第一章 绪论
1.1 研究背景及意义
常言道，国以民为本，民以食为天，对于我国这样一个人口大国来说，在有限的种植面积下，提高粮食作物产量对于解决人民的温饱问题就显得尤为重要，而每年导致粮食作物产量减少的一个重要原因就是病虫害的发生。我国每年农作物累计病虫害发生面积在 40 亿亩次左右，直接导致农作物减产达到 10%以上，据相关研究人员预计 2019 年我国农作物重大病虫害总体发生将重于往年，累计发生面积约 48 亿亩次左右[1]。所以，为了保证粮食安全生产以及提高农作物的经济效益，提高农业植保机械发展水平是有效抑制病虫害发生导致粮食作物减产的有效手段[2]。
在所有的粮食作物中，水稻、小麦、玉米和大豆是我国 4 大主要粮食作物，其中玉米作为最重要的非口粮粮食作物，具有非常丰富的用途[3]。玉米这种粮食作物不仅可以作为人们制作食物的原材料，还可以作为家禽类动物的饲料，除此之外在工业生产中也具有较为广泛的应用[4]。根据国家统计局数据资料显示[5]，自 2010 年开始，玉米就成为了我国粮食作物中播种面积最大的一种粮食作物，大约占到每年的粮食作物种植面积的三分之一左右，如图 1-1 所示。同时在以每年 100 万公顷左右的速度在缓慢增长，是我国目前粮食作物的重要组成部分。
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目前在全世界大约有 30 多家农机装备制造企业能够研发和制造满足高秆作物生长中后期施药和施肥作业需求的高地隙喷雾机，主要分布在欧美等经济发达国家，其中约翰迪尔、凯斯和海吉等生产厂家已从事相关研究有数十年甚至上百年的历史[18]。在这些地区的农业生产过程中，这种具有独特系统结构特点且高效和智能化的农业装备发挥了重要的作用，而国内自走式喷雾机的研发水平与之相比还比较低，以下为国内外高地隙喷雾机及其稳定性控制系统的研究现状及发展趋势。
1.2.1 高地隙喷雾机研究现状
关于如何提高高地隙喷雾机作业性能及其自动化程度的研究在国外已经有了较多的成果，并在实际应用过程中不断改进与优化，使其朝着智能化的大型农业装备发展。 在欧美等一些农业机械水平较发达地区，高地隙喷雾机已经用于玉米等高秆作物的生长全周期施药作业，基本能够满足这些地区的生产需求，其中知名度比较高的农机装备制造公司主要有约翰迪尔（John Deree）、海吉（HAGIE）、凯斯（CASE）等公司，其中海吉（HAGIE）公司的产品性能较为出众，其生产的 STS10 和 STS12 系列产品在市场上取得了较好的推广应用效果。这些产品在结构设计和作业性能方面均具有不同的特点，为了适应不同地区的种植模式和作业要求，它们在底盘系统的结构设计上做了相应的优化，使其在轮距宽度和离地间隙上具有可调节性，能够适用于不同植株高度和作业幅宽的施药作业环境[19]。此外随着电子控制及液压技术的不断发展，产品作业性能得到了进一步的提高，其总重一般在 8.6 吨到 17.8 吨，轴距在 3 米到 4.32 米不等，最小转弯半径在 4.5 米到 9.1 米。其中海吉（HAGIE）公司的产品性能最优，在配备了相应稳定性控制系统的条件下，离地间隙高度达到 1.83m，药箱容量达到 5000L，行驶最高速度达到48 千米每小时。同时，还有很多其他公司推出从小到大多种不同型号的产品以满足市场需求[20‐21]，尽管优势明显，但在推广应用过程中也有一些缺点，例如地域限制、产品操作技术难度大以及价格昂贵等问题，因此我国必须尽快完成自主产品研发，并制造出能够适应本地生产条件、操作难度小以及价格实惠的大型高地隙喷雾机产品。
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第二章 药箱主动调平系统设计与机构特性分析
2.1 高地隙喷雾机侧倾稳定性影响因素分析
2.1.1 基本假设
本节将对传统的大型高地隙自走式喷雾机的侧倾动力学进行相关分析，在进行相关动力学分析之前，针对高地隙喷雾机的结构及作业特点，为了能够较为准确的建立用于描述整机侧倾运动的动力学方程及进行整机的侧倾稳定性分析，特在本节中做出如下假设：
（1）将药箱与药液质量整体考虑，药箱与机身质量共同作为整机簧载质量；
（2）整机结构关于纵轴前后对称，质心位于纵向中心平面内；
（3）仅考虑高地隙喷雾机的侧向运动，假设其沿前进方向匀速前进，在纵向上不存在加速和减速等行为，不考虑药箱中药液对药箱产生的纵向冲击；
（4）忽略高地隙喷雾机悬架系统的簧下质量对系统侧倾稳定性的影响。
根据汽车动力学相关知识可知[40]，车辆簧载质量在侧向力作用下绕侧倾轴线的转角为车厢侧倾角。其侧倾角? 是和汽车操纵稳定性及平顺性有关的一个重要参数。侧倾角的数值影响到汽车在行驶过程中的侧向及横摆方向的稳态与瞬态响应，其本身也是评定车辆侧倾稳定性的一个重要指标。过大的侧倾角会使驾驶员感到不稳定、不安全。对平顺性而言，侧倾程度过大的汽车，乘客会感到不舒适。
