无人甘蔗小车履带式底盘行走系统的研究

1.1 研究背景与意义

1.1.1 研究背景

甘蔗作为全球最重要的糖料作物之一，在农业经济领域占据着举足轻重的地位。我国是甘蔗的主要种植国家，尤其是广西、广东、云南等地，甘蔗种植面积广泛，是当地农业经济的重要支柱产业。甘蔗不仅是制糖的主要原料，其副产品还广泛应用于造纸、饲料、能源等多个领域，对相关产业的发展起着关键的支撑作用。据统计，我国每年的甘蔗产量巨大，为食糖生产提供了坚实的原料基础，同时也为地方经济发展和农民增收做出了重要贡献。

然而，传统的甘蔗种植方式主要依赖人工操作，这种方式存在诸多局限性。在甘蔗种植的各个环节，如播种、田间管理、收获等，人工劳动强度极大。以甘蔗收获环节为例，由于甘蔗植株高大、茎秆坚硬，人工砍伐需要耗费大量的体力和时间。而且，人工种植效率低下，难以满足大规模甘蔗种植的需求。在劳动力成本不断上升的今天，人工种植甘蔗的成本也在逐年增加，这严重压缩了甘蔗种植的利润空间，降低了蔗农的种植积极性。此外，人工种植还存在着作业质量不稳定、受天气等自然因素影响较大等问题，这些都制约了甘蔗产业的进一步发展。

随着农业现代化的不断推进，农业机械化成为提高农业生产效率、降低生产成本的必然趋势。无人甘蔗小车作为一种新型的农业机械设备，具有自动化、智能化的特点，能够有效解决人工种植甘蔗的诸多问题。而履带式底盘作为无人甘蔗小车的关键部件，其性能的优劣直接影响着小车的行驶稳定性、通过性和作业效率。因此，开展对无人甘蔗小车履带式底盘行走系统的研究具有重要的现实意义，它能够满足甘蔗种植产业对高效、智能农业机械设备的迫切需求，推动甘蔗种植产业向现代化、智能化方向发展。

1.1.2 研究意义

本研究对无人甘蔗小车履带式底盘行走系统的深入探究，在多个方面具有重要意义。在提高甘蔗种植效率方面，无人甘蔗小车能够实现 24 小时不间断作业，相比人工种植，其作业速度更快、效率更高。例如，在甘蔗播种环节，无人甘蔗小车可以精准地按照预设的行距和株距进行播种，大大提高了播种的效率和均匀性；在田间管理环节，能够快速完成施肥、除草、灌溉等作业，节省了大量的时间和人力成本。通过提高种植效率，能够使甘蔗在更短的时间内完成各个生长阶段的管理，从而提高甘蔗的产量和质量。

从降低成本角度来看，使用无人甘蔗小车可以减少对大量人工劳动力的依赖。随着劳动力成本的不断攀升，人工种植甘蔗的成本也越来越高。而无人甘蔗小车一次性投入后，虽然初期成本较高，但从长期来看，其运行成本相对较低。它不需要支付人工工资、福利等费用，同时还能避免因人工操作失误而带来的损失，从而有效降低了甘蔗种植的总成本，提高了甘蔗种植的经济效益。

推动农业机械化进程也是本研究的重要意义之一。无人甘蔗小车的应用是农业机械化、智能化发展的具体体现。它将先进的机械技术、电子技术、信息技术等融合在一起，为农业生产带来了新的变革。通过对无人甘蔗小车履带式底盘行走系统的研究和优化，可以为其他农业机械设备的研发和改进提供参考和借鉴，促进整个农业机械化产业的发展，提升我国农业现代化水平，增强我国农业在国际市场上的竞争力。

1.2 国内外研究现状

在国外，甘蔗种植机械化发展较早，一些农业发达国家在无人甘蔗小车及履带式底盘行走系统方面取得了显著成果。美国作为农业机械化高度发达的国家，其研发的无人甘蔗小车配备了先进的全球定位系统（GPS）和地理信息系统（GIS），能够实现高精度的自主导航和作业路径规划。例如，约翰迪尔公司研发的一款农业无人车，通过搭载的多传感器融合系统，包括激光雷达、摄像头、毫米波雷达等，能够实时感知周围环境信息，在甘蔗种植园中可以精确地完成播种、施肥、灌溉等作业任务 ，大大提高了作业效率和质量。

