林間病蟲害樹木巡檢標(biāo)記車的越障能力分析與試驗研究

于淼 張志文 戰(zhàn)麗

摘 要：為解決巡查林間病蟲害過程部分病蟲害樹木不能及時發(fā)現(xiàn)從而造成經(jīng)濟損失、林間路況復(fù)雜導(dǎo)致巡林員經(jīng)常受傷的問題，提出林間病蟲害樹木標(biāo)記車，采用空心軸和實心軸向配合的四履帶行走方式，使得整車在完成前后移動的同時也可以通過改變履帶擺動角度來改變標(biāo)記車位置，極大提高標(biāo)記車通過性和越障能力。建立越障模型，得到林間病蟲害樹木標(biāo)記車的參數(shù)和越障高度之間的關(guān)系。通過建立林間病蟲害樹木標(biāo)記車多體動力學(xué)模型，進(jìn)行雙側(cè)越障和單側(cè)越障仿真試驗，得到越障過程中擺臂力矩和擺臂角度的變換規(guī)律。試制模擬樣機進(jìn)行試驗，結(jié)果表明林間病蟲害標(biāo)記車能夠通過調(diào)整姿態(tài)通過林間的障礙物，完成對病蟲害樹木的標(biāo)記。

關(guān)鍵詞：林間病蟲害；標(biāo)記車;越障;試驗

中圖分類號：S776.32+5??? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A?? 文章編號：1006-8023（2023）04-0118-08

Analysis and Test Study on Obstacle-crossing Ability of Forest

Pest and Disease Tree Patrol Marking Vehicle

YU Miao1， ZHANG Zhiwen2， ZHAN Li2*

（1.Heilongjiang Provincial Forestry Technology Service Center， Harbin 161232; 2.College of

Mechanical and Electrical Engineering， Northeast Forestry University， Harbin150040）

Abstract：In order to solve the problem that some pests and diseases can not be found in time during the forest inspection， resulting in economic losses， and the complex road conditions in the forest lead to frequent injury of forest patrollers， this paper proposes a forest pests and diseases tree marking vehicle， which adopts the four-track walking mode of hollow shaft and solid axial cooperation， so that the vehicle can change the position of the marking vehicle by changing the swing angle of the track while completing the front and back movement， It has greatly improved the passing ability and obstacle surmounting ability of the marked vehicle. In this paper， the obstacle surmounting model is established， and the relationship between the parameters of the tree marker vehicle and the obstacle surmounting height is obtained. Through establishing the multi-body dynamics model of the tree marker vehicle for forest diseases and insect pests， the simulation experiments of double-side obstacle crossing and single-side obstacle crossing were carried out， and the transformation laws of the swing arm moment and swing arm angle during obstacle crossing were obtained. The simulation prototype was trial-produced for test， and the results showed that the forest pest and disease marking vehicle could complete the marking of pest and disease trees by adjusting its posture through the obstacles in the forest.

Keywords：Forest diseases and insect pests; Marking vehicle; Obstacle crossing; test

收稿日期：2023-3-14

基金項目：黑龍江省自然科學(xué)基金項目（TD2020C001）；中央財政林業(yè)科技推廣示范項目（黑[2022] TG13號）

第一作者簡介：于淼，高級工程師。研究方向為林業(yè)裝備與信息技術(shù)。E-mail： 37975405@qq.com

通信作者：戰(zhàn)麗，博士，副教授。研究方向為林業(yè)智能裝備、工業(yè)設(shè)計。E-mail： 727485313@qq.com

引文格式：于淼，張志文，戰(zhàn)麗.林間病蟲害樹木巡檢標(biāo)記車的越障能力分析與實驗研究[J].森林工程，2023，39（4）：118-125.

YU M， ZHANG Z W， ZHAN L. Analysis and test study on obstacle-crossing ability of forest pest and disease tree patrol marking wehicle[J]， Forest engineering，2023，39（4）：118-125.

