林间病虫害树木巡检标记车的越障能力分析与试验研究.pdf

第 39 卷 第 4 期2023 年 7 月森 林 工 程FOREST ENGINEERINGVol.39 No.4Jul.,2023doi:10.3969/j.issn.1006-8023.2023.04.014林间病虫害树木巡检标记车的越障能力分析与试验研究于淼1,张志文2,战丽2(1.黑龙江省林业技术服务中心,哈尔滨 161232;2.东北林业大学 机电工程学院,哈尔滨 150040)摘 要:为解决巡查林间病虫害过程部分病虫害树木不能及时发现从而造成经济损失、林间路况复杂导致巡林员经常受伤的问题,提出林间病虫害树木标记车,采用空心轴和实心轴向配合的四履带行走方式,使得整车在完成前后移动的同时也可以通过改变履带摆动角度来改变标记车位置,极大提高标记车通过性和越障能力。建立越障模型,得到林间病虫害树木标记车的参数和越障高度之间的关系。通过建立林间病虫害树木标记车多体动力学模型,进行双侧越障和单侧越障仿真试验,得到越障过程中摆臂力矩和摆臂角度的变换规律。试制模拟样机进行试验,结果表明林间病虫害标记车能够通过调整姿态通过林间的障碍物,完成对病虫害树木的标记。关键词:林间病虫害;标记车;越障;试验中图分类号:S776.32+5 文献标识码:A 文章编号:1006-8023(2023)04-0118-08Analysis and Test Study on Obstacle-crossing Ability of Forest Pest and Disease Tree Patrol Marking VehicleYU 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,resul-ting 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 sur-mounting height is obtained.Through establishing the multi-body dynamics model of the tree marker vehicle for forest diseases and in-sect 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基金项目:黑龙江省自然科学基金项目(TD2020C001);中央财政林业科技推广示范项目(黑2022 TG13 号)第一作者简介:于淼,高级工程师。研究方向为林业装备与信息技术。E-mail:37975405 通信作者:战丽,博士,副教授。研究方向为林业智能装备、工业设计。E-mail:727485313 引文格式:于淼,张志文,战丽.林间病虫害树木巡检标记车的越障能力分析与实验研究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 mark-ing wehicleJ,Forest engineering,2023,39(4):118-125.0 引言目前林业病虫害是我国森林资源所面临的重要问题,2021 年我国马尾松毛虫发生面积共计 2.4104 hm21,松材线虫病发生 6107 hm2,给我国森林资源带来了巨大损失2-3。控制病虫害传播的有效手段就是及时发现积极防制。目前主要发现病虫害的方法是通过工作人员巡查相关林区来发现病虫害,然后及时砍伐或者喷洒药水4-6。但是巡查员数量较少,巡查员负责林区面积较大,由于劳累或疏忽,部分感染树木不能及时发现,而且由于林区环境复杂,经常会有巡查员在巡查过程中受伤。因此,为了及时发现林业病虫害问题,设计了一款林间病虫害树木标记车来代替巡查员,以提高巡林员工作安全性和工作效率。1 林业病虫害树木标记车结构组成林间病虫害树木标记车主要由行走部分、电机部分、标记车构、车体、图像传输和电池组成,具体结构图 1 所示。通过轴和空心轴相互配合的方式,使得履带在完成前后移动的同时也可以自由转动,极大提高了标记车通过性和越障能力,主要的结构参数第 4 期于淼,等:林间病虫害树木巡检标记车的越障能力分析与试验研究如图 2 所示,图 2 中,o1、o2、o3、o4前后履带从动轮和驱动轮圆心;l1为前后履带驱动轮轴距,既o2o3的距离;l2为后履带主动轮轴到标记车质心的水平距离;l3为履带主动轮驱动轮距离,既 o1o2的距离;l4为履带驱动轮主动轮距离;f、r前后履带转动角度;在 o4处建立坐标系 xo4y,为车体与水平面的夹角。1.行走部分,2.电机驱动部分,3.标记机构,4.车体,5.图像传输,6.电池。1.walking part,2.motor driving part,3.marking mechanism,4.car body,5.image transmission,6.battery.