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I G I T C W 专题
0 引言
我国是世界第一大产棉国，同时也是世界第一大棉花进口国，这也造就了中国成为世界纺织大国的地位。新疆省是我国重要的棉花产区，其得天独厚的优良环境和大面积的种植使棉花生产产量不仅在全国是第一，在世界上也是首屈一指的。在如此巨大的生产需求之下，如果仅仅只采用传统的人工打顶方式，显然需要投入大量的人力与成本。其中棉花打顶是棉花生产过程中必不可少的一项作业，可以促进旁枝的发育和生长，增加棉铃的数量，从而达到提高棉花产量的目的。棉花打顶的工作周期较短，劳动强度大，从而限制的棉花的种植规模和产量。因此国内外都在研发可以用于棉花打顶的机械设备，通过有效的打顶来促进棉株早结铃、多结铃、减少脱落，以达到显著的增产增收效果。 美国学者Alex Marquis 和Willie Sprott [1]早在1917
年就制作了世界上第一台棉花打顶机，可利用畜力水平牵引，打顶方式借鉴剃头刀原理，通过人力使齿形刀具做水平间歇运动从而对棉株进行打顶。1954年美国学者Howell Judson Prcie [2]首次将可调节控
制的打顶高度的概念引入棉花打顶机。它先通过垂直标尺去测量棉株顶端高度，再利用刻度盘来调整并完成对打顶高度的调控，调控的高度依据是所测量好的棉株高度值。国内在该领域的研究起步较晚，二十一世纪以来，我国多家科研机构也陆续在棉花打顶机设备上投入科学研究。2003年至2008年，石河子大学学者胡斌等[3-6]研制出了数代悬挂式的棉花打顶机，初步实现了扶禾、打顶、放开这一套连续作业和主侧枝同步打顶的基本目的。2010年，周海燕等[7]科研人员研制了3WDZ-6型自走式棉花打顶机，该打顶机第一次实现了打顶作业后的药控工作，达到了一机多用的目的。但现存的打顶机还存在以下一些问题：高度仿形效果差，没有办法及时地调控车身的高度来适
刘正波，鲍义东，卢智琴
（贵州航天智慧农业有限公司，贵州 贵阳 550000）
摘要：棉花是我国主要的经济作物之一，及时有效的对棉苗打顶可以去除其顶端优势，增加棉铃的数量，对棉花增产具有至关重要的作用。智能棉花打顶是实现棉花种植实现机械化和智能化的关键环节。针对棉苗生长特点及作物种植环境，对智能棉花打顶机器人移动平台结构进行优化设计。研究了棉花打顶机的运载底盘离地间隙和轮胎间距的调节机构，以适应棉株的不同种植情况。从而设计一种移动平台来实现棉花打顶机器人作业空间优化，利用运动学仿真对平台进行了稳定性分析，并对底盘 主要受力的支座进行有限元分析，验证了设计的合理性及可靠性。 关键词：棉花打顶机；地隙调节；轮距调节；稳定性分析doi ：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2021.01.032中图分类号：TP242，S224 文献标示码：A 文章编码：1672-7274（2020）01-0076-04
Optimal Design of High Ground Clearance Mobile Platform
Mechanism of Cotton Topping Robot
LIU Zhengbo, BAO Yidong, LU Zhiqin
(Guizhou Aerospace Wisdom Agriculture Co., Ltd., Guiyang 550000, China)喷香器
Abstract :Cotton is one of the main economic crops in China. Removing the apical dominance could increase the
number of cotton bolls, which plays a vital role in increasing cotton yield. Intelligent cotton top-cutting is the key to realize mechanization and intelligence of cotton planting. According to the characteristics of cotton seedling growth and crop planting environment, the structure of intelligent c
otton topping robot mobile platform was optimized. In order to adapt to the different planting conditions of cotton, the adjustment mechanism of the carrier chassis ground clearance and tire spacing of the cotton topping machine was studied. A mobile platform was designed to optimize the working space of the cotton topping robot. The stability of the platform was analyzed by kinematics simulation, and the main bearing of the chassis was analyzed by fi nite element method. The rationality and reliability of the design were veri fi ed.