0 引言

目前林業(yè)病蟲害是我國森林資源所面臨的重要問題，2021年我國馬尾松毛蟲發(fā)生面積共計2.4×104 hm2[1]，松材線蟲病發(fā)生6×107 hm2，給我國森林資源帶來了巨大損失[2-3]?？刂撇∠x害傳播的有效手段就是及時發(fā)現(xiàn)積極防制。目前主要發(fā)現(xiàn)病蟲害的方法是通過工作人員巡查相關(guān)林區(qū)來發(fā)現(xiàn)病蟲害，然后及時砍伐或者噴灑藥水[4-6]。但是巡查員數(shù)量較少，巡查員負(fù)責(zé)林區(qū)面積較大，由于勞累或疏忽，部分感染樹木不能及時發(fā)現(xiàn)，而且由于林區(qū)環(huán)境復(fù)雜，經(jīng)常會有巡查員在巡查過程中受傷。因此，為了及時發(fā)現(xiàn)林業(yè)病蟲害問題，設(shè)計了一款林間病蟲害樹木標(biāo)記車來代替巡查員，以提高巡林員工作安全性和工作效率。

1 林業(yè)病蟲害樹木標(biāo)記車結(jié)構(gòu)組成

林間病蟲害樹木標(biāo)記車主要由行走部分、電機部分、標(biāo)記車構(gòu)、車體、圖像傳輸和電池組成，具體結(jié)構(gòu)圖 1所示。通過軸和空心軸相互配合的方式，使得履帶在完成前后移動的同時也可以自由轉(zhuǎn)動，極大提高了標(biāo)記車通過性和越障能力，主要的結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖 2所示，圖2中，o1、o2、o3、o4前后履帶從動輪和驅(qū)動輪圓心；l1為前后履帶驅(qū)動輪軸距，既o2o3的距離；l2為后履帶主動輪軸到標(biāo)記車質(zhì)心的水平距離；l3為履帶主動輪驅(qū)動輪距離，既o1o2的距離；l4為履帶驅(qū)動輪主動輪距離；θf、θr前后履帶轉(zhuǎn)動角度；在o4處建立坐標(biāo)系xo4y，β為車體與水平面的夾角。

2 越障分析

林間標(biāo)記車在移動過程中會遇到許多凹坑、突起和已砍伐的病蟲害倒木等[7-8]，通過障礙物的部分主要分為雙側(cè)越障和單側(cè)越障，現(xiàn)在就2種越障方式進(jìn)行分析。

2.1 雙側(cè)越障

林間病蟲害樹木標(biāo)記車在林間通過臺階障礙物的一種方式為正向通過，該方式為林間病蟲害樹木標(biāo)記車前進(jìn)方向與障礙物垂直。林間病蟲害樹木標(biāo)記車擺臂不用動作所能達(dá)到翻過的最大高度如圖 3所示，翻越較低臺階時候，臺階高度H≤ra，林間病蟲害樹木標(biāo)記車履帶擺臂不用發(fā)生動作，可以直接越過障礙物。

當(dāng)障礙物較高時候，林間病蟲害樹木標(biāo)記車需要履帶擺臂擺動，調(diào)整林間病蟲害樹木標(biāo)記車姿態(tài)從而越障。車體與臺階外沿線相互接觸，此時為臨界狀態(tài)，若此時標(biāo)記車所受重力在臺階外沿的左側(cè)，則標(biāo)記車不能夠通過高度障礙；若此時標(biāo)記車所受重力在臺階外沿線右側(cè)，則在重力作用下，林間病蟲害樹木標(biāo)記車能夠越障成功[9]；那么越障是否成功的臨界狀態(tài)應(yīng)該為此刻林間病蟲害樹木標(biāo)記車重力與障礙物外沿線相重合[10-15]，如圖 4所示，依據(jù)林間病蟲害樹木標(biāo)記車和越障臺階的幾何關(guān)系可得如下關(guān)系式

H≤l3+rp+xGsinβ+yGcosβ。（1）

式中：H為障礙物高度，mm;xG、yG為林間病蟲害樹木標(biāo)記車在xo4y坐標(biāo)系下的重心坐標(biāo);l3為履帶主動輪驅(qū)動輪距離既o1o2的距離，mm；rp為主動輪半徑，mm;β為車體與水平面的夾角 ，（°）。

首先，檢測到臺階障礙物之后，前履帶開始接觸到臺階，如圖 5（a）所示；隨著林間病蟲害樹木標(biāo)記車前進(jìn)，林間病蟲害樹木標(biāo)記車重心開始升高，車體仰角開始升高，如圖 5（b）所示；林間病蟲害樹木標(biāo)記車?yán)^續(xù)向前移動，前履帶逆時針旋轉(zhuǎn)，林間病蟲害樹木標(biāo)記車?yán)^續(xù)仰角繼續(xù)增大，如圖 5（c）所示，后擺臂逆時針轉(zhuǎn)動將車體抬高，轉(zhuǎn)動到后擺臂旋轉(zhuǎn)中心與臺階到達(dá)同一高度停止旋轉(zhuǎn)，向前移動，直到后擺臂接觸臺階外沿線，如圖 5（d）所示；車輛繼續(xù)向前，后擺臂開始順時針轉(zhuǎn)動，整車質(zhì)心完全越過障礙物，如圖 5（e）所示；擺臂恢復(fù)越障前的姿態(tài)，繼續(xù)前進(jìn)，如圖 5（f）所示。