图 1 林间病虫害树木标记车结构图Fig.1 Structure diagram of tree marking vehicle for forest diseases and insect pests图 2 标记车主要尺寸图Fig.2 Main dimension drawing of marking vehicle2 越障分析林间标记车在移动过程中会遇到许多凹坑、突起和已砍伐的病虫害倒木等7-8,通过障碍物的部分主要分为双侧越障和单侧越障,现在就 2 种越障方式进行分析。2.1 双侧越障林间病虫害树木标记车在林间通过台阶障碍物的一种方式为正向通过,该方式为林间病虫害树木标记车前进方向与障碍物垂直。林间病虫害树木标记车摆臂不用动作所能达到翻过的最大高度如图 3 所示,翻越较低台阶时候,台阶高度 Hra,林间病虫害树木标记车履带摆臂不用发生动作,可以直接越过障碍物。图 3 林间病虫害树木标记车摆臂不动作越障图Fig.3 Obstacle crossing diagram of tree marking vehicle with insect pests and diseases in the forest当障碍物较高时候,林间病虫害树木标记车需要履带摆臂摆动,调整林间病虫害树木标记车姿态从而越障。车体与台阶外沿线相互接触,此时为临界状态,若此时标记车所受重力在台阶外沿的左侧,则标记车不能够通过高度障碍;若此时标记车所受重力在台阶外沿线右侧,则在重力作用下,林间病虫害树木标记车能够越障成功9;那么越障是否成功的临界状态应该为此刻林间病虫害树木标记车重力与障碍物外沿线相重合10-15,如图 4 所示,依据林间病虫害树木标记车和越障台阶的几何关系可得如下关系式H l3+rp+xGsin+yGcos。(1)式中:H 为障碍物高度,mm;xG、yG为林间病虫害树木标记车在 xo4y 坐标系下的重心坐标;l3为履带主动轮驱动轮距离既 o1o2的距离,mm;rp为主动轮半径,mm;为车体与水平面的夹角,()。图 4 林间病虫害树木标记车摆臂摆动作越障图Fig.4 Obstacle crossing diagram of swing arm of tree marking vehicle for forest diseases and insect pests首先,检测到台阶障碍物之后,前履带开始接触到台阶,如图 5(a)所示;随着林间病虫害树木标记车前进,林间病虫害树木标记车重心开始升高,车体仰角开始升高,如图 5(b)所示;林间病虫害树木标记车继续向前移动,前履带逆时针旋转,林间病虫害树木标记车继续仰角继续增大,如图 5(c)所示,后摆臂逆时针转动将车体抬高,转动到后摆臂旋转中心与台阶到达同一高度停止旋转,向前移911森 林 工 程第 39 卷动,直到后摆臂接触台阶外沿线,如图 5(d)所示;车辆继续向前,后摆臂开始顺时针转动,整车质心完全越过障碍物,如图 5(e)所示;摆臂恢复越障前的姿态,继续前进,如图 5(f)所示。（a）前摆臂到达台阶外沿（a）The?front?swing?arm?reaches?the?outer?edge?of?the?step（b）前摆臂到达台阶上方（b）The?front?swing?arm?reaches?above?the?step（c）后摆臂撑起（c）Rear?swing?arm?up（d）后摆臂到达台阶外沿（d）The?rear?swing?arm?reaches?the?outer?edge?of?the?step（e）后摆臂到达台阶（e）Rear?swing?arm?reaches?the?step（f）完成（f）Finished图 5 越障过程摆臂动作Fig.5 Obstacle process swing arm action2.2 单侧越障林间路况复杂,在遇到狭窄障碍物,需要林间病虫害树木标记车在侧倾姿态通过障碍物。为了保证林间病虫害树木标记车在单侧通过障碍物过程中能够稳定顺利,本研究采用重心投影法对林间病虫害树木标记车进行稳定分析,由于林间病虫害树木标记车的接地点主要是由 4 个履带与地面接触,所以通过确定 3 个接地点确定 1 个稳定平面。以林间病虫害树木标记车的三履带从动轮接地为例,如图 6 所示,后履带驱动轮接地,前履带一个从动轮接地,一个履带离地的姿态下,3 个履带接地点可以组成 1 个三角形 ABC,如果林间病虫害树木标记车重心在地面投影的三角形 ABC 内部时,林间病虫害树木标记车则处于稳定状态。当林间病虫害树木标记车前右履带摆动,摆动前履带驱动轮图 6 林间病虫害树木标记车稳定性示意图Fig.6 Schematic Diagram of Stability of Forest Pest and Disease Tree Marker Vehicle到 C1点时候为林间病虫害树木标记车稳定的临界姿态,当超过 C1点,林间病虫害树木标记车则会沿着AC1线进行转动,林间病虫害树木标记车失稳16-17。