農業機械底盤技術研究現狀與展望

王韋韋 陳黎卿 楊 洋 劉立超

(1.安徽農業大學工學院， 合肥 230036； 2.安徽省智能農機裝備工程實驗室， 合肥 230036；3.合肥綜合性國家科學中心人工智能研究院， 合肥 230036)

0 引言

我國農機生產和擁有量居世界首位，2018年農機總動力達到10.04億千瓦，總量近2億臺，其中拖拉機保有量2 240萬臺、聯合收獲機206萬臺，截止2019年綜合機械化率為69%。隨著工業化和城鎮化的加速發展，社會老齡化加劇、人工勞動成本不斷增加，發展以現代化、工廠化農業為主體的生產模式成為當務之急。在新形勢與背景下，《中國制造2025》實施綱要把智能農機裝備列為重點發展的十大領域之一[1-2]；在“十四五”科技發展規劃中，工廠化農業關鍵技術與智能農機裝備也被列為重點研發計劃。

底盤總成是移動式農業動力機械的重要組成部分，其性能直接影響整機的作業質量和效率。底盤支撐、安裝驅動系統及各部件的總成，并接受驅動系統的動力，使農業裝備在各種復雜環境下運動，不僅要在耕、播、管、收等生產環節正常行駛，而且通用底盤上還要安裝其他功能性機構，從而實現苗木移栽、林果采收、產品分級、根莖切割等功能。因此，農業機械底盤技術發展水平是體現農業現代化和智能化程度的重要標志，世界農業裝備強國均將底盤作為智能農機裝備研究發展的核心。

底盤是集傳動、行走、液壓、轉向、制動、機-電-液集成控制等技術于一體的動力機械移動平臺[3]，可以穩定、高效、可靠地承載、牽引、外掛其他功能性農機具，從而完成農業生產任務。近年來，國內外學者從“高效、智能、環?！钡冉嵌瘸霭l，在四輪驅動、動力換擋、無級變速、輪距可調、空氣懸架、懸浮車橋、線控轉向、制動防滑、底盤遙控等方面取得了創新性成果，對提升農業裝備底盤作業性能具有重要意義。本文從傳動系統、行駛系統、轉向系統、制動系統及底盤遙控技術等方面闡述國內外農業機械底盤技術的發展現狀，結合不同應用環境下的農機底盤需求來分析各系統相關技術的特點、基本原理及典型應用，在此基礎上，結合我國國情對農業機械底盤技術的未來發展方向進行展望，為智能農機裝備底盤設計提供參考。

1 農業機械底盤傳動系統

1.1 布置方案

農業機械底盤傳動系統布置形式按驅動類型可分為機械式、液力式和電力式[4]。機械式傳動系統是指由發動機提供動力，依次經過離合器、變速箱、驅動橋、半軸，最后傳遞至車輪，主要適用于農用拖拉機、收獲機等底盤傳動系統布置方案；液力式傳動系統是以液體作為傳動介質，循環流動的動能或壓能變化來傳遞或轉換能量，主要適用于高地隙植保機、水田插秧機等底盤傳動系統布置方案；電力式傳動系統是指將電動機輸出的動力傳遞至傳動軸或驅動橋，或多輪轂電機直接驅動，目前中國一拖集團有限公司的超級無人拖拉機1號、農業采摘機器人等裝備底盤均采用電力式傳動系統布置方案，圖1所示為不同驅動類型的農機裝備。

1.1.1機械式驅動

機械式四輪驅動具有良好的越障性、牽引性、坡地穩定性，廣泛適用于山區農機底盤傳動系統布置方案，常見的機械式四輪驅動主要包括：全時四輪驅動、分時四輪驅動和適時四輪驅動。陳黎卿團隊[5-7]為了提高四輪驅動底盤動力性和行駛穩定性，提出一種基于前后軸轉速差及車輪滑轉率實時觀測的軸間扭矩分配控制策略。張京等[8]針對農用輪式機器人轉向方式單一、難以適應田間地頭轉向等問題，設計了一種四輪獨立驅動轉向農用輪式機器人。QUAN等[9]基于擴展阿克曼轉向原理設計了一種適用于作物行間行駛的四輪驅動移動式農用信息獲取機器人。李勇等[10]通過對四輪驅動拖拉機牽引效率的分析，提出了影響四輪驅動拖拉機牽引效率的關鍵因素。

