系統方案剖析 J 新疆農機 化 2023 4 11 15 18 姜惠 唐小虎 張旭烽 等 丘陵山地姿態調整輪式拖拉 機運動控制研究 J 農業機械學報 2024 55 6 392 403 19 賈全 張小超 苑嚴偉 等 拖拉機自動轉向系統容錯自 適應滑模控制方法 J 農業工程學報 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 聶友紅 何培祥 輪式拖拉機主動防側翻系統的設 計 J 農機化研究 2023 45 2 236 240 22 孫澤宇 夏長高 蔣俞 等 基于QBP PID的履帶式作業 機全向調平控制研究 J 農業機械學報 2023 54 12 397 406 23 蔣俞 孫澤宇 汪若塵 等 丘陵山區履帶式作業機全向 調平系統設計與性能試驗 J 農業工程學報 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 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