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2026 1 - 20

DOI: https://doi.org/10.12133/j.smartag.SA202512012

农业机械底盘调平技术研究现状与展望

  • 杨文彩 ,
  • 陈洪坤 ,
  • 赵恒亮 ,
  • 朱龙图 ,
  • 尚小标 ,
  • 张宏扬 ,
  • 甄广琦
展开
  • 云南农业大学 机电工程学院，云南 昆明 650500，中国
朱龙图，博士，讲师，研究方向为农业装备智能化。E-mail：

杨文彩，博士，教授，研究方向为农业机械化及智能装备工程、丘陵山区农业机械化模式。E-mail：

收稿日期: 2025-08-25

  网络出版日期: 2026-03-30

基金资助

国家自然科学基金(52565029)

云南省重大科技专项(202502AE090042)

云南省重点研发计划(202503AS090010)

云南省“兴滇英才支持计划”产业创新人才专项(XDYC-XYCX-2022-0012)

云南省院士（专家）工作站项目(202605AF350074)

云南省教育厅科学研究基金项目(2024Y318)

收起

Research Status and Prospects of Chassis Leveling Technology in Agricultural Machinery

  • YANG Wencai ,
  • CHEN Hongkun ,
  • ZHAO Hengliang ,
  • ZHU Longtu ,
  • SHANG Xiaobiao ,
  • ZHANG Hongyang ,
  • ZHEN Guangqi
Expand
  • College of Mechanical and Electrical Engineering, Yunnan Agricultural University, Kunming 650500, China
ZHU Longtu, E-mail:

YANG Wencai, E-mail:

Received date: 2025-08-25

  Online published: 2026-03-30

Supported by

the National Natural Science Foundation of China(52565029)

the Major Science and Technology Project of Yunnan Province(202502AE090042)

the Key Research and Development Program of Yunnan Province(202503AS090010)

the Industrial Innovation Talent Project of the "Xingdian Talent Support Program" of Yunnan Province(XDYC-XYCX-2022-0012)

the Academician (Expert) Workstation Project of Yunnan Province(202605AF350074)

the Yunnan Provincial Department of Education Scientific Research Fund Project(2024Y318)

Copyright

copyright©2026 by the authors
Fold

摘要

【目的/意义】 传统农业机械难以适应丘陵山区复杂地形，底盘调平作为提升农机地形适应性与作业质量的关键技术，已成为国内农机装备研究热点。 【进展】 本文围绕底盘调平评价指标、调平装置、调平控制系统等方面进行全面梳理，着重分析了3点支撑式与4点支撑式两类调平机构原理、性能特点及适用场景，阐述了角度误差控制法与位置误差控制法的技术特征，归纳了姿态检测、位移测量、载荷监测及地形感知等多源信息融合方案，综述了从传统比例-积分-微分控制到模糊控制、滑模控制、神经网络等智能算法的演进路径，并提出了丘陵山区未来应重点开展的研究方向。 【结论/展望 融合农艺的调平机理与评价体系构建、高可靠性通用底盘调平装置研发、基于多传感器融合的智能协同调整控制系统开发、“虚腿”抑制与低成本调平技术工程化验证，以期为中国丘陵山区先进适用农机装备研发提供借鉴参考。

关键词： 农业机械底盘; 复杂地形; 调平装置; 控制

本文引用格式

杨文彩 , 陈洪坤 , 赵恒亮 , 朱龙图 , 尚小标 , 张宏扬 , 甄广琦 . 农业机械底盘调平技术研究现状与展望[J]. 智慧农业, 2026 : 1 -20 . DOI: 10.12133/j.smartag.SA202512012