Keywords :cotton topping machine; ground clearance adjustment; wheel track adjustment; stability analysis
作者简介：刘正波（1978-），男，汉族，辽宁大连人，高级政工师，硕士，研究方向为农业信息化。
鲍义东（1982-），男，汉族，浙江兰溪人，副教授，博士，研究方向为农业信息化/人工智能/大数据。 卢智琴（1993-），女，汉族，甘肃景泰人，硕士，研究方向为农业信息化。
摩根轧机
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专题技术
DCW
手印台应前方棉株的长势情况；宽度仿形效果差，不能针对不同的棉株种植行距来进行适当地调整。
针对上述问题，设计了一种移动平台来实现棉花打顶机器人作业空间优化，利用运动学仿真进行了稳定性分析，并对平台主要受力的支座进行有限元分析。
1 结构设计
棉花打顶是指在棉花生长过程中为抑制棉花顶端优势和促进旁枝生长以及提高产量而去除棉苗顶尖，是种植棉花过程中必不可少的作业。由于棉花具有高矮不一和行距密度不同的特点，所以设计一种运载底盘能够调控离地间隙和两侧轮胎间距以实现棉花打顶机器人作业空间优化。
底盘包括地隙调节装置与轮距调节装置等部件，其整体结构轴测图如图1
所示。
图1 底盘结构图
1-平板；2-底盘外框架；3-地隙调节电动推杆；4-移动支座；5-支撑电动推杆；6-配重块；7-轮毂电机；8-导向轮；9-地脚；10-万向轮；11-固定支座
1.1 地隙调节机构
地隙调节机构的驱动装置为电动推杆，行程均选取
150 mm ，推力为2000 N/mm 。四个竖直布置的地隙电动推杆分别安装在固定支座和移动支座上，地隙的调节通过同时控制各个电动推杆推动相同距离实现。
棉株的高度各不相同，顶端高度分布范围在490-910 mm ，因此底盘需要有足够的最大无障碍高度以保证在棉田中顺利行进与作业。设计的移动平台当地隙调节推杆全收缩和全拉伸时（0-150 mm ），车身总高度为1022-1172 mm ，而无障碍高度为822-972 mm 。无障碍高度是棉花作物能够没有障碍地通过底盘下方的高度，是一项
重要的设计参数。
图2 底盘地隙调节机构结构图
2-底盘外框架；3-地隙调节电动推杆；4-移动支座；7-轮毂电机；8-导向轮；
9-地脚；11-固定支座；12-轮距调节电动推杆；13-滑块；14-导轨
1.2 轮距调节机构
轮距调节机构的轮距调节推杆安装在底盘外框架下方，该推杆一端于固接底盘外框架固接，另一端与移动支座固接。移动支座上的地隙调节推杆与滑块固接，而与滑块相配合的导轨安装在底盘外框架下方。在移动支座下方还安装有支撑电动推杆，后者还安装有导向轮。
底盘调节轮距时，支撑电动推杆启动，将底盘移动支座一侧顶起，使万向轮与轮毂电机脱离地面，而导向轮与地面接触。在此之后轮距调节电动推杆启动，推动移动支座移动，实现底盘的轮距调节。在底盘轮距调节完成后，支撑电动推杆缩回，底盘可以重新正常行进。
在移动支座下方设置支撑推杆与导向轮，是用作侧面移动支座的移动导向，能避免轮胎的摩擦损坏或地面摩擦过大致使轮距调节失败。
一般棉株种植行距为660 mm 左右，设计的移动平台当轮距调节推杆全收缩和全拉伸时（0-150 mm ），两侧支座的轮胎间距为580-730 mm ，满足棉株种植环境的行距要求。
2 运动学仿真
棉花打顶机运载底盘与地面间隙高达900 mm 左右，属于高地隙作业车，在田间高低起伏的路面上行驶有发生倾覆的危险。因此对于棉花打顶机器人运载底盘而言稳定性是重要的设计指标，利用SolidWorks Motion 进行对高地隙移动平台运动学仿真获取底盘的倾覆角参数。