1.1.2液力式驅動

靜液壓驅動底盤具有輕量化、功率密度高、無級變速、轉向靈活性強等特點。英國國立農機研究所于1956年成功研制第一臺液壓驅動的農用拖拉機，20世紀70年代，歐美市場在自走式聯合收獲機上普及了靜液壓驅動系統。近年來，全液壓底盤驅動技術在國外先進高地隙植保機、高速插秧機、收獲機上得到大范圍應用，并融合電子、信息等先進技術，使其性能得到大幅度提高[11-12]。張華等[13]為滿足復雜農林環境下植保噴霧作業需求，提出了一種全液壓驅動的柔性智能化噴霧機底盤。WANG等[14]針對用液壓動力分流式無級變速拖拉機在啟動時換擋質量不佳，基于換擋質量的指令時間、離合器壓力控制指令電壓等參數提出了一種利用解映射得到控制參數的匹配規律。綜合文獻[15-16]可知，靜液壓驅動底盤利于實現自動化、智能化控制和遠程操縱，滿足對當代農業機械自動化、智能化的要求，具有廣闊的市場前景。

1.1.3電力式驅動

電力式驅動底盤具有低能耗、無污染、噪聲低、傳動效率高等顯著特點，符合新能源背景下電動農機驅動底盤傳動系統布置方案，目前電力式驅動主要包括：傳統集中式驅動(直接替換內燃機)、分布式驅動(直聯式電驅動車橋)、輪邊或輪轂電機驅動，采用鉛酸蓄電池供電和永磁無刷電機作動力源[17]。YUKO等[18]設計了一款功率10 kW純電動拖拉機，與等功率內燃機驅動的拖拉機作業能耗對比試驗，田間行走和耕作所需的能源消耗可減少約70%。李同輝等[19]提出了一種純電動拖拉機的雙電機多模動力耦合驅動系統，實現多種驅動模式協調控制，提高整機驅動效率。劉路等[20]為了適應煙草植保行農藝要求，設計了一款四輪輪轂電機驅動的植保機移動平臺。為滿足復雜的田間作業需求，電機的適用性、電池的續航里程、專用的電力式驅動控制系統是未來電動農業機械底盤的研究重點。

1.2 離合器

離合器在農用機械傳動系統中是直接與驅動系統相連接的部件，其功用是保證底盤平穩起步，減輕輪齒間的沖擊以及限制傳動系統過載。根據傳遞動力的方式分為摩擦式離合器、液力離合器等[21]。摩擦式離合器可分為單作用式和雙作用式，其中雙作用摩擦式離合器將動力同時傳遞至變速箱和動力輸出裝置(PTO)，主要適用于中小型拖拉機、收獲機傳動系統中，典型的有獨立操縱和聯動操縱的雙作用摩擦式離合器[22]。液力離合器通過施加壓力使得濕式摩擦片與片中間的油液擠出接合得很緊而傳遞扭矩，其中多片濕式離合器廣泛用于對平穩性要求較高的自動變速器和無級變速器。廖湘平等[23]為了解決液粘調速離合器摩擦副偏磨問題，提出了一種新型雙活塞結構液粘調速離合器；傅生輝等[24]針對大功率拖拉機動力換擋過程中濕式離合器充油壓力實際值與理想值之間存在偏差的問題，提出了一種基于緊格式動態線性化的離合器壓力無模型自適應預測控制(Model free adaptive predictive control，MFAPC)算法，以實現離合器油缸壓力的跟隨控制。

1.3 動力換擋技術及變速箱

變速箱是農業動力機械傳動系統的核心部件之一，直接影響整機的動力性、經濟性、平順性和舒適性。20世紀80年代，動力換擋變速箱開始在拖拉機、收獲機動力傳動系統中得到應用[25-26]。目前，國外大部分拖拉機廠商都提供帶有動力換擋變速裝置的拖拉機，如意大利蘭蒂尼(Landini)公司的Legend 系列，荷蘭Ford 公司的30 系列，法國雷諾公司的175-74T2系列，Caterpillar公司的Challenger65系列，美國Case公司的CX系列、Magnum系列，意大利Same公司的Silver系列等[27-29]。與國外相比，國內的動力換擋技術比較落后，早期應用于工程機械上，目前，中國一拖集團、福田雷沃重工、山東常林、五征集團、常州東風和江蘇常發等農機制造企業開展了拖拉機動力換擋技術的研究，并已有部分產品進入農機市場[30-31]。