Abstract

[Significance] Hilly and mountainous areas are characterized by complex topography, rugged roads, steep and narrow slopes, and fragmented, discontinuous farmland plots, making it difficult for traditional agricultural machinery to adapt to such conditions. These terrain-related limitations have become a major bottleneck restricting the development of agricultural mechanization and modernization in such areas. Therefore, the research, development, and promotion of agricultural machinery and equipment suitable for hilly and mountainous areas are urgently needed. As a key technology for improving the terrain adaptability and operation quality of agricultural machinery, chassis leveling has become a research hotspot in the field of domestic agricultural machinery equipment. [Progress] A comprehensive review of research on evaluation indicators, leveling devices, and control systems for agricultural machinery chassis leveling is presented. This review focuses on summarizing the categories and applicable scopes of static and dynamic indicators, and analyzing the principles, performance characteristics, and applicable scenarios of two types of leveling mechanisms, namely, three-point support and four-point support. In this review, multisource information fusion schemes, such as attitude sensing, displacement measurement, load monitoring and terrain perception are summarized; the technical characteristics of chassis leveling control strategies, including the angle error control method and the position error control method, are expounded; and the evolutionary path of intelligent algorithms from traditional proportional-integral-derivative (PID) control to fuzzy control, sliding mode control, and neural networks is reviewed. Evaluation indicators, such as roll angle, pitch angle, leveling speed, mean tilt angle, and standard deviation of tilt angle, can provide a relatively comprehensive assessment of the operational performance of chassis leveling systems. Representative three-point support leveling devices include mechanisms based on lateral leveling, hydraulic differential-height adjustment, double guide columns, double parallel four-bar linkages, left-right eccentric wheel swing, and left-right transmission rocker arms. Representative four-point support leveling devices include adaptive balanced rocker suspension, four-point guide-column lifting mechanisms, Y-shaped adjustable suspension, four-hydraulic-cylinder leveling structures, hinged multi-link mechanisms, and articulated three-layer frames. These devices can calculate the required compensation according to the inclination state of the chassis and then realize body attitude adjustment through mechanical structures, hydraulic systems, and other actuating devices. By dynamically adjusting the vehicle body and operating components, they can effectively redistribute the center of gravity of agricultural machinery and improve operational stability on sloping terrain. Meanwhile, combined with high-precision sensors, intelligent control strategies, and efficient control algorithms, chassis leveling systems can achieve adaptive leveling under complex terrain conditions with steep and narrow slopes. [Conclusions and Prospects] Existing chassis leveling technologies for agricultural machinery can basically satisfy the leveling requirements of large-scale machinery operating on broad and relatively gentle farmland, and have already seen preliminary applications. However, in the complex terrain of hilly and mountainous areas, the following limitations still exist: Chassis leveling models and performance evaluation standards have not yet been established; The reliability and universality of existing leveling devices are still insufficient; The integration level of chassis leveling control systems remains limited, and the intelligence and adaptability of control algorithms require further improvement; False leg phenomenon is still difficult to identify, while engineering verification, practical promotion, and field application remain inadequate. In view of the current research status, existing problems, and future development demands, this paper proposes several priority directions for future study aimed at improving the adaptability of agricultural machinery to hilly and mountainous terrain. These include: Constructing a leveling mechanism and evaluation system that are closely integrated with agronomic practices; Developing highly reliable and universal chassis leveling devices; Developing intelligent cooperative adjustment control systems with multisensor integration; Suppressing False Leg phenomenon and low-cost engineering verification leveling technology. This review is expected to provide reference data for the research and development of advanced agricultural machinery equipment applicable to hilly and mountainous areas of China.

Key words： agricultural machinery chassis; complex terrain; leveling devices; control