林间病虫害树木标记车单侧越障示意如图 7所示,台阶高度为 H,在右前侧履带从动轮建立坐标系,摆臂旋转角度为 3,林间病虫害树木标记车质心坐标相对于前履带摆臂坐标系的坐标3T0为3T0=100-l3-l1cos3010rp+l3sin3001-B/20001。(2)式中:l1为前后履带驱动轮轴距,mm;B 为标记车宽度,mm;3为右前履带摆动角度,()。标记车摆臂与地面的接触点在林间病虫害树木标记车体坐标系下的坐标3Pc为式(3)图 7 单侧履带越障图Fig.7 Diagram of single-side track obstacle crossing021第 4 期于淼,等:林间病虫害树木巡检标记车的越障能力分析与试验研究3Pc=3Tc0Pc=m0 x0+m0(l4cos1+l4cos3+l4cos2+l4cos4+l1)m0+4m1-l1-l3cos3(m0y0+2m1(l4sin1+l4sin3+l4sin2+l4sin4)m0+4m1+rp+l3sin3)cos-(y0-B2)sin(m0z0+2m1(l4cos1+l4cos3+l4cos2+l4cos4)m0+4m1+rp+l3sin3)sin+(z0-B2)cos1。(3)式中:m0为车体质量,kg;m1为履带质量,kg;l3为履带主动轮到履带质心距离,mm;1、2、3、4为左前、左后、右前、右后履带摆角,();为车体横滚角,(),x0、y0、z0为车体在坐标系下的坐标。令(m0z0+2m1(l4cos1+l4cos3+l4cos2+l4cos4)m0+4m1+rp+l3sin3)sin+(z0-B2)cos=0,林间病虫害树木标记车重心与前摆臂坐标系的 X 轴重合,此时横滚角最大,林间病虫害树木标记车单侧越障可以攀爬单侧障碍物的最大高度 Hmax为Hmax=l3cosmax+Bsinmax。(4)式中,max为最大横滚角,kg。所以当林间病虫害树木标记车单侧障碍物高度H Hmax时,由几何关系可以得到林间病虫害树木标记车横滚角、越障高度、标记车履带摆臂的关系为H=(l3sin3+rp-ra)cos。(5)式中,ra为主动轮半径,mm。在林间病虫害树木标记车单侧越障的工况下,当台阶单侧障碍物高度 H (l3+rp-ra)时,可以通过调整林间病虫害树木标记车单侧履带摆臂摆角,使得林间病虫害树木标记车车体保持水平状态通过。当台阶(l3+rp-ra)H Hmax时,林间病虫害树木标记车车体将会向低侧履带倾斜,但是依然能够稳定通过。综上,要使得林间病虫害树木标记车能够稳定地单侧通过障碍物,需要林间病虫害树木标记车摆臂角度满足式(6)。3=arcsinH+ra-rpL1,H (l3+rp-ra)3=90,(l3+rp-ra)H Hmax。(6)3 动力学仿真林间病虫害树木标记车模型由于零部件较多,若将三维模型全部导入 Recurdyn 进行动力学仿真,将会导致模型过于复杂,从而降低了计算效率,为了简化模型,采用简化的车体代替标记车车体,通过改变该实体的质量、转动惯量和重心位置等参数,提高模型的准确性18。同理将履带机架也进行相同简化。简化之后的动力学模型如图 8 所示。图 8 林业病虫害树木标记车动力学仿真模型Fig.8 Dynamic simulation model of forest pests and diseases tree marking vehicle3.1 双侧越障建立高度为 300 mm 的障碍物模型,按照翻越台阶障碍物的动作规划,首先将标记车摆臂位于水平姿态。设定标记车驱动轮驱动函数为 step(time,0,0,2,-90),前履带摆臂驱动函数 step(time,2,0,2.5,30)+step(time,4,0,5,60)+step(time,9.5,0,12,30),后摆臂驱动函数为 step(time,2,0,4.5,225)+step(time,9.5,0,12,-225),前后履带摆动角度变化,如图 9 所示。0?1?2?3?4?5?6?7?8?9?10?11?12?13?14?15时间/sTime角度/radAngle543210-1前履带摆角Front?track?swing?angle后履带摆角Rear?track?swing?angle图 9 双侧越障前后履带摆动角度曲线Fig.9 Track swing angle curve before and after obstacle crossing on both sides设置仿真时间为 15 s,仿真过程如图 10 所示。分别提取越障过程标记车 Y 向位移和前后履带驱动力矩如图 11 和图 12 所示。