目前農業機械底盤用變速器主要有以下幾種類型：動力換擋自動變速箱(Power shift transmission，PST)、液力機械式自動變速箱(Automatic transmission，AT)、電控機械式自動變速箱(Automated mechanical transmission，AMT)、液壓機械式無級自動變速箱(Hydro-mechanical continuously variable transmission，HMCVT)和靜液壓無級自動變速箱(Hydraulic static transmission，HST)[32-33]。表1列舉了國內外典型農用變速箱的種類、工作原理、特點及機型應用情況。

表1 農業機械底盤用典型變速箱工作原理、特點及應用車型

動力換擋控制策略是自動變速箱的核心技術之一，隨著智能化控制技術的不斷進步，動力換擋控制策略也將朝著智能化方向發展，以油門踏板開度、發動機轉速和負載需求來確定最優擋位，以適應當前的作業狀態[34-38]。同時，提高電液系統可靠性也是未來動力換擋智能控制的研究方向。

1.4 輪距可調式驅動橋

目前驅動橋分兩大類：輪邊行星減速結構的驅動橋，主要適用于平原、旱地等環境下的農機底盤；龍門式驅動橋，為非行星減速的雙極減速車橋，主要適用于園藝、水田等工作環境下的農機底盤[39-40]。為了滿足不同農作物種植行距的農藝要求，能夠實現動力底盤輪距根據作物行距自適應調整，具有輪距可調功能的驅動車橋成為研究熱點，輪距可調式驅動橋插入底盤橫梁中，輪距調節油缸的活塞端通過油缸連接銷鉸接到底盤橫梁上焊接的油缸固定耳，輪距調節油缸的活塞桿端通過螺栓連接到驅動橋橫管底端的螺紋孔上，當調節油缸伸縮時，驅動橋橫管就能在底盤橫梁內滑動，從而實現底盤的輪距調節功能[41]。劉平義等[42]針對農用底盤輪距隨農作物行距變化而適應性調整的技術需求，基于輪距調整聯動轉向原理，設計一種輪距可調式轉向驅動橋，有效提高了農用底盤在田間作業的適應性。劉宏新等[43]以輕量化和高通過性為目標，設計了一種適用于水田自走式驅動底盤的鋁制轉向驅動橋。

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2 農業機械底盤行駛系統

2.1 底盤調平系統

調平系統主要應用于丘陵山區、果園等農業機械底盤，根據底盤的傾斜程度計算出調節量，并通過液壓缸、懸架或輪距進行車身全向調平來適用作業地形。國外農機底盤調平系統主要圍繞降低重心、控制車體等方向發展[44-45]。美國約翰迪爾公司研發了適用于坡地作業的聯合收獲機調平系統，通過控制供油回路通斷的方式，實現車體調平[46]。HOEHN等[47]研究了一種應用于耕作機具的調平系統,可實時調節耕作機具與地面的高度,有利于保持恒定的土壤切削深度。國內主要圍繞果園升降平臺、農機具全向調平控制系統、丘陵山地拖拉機調平系統研究較多，齊文超等[48]提出基于平行四桿機構和雙車架機構的車身橫/縱向調平方案，設計了一種基于雙閉環PID算法的全向調平丘陵山地拖拉機。金誠謙等[49]采用鉸鏈五桿機構，結合電液控制技術，設計一種履帶式聯合收獲機全向調平底盤及其電液控制系統，實現底盤橫/縱向傾斜調整。