2.2 單側(cè)越障

林間路況復(fù)雜，在遇到狹窄障礙物，需要林間病蟲害樹木標(biāo)記車在側(cè)傾姿態(tài)通過障礙物。為了保證林間病蟲害樹木標(biāo)記車在單側(cè)通過障礙物過程中能夠穩(wěn)定順利，本研究采用重心投影法對林間病蟲害樹木標(biāo)記車進(jìn)行穩(wěn)定分析，由于林間病蟲害樹木標(biāo)記車的接地點主要是由4個履帶與地面接觸，所以通過確定3個接地點確定1個穩(wěn)定平面。以林間病蟲害樹木標(biāo)記車的三履帶從動輪接地為例，如圖 6所示，后履帶驅(qū)動輪接地，前履帶一個從動輪接地，一個履帶離地的姿態(tài)下，3個履帶接地點可以組成1個三角形ABC，如果林間病蟲害樹木標(biāo)記車重心在地面投影的三角形ABC內(nèi)部時，林間病蟲害樹木標(biāo)記車則處于穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)林間病蟲害樹木標(biāo)記車前右履帶擺動，擺動前履帶驅(qū)動輪

到C1點時候為林間病蟲害樹木標(biāo)記車穩(wěn)定的臨界姿態(tài)，當(dāng)超過C1點，林間病蟲害樹木標(biāo)記車則會沿著AC1線進(jìn)行轉(zhuǎn)動，林間病蟲害樹木標(biāo)記車失穩(wěn)[16-17]。

林間病蟲害樹木標(biāo)記車單側(cè)越障示意如圖 7所示，臺階高度為H，在右前側(cè)履帶從動輪建立坐標(biāo)系，擺臂旋轉(zhuǎn)角度為θ3，林間病蟲害樹木標(biāo)記車質(zhì)心坐標(biāo)相對于前履帶擺臂坐標(biāo)系的坐標(biāo)3T0為

3T0=100－l3－l1cosθ3010rp+l3sinθ3001－B/20001。（2）

式中：l1為前后履帶驅(qū)動輪軸距，mm;B為標(biāo)記車寬度，mm;θ3為右前履帶擺動角度，（°）。

標(biāo)記車擺臂與地面的接觸點在林間病蟲害樹木標(biāo)記車體坐標(biāo)系下的坐標(biāo)3Pc為式（3）

3Pc=3Tc0Pc=m0x0+m0（l4cosθ1+l4cosθ3+l4cosθ2+l4cosθ4+l1）m0+4m1－l1－l3cosθ3（m0y0+2m1（l4sinθ1+l4sinθ3+l4sinθ2+l4sinθ4）m0+4m1+rp+l3sinθ3）cosφ－（y0－B2）sinφ（m0z0+2m1（l4cosθ1+l4cosθ3+l4cosθ2+l4cosθ4）m0+4m1+rp+l3sinθ3）sinφ+（z0－B2）cosφ1。（3）

式中：m0為車體質(zhì)量，kg;m1為履帶質(zhì)量，kg;l3為履帶主動輪到履帶質(zhì)心距離，mm;θ1、θ2、θ3、θ4為左前、左后、右前、右后履帶擺角，（°）；φ為車體橫滾角，（°），x0、y0、z0為車體在坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。

令（m0z0+2m1（l4cosθ1+l4cosθ3+l4cosθ2+l4cosθ4）m0+4m1+rp+l3sinθ3）sinφ+（z0－B2）cosφ=0，林間病蟲害樹木標(biāo)記車重心與前擺臂坐標(biāo)系的X軸重合，此時橫滾角最大，林間病蟲害樹木標(biāo)記車單側(cè)越障可以攀爬單側(cè)障礙物的最大高度Hmax為