0 引 言

中国丘陵山区耕地面积约占全国总耕地的38%，但截至目前，丘陵山区农作物耕种收综合机械化率仅为55%，远低于全国约75%的水平［1-3］。丘陵山区地形地貌复杂，山路崎岖，坡陡路窄，地块碎小、不连片，平原地区传统中大型农业机械难以适应［4］。动力机械及作业机械因地形起伏、机体重心高、重心位置动态变化大、底盘俯仰角大等，出现驾驶视角视野差、车身及作业部件难以保持稳定、操作难度大等问题，导致作业稳定性差，作业效率低，甚至存在侧倾、下陷、倾覆等重大安全事故发生风险，严重影响作业质量、威胁操作人员生命安全，阻碍农业机械化和现代化发展［5］。丘陵山区占比较多的瑞典、瑞士、日本、西班牙、芬兰、伊朗等国家也面临上述问题［6, 7］。农发〔2025〕1号文件《农业农村部落实中共中央国务院关于进一步深化农村改革扎实推进乡村全面振兴工作部署的实施意见》中明确指出“加力实施农机装备补短板行动，加大丘陵山区适用农机装备研发攻关力度”［8］。推进丘陵山区适用农机装备的研发和推广迫在眉睫。
从农业装备作业坡度适应性来看，针对6°以下的地形，传统农业机械基本能满足作业需求；6°~15°的丘陵地形，适合中小型农业机械作业；15°~25°的坡地地形，仅适合小型农业机械作业；坡度超过25°的陡坡地形，则不太适合机械化作业。因此，“丘陵山区农业机械问题”主要是指6°~25°的丘陵山地机械化问题［9, 10］。底盘调平作为提升农机地形适应性与作业质量的关键技术，近年来得到快速发展。农业机械底盘调平技术是指在液压或电力驱动系统的动力支持下，通过调控农机底盘的位置与角度，补偿地形起伏带来的姿态偏差的技术［11, 12］，该技术不仅能使整机保持相对水平，还能为各类农机具提供稳定的作业基准，保障作业质量［13］。
近年来，国内外学者从“可靠性、稳定性、高效性、智能化”等多个角度出发，对农业机械底盘调平技术开展了系统性研究。本文从底盘调平评价指标、调平装置、调平控制系统等方面进行国内外研究现状梳理，并就农业机械底盘调平技术未来研究重点和发展方向开展技术前沿与态势分析，以期为中国丘陵山区先进适用农机装备研发设计提供借鉴参考。

1 农业机械底盘调平评价指标研究现状

农业机械底盘调平评价指标是衡量调平效果和验证调平技术的关键，也是检验调平装置设计和控制系统开发的重要标尺［14］。
为评估坡度条件下调平装置系统的作业性能，金诚谦等［15］使用俯仰角与横滚角合成的底盘倾斜度评价全向调平底盘调平性能，并以控制器调平时间和倾斜度调节误差作为静态调平性能评价参数；以倾斜度均值和标准差作为动态调平性能评价参数。TAN等［16］采用基于调平速度、俯仰角与侧倾角矢量合成的机身倾斜角、调平误差评价玉米收获机双层悬架底盘姿态调整系统的静态调平性能；以调平均方根误差衡量其横向与纵向姿态的动态调平性能。阳科等［17］通过采集静态调平时间内可升降底盘倾角和液压缸转角、位移数据；农机以一定速度作业时倾角的平均差和标准差，评估升降底盘的升降速度、液压系统响应时间及调平效果。GUO等［18］引入倾角均值与标准差，通过对作业过程中倾角数据的实时采集与分析，用倾角均值反映系统动态调平的整体偏差趋势，用标准差表征倾角波动的离散程度，实现对调平系统动态作业性能的量化描述。
综上所述，根据调平状态及性能评估维度，农业机械调平评价指标主要分为静态指标和动态指标两大类，其中，静态指标衡量农业机械在一定坡度下静止或缓慢运动时，调平装置系统的调整范围、调平精度与静态响应速度等；动态指标衡量装置系统在运行过程中应对地形扰动的能力与姿态稳定性等。侧倾角、俯仰角、调平速度、倾斜度均值和标准差等评价指标，能够对调平装置系统的作业性能进行较为准确的评估，然而，现有研究中静态评价指标与动态评价指标多以相对独立的形式使用，评价重点通常集中于姿态误差或响应时间等单一维度，尚缺乏能够同时综合反映调平精度、调平速度、能耗水平及其对作业质量影响的统一评价框架。一方面，静态指标难以表征连续作业过程中地形扰动对调平系统性能的影响；另一方面，动态指标多以统计特征描述姿态波动，尚未充分考虑调平动作对作业质量、稳定性与能耗的耦合约束。此外，不同作物、作业方式及区域农艺需求差异显著，使得调平性能评价指标的选取与权重分配缺乏统一规范。

2 底盘调平装置研究现状

底盘调平装置是根据底盘倾斜程度计算调节量，通过机械结构、液压系统等装置进行姿态调平，动态调整车身和作业部件的机构，该装置能够使农业机械重心转移，在不同高度和坡度下稳定作业，适应丘陵山地复杂地形，有效解决传统机械在复杂地形中的适应性问题［19, 20］。从支撑方式来看，农业机械底盘调平装置主要分为3点支撑和4点支撑两种［21］。