第 2 秒时刻检测到障碍物,前后履带开始摆动,第 4 秒前履带完成到达60,前履带接触到台阶外沿,前履带摆臂力矩为121森 林 工 程第 39 卷100 N/m,为了保证能够越障成功,前履带开始顺时针转动,撑起车体,此时后履带也将车体撑起;5 9.5 s 为稳定向前移动阶段,Y 向位移保持不变,前后履带摆动驱动力矩保持较小;9.5 s 标记车后履带摆臂接触到台阶外沿,后履带开始顺时针转动,恢复到原来姿态,同时前履带也开始逆时针转动,恢复到初始位置越障完成。结果表明标记车能够按照预先设计越障动作,通过障碍物。（a）开始越障（a）Start?to?surmount?obstacles（b）前后履带开始动作（b）Front?and?rear?tracks?start?to?move（c）后履带转动到 180 度（c）Rear?track?turns?to?180?degrees（d）后履带撑起车体（d）The?rear?track?supports?the?vehicle?body（e）后履带收回（e）Rear?track?retraction（f）越障完成（f）Obstacle?crossing?completion图 10 标记车通过台阶障碍物Fig.10 Mark the vehicle to pass the step obstacle0?1?2?3?4?5?6?7?8?9?10?11?12?13?14?15时间/sTimeY 向位移/mmY-direction?displacement8006004002000-200Y 向位移Y-direction?displacement图 11 越障 Y 向位移曲线Fig.11 Obstacle crossing Y-direction displacement curve0?1?2?3?4?5?6?7?8?9?10?11?12?13?14?15时间/sTime驱动力矩/NmmSwing?arm?drive?torque41053105210511050105-1105-2105-3105前履带摆动驱动力矩Front?track?swing?drive?torque后履带摆动驱动力矩Rear?track?swing?drive?torque图 12 越障过程摆臂力矩曲线Fig.12 Swing arm moment curve during obstacle clearance 由于双侧越障过程中,左右两侧履带动作基本一致,所以提取了标记车越障过程中右侧前后履带摆臂驱动力,通过驱动力矩变化情况分析,标记车底盘在爬升到一定高度之后,由于履带和路面的接触面积较小,驱动力矩波动变化较大。3.2 单侧越障为验证标记车单侧越障能力,建立单侧越障障碍物模型,如图 13 中灰色部分所示。首先进行外侧履带不撑起仿真实验,障碍物高度为 300 mm,标记车检测到障碍物时,左前履带开始摆动 30,同时左后侧履带也开始转动 210,当左前侧履带接触到障碍物后,又前侧履带恢复到初始状态,继续前进,当右后侧驱动轮接触到台阶外沿之后,后侧履带恢复正常姿态,完成越障。进行了 300、350、400 mm 3 种不同高度障碍物仿真实验,结果表明当高度达到 400 mm 时候,右侧履带不撑起姿态通过单侧障碍物将会失败,发生侧翻,侧翻仿真如图 14 所示,大于该高度,则需要外侧履带参与,来调整标记车侧倾角度。为了提高单侧通过障碍物的通过性和稳定性,林间病虫害树木标记车在通过单侧障碍物时候,为了保证车体水平姿态,需要不断调整移动标记车履带摆动的角度,以高度为 400 mm 高度障碍为例,通过调整摆臂角度,使得标记车可以水平通过,仿真过程如图 15 所示,标记车各履带摆角变化如图 16所示。2 s 之前为标记车准备阶段如图 15(a)所示,221第 4 期于淼,等:林间病虫害树木巡检标记车的越障能力分析与试验研究（a）接近障碍物（a）Close?to?obstacles（b）右前履带转动（b）Right?front?track?rotation（c）右后履带撑起（c）The?right?rear?track?is?propped?up（d）右后履带接触障碍物（d）Right?rear?track?contact?obstacle（e）右后履带开始恢复正常姿态（e）The?right?rear?track?returns?to?normal?posture（f）完成越障（f）Complete?the?obstacle?crossing图 13 单侧越障外侧履带不动作Fig.13 The outer track of unilateral obstacle crossing does not move图 14 单侧越障侧翻图Fig.14 Side view of unilateral obstacle crossing检测到障碍物之后,2 2.5 s 左前履带开始转动30,保证标记车前履带可以接触障碍物外沿,24 s左后履带开始转动 270,右侧履带开始将车体撑起,45 s,左前履带转动-30,右前履带转动-90,为了保证车体稳定性,右后履带转动 270,当 1213 s 时候,右后履带接触到障碍物外沿,开始转动-90如图 15(e)所示,当 13 s 之后车体进入稳定姿态,标记车姿态如图 15(f)所示,完成越障。