2.1 仿真过程
构建一个具有转动自由度的试验平台如图3所示，首先将移动平台调整到最容易发生倾覆的状态。地隙最高，轮距最窄的情况下进行分析，此时底盘的稳定性最差[8]。
设定平板在驱动马达作用下做匀角速度旋转，旋转速度为1 RPM 。设置轮胎与试验平台为实体接触配合。让试验平台逆时针旋转，检测在该过程中平板的角位移
情况和平面对将倾覆一侧轮胎的反作用力情况。
图3 仿真试验平台示意图
2.2 仿真结果
通过检测分析平台对将倾覆一侧轮胎的反作用力，即可确定底盘横向行驶时的倾覆角。由图4可知，时间
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在3.9 s 时平面对将倾覆一侧轮胎的反作用力变为零，即底盘倾覆。两表对照，从角位移图像上可以看
出此时平板角位移为24.5°，即移动平台地隙最高轮距最小时的横向侧翻倾角为24.5
°。
图4
仿真试验平台反作用力变化曲线图
图5 仿真试验平台角位移变化曲线图微服务开发
防爆钟3 有限元仿真
蒸汽吸尘器固定支座与移动支座是棉花打顶机器人移动平台的主要承载部件，必须有足够的强度才能在面对复杂
的农田环境时，不产生失效、变形甚至断裂的情况。基于SolidWorks Simulation 对固定支座与移动支座进行了的静力学分析，确保车体可以承受足够大的载荷不发生失效。
由于支座采用横截面复杂的铝型材搭建而成，为降低仿真分析的计算难度，将铝型材结构简化后进行仿真分析。同时，将各零部件的材料定义为型号6063-T5的铝合金。
3.1 固定支座仿真分析
为完成静应力分析，首先需要对模型进行约束，固定约束两地脚底面。底盘设计的最大载重量为130 kg ，因此对固定支座中地隙调节推杆的上表面施加650 N 的外力，即一半的重力。而固定支座上的配重块用相对应的均布载荷替代。网格划分的密度直接影响仿真分析的结果，采用默认的中等密度对固定支座进行网格划分。
静力学仿真分析得到位移云图和应力云图如图5、图6所示，均以真实的变形比例。从分析结果可以得出其最大位移5.215×10-2mm ，最大应力为3.656×106Pa 。支座材料屈服极限强度为145MPa ，而固定支座各处应力远小于材料屈服强度，因此固定支座的设计满足力学
性能要求。
图6 固定支座位移云图
图7 固定支座应力云图
3.2 移动支座仿真分析
移动支座以未被支撑电动推杆撑起时的状态进行分析。仿真过程与固定支座的步骤类似，得到位移云图和应力云图如图7、图8所示。从结果可以得出其最大位移3.348×10-2mm ，最大应力为2.344×106Pa ，那么固定支
座的设计满足力学性能要求。
图8
移动支座位移云图
图9 移动支座应力云图
4 结束语
以棉花打顶机器人的高地隙移动平台优化设计为主要研究方向。设计一种移动平台能够调控离地间隙
和两侧轮胎间距以实现棉花打顶机器人作业空间优化；利用SolidWorks Motion 进行运动学仿真确定了底盘的横向倾覆角为24.5°；最后对固定支座与移动支座进行了基于SolidWorks Simulation 的静力学分析，确保车体设计满足力学性能要求。
参考文献
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技术应用DCW
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验[J].农业工程学报，2017，33（16）： 32-40.