2.1　3点支撑式调平装置

3点支撑式调平装置通过调整支撑点或支撑线的空间位置，使支撑面达到相对水平状态，从而在丘陵山区复杂地形上保持农业机械的平衡和稳定［22, 23］。3点支撑式调平装置结构简单，无过约束问题，负载直接作用于调平装置上，支撑稳定、易于实现、成本较低、控制方式简单，但刚度和抗倾覆能力较弱［21］。典型3点支撑式调平装置如表1所示。
表1 农业机械典型3点支撑式底盘调平装置对比

Table 1 Comparison of three-point support chassis leveling devices in agricultural machinery

装置类型 研发机构 装置图 调平原理 适用场景
侧向调平机构 伊朗科技大学［24］ 通过液压缸调节车体绕底盘传动侧倾中心轴旋转，在保持动力传动功能的同时调整车辆质心位置，从而实现车体姿态调平 轮式拖拉机；平缓丘陵地
广东省现代农业装备研究所等［25］ 在活动架与固定架之间增加侧向调平液压缸实现横向±12°调平 果园作业；平缓丘陵地
液压差高机构 西北农林科技大学等［26］ 通过远程遥控液压缸伸出长度，调节两侧相对平行的支撑架，使车桥与车架姿态同步调整，快速实现在0°~23°坡地作业时的横向调平和离地间隙调整 履带式拖拉机；平缓坡地等高线作业
山东大学等［27］ 通过左右支撑架升降液压缸，在4 s内实现车身在坡度±10°的横向调平 马铃薯联合收获机；平缓丘陵地
双导柱机构 北京林业大学［28， 29］ 通过调节两液压缸同时伸缩或一缩一伸，实现在20°坡度条件下的全向调平作业 平缓坡地
山东理工大学等［30］ 前轮采用被动减震技术，后轮采用双导柱式伺服电缸，降低高频扰动影响的同时实现底盘在±0.2°精度、±9°范围内的全向调平 平缓丘陵地；动态调平
左右传动摇臂机构 山东工业大学；歌尔股份有限公司等［31， 32］ 在保证动力传输的基础上，通过控制左右传动摇臂机构实现横向高度差调节，可在6 s内完成±0.3°精度、-16.34°~16.12°的横向姿态调整 小型轮式玉米收获机；陡峭丘陵地
双平行四边形机构 四川农业大学；德阳金星农业机械制造有限公司等［17］ 通过液压缸伸缩，对后摆臂施加压力，使摆臂绕支撑底座做旋转运动，改变底盘上下两段的相对距离，实现在±7.5°倾斜角度下底盘的横向调平，调平时间和角度偏差分别控制在3.6 s和±0.4°以内 水稻联合收割机；动态调平；平缓丘陵地
双平行4杆机构（前轮）+左右偏心轮摆动机构（后轮） 上海交通大学；山东五征集团［33-35］ 前轮通过双平行4杆机构，在实现转向和动力传输功能的同时，根据路面起伏和后桥姿态绕前桥托架左右摆动，保持始终与地面的垂直；后轮通过蜗轮蜗杆装置驱动偏心轮顺时针或逆时针摆动，调节左右车轮高度，兼顾动力传输，在±15.79°丘陵地上实现车身刚性结构的柔性动态横向调整 轮式拖拉机；陡峭丘陵地；动态调平
双对称平行4杆机构（前轮）+滑块摇杆机构（后轮） 吉林大学［36］ 通过平行4杆机构使上底盘架前端抬升和下降，实现±17.5°的车身左右横向调平；通过滑块摇杆机构完成上底盘架后端的抬升和下降，实现最大角度分别为17.5°和11°的前倾和后倾调平 自走轮式玉米收获机；陡峭丘陵地
燕山大学等［37］ 在后轮采用对称双轮胎结构实现仿形行走的同时，通过液压缸调节双对称平行4杆机构和滑块摇杆机构各支撑点高度，实现车身姿态全向调平及离地间隙调整 陡峭丘陵地
曲柄+滚珠滑块机构 日本久保田株式会社［38-40］ 通过控制升降机构调节单侧履带底盘高度，以补偿机身的横向倾斜，保持清选装置水平，避免清选物在倾斜状态下单侧堆积 履带式全喂入式联合收割机；平缓丘陵地
日本洋马农机株式会社［41， 42］ 通过液压缸控制履带底盘左右平衡机构独立升降13 cm，在湿烂田块作业时克服机体倾斜，保持机体与割台水平 履带式全喂入联合收割机；平缓丘陵地
广西大学；广西民族大学等［43］ 通过左右对称布置的底盘调平机构，可有效改变整机质心，实现横向姿态调整，调平精度≤0.5°，调平时间1 s，最大调平角10° 履带式甘蔗收获机；平缓丘陵地
从表1可以看出，3点支撑式调平装置因结构简单、无过约束问题，适用于多种农业机械。各研究团队持续开展结构研发，从侧向调平、双导柱等单一调平机构到双平行4杆机构、左右偏心轮摆动机构融合，双对称平行4杆机构、滑块摇杆机构融合等复合调平机构，不断提升装置的抗倾覆能力和丘陵山区适应能力，但在全向调平性能与系统可靠性方面仍需深入研究。