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2.2 主动调平系统设计及机构特性分析
根据侧倾动力学方程（式 2-5）分析可知，高地隙喷雾机在行驶过程中，簧载质量的侧倾角及其侧向加速度对于其侧倾稳定性有显著影响，同时，也间接影响着高地隙喷雾机的施药作业效果以及在正常道路上的行驶安全性等。本节针对现有的高地隙喷雾机，在综合分析现有底盘结构的基础上，设计了一种应用于药箱空间姿态角控制的主动调平系统，依据多体动力学和达朗贝尔原理对主动调平系统进行机构特性分析并利用运动学逆向求解进行空间姿态位置控制可行性分析，基于 ADAMS 与 MATLAB 进行动力学物理模型仿真验证，为整机侧倾稳定性控制策略的研究提供理论依据。
2.2.1 系统方案设计要求
综合分析高地隙喷雾机在田间路况下的作业特点，结合课题组成员前期设计的高地隙喷雾机比例模型试验平台，如图 2-2 所示（技术参数见表 2-1），提出主动调平系统的设计要求如下：
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3.1 整机动力学模型整体架构 ....................................... 22
3.1.1 参考坐标系定义 ..................................... 23
3.1.2 坐标系变换 ................................ 24
第四章 高地隙喷雾机侧倾稳定性控制方法研究 .......................................... 42
4.1 高地隙喷雾机侧倾稳定性控制系统分析 .................................. 42
4.1.1 控制特点分析 .......................................... 42
4.1.2 高地隙喷雾机侧倾稳定性控制策略的制定 ......................... 43
第五章 高地隙喷雾机侧倾稳定性控制系统试验研究 ............................... 59
5.1 主动调平系统试验平台搭建 ................................... 59
5.1.1 液压系统设计 ......................................... 59
5.1.2 测控系统设计 ................................. 61
第五章 高地隙喷雾机侧倾稳定性控制系统试验研究
5.1 主动调平系统试验平台搭建
主动调平系统试验平台主要包括三部分组成：液压系统，机械结构，测控系统。根据第二章对主动调平系统的系统支撑方案与液压系统设计，购置测控元件搭建测控系统并制定主动调平系统试验平台工作原理图如图 5-1 所示，从图中可以看出，主动调平系统机械结构相对简单，按照前文所设计的方案加工制造，总体结构尺寸为 0.75m×0.5m×0.45m（长×宽×高），中心承重杆与上承载平面之间通过万向节链接，保证侧倾及俯仰方向调节的自由度，各液压油缸与上下平面均通过球铰副连接，保证机构空间自由度符合设计要求，因此主要工作在于液压系统和测控系统的搭建与连接。
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第六章 总结与展望
6.1 总结
本文主要针对高地隙喷雾机在行驶或作业过程中发生的由驾驶员转向操作、路面激励或其他外部激励引起的侧倾失稳问题，基于课题组成员设计并搭建的高地隙喷雾机底盘系统试验平台，设计了一套可调节药箱质量空间姿态角的主动调平系统，并建立了搭载主动调平系统后的高地隙喷雾机多自由度动力学模型、液压系统微分方程以及控制器模型，基于 ADAMS 和 MATLAB/Simulink 对不同控制方法的主动调平系统在阶跃信号及正弦信号输入下的响应特性进行联合仿真分析，并筛选出性能最优的控制方法用于高地隙喷雾机物理模型在三种不同工况下的联合仿真分析，最后，基于搭建的室内试验对主动调平系统的响应特性以及高地隙喷雾机侧倾稳定性控制进行试验验证。取得的研究结论主要包括：
(1) 建立了高地隙喷雾机侧倾方向动力学模型，分析得知高地隙喷雾机在行驶或作业过程中的侧倾稳定性主要与其状态参数中的簧载质量侧倾角以及侧向加速度有关，根据汽车理论相关知识可知，簧载质量侧倾角及侧向加速度产生的侧倾力矩会引起轮胎垂直载荷的变化，因此以横向载荷转移率(LLTR)作为侧倾稳定性的评价指标。
(2) 结合课题组成员设计的高地隙喷雾机底盘系统试验平台结构参数和布局，提出了主动调平系统的设计要求，并基于此设计了一套适用于该试验平台的药箱主动调平系统，利用运动学逆向求解的方法对该系统的设计方案进行机构特性与可行性分析，并利用 ADAMS 进行仿真分析，结果表明，主动调平系统的方案设计合理，能够有效控制药箱空间姿态角及其角速度。
参考文献（略）