（a）准备阶段（a）Preparation?stage（b）左前和左后履带逆时针摆动（b）Left?front?and?left?rear?track?swing（c）右侧履带撑起（c）Pull?up?right?track（d）右后履带继续撑起（d）The?right?rear?track?continues?to?support（e）左后履带顺时针转动（e）The?left?rear?crawler?rotates?clockwise（f）车体保持水平通过（f）The?car?body?maintains?horizontal?passage?图 15 单侧越障车体外侧履带支撑Fig.15 Track support outside the single-side obstacle crossing vehicle body321森 林 工 程第 39 卷0?2?4?6?8?10?12?14?16?18?20时间/sTime角度/radAngle543210-1-2右前RF右后RR左前LF左后LR图 16 单侧越障车体外侧履带支撑履带角度图Fig.16 Angle diagram of track support on the outside of single-side obstacle body4 试验在林间病虫害标记车作业过程中,会遇到部分标记已近砍伐但未及时清理的倒木,若进行绕行则会增加路程,直接通过将会节省时间,提高检测效率,因此进行通过倒木试验,试验过程如图 17 所示。标记车能够通过直径为 200 mm 的伐木。在林间地形中,需要标记车横向通过斜坡,或者单侧履带通过障碍物,为了验证上述情况下林间病虫害标记车的通过性,进行了横向通过坡面实验,过程中保持车体水平姿态的试验,试验过程如图 18 所示,通过调整前后侧履带的转动角度,使得车体保持水平姿态通过。（a）前侧履带通过倒木（a）Front?side?track?through?fallen?wood（b）通过倒木中（b）Through?the?fallen?wood（c）后侧履带通过倒木（c）Rear?side?track?through?fallen?wood图 17 通过林间倒木试验Fig.17 Through the test of falling wood in the forest（a）前视图（a）Front?view（b）左侧视图（b）Left?side?view（c）右侧视图（c）Left?side?view图 18 水平通过斜坡试验图Fig.18 Test diagram of horizontal passing slope5 结论本研究设计了一种林间病虫害树木标记车,采用四履带作为行走机构,使得标记车在移动过程中,履带可以自由摆动,分析了标记车不同姿态的越障性能,进行了仿真和试验,得到如下结论。1)通过分析在双侧越障过程中重心与障碍物外沿线的关系,确定了双侧越障高度和标记车几何参数的关系为 H l3+rp+xGsin+yG/cos;规划了标记车双侧履带越障履带动作顺序,通过仿真和试验的方式验证了越障动作的合理性。2)通过分析重心投影法得到了标记车在单侧履带通过障碍物过程中保持稳定的充要条件,根据此条件的道路标记车在单侧通过障碍物过程中摆臂的旋转角度 和障碍物高度 H 的关系。通过动力学仿真,得到了标记车单侧越障时履带摆角情况。3)建立了标记车样机,进行多种地形的通过性实验,结果表明林间病虫害树木标记车越障能力强,能够调整车体姿态来通过不同的地形,可以代替巡林员进行林间病虫害树木的巡查工作。421第 4 期于淼,等:林间病虫害树木巡检标记车的越障能力分析与试验研究【参 考 文 献】1 田开慧,陈怡帆,周宏威.湖南湘西州马尾松毛虫和松材线虫病发生非线性建模与预测J.森林工程,2022,38(6):38-44.TIAN K H,CHEN Y F,ZHOU H W.Prediction of Oc-currence Trend of Dendrolimus punctatus and Pine Wilt Disease in Xiangxi Prefecture J.Forest 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