留通信通道，保障通信畅通。
3.1 日常警务工作、突发案事件和大型勤务保障
应用
目前，作为公安无线专网通信的重要组成部分，350M警用数字集通信网（PDT）和340M公安无线图传网已经成为公安部门日常警务工作中必不可少的通信保障手段，在突发案事件和大型勤务保障中350M专网、340M专网、卫星通信专网更是发挥着无法替代的作用，同时在小范围内配合LTE专网、Mesh专网等其他专网通信手段可以实现音视频和数据的时时上传下达。
3.2 抢险救灾和处置突发公共安全现场的应用
在抢险救灾和突发公共安全现场，公网的系统普遍都会遭到破坏，通信能力都会大大降低。为确保现场公安通信的畅通，公安部门会第一时间出动指挥车和通信设备保障车，在现场允许的位置展开指挥车搭建指挥部，依托自身的专网通信保障能力，开通语音、图像和数据采集设备，利用350M移动、卫星便携站、动中通、LTE、Mesh等专网设备，通过信号接力传输的方式，确保前方指挥部、后方指挥中心的互联，建立双向音视频和数据传输链路，确保专网通信的畅通。
4 公安无线专网通信系统存在的问题和解
决的思路
4.1 通信规范技术体制标准方面
目前，国内公安部门尚无国家批准的无线专用宽带频段，只在150M频段、340M（336-340M公安优先使用）频段、350M频段窄带有可用的频率，在1430-1438M可用于警用无人驾驶航空器和直升机视频传输。公安的PDT系统已形成十项行业标准和七项国家标准，成为我国第一套完全自主知识产权的专业窄带数字集标准。公安部门也在积极向有部门争取专用的宽带频段，但频率资源的确十分紧张。在此同时，公安部门也在与“北京华通专业数字集标准创新联盟”和相关厂家一起，在现有频段上做大胆的尝试和应用，“联盟”成员已经研发出了PDT+LTE、PDT+4G和340M无线宽带传输等相关的系统和终端，但目前为止还没有确定统一的标准。如何利用最新通信技术，深挖现有资源潜力是当前技术领域需要解决的重点问题。在无线专网应急通信设备设计制造上应更加突出智能化、小型化、模块化、集约化，实现携带方便和操作便捷，更多强调设备的易用性与实用性，聚焦现场通信保障条件下快速布设、一键开机、自动成网、无缝延伸等核心需求。因此，加强行业资质与认证体系建设，建立统一的通信规范技术体制标准势在必行。
4.2 自身建设和能力水平方面
近年来，公安应急通信保障人员从数量和质量上都得到了较大提升，也成立了应急通信保障队伍，在
人员构成、队伍训练、器材装备上都有了长足的进步。但从实战效果来看还存在着不足，保障人员素质能力还存在着一定差距：一是应急通信保障队伍对现场的应急通信认识不到位，主要还局限在现场简单的语音与图像回传这一层面，没有把现场通信覆盖的深度和广度，无线专网通信设备应用的系统化和模式化作为首要任务来抓；二是缺乏日常反复性的演练，对宽窄带融合等无线专网通信设备、中继设备等新型通信装备了解不够深入，缺乏实战经验，在现场还存在不会用、不敢用的现象。为解决这些问题，应尽快建立完备的学习、培训、研讨和演练机制，让参与保障人员都要做到对所用设备熟练掌握其原理、性能指标和操作规范。
5 结束语
综述，公安无线专网通信系统的不断发展可以有效地提高通信保障能力。充分认清加强公安无线专网通信保障能力建设是“科技强警”战略的必然要求。通过规范建设要求、装备需求和人才队伍的培养等举措，充分发挥无线专网通信系统的能力。随着大数据、云计划、数字卫星通信和5G通信的快速发展与融合，公安无线专网通信保障也必将从单一手段集成，逐步形成一体化、体系化，全方位、全时空的立体通信保障系统。
参考文献
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出版社，2017.
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