2.2 空氣懸架

懸架按照彈性元件的類型可分為螺旋彈簧懸架、空氣彈簧懸架和油氣彈簧懸架。圖2所示為獨立式立軸空氣彈簧懸架系統總成；目前，國外大部分噴霧機制造企業都提供帶有四輪獨立式空氣懸架系統的高地隙植保機，如John Deere、HAGIE、AGCO、AgriFac等自走式噴霧機企業[50-51]。與國外相比，國內現代農裝公司的ZWG-3000A、五征集團的ZWP4-2000高地隙自走式噴霧機懸架系統都采用獨立式空氣彈簧，中小機型懸架系統均采用螺旋彈簧或未安裝彈性元件。近年來，關于多氣囊、復合材料彈性元件研究受到較高的關注[52-53]。陳雨等[54]基于傳統的空氣懸架系統引入尼龍摩擦阻尼器，設計了一種適用于高地隙農機底盤的獨立式立軸空氣懸架系統；王云超等[55]提出了一種基于體積壓縮率和體積壓縮速率的真實氣體多變指數模型，囊式蓄能器的氣體多變指數模型為更加準確研究油氣懸架系統真實特性奠定了基礎。YIN等[56]開展氣-油乳狀液的配方油對空氣懸掛支柱的非線性剛度和阻尼特性的影響，得出了乳狀液的體積模量和質量密度隨氣體體積分數的變化規律。因此，空氣彈簧懸架具有非線性彈性特性好、懸架行程大、負載能力強、剛度和阻尼可調等特點，廣泛應用超高地隙植保機底盤懸架系統。

2.3 農用子午線輪胎

農用輪胎是輪式移動底盤的核心部件之一，按照胎體結構可分為斜交線輪胎和子午線輪胎，圖3所示為3種不同功用的農用輪胎。由于農用子午線輪胎具有出色的牽引力、自清潔能力、舒適性和路面操控靈活性等特點，成為農業裝備輪胎的首選[57]。目前，世界農用輪胎子午化率已達90%左右，歐洲輪胎技術組織標準手冊在20世紀70年代已制定出農業子午線輪胎系列和產品標準，而我國農用子午線輪胎仍處于逐步取代斜交線輪胎階段，截止2019年農用輪胎子午化率僅65%左右。為突破制約我國農用子午線輪胎發展的技術瓶頸，應研發適用于水田高漂浮農用子午線輪胎和旱田壟溝農用子午線輪胎，改變國內生產農業子午線輪胎品種單一化的現狀，國內玲瓏輪胎、中策橡膠、三角輪胎、昌豐輪胎等企業也開始研發生產農用子午線輪胎[58-59]。2020年中國國際農機展中，多款國產化農業子午線輪胎方案亮相，其中拖拉機TM600、TM700、TM800系列子午線輪胎單寬胎、噴藥機TM150系列子午線輪胎、收獲機TM3000系列子午線輪胎的成功應用，提升了終端用戶的使用便利性和高效性，從而大幅促進農業耕作增產增收[60-61]。

2.4 農用履帶

履帶移動式底盤具有接地比壓小、附著性能好、轉彎半徑小、越障能力強等優點，在坡地、粘重、潮濕地及沙土地使用時性能顯著。按照履帶結構形式可分為組合式履帶底盤和整體式履帶底盤。其中組合式履帶多用于履帶式農業機器人底盤，常見的可分為帶履帶臂和不帶履帶臂2種，帶履帶臂的又被稱為履腿復合式機器人，整體式履帶多用于大功率、重負荷、山區農業裝備底盤，如履帶自走式拖拉機、履帶自走式果園采摘機、履帶自走式行間噴霧機等[62-63]。根據履帶材料不同分為金屬履帶底盤和橡膠履帶底盤，橡膠履帶接地比壓低，對土壤破壞程度輕，尤其適于低濕地、沙壤土質區作業。表2為不同結構形式的履帶底盤結構特點及應用情況。