Hmax=l3cosφmax+Bsinφmax。（4）

式中，φmax為最大橫滾角，kg。

所以當(dāng)林間病蟲害樹木標(biāo)記車單側(cè)障礙物高度H

H=（l3sinθ3+rp－ra）cosφ。（5）

式中，ra為主動輪半徑，mm。

在林間病蟲害樹木標(biāo)記車單側(cè)越障的工況下，當(dāng)臺階單側(cè)障礙物高度H<（l3+rp－ra）時，可以通過調(diào)整林間病蟲害樹木標(biāo)記車單側(cè)履帶擺臂擺角，使得林間病蟲害樹木標(biāo)記車車體保持水平狀態(tài)通過。當(dāng)臺階（l3+rp－ra）≤H≤Hmax時，林間病蟲害樹木標(biāo)記車車體將會向低側(cè)履帶傾斜，但是依然能夠穩(wěn)定通過。綜上，要使得林間病蟲害樹木標(biāo)記車能夠穩(wěn)定地單側(cè)通過障礙物，需要林間病蟲害樹木標(biāo)記車擺臂角度滿足式（6）。

θ3=arcsinH+ra－rpL1，H<（l3+rp－ra）θ3=90，（l3+rp－ra）≤H≤Hmax。（6）

3 動力學(xué)仿真

林間病蟲害樹木標(biāo)記車模型由于零部件較多，若將三維模型全部導(dǎo)入Recurdyn進(jìn)行動力學(xué)仿真，將會導(dǎo)致模型過于復(fù)雜，從而降低了計算效率，為了簡化模型，采用簡化的車體代替標(biāo)記車車體，通過改變該實體的質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣量和重心位置等參數(shù)，提高模型的準(zhǔn)確性[18]。同理將履帶機架也進(jìn)行相同簡化。簡化之后的動力學(xué)模型如圖 8所示。

3.1 雙側(cè)越障

建立高度為300 mm的障礙物模型，按照翻越臺階障礙物的動作規(guī)劃，首先將標(biāo)記車擺臂位于水平姿態(tài)。設(shè)定標(biāo)記車驅(qū)動輪驅(qū)動函數(shù)為step（time，0，0，2，-90°），前履帶擺臂驅(qū)動函數(shù)step（time，2，0，2.5，30°）+step（time，4，0，5，60°）+step（time，9.5，0，12，30°），后擺臂驅(qū)動函數(shù)為step（time，2，0，4.5，225°）+step（time，9.5，0，12，-225°），前后履帶擺動角度變化，如圖 9所示。

設(shè)置仿真時間為15 s，仿真過程如圖 10所示。分別提取越障過程標(biāo)記車Y向位移和前后履帶驅(qū)動力矩如圖11和圖12所示。第2秒時刻檢測到障礙物，前后履帶開始擺動，第4秒前履帶完成到達(dá)60°，前履帶接觸到臺階外沿，前履帶擺臂力矩為100 N/m，為了保證能夠越障成功，前履帶開始順時針轉(zhuǎn)動，撐起車體，此時后履帶也將車體撐起；5～9.5 s為穩(wěn)定向前移動階段，Y向位移保持不變，前后履帶擺動驅(qū)動力矩保持較?。?.5 s標(biāo)記車后履帶擺臂接觸到臺階外沿，后履帶開始順時針轉(zhuǎn)動，恢復(fù)到原來姿態(tài)，同時前履帶也開始逆時針轉(zhuǎn)動，恢復(fù)到初始位置越障完成。結(jié)果表明標(biāo)記車能夠按照預(yù)先設(shè)計越障動作，通過障礙物。

由于雙側(cè)越障過程中，左右兩側(cè)履帶動作基本一致，所以提取了標(biāo)記車越障過程中右側(cè)前后履帶擺臂驅(qū)動力，通過驅(qū)動力矩變化情況分析，標(biāo)記車底盤在爬升到一定高度之后，由于履帶和路面的接觸面積較小，驅(qū)動力矩波動變化較大。

3.2 單側(cè)越障

為驗證標(biāo)記車單側(cè)越障能力，建立單側(cè)越障障礙物模型，如圖13中灰色部分所示。首先進(jìn)行外側(cè)履帶不撐起仿真實驗，障礙物高度為300 mm，標(biāo)記車檢測到障礙物時，左前履帶開始擺動30°，同時左后側(cè)履帶也開始轉(zhuǎn)動210°，當(dāng)左前側(cè)履帶接觸到障礙物后，又前側(cè)履帶恢復(fù)到初始狀態(tài)，繼續(xù)前進(jìn)，當(dāng)右后側(cè)驅(qū)動輪接觸到臺階外沿之后，后側(cè)履帶恢復(fù)正常姿態(tài)，完成越障。