在欧洲，德国和法国等国家也在积极开展无人甘蔗小车及履带式底盘行走系统的研究。德国的一些科研机构致力于开发智能化的履带式底盘，采用了先进的机电一体化技术，实现了底盘的高效驱动和精准控制。其研发的履带式底盘具有良好的通过性和稳定性，能够适应不同地形和土壤条件下的甘蔗种植作业。法国则注重在无人甘蔗小车的智能控制算法方面进行研究，通过优化控制策略，提高小车的自主决策能力和作业灵活性，使其能够在复杂的甘蔗种植环境中高效运行。

在国内，随着农业机械化进程的加速，对无人甘蔗小车及履带式底盘行走系统的研究也日益受到重视。近年来，国内众多科研院校和企业纷纷投入到相关技术的研发中，并取得了一定的进展。广西大学的研究团队针对甘蔗垄间复杂的作业环境，提出了一种基于激光雷达和机器视觉的联合导航方法，通过对采集到的点云数据和图像信息进行处理和分析，实现了小型移动底盘在甘蔗垄间的自主行走导航 ，有效提高了导航的精度和可靠性。

在履带式底盘行走系统方面，国内的一些企业也在不断创新和改进。一些企业研发的橡胶履带式底盘，采用了新型的橡胶材料和结构设计，提高了履带的耐磨性和抗老化性能，延长了底盘的使用寿命。同时，在底盘的悬挂系统设计上，采用了自适应悬挂技术，能够根据不同的地形和负载情况自动调整悬挂参数，提高了底盘的行驶稳定性和乘坐舒适性。

然而，当前国内外在无人甘蔗小车履带式底盘行走系统的研究中仍存在一些不足之处。在传感器融合方面，虽然多传感器融合技术已得到广泛应用，但不同传感器之间的数据融合精度和稳定性仍有待提高，尤其是在复杂的甘蔗种植环境下，如光照变化、天气影响等，传感器的可靠性和准确性面临较大挑战。在智能控制算法方面，现有的算法在处理复杂地形和多变的作业任务时，其适应性和灵活性还不够，难以满足无人甘蔗小车在实际作业中的多样化需求。在底盘的轻量化设计和能源利用效率方面，也存在一定的提升空间，需要进一步研究新型材料和节能技术，以降低底盘的重量和能耗，提高作业效率和续航能力。

1.3 研究内容与方法

1.3.1 研究内容

本研究将围绕无人甘蔗小车履带式底盘行走系统展开多方面深入探究。首先，对履带式底盘的结构进行详细设计与分析。这包括对底盘各部件，如车架、履带、驱动轮、导向轮、托链轮等的结构形式进行研究，确定各部件的材料选择和尺寸参数。例如，车架需采用高强度且轻量化的材料，以保证在承受各种作业载荷时的结构强度，同时减轻底盘自身重量，提高能源利用效率；履带则要综合考虑其材质、节距、宽度等参数，确保其在甘蔗种植地的复杂地形条件下具有良好的抓地力和耐磨性。通过对这些部件的合理设计和优化，实现底盘结构的紧凑性、稳定性和可靠性，为无人甘蔗小车的正常作业提供坚实的基础 。

在驱动系统方面，将对其进行深入研究与选型。分析不同类型的驱动系统，如电动驱动、液压驱动、燃油发动机驱动等的工作原理、性能特点和适用场景。电动驱动具有噪音低、无污染、控制精度高等优点，但续航能力可能受限；液压驱动则具有输出扭矩大、响应速度快的特点，但系统较为复杂，成本较高；燃油发动机驱动功率大、续航时间长，但存在噪音大、排放污染等问题。根据无人甘蔗小车的作业需求和实际工况，综合考虑动力性能、能源消耗、成本等因素，选择最适合的驱动系统，并对其关键部件，如电机、液压泵、发动机等进行选型和参数匹配。同时，还将研究驱动系统的传动方式，如链传动、带传动、齿轮传动等，确定最佳的传动方案，以确保动力的高效传递和稳定输出。

对于行走系统的控制策略，本研究将进行深入探讨与优化。引入先进的传感器技术，如激光雷达、摄像头、毫米波雷达、惯性测量单元（IMU）等，实现对无人甘蔗小车周围环境信息和自身状态信息的实时感知。利用这些传感器采集的数据，结合全球定位系统（GPS）和地理信息系统（GIS），研究高精度的导航算法，实现无人甘蔗小车在甘蔗种植园中的自主导航和路径规划。例如，基于激光雷达的点云数据，采用基于密度的空间聚类与噪声应用（DBSCAN）算法进行环境感知和障碍物识别，通过 A * 算法等路径搜索算法规划出最优的行驶路径。同时，研究智能控制算法，如自适应控制、模糊控制、神经网络控制等，实现对无人甘蔗小车行走速度、转向角度等参数的精准控制，使其能够在复杂多变的作业环境中灵活、稳定地运行。此外，还将考虑多机协同作业的情况，研究多辆无人甘蔗小车之间的通信和协作机制，实现它们在大规模甘蔗种植园中的高效协同作业 。

