丘陵山地拖拉机防翻保护装置与预警系统研究现状

摘要：牟孝栋, 杨福增, 段罗佳, 刘志杰, 宋卓颖, 李宗霖, 管寿青. 丘陵山地拖拉机调平与防翻关键技术研究现状与发展趋势[J]. 智慧农业(中英文), 2024, 6(3): 1-16. DOI: 10.12133/j.smartag.SA202312015

本文节选自

牟孝栋, 杨福增, 段罗佳, 刘志杰, 宋卓颖, 李宗霖, 管寿青. 丘陵山地拖拉机调平与防翻关键技术研究现状与发展趋势[J]. 智慧农业(中英文), 2024, 6(3): 1-16. DOI: 10.12133/j.smartag.SA202312015

MU Xiaodong, YANG Fuzeng, DUAN Luojia, LIU Zhijie, SONG Zhuoying, LI Zonglin, GUAN Shouqing. Research Advances and Development Trend of Mountainous Tractor Leveling and Anti-Rollover System[J]. Smart Agriculture, 2024, 6(3): 1-16. DOI: 10.12133/j.smartag.SA202312015

丘陵山地拖拉机防翻保护装置与预警系统研究现状

丘陵山区地形崎岖、坡陡路窄，拖拉机行驶侧翻的危险性大，是造成驾驶员伤亡的主要原因之一。2018年，日本发生了274起致命农场事故，其中拖拉机翻车事故高达56起。2021年，韩国共发生与农业机械相关的事故44 302起，其中翻车和侧翻事故为11 683起。美国每年因拖拉机侧翻事故导致超400人死亡。中国也时常发生拖拉机侧翻致人伤亡事故。拖拉机防翻及保护装置可避免拖拉机在发生侧翻时对驾驶员人身造成伤害。拖拉机翻车预警系统可提前告知驾驶员拖拉机所处的危险状态，及时发出警报或直接由计算机接管拖拉机，提高驾驶的安全性。因此，研发丘陵山地拖拉机防翻及保护装置与预警系统是保障驾驶人员安全的关键。

1 防翻保护装置

自20世纪50年代以来，拖拉机翻车问题就引起了广泛关注。目前被广泛接受的车辆防侧翻解决方案是1956年发明的侧翻保护结构（Roll-Over Protective Structure, ROPS）。ROPS的作用是在车辆发生翻滚时，使驾驶人员在安全带的保护下减少与车身发生擦碰，保护驾驶人员的人身安全。拖拉机翻滚保护结构如图1所示。

图1 拖拉机翻滚保护结构图

Fig. 1 Tractor roll protection structure

尽管拖拉机的设计在安全方面取得了进展，但在操作拖拉机时，横向侧翻是最危险的情况之一，需要设计更加坚固的翻车保护结构。由于侧翻时车辆自重和惯性导致安全架需承受较大载荷，为了防止安全架在侧翻过程发生较大的变形或者毁坏，意大利波伦亚大学Jang等在基于ROPS结构，研究了一种计算拖拉机实际保护结构吸收能量的模型，在拖拉机发生侧翻时，可更好地保护驾驶员的安全。ROPS目前应用于大多数拖拉机作为保护操作员的唯一装置，然而它并不能防止翻车事故造成的人员伤亡和机器损坏。考虑安全装置对拖拉机作业通过性的影响，美国田纳西大学Ayers等开发并测试了可从拖拉机座椅操作的可折叠ROPS提升辅助杆，通用升降辅助设计（杠杆和扭转弹簧-集成止动支架）能够满足人体工程学标准。西班牙纳瓦拉公立大学Latorre-Biel等开发了一种廉价的翻转能量耗散装置，能够吸收翻转能量，不会塌陷或出现严重变形而侵犯到安全区，以提高ROPS结构的安全性。

2 防翻预测预警系统

防翻预测预警系统可以在车辆侧翻前提前感知翻车危险，对于丘陵山区拖拉机的驾驶安全性起着至关重要的作用。拖拉机翻车本质上是拖拉机重心位置落在安全区以外，一侧车轮或履带的接地压力趋于0，故关键在于建立基于拖拉机行驶速度及整车重心位置的翻车预测模型，在拖拉机将要达到极限翻车角度前，通过角度传感器与控制模块使其自动触发主动防翻系统，将拖拉机调节至稳定状态。

拖拉机驾驶模拟器是预测和预防倾翻事故的有力工具。日本东京大学Watanabe和Sakai开发了一种带有运动系统的拖拉机驾驶模拟器，在虚拟试驾中重现了日本陡峭通道斜坡上拖拉机翻覆事故。该模拟器可应用于拖拉机安全研究和产品开发。车辆稳态模型可以很好地预测车辆的稳定性情况。英国哈德斯菲尔德大学Malviya和Mishra开发了一种车辆稳态预测模型，研究车辆在各种操纵、横风和倾斜地面条件下的稳定性，并将关键信息及时反馈至系统，可实时预测车辆状态。Baker和Guzzomi研究发现拖拉机的前后质量分布会影响斜坡行驶的稳定性，数据表明，稳定性随着前部质量的增加而降低。澳大利亚西澳大学Guzzomi提出在拖拉机上安装四轮制动器，此设计会增加出现翻车风险时整车动能的消耗，从而阻碍翻车的进一步发展。韩国江原大学Jang等通过动态模拟分析了地面坡度角、障碍物形状和高度对拖拉机在硬质路面上行驶的侧倾和后倾的影响。为检验不同几何形状和质量规格的拖拉机在不规则倾斜地面上运行对车辆横向稳定性的影响，Ahmadi开发了一种动态模型，研究了拖拉机在发生翻转和防滑时的不稳定性情况，并制定了拖拉机稳定性指标。日本九州大学Li等建立了一种翻车预测模型，通过力学计算，得出拖拉机的速度和坡度角对倾翻稳定性有显著影响，当轮胎即将与地面失去接触时，操作员可根据系统提示主动纠正拖拉机的运动，达到防止发生侧翻的效果。西班牙卡塔赫纳理工大学Ojados等设计了一款可展开式翻车保护结构，在拖拉机即将发生翻车的情况下自动展开翻车保护结构，发生侧翻后，系统会自动发送带有全球定位系统（Global Positioning System, GPS）位置的电话消息，以联系紧急响应人员。哥伦比亚大学Liu和Koc开发了一款拖拉机翻车检测和应急报告软件应用程序，可以实时检测拖拉机的GPS位置、时速和稳定状态，并能在发生翻车事故时向紧急联系人发送事故报告，极大地保障驾驶员的安全。拖拉机翻车检测系统如图2所示。