2.2　4点支撑式调平装置

4点支撑式调平装置是基于4个独立支撑点调节支撑面姿态的调平机构。该装置支撑点通常呈对称矩形布置，通过调整支撑点的位置和高度，改变支撑面的空间方位，实现调平装置的水平状态，具有支撑刚度高、支撑稳定性好、调平精度高、抗倾覆能力强等优点，但容易出现“虚腿”现象［22, 23］。

2.2.1　机构与装置研发

现有典型4点支撑式调平装置如表2所示。4点支撑式调平装置相比3点支撑式调平装置，降低了对支腿结构强度和液压系统工作压力的要求。从表2可以看出，自适应平衡摇臂悬架机构、平行4杆机构、4点导柱升降机构、Y形可调悬架机构等多安装在传动或行走系统中，体积较小、结构紧凑。而4液压缸调平机构、铰链多连杆机构、伸缩与偏转机构、铰接“3层车架”机构等多采用“多层机架”结构，安装在行走装置与上层平台之间，行走装置地面附着性较好，姿态可调范围大。然而，4点支撑式调平装置在支腿协调性与液压缸协调控制方面仍存在不足，有待进一步研究，以解决调平过程中出现的“虚腿”现象及机体抖动震颤问题。
表2 农业机械典型4点支撑式底盘调平装置对比

Table 2 Comparison of four-point support chassis leveling devices in agricultural machinery