在性能测试与优化方面，将对无人甘蔗小车履带式底盘行走系统进行全面的性能测试，并根据测试结果进行优化改进。搭建模拟甘蔗种植地环境的试验平台，在不同的地形条件，如平地、坡地、松软土地等，以及不同的作业工况，如满载、空载、高速行驶、低速转向等情况下，对行走系统的各项性能指标，如行驶速度、牵引力、通过性、稳定性、能耗等进行测试。通过对测试数据的分析，找出行走系统存在的问题和不足之处，针对这些问题提出相应的优化措施。例如，通过改进履带的花纹设计，提高其在松软土地上的抓地力和通过性；优化悬挂系统的参数，提高底盘在行驶过程中的稳定性和舒适性；调整驱动系统的控制策略，降低能耗，提高能源利用效率。同时，还将进行实际田间试验，进一步验证优化后的行走系统在真实甘蔗种植环境中的性能表现，确保其能够满足甘蔗种植作业的实际需求。

1.3.2 研究方法

本研究将综合运用多种研究方法，确保研究的全面性、科学性和可靠性。文献研究法是本研究的基础，通过广泛查阅国内外相关文献资料，包括学术期刊论文、学位论文、专利文献、技术报告等，了解无人甘蔗小车履带式底盘行走系统的研究现状和发展趋势。对已有的研究成果进行梳理和总结，分析当前研究中存在的问题和不足之处，为本研究提供理论基础和研究思路。例如，通过对国内外关于履带式底盘结构设计、驱动系统、控制策略等方面的文献研究，了解不同技术方案的优缺点，为后续的研究提供参考和借鉴 。

理论分析方法将贯穿研究的始终。运用机械原理、机械设计、材料力学、动力学等相关学科的理论知识，对履带式底盘行走系统的结构设计、驱动系统选型、控制策略制定等进行理论分析和计算。例如，在底盘结构设计中，运用材料力学知识对车架等部件进行强度和刚度计算，确保其在各种载荷作用下的安全性；在驱动系统选型中，根据无人甘蔗小车的作业需求和行驶工况，运用动力学原理计算所需的驱动力、扭矩等参数，为驱动系统关键部件的选型提供依据；在控制策略制定中，运用自动控制原理分析控制系统的稳定性、响应速度等性能指标，为控制算法的设计和优化提供理论支持 。

仿真模拟方法将是本研究的重要手段之一。利用专业的仿真软件，如 ADAMS、ANSYS、MATLAB/Simulink 等，对无人甘蔗小车履带式底盘行走系统进行建模和仿真分析。在 ADAMS 软件中建立底盘的多体动力学模型，模拟其在不同地形和工况下的行驶过程，分析底盘各部件的受力情况和运动特性，为结构优化提供依据；在 ANSYS 软件中对底盘关键部件进行有限元分析，模拟其在各种载荷作用下的应力和应变分布，评估部件的强度和可靠性，指导材料选择和结构设计；在 MATLAB/Simulink 软件中搭建驱动系统和控制系统的仿真模型，对不同的控制策略进行仿真验证，分析其控制效果和性能指标，优化控制算法。通过仿真模拟，可以在实际制造和试验之前，对行走系统的性能进行预测和评估，减少试验次数，降低研究成本，提高研究效率 。

实验研究方法是检验研究成果的关键环节。根据研究方案，制造无人甘蔗小车履带式底盘行走系统的样机，并进行一系列的实验测试。包括在实验室环境下进行的性能测试实验，如驱动系统的性能测试、传感器的精度测试、控制系统的功能测试等，以及在实际甘蔗种植地进行的田间试验。通过实验测试，获取真实的数据和反馈信息，验证理论分析和仿真模拟的结果，对行走系统进行优化和改进。例如，在田间试验中，观察无人甘蔗小车在实际作业环境中的行驶情况、导航精度、作业效果等，收集相关数据，分析行走系统在实际应用中存在的问题，针对性地进行调整和优化，确保其能够满足甘蔗种植作业的实际需求 。