進(jìn)行了300、350、400 mm 3種不同高度障礙物仿真實驗，結(jié)果表明當(dāng)高度達(dá)到400 mm時候，右側(cè)履帶不撐起姿態(tài)通過單側(cè)障礙物將會失敗，發(fā)生側(cè)翻，側(cè)翻仿真如圖14所示，大于該高度，則需要外側(cè)履帶參與，來調(diào)整標(biāo)記車側(cè)傾角度。

為了提高單側(cè)通過障礙物的通過性和穩(wěn)定性，林間病蟲害樹木標(biāo)記車在通過單側(cè)障礙物時候，為了保證車體水平姿態(tài)，需要不斷調(diào)整移動標(biāo)記車履帶擺動的角度，以高度為400 mm高度障礙為例，通過調(diào)整擺臂角度，使得標(biāo)記車可以水平通過，仿真過程如圖15所示，標(biāo)記車各履帶擺角變化如圖16所示。2 s之前為標(biāo)記車準(zhǔn)備階段如圖15（a）所示，檢測到障礙物之后，2～2.5 s左前履帶開始轉(zhuǎn)動30°，保證標(biāo)記車前履帶可以接觸障礙物外沿，2～4 s左后履帶開始轉(zhuǎn)動270°，右側(cè)履帶開始將車體撐起，4～5 s，左前履帶轉(zhuǎn)動-30°，右前履帶轉(zhuǎn)動-90°，為了保證車體穩(wěn)定性，右后履帶轉(zhuǎn)動270°，當(dāng)12～13 s時候，右后履帶接觸到障礙物外沿，開始轉(zhuǎn)動-90°如圖15（e）所示，當(dāng)13 s之后車體進(jìn)入穩(wěn)定姿態(tài)，標(biāo)記車姿態(tài)如圖15（f）所示，完成越障。

4 試驗

在林間病蟲害標(biāo)記車作業(yè)過程中，會遇到部分標(biāo)記已近砍伐但未及時清理的倒木，若進(jìn)行繞行則會增加路程，直接通過將會節(jié)省時間，提高檢測效率，因此進(jìn)行通過倒木試驗，試驗過程如圖17所示。標(biāo)記車能夠通過直徑為200 mm的伐木。

在林間地形中，需要標(biāo)記車橫向通過斜坡，或者單側(cè)履帶通過障礙物，為了驗證上述情況下林間病蟲害標(biāo)記車的通過性，進(jìn)行了橫向通過坡面實驗，過程中保持車體水平姿態(tài)的試驗，試驗過程如圖18所示，通過調(diào)整前后側(cè)履帶的轉(zhuǎn)動角度，使得車體保持水平姿態(tài)通過。

5 結(jié)論

本研究設(shè)計了一種林間病蟲害樹木標(biāo)記車，采用四履帶作為行走機構(gòu)，使得標(biāo)記車在移動過程中，履帶可以自由擺動，分析了標(biāo)記車不同姿態(tài)的越障性能，進(jìn)行了仿真和試驗，得到如下結(jié)論。

1）通過分析在雙側(cè)越障過程中重心與障礙物外沿線的關(guān)系，確定了雙側(cè)越障高度和標(biāo)記車幾何參數(shù)的關(guān)系為H≤l3+rp+xGsinβ+yG/cosβ；規(guī)劃了標(biāo)記車雙側(cè)履帶越障履帶動作順序，通過仿真和試驗的方式驗證了越障動作的合理性。

2）通過分析重心投影法得到了標(biāo)記車在單側(cè)履帶通過障礙物過程中保持穩(wěn)定的充要條件，根據(jù)此條件的道路標(biāo)記車在單側(cè)通過障礙物過程中擺臂的旋轉(zhuǎn)角度θ和障礙物高度H的關(guān)系。通過動力學(xué)仿真，得到了標(biāo)記車單側(cè)越障時履帶擺角情況。

3）建立了標(biāo)記車樣機，進(jìn)行多種地形的通過性實驗，結(jié)果表明林間病蟲害樹木標(biāo)記車越障能力強，能夠調(diào)整車體姿態(tài)來通過不同的地形，可以代替巡林員進(jìn)行林間病蟲害樹木的巡查工作。

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