装置类型 研发机构 装置图 调平原理 适用场景
自适应平衡摇臂悬架机构 北京航空航天大学等［44］ 在车轮仿形行走的同时，摇臂悬架通过手动控制或依靠自重作用，实现离地间隙调节、轮距调节和车身自调平功能 轮式拖拉机；平缓坡地
4点液压升降机构 石河子大学［45］ 通过4个对称分布的液压缸调整底盘机架横梁实现0°~17°的横向调平 自走轮式番茄收获机；陡峭丘陵地
中国铁建重工集团新疆有限公司［46， 47］ 通过控制4液压缸伸缩可实现在0°~10°坡地上的横向调平 番茄收获机；平缓丘陵地
平面连杆双向调节机构 华南农业大学等［48］ 根据1条直线和直线外的1点唯一确定1个平面的原则，可实现坡度20°以内的全向调平作业 履带式果园作业；平缓坡地
可调悬架悬臂机构 中国农业大学等［49］ 通过倾角传感器实时测量车身倾斜角度，计算4组悬架悬臂夹角的瞬时调节量并精确调整，可实现底盘最大侧倾角和俯仰角为22.71°和15.58°，精度1°范围内的动态补偿调平 平缓坡地；动态调平
平行4杆机构 湖南农业大学等［50， 51］ 通过液压缸驱动、平行4杆机构执行升降，完成离地间隙调节和机身调平 高地隙轮式植保作业；平缓丘陵地
平行4杆机构（横向）+双车架机构（纵向） 西北农林科技大学等［52］ 通过横向调平液压缸改变平行四边形形状，实现0°~15°丘陵地的横向姿态调整，同时优化整机离地间隙；由纵向调平液压缸驱动，带动上层车架绕下层车架后桥半轴旋转一定角度，实现0°~10°丘陵地的纵向姿态调整 履带式拖拉机；陡峭丘陵地；动态调平
绕轴旋转机构 北京林业大学；中国农业大学等［53］ 通过液压调平系统协调4个对称分布的液压缸伸缩，实现机架绕其中心轴旋转完成±8°的侧倾调平；通过控制双液压缸同步伸缩，使工作台绕剪叉机构顶端支撑轴旋转完成±10°的俯仰调平，但当工作台升至最高点时，仰调平角度降至6.5° 履带式果园作业；平缓丘陵地
4点导柱升降机构 法国克莱蒙大学等［54］ 通过4轮独立液压调平机构调整车身倾斜状态，实现车身在0°~10°的全向调平，并动态检测车身横向载荷和实时坡度 平缓丘陵地
吉林大学等［55-57］ 采用调平液压缸与锥齿轮副组成的4点导柱升降机构，在保持动力输出的同时，实现在复杂工况下0°~15°的车身动态横向调平 轮式拖拉机；陡峭丘陵地；动态调平
湖南农业大学［58］ 通过独立控制调节4气囊气压可在5.35 s内实现±8.5°俯仰调平、±10°横向调平及0~280 mm离地间隙调节，倾斜度调节误差最大值为0.44° 高地隙轮式植保作业；平缓丘陵地
铰接“3层车架”机构 江苏大学；江苏新能源汽车研究院有限公司［59， 60］ 通过液压缸的伸缩分别控制横向和纵向调平层，使其上方车架绕铰接点旋转，分别在3.4 s和3.6 s内实现机身横向20°，纵向25°调平，精度达±1.5° 履带式作业机；平缓坡地；动态调平
Y形可调悬架机构 中国农业大学［61］ 通过协调调节4组Y形可调悬架的高度，实现底盘姿态±0.5°精度内的自适应仿形调平补偿 平缓丘陵地；动态调平
西南大学等［62］ 通过控制4电动推杆的伸缩实现±8°的全向调平 轮式辣椒苗移栽机；平缓丘陵地
江苏大学［18］ 通过采集倾角信息，控制轮毂电机驱动实现行走，驱动电缸实现姿态调平 轮式果园作业；平缓丘陵地
变幅轮腿机构+3自由度铰接体机构 福建农林大学；北京林业大学［63］ 通过3自由度铰接体机构和对称分布的4变幅轮腿可在坡面倾角小于15.29°时调节车架实现横向调平 陡峭丘陵地
仿生昆虫后足多连杆机构 中国农业大学等［64］ 基于仿生昆虫后足和多连杆机构原理，构建全向调平装置，实现0°~16°的俯仰调平、0°~27°的侧倾调平和0~574 mm的离地间隙调整，平均调平时间约为1.2 s，平均调平误差为0.8° 陡峭坡地
4液压缸调平机构 美国约翰迪尔公司；凯斯公司［65， 66］ 美国John Deere公司生产的S系列联合收割机和Case-IH公司生产的CH、CS系列联合收割机配备Hillco Technologies山坡调平系统，能够通过斜率感应测角仪实时监测机身倾斜状况，实现快速、平稳的27%斜率补偿，精度可达±0.5° 联合收割机；平缓丘陵地；动态调平
美国麦赛福格森公司［67］ 美国Massey Ferguson公司生产的MF Beta AL4型联合收割机采用由4个液压缸驱动的调平系统，上下坡补偿分别达35%和8%斜率，横向坡度补偿高达38%斜率 联合收割机；平缓坡地；动态调平
德国芬特公司［68］ 德国Fendt公司生产的5275 C SL型联合收割机通过配备4液压缸调平系统，可提供上坡35%、下坡8%及横向38%的斜率补偿 联合收割机；平缓坡地；动态调平
德国科乐收公司［69］ 德国CLAAS公司生产的LEXION 7700 MONTANA型联合收割机配备全自动边坡补偿功能，横向补偿能力最高可达18%，纵向补偿能力最高可达6% 联合收割机；平缓丘陵地；动态调平
铰链多连杆机构 南京农业机械化研究所；山东理工大学［15］ 通过电液控制系统控制双曲柄铰链5杆机构，完成底盘双侧升降，实现纵向-5°~7°、横向±6.5°、离地间隙0~130 mm的姿态调整，平均调节时间4.2 s，倾斜度调节误差最大值为0.67° 履带式联合收获机；平缓丘陵地；动态调平
江苏大学；沃德农业机械股份有限公司等［70-73］ 4点可调式升降机构对称分布于底盘左右两侧，通过液压缸调节离地间隙、横向倾角和纵向倾角，其中离地间隙调节范围为0~140 mm，横向倾角和纵向倾角的调节范围分别为-5.18°~5.55°和-4.06°~5.2°，调平精度达±0.4° 履带式联合收割机；平缓丘陵地
双4连杆机构（横向）+4升降机构（纵向） 甘肃省机械科学研究院有限责任公司等［74］ 在液压驱动下，调整液压缸带动4连杆悬架，实现0°~15°的横向调平；通过4升降液压缸共同抬起或推低机架，使前后侧升降液压缸组形成一定的高度差，实现0°~30°的纵向调平 陡峭丘陵地
双层悬架机构（横向）+铰链杆块机构（纵向） 吉林大学；长春中达拖拉机制造有限公司［16］ 由上下两级调平机构组成，通过液压缸伸缩控制调平盘和上悬架转动，形成高度差，分别实现±43.1°横向与-10°~17°纵向姿态的独立调平，最快调平速率可达0.233 s/（°），调平均方根误差为±0.78° 履带式玉米收获机；陡峭坡地
顶升机构 印度理工学院［75］ 通过液压缸顶起或放下举升机构实现0~245 mm的离地间隙调节和±15.2°的车身侧倾调平 履带式联合收获机；平缓丘陵地
轮毂调平机构 浙江理工大学等［76］ 通过伺服电机的转动适应不同垄高及0°~12°的不平地块，并在9.1 s内完成调平，实现单侧上垄的移栽作业 设施蔬菜移栽机；平缓丘陵地
伸缩机构+偏转机构 西北农林科技大学等［14］ 采用自适应机构保持作业机具方向稳定，并通过调整支腿和旋转偏转机构，减少控制件个数，降低控制难度，在2.5 s内实现调平精度达2.2°、适应0°~20°的全向调平 履带式山地茶园作业；陡峭丘陵地；动态调平