图2 拖拉机翻车检测系统

Fig. 2 Tractor rollover detection system

目前，国内对拖拉机主动防侧翻的研究较少。李臻教授团队提出了一种基于动量飞轮系统的主动防侧翻控制方法。使用主动转向控制作为辅助防侧翻方法，有效降低了侧滑、过转向和急转弯时的车辆横向加速度。动量飞轮在控制器预测可能发生倾翻时，加速向车辆滚动的相同方向旋转以提供反向扭矩，来达到防止车辆倾翻，但该系统目前仅处于模型试验阶段，未应用于拖拉机上。比例模型拖拉机侧翻试验如图3所示。

图3 比例模型拖拉机侧翻试验

Fig. 3 Scale-model tractor rollover test

郭腾飞针对降低拖拉机坡地作业易发生侧翻的风险，设计了一种轮式拖拉机侧翻预警系统，可向控制器实时提供车身的角度信息，基于极限侧翻夹角和延时操作反应夹角判断拖拉机所处的位姿情况和是否处于侧翻临界值，并实时反馈侧翻预警信息，提高驾驶员的行车安全性。康杰等基于轮胎胎压变化设计了一种主动防翻系统，通过胎压传感器时刻检测每个轮胎的胎压变化判断是否存在侧翻风险。当系统检测到存在侧翻风险时拖拉机会自主采取主动减速或熄火操作，避免驾驶员在接到侧翻预警后而再采取措施的滞后性，降低了拖拉机侧翻的风险。庄家鹏设计了一种姿态可调丘陵山地拖拉机，后桥末端传动机构具有可独立回转摆动功能，末端传动机构跟轮胎刚性连接，末端传动机构可绕后桥半轴套管做旋转运动；前桥采用具有地面浮动仿形能力的平行四边形机构，提高了拖拉机的防侧翻稳定性，并基于动力学仿真软件开展了侧翻试验，仿真结果表明倾翻稳定性较未调姿前的极限状态提高了10%，保证了驾驶员与拖拉机的安全。

李延凯针对高地隙植保机质心高易发生侧翻的问题，设计了防侧翻控制策略，当高地隙植保机在行驶过程中动态横向垂直载荷转移率超过侧翻阈值时，启动防侧翻控制，将通过主动转向与速度控制的策略防止植保机发生侧翻。袁冠豪设计了基于运动学和动力学模型的侧向速度估计器，然后根据三自由度侧翻动力学模型和轮胎垂直载荷转移系数模型，以控制侧翻指数为目标，基于自适应滑模控制理论、自动转向系统模型和内模PID控制理论，设计了防侧翻预警控制系统（图4）。

图4 拖拉机防侧翻预警控制系统图

Fig. 4 Tractor anti-rollover warning and control system

3 丘陵山地拖拉机主动预警防翻系统面临严峻挑战

丘陵山地拖拉机防翻保护装置与预警系统关乎驾驶员的人身安全，将会成为未来研究的热点和难点。ROPS保护结构经过半个多世纪的发展，在吸能材料、结构和弹出方式上已较为成熟。国外研究已从注重ROPS保护结构的优化改进研究阶段演化到如今的翻车环境模拟预判模型与侧翻预警研究，但未从根源上通过控制策略或环境感知系统避免车辆的侧翻；国内研究侧重于改进车体、车架结构，加装主动防翻及侧翻的预警预报装置。

丘陵山区农田作业面临的最大危险就是拖拉机的倾翻，复杂多变的恶劣作业环境导致当前具有主动预警防翻系统的山地拖拉机研制与产业应用面临以下挑战：一是地面坡度大且障碍物高度、深度及形状不一，是导致拖拉机翻车的最主要外界因素，当坡度升高或拖拉机重心升高时更容易发生侧翻和后翻；二是拖拉机的行驶速度与碰到障碍物时角动量与倾翻临界状态的变化规律难以确定，需建立拖拉机不同速度下经过不同坡度不同类型障碍物时的动力学模型，以此可预测拖拉机的倾翻临界状态；三是防倾翻结构与系统设计难度大，防倾翻结构既要满足整机强度刚度要求又要到达调整整机重心的作用，防翻预警预报系统需到达对拖拉机临界倾翻姿态进行主动紧急修正的作用，但是将上述结构与系统集成到拖拉机上并保证在大坡度、高复杂性的恶劣作业环境下有效可靠工作仍面临挑战。

未来的研究侧重点应在兼顾装配防翻保护结构的同时配备具有人机交互的预警系统，在即将发生侧翻风险的瞬间，拖拉机需主动接管并触发防翻控制策略，最大程度上将失稳的拖拉机恢复至安全状态。

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