表2 農用履帶分類

2.5 懸浮式轉向車橋

懸浮式前橋是指在剛性前橋的基礎上加裝帶有自動水平協調控制裝置和懸架剛性閉鎖裝置的懸浮機構，其主要通過懸浮機構的液壓油缸伸縮動作來緩和凹凸不平地面引起的沖擊載荷對底盤的沖擊，衰減由于路況與行駛速度相互作用而產生的低頻振動，從而達到底盤的緩沖、減振的效果。圖4為電控懸浮式轉向車橋結構。目前，國外大功率輪式拖拉機底盤行駛系統均裝配懸浮式彈性前橋，約翰迪爾的6210R型拖拉機采用該類型前橋，提升農用動力底盤前輪與地面的接觸效率，增加整機的行駛速度和穩定性[64-65]。而國內由于核心關鍵零部件研發能力不足，動力底盤前橋系統仍多數采用剛性前橋系統，拖拉機前橋系統仍多數采用剛性前橋系統，由于缺乏衰減振動的有效部件，很大程度上制約著拖拉機舒適性的提升，已難以適應高端農機的發展需求[66-68]。國內學者對前橋懸架系統及關鍵技術的研究仍處于起步階段，且主要集中在懸架特性分析等方面。其中，中國農業大學毛恩榮團隊率先開展大功率拖拉機電控懸浮式前橋懸架系統振動控制研究，并設計了一種基于插裝式比例閥液壓系統回路的懸架參數調節系統，可實現多種模式的前橋懸架阻尼調節[69]。

3 農業機械底盤轉向系統

轉向系統的功用是利用外部驅動力矩操縱轉向機構使得農機底盤按照既定的路徑方向行駛。隨著農業裝備的智能化、高效化發展，農機行駛和作業過程中對于轉向系統的要求也越來越高，農業機械轉向系統類型有：機械式轉向、液壓助力轉向、電動助力轉向、電控液壓助力轉向以及線控轉向[70-71]。

3.1 液壓助力轉向

液壓助力轉向(Hydraulic power steering，HPS)具有輸出力矩大、轉向穩定性高、使用靈活和故障率低等優點，是目前農用高地隙底盤中主流的助力轉向技術，主要包括機械助力式液壓助力和全液壓助力兩種類型。其中齒輪齒條式和循環球式轉向器為傳統液壓助力系統的重要組成部件[72-73]。國外19世紀初期開始研發液壓驅動轉向系統，Case Crop公司生產的Patriot 4430型噴霧機首次采用四輪液壓助力轉向。陳黎卿等[74]為了實現無人操作的輔助駕駛系統，在原有的高地隙植保機液壓助力轉向系統基礎上并聯一套轉向液壓系統，輔助駕駛狀態時，液壓油在優先閥的作用下經比例換向閥到達轉向油缸，工作時利用驅動控制器控制比例閥芯移動，實現對液壓油流量、方向的精確控制，完成輔助駕駛工況下的自動轉向。扈凱等[75]研制了一種適用于高地隙噴霧機的多模式液壓轉向系統，并采用PID控制算法和壓力補償系統確保變載荷下轉向系統控制精度和底盤穩定性。

3.2 電動助力轉向

3.3 電控液壓助力轉向

電控液壓助力轉向(EHPS)是在傳統的液壓助力轉向系統的基礎上增加電子控制系統，對系統的流量和轉閥等相關參數進行調節，從而改變轉向系統的助力特性，降低損耗，靈敏度增加，穩定性提高。按照液壓助力轉向閥體特性參數，控制類型分為電磁節流閥流量調節式、轉向閥扭轉剛度調節式、轉向閥閥口參數調節式。主要采用在常流量系統的高壓油路和低壓回路之間加上一個旁通電磁閥，電控單元控制電磁閥的可變閥口大小，實現轉向閥的流量調節[83-84]；張聞宇等[85-86]設計了一種摩擦輪式電控液壓助力轉向裝置，通過摩擦輪驅動拖拉機方向盤從而帶動全液壓助力閥轉動，實現驅動拖拉機前輪轉向；施國標等[87]基于無人駕駛模式設計了融合液壓助力轉向和電動助力轉向的電液復合轉向系統，并提出一種自適應雙閉環轉向跟蹤控制策略，有效降低轉向角度跟蹤誤差，具有隨速助力、主動回力等優點；楊洋等[88]設計了基于直流電機與全液壓助力器直聯的自動轉向機構及其電控系統。通過在轉向驅動電機輸出軸安裝電磁離合器和轉向柱扭矩傳感器實現人工駕駛模式和自動駕駛模式的自動切換，圖6所示為電控液壓助力轉向系統結構。

