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摘 要： 摘要:為了保證地空兩用農業信息采集機器人在農田中行走時具有良好的穩定性和較強的環境適應性，建立了輪胎-土壤力學模型，針對其靜止和行走兩種狀態添加了不同的載荷，并利用有限元仿真分析原理對不同載荷下的模型進行了求解，分別得到輪胎和土壤的應力、位
摘要:為了保證地空兩用農業信息采集機器人在農田中行走時具有良好的穩定性和較強的環境適應性，建立了輪胎-土壤力學模型，針對其靜止和行走兩種狀態添加了不同的載荷，并利用有限元仿真分析原理對不同載荷下的模型進行了求解，分別得到輪胎和土壤的應力、位移和應變的值。建立了行走機構前懸架模型，并對模型施加了一個正弦激勵，對其輪胎定位參數進行了動力學仿真分析，得到了各輪胎定位參數的變化量。結果表明:采用雙橫臂獨立式懸架結構，不但提高了機器人的環境適應性，使其行走時輪胎不會陷入土壤中，而且遇到沖擊載荷時保證了機器人的輪胎定位參數在合理范圍內，使其具備良好的行走穩定性，為地空兩用機器人的研究提供可靠的依據。
關鍵詞:機器人;農業信息;行走機構;有限元分析;動力學分析
0引言
地空兩用農業信息采集機器人作為一種新型農業信息采集裝備，同時具備飛行、行走兩種運動方式。行走機構作為整個機器人硬件結構的基礎，既要實現機器人的行走功能，又要對飛行機構起到支撐定位的作用進而保證機器人在地形較為復雜的農田中起飛、降落的平穩。行走機構性能的優劣直接影響了機器人采集信息的能力。機器人行走的穩定性和環境適應性是考察其行走性能的重要指標。
目前，針對行走性能的分析問題，主要借助于計算機仿真分析技術。西北農林科技大學的薛雪利用有限元分析的原理建立了輪胎與土壤接觸的三維有限元模型，對輪胎變形量和土壤下陷量進行了研究，為車輛性能改進提供了可靠依據[1]。
西北農林科技大學的倫佳琪利用輪胎-土壤的有限元模型，對不同工況下二者接觸區域的變化進行了研究，得到了胎壓與載荷的關系[2]。南昌大學的黃杰文利用柔性多體動力學仿真原理對雙橫臂懸架仿真模型進行了分析，驗證了仿真模型的動特性與樣車懸架動特性的一致性[3]。
廣東工業大學的王行利用機械系統動力學仿真技術對方程式賽車的輪胎定位參數進行了研究，使前懸架的運動特性得到有效的提升[4]。地空兩用農業信息采集機器人的工作環境是在地形較為復雜的農田中，因此在行走時極易受到溝壑引起的沖擊載荷。沖擊載荷會引起懸架結構的變形，輪胎定位參數也隨之變化，從而影響到機器人在農田中行走的穩定性。
機器人具備行走和飛行兩種運動方式，同時還要搭載信息采集系統，因此機器人本體質量比較大。又由于農田土壤土質較為松軟，輪胎極易陷入土壤中，進而使機器人的環境適應性降低。針對以上兩個對機器人行走性能產生負面影響的因素，建立了輪胎-土壤力學模型及機器人前懸架動力學仿真分析模型，并分別進行了有限元仿真分析和動力學仿真分析。
1機器人整體結構
地空兩用農業信息采集機器人主要包括行走機構、飛行機構、計算機控制系統及信息采集系統4個部分。
2輪胎-土壤相互作用有限元仿真分析
2.1輪胎-土壤力學模型建立及參數確定
2.2輪胎-土壤相互作用有限元分析
打開SolidWorks/Simulation插件，建立新算例。添加約束時，在土壤模型底面和輪胎模型輪轂處添加固定鉸鏈約束。采用實體網格劃分，為了使仿真分析精度提高，選擇高品質網格。由于輪胎與土壤接觸部位容易產生較大應力設置較大密度網格，其余部分設置較小密度網格，這樣不但可以提高仿真分析精度，而且可以控制計算規模，減少仿真分析時間。機器人在農田中工作時，如果機器人輪胎對土壤的載荷超過土壤的屈服強度，易使輪胎陷入土壤中無法進行正常工作，因此選擇土壤的屈服強度10MPa作為有限元分析邊界條件。
2.2.1靜止時輪胎-土壤相互作用有限元分析
靜止狀態下，由于機器人本體質量。機器人同時具備飛行、行走兩種運動方式，本體質量較大，因此靜止狀態下輪胎向土壤施加的壓力確定為40N。利用Simulation插件對模型進行有限元分析，應力的主要分布區域為輪胎與土壤接觸的區域，最大的應力為0.054MPa。輪胎位移和土壤位移都集中在兩者接觸的區域，并隨著離接觸區的距離增大逐漸減小，最大位移為5.12mm。
2.2.2行進過程中輪胎-土壤相互作用有限元分析
行進瞬時狀態下，由輸出軸給輪胎的轉矩、輪胎向土壤施加載。機器人在農田中行走時需要克服較大的地面阻力，因此輪胎向土壤施加的轉矩確定為25N/m。利用Simulation插件對模型進行有限元分析，其應力分布、位移分布情況可以看出:輪胎前進方向一側土壤應力較大，最大的應力為1.12MPa;輪胎前進方向一側土壤位移較大，最大位移為10.63mm。
2.3有限元仿真結果分析
通過以上有限元仿真分析，可以得到不同載荷下輪胎-土壤相互作用的應力、位移值。通過比較機器人靜止、行進時的應力值及位移值，可以看出:當重力為40N、扭矩為25N/m時，土壤應力值最大為1.12MPa，小于土壤的屈服強度10MPa。因此，輪胎不會陷入土壤中，使機器人具有較高的環境適應性。
3樣機行走試驗
為了保證行走機構搭載飛行機構和各種傳感器后，依然可以具備良好的行走性能和跨越溝壑的能力，進行了智能溫室田間行走能力測試。結果表明:負載后的行走機構依然具有良好的行走性能，可以滿足整機實現田間行走的所有功能要求。
4結論
1)通過對輪胎-土壤的相互作用力學模型進行有限元仿真分析可以看出:無論機器人處于靜止狀態，還是行走狀態，其輪胎都不會陷入土壤中。
2)對機器人行走機構前懸架模型進行動力學仿真分析可以看出:在機器人受到不平路面引起的沖擊載荷時，采用雙橫臂獨立式懸架結構可以減小機器人行走機構的輪胎定位參數的變化，從而提高了機器人在農田中行走的穩定性。
參考文獻:
[1]薛雪.車輛輪胎與土壤接觸變形的有限元分析[D].楊凌:西北農林科技大學，2016.
[2]倫佳琪.基于輪胎沉陷量的輪胎與土壤接觸試驗及有限元分析[D].楊凌:西北農林科技大學，2016.
[3]黃杰文，黃菊花.利用ADAMS/car對雙橫臂懸架的動態仿真與分析[J].現代制造工程，2010(3):127-131.
[4]王行，陽林，彭仁杰.基于ADAMS的FSAE賽車前懸架優化設計[J].廣東工業大學學報，2013(3):105-108.
[5]李軍，邢俊文，覃文潔，等.ADAMS實例教程[M].北京:北京理工大學出版社，2002.
[6]陳鋒華.ADAMS2012虛擬樣機技術從入門到精通[M].北京:清華大學出版社，2013.
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