3.4 線控轉向

線控轉向系統(Steer-by-wire，SBW)取消了傳統轉向系統中轉向盤到轉向執行器間的機械連接，實現底盤輕量化；SBW系統由路感反饋總成、轉向執行總成、控制器以及相關傳感器組成[89-91]。圖7為線控轉向系統原理圖，路感反饋總成主要包括轉向盤、路感電機、減速器和扭矩轉角傳感器等。其中路感反饋控制策略是SBW系統中的核心技術，根據駕駛意圖、車輛狀況與路況等參數，通過CAN總線連接至ECU并實時輸出路感反饋力矩指令，實現農機裝備轉向的完全自動化[92-96]。隨著定位導航、無人駕駛、無人作業等技術的發展，SBW系統逐漸成為農業機械主流轉向系統。劉軍等[97]設計一種基于GPS/INS數據融合的線控轉向農業機械自動導航系統，上位機將位置、速度、姿態等信息利用CAN總線發送給主控制器，并根據相應的路徑跟蹤控制策略計算出目標前輪轉角，控制轉向執行電機驅動至目標轉角。魯植雄團隊[98-99]設計一種拖拉機線控液壓轉向系統，并開展轉向系統的靜態隨機轉動試驗、蛇形試驗、雙紐線試驗、穩態回轉試驗以及轉向瞬態響應試驗，結果表明線控轉向系統綜合了液壓和線控技術的優點，在保證大扭矩輸出的同時，又具有轉向靈敏、便于安裝等特點。

4 農業機械底盤制動系統

主動制動系統有效減少了駕駛員制動過程中的經驗性操作，實現制動精確化、智能化控制。高端農業機械底盤集成電控制動防抱死系統(Anti-lock braking system，ABS)，在此基礎上，驅動防滑控制系統(Acceleration slip regulation，ASR)、電子穩定系統(Electronic stability program，ESP)的發展極大提高了農用車輛、拖拉機等的行駛安全性。目前，防滑和防側翻成為農業機械底盤制動系統研究的熱點。

4.1 制動防滑技術

防滑控制系統主要包括制動防滑系統、驅動防滑系統兩種。其中制動防滑系統(ABS)是防止拖拉機等農業機械在制動過程中車輪被抱死滑移，使得制動力達到最大，縮短制動距離，并且能夠提高制動過程中的底盤方向穩定性和轉向操縱能力；為防止拖拉機在起步、轉向、加速等驅動過程中車輪發生滑轉，部分學者將智能傳感控制理論引入到ABS、ASR研究領域[100-102]。馮彥彪等[103]依據整機實際參數構建最優滑轉率的控制模型，基于模糊PID控制器作為滑轉率的控制器，實時監測滑轉率的誤差以及誤差變化率來決定輸出轉矩大小，能夠滿足農機底盤在復雜路面上的控制需要。毛罕平團隊[104-105]設計一種四輪液壓驅動高地隙底盤轉向防滑控制系統，并提出了基于轉速比差值的PID控制策略，系統調控平均誤差為1.25%，滿足轉速比差值為0.01～0.05的控制要求，能夠有效消除高地隙噴霧機轉向時打滑現象；陳黎卿等[106]提出了一種基于改進人群搜索算法PSO的拖拉機驅動防滑控制策略，實時更新目標滑轉率，實現自適應調整PID控制參數；周倩倩等[107]設計了全時四驅液壓驅動噴霧機模糊防滑控制系統，機具在高速行駛時，未開啟防滑控制時相對滑轉率均值為0.110，開啟后相對滑轉率均值為0.035。

4.2 防側翻技術

由于拖拉機、高地隙植保機等機體重心位置動態變化范圍較大，易發生側翻現象[108-109]。近年來學者圍繞農機底盤側翻機理、傾翻保護裝置的自動部署及智能化設計開展研究。國內外關于側翻機理的研究主要集中在拖拉機動力學行為特征描述與穩定性評價等方面，由于模型約束條件較多，很難反映整機系統的全時動力學行為；將虛擬仿真技術與實驗等手段相結合，通過改進的橫向載荷轉移率、側翻預測時間、靜態穩定系數等方法評價拖拉機側向穩定性[110-111]；部分學者基于拖拉機前輪轉角、輪胎與地面的接觸狀態等來研究不同階段的拖拉機側翻特性，為側翻預警提供研究基礎，提高拖拉機的駕駛安全性[112-113]。金智林等[113]分析駕駛員因素影響汽車側翻穩定性的機理，提出的融合駕駛員的人-車閉環系統差動制動防側翻控制策略，既可彌補駕駛經驗不足又可克服駕駛員生理及心理的限制，有效提高汽車防側翻能力。秦嘉浩等[114-115]以反作用動量飛輪為執行元件，提出了將動量飛輪置于拖拉機前部，取代傳統靜態配重的同時可主動提供防側翻力矩。裝備飛輪的拖拉機與無控制組對比可多次實現整機的防側翻控制，使整機防側翻性能得到明顯改善。張碩等[116]將前后輪輪胎類型、前配重質量、前后輪距和機具位置6個影響因素作為控制因子，分析拖拉機斜坡直線行駛工況下側向穩定性貢獻度，結果表明：對拖拉機斜坡上側前、后輪側向穩定性影響最大的控制因子為前配重質量和后輪距。

5 農業機械底盤遙控技術

5.1 線控底盤

線控底盤系統是農機裝備智能駕駛的核心技術之一，滿足遙控駕駛、自動駕駛的線控底盤控制器ECU作為智能農機裝備的核心主控制單元，如圖8所示，通過CAN總線等方式與線控點火、線控油門、線控離合器、線控轉向、線控制動、線控換擋、線控空氣懸架等系統進行信息交互，通過對接收到的信息處理，判斷各個子控制單元和整機系統的行駛狀態，做出安全、合理的指令，從而使各個子控制單元協調、安全的工作，實現底盤遙控、自動駕駛的功能。目前，從執行端來看，線控油門、線控轉向、線控制動等技術在農機機械底盤上的應用相對成熟[117]，實現底盤線控換擋的一個技術瓶頸是無級變速和動力換擋，德國采埃孚(ZF)公司、意大利卡拉羅(Carraro)等企業比較成熟的農機用動力換擋技術及產品；目前國內有中國一拖集團、福田雷沃重工、五征集團等主機企業和配套企業研究動力換擋技術。底盤線控技術的發展大大降低了駕駛員對移動底盤的操作參與度，是未來農機裝備實現輔助駕駛、遙控駕駛及無人駕駛的基礎。

5.2 底盤遙控技術

底盤遙控技術指駕駛員利用遙控云端對移動底盤發送轉向、加速、制動以及具體底盤安裝附件的噴藥、采摘、升降等指令信號，實現農機裝備云端遙控作業、智慧管理等功能；從傳播指令信號的載體大體可分為紅外線遙控、超聲波遙控和無線電遙控。受農田作物遮擋的影響，無線電遙控技術具有無方向性、穿透力強、遙控距離遠等優勢，成為農業機械底盤云端管理中傳遞信號的首選；國內外開展大量農機裝備遙控技術應用研究，主要采用的無線通信模塊有WiFi、LoRa網關、大功率網橋等[118-119]；基于線控底盤的基礎，主操縱端控制平臺根據人機交互界面觀察到的位于底盤上安裝的攝像頭實時回傳的田間環境及整機位姿信息，輸入方向盤轉角、踏板位移等指令到上位機，遠端車載控制單元通過無線網絡通信系統獲取指令并控制底盤實現遠程駕駛，同時不斷檢測各傳感器的信號以繼續調整各機構轉角或位移。

6 展望

隨著5G移動互聯網、大數據、云計算、人工智能等高端技術與現代制造業相結合，未來所預期的智能底盤的目標設置是以優化農業裝備底盤可靠性、舒適性、安全性以及通用底盤平臺設計為研究重點，農機底盤作為智能農機裝備和農業生產信息化網絡的一個重要“橋梁”，未來應從以下幾方面取得發展：

(1)加強基礎理論研究和關鍵零部件性能優化

國內雖然在農業機械底盤技術與系統組成部件研發方面展開了相關研究，但是基礎理論研究方面有待于進一步突破完善，以大功率拖拉機底盤動力換擋控制規律為例，應突破機械、電控、液壓等基礎研究，提升關鍵零部件制造工藝；以水田深泥腳插秧機底盤打滑工況為例，需要探究底盤輪胎-泥壤打滑互作機理，輪胎打滑狀態參數識別與前后扭矩分配控制策略等系統理論。農機底盤基本都在潮濕環境下服役，常常與土壤、秸稈、雨水等接觸，銹蝕破損嚴重，現有的農機底盤傳統系統部件(離合器、變速器、驅動橋等)的密封性差易產生零件腐蝕，因此，研制耐磨防腐密封基礎零件是保證底盤關鍵部件具備較佳性能的基礎。同時，底盤用關鍵零部件的標準化、系列化、通用化程度相對降低，零部件的適應性有待提高。因此，針對不同區域土壤特性、作業環節、適應工況及技術需求的差異，進行同類底盤零部件歸并、參數分擋，構建底盤通用件庫、標準件庫、系統模塊庫，為實現農機裝備底盤智能化設計提供支撐。

(2)底盤平臺化與輕量化設計

通用底盤平臺化設計是未來農機裝備發展的要求及趨勢，根據適用水田、旱地、山區、果園、茶園、設施大棚等作業環境差異，實施通用底盤模塊化設計策略，將含子系統數量相同、作業環節類同的農機裝備底盤平臺化，開發同功率級別的通用移動式動力底盤，通過更換輪胎和履帶、調整軸距、更換系統部件以及在底盤上安裝功能性附件等形式，實現通用底盤差異化功用；進一步加強探究影響覆蓋底盤產品范圍的關鍵因素和影響結構性能的關鍵參數之間的關聯關系，實現不同種類底盤和不同規格的同類底盤的通用化設計；通過選用輕質材料、優化結構設計和選擇先進制造工藝等來降低油耗、增加續航里程，實現底盤輕量化設計。其中，高強度鋼、鋁合金和碳纖維復合材料等制造底盤傳動系統的變速箱、驅動橋殼體，懸架系統的控制臂、橫向穩定桿、副車架鑄鋁等復合材料的使用將成為研究重點；隨著無人作業模式的推廣應用，轉向系統選用電動助力轉向及線控轉向有助于實現底盤輕量化，轉向器支架管柱、轉向電機殼體等部分使用鋁合金材料以期達到減重效果；制動系統集成化、行駛系統中鋁合金鑄旋、鎂合金鍛造車輪等是輕量化的方向。此外在新能源農機裝備上，底盤減重可以增加續航里程，因此簡化傳統系統結構，發展直聯式電驅動車橋、輪轂電機驅動的新能源底盤技術是未來輕量化發展方向。

(3)底盤智能化控制與信息化管理

隨著定位導航、輔助駕駛、無人駕駛等技術在農業裝備生產中應用范圍的不斷擴大和全球智慧農業系統的發展，農機裝備底盤的信息化與智能化將得到更大幅度的提升，以智能化控制技術為核心，突破底盤各子系統作業狀態參數和作業環境感知傳感器的研究與開發，建立機內機外多參數融合的智能調控策略決策，實現底盤精準、高效、穩定行駛；結合智能感知、智能決策、智能驅動、智能管控等技術，底盤無人化、多機協同化作業將成為未來智能驅動底盤技術發展的新亮點和新方向。

底盤信息化管理是農機高效作業基礎，不僅僅是農機作業效率的提升，更是指整個農業生產系統的高效運行。底盤作為未來智能農機裝備的“雙腿”，是整個農業物聯網系統中的一個生產執行單元，一方面，與生產者、企業或相關服務機構相聯通，可實現對農機裝備群體作業狀態的實時監控，一旦底盤各子系統發生異常，則可及時采取應對措施，同時，各種作業數據被上傳至相應的服務器，經綜合處理、分析后，分類入庫，對農機裝備底盤的維護、故障預測以及同類產品的前期設計、后期升級換代均有極其重要的參考價值；另一方面，移動式智能農機裝備與目標用戶保持聯網通訊，可隨時響應用戶的使用要求，按需分配機具類型、數量以及功率級別等，以最少的投入達到最佳的經濟效益和環境效益，實現有限農業資源的最優分配和高效利用，確保整個農業生產系統高效。