2.2.2　“虚腿”现象解决方案

在4点支撑式调平装置中，由于多支撑点间协调不足，常出现“虚腿”现象，即某支撑点因受力不均而支反力过小或离地悬空，从而影响农业机械底盘调平性能［21］。这种现象的根本原因在于，3点确定1个平面，4点支撑式调平装置属于1次超静定系统，存在冗余约束和静不定问题［22, 23］。在调平过程中，各调平支腿的负载具有不确定性，如何有效识别和处理“虚腿”现象成为关键技术难点。传统解决方法是在测量调平装置倾角时，逐一检测每条调平支腿的状态，但这种方式耗时较长且检测精度较低。
为解决“虚腿”现象，研究者提出了多种优化方案：一是采用3点支撑式调平方案，避免超静定问题，但需权衡其支撑刚度和稳定性［77］；二是通过计算等方法优化支腿位置，提高调平系统的适应能力［64］；三是改进支腿结构或液压系统，增强支撑点间的协调性［49］；四是利用压力传感器等进行实时监测，优化控制策略和控制算法，动态调整支腿受力状态等［78］。
李尚平等［79］在各个支腿液压缸进油口安装压力变送器，实时监测缸内压力情况，通过闭环控制法缓解“虚腿”现象。柯超等［62］对传统4点支撑式调平装置进行改进，通过将两电动推杆交叉链接并连接至后轮，确保4支腿在作业过程中保持受力。邹大庆等［59］、蒋俞等［60］通过伸缩液压缸分别控制全向调平履带式作业机的横向和纵向调平层，使其上方车架绕铰接点旋转，实现机身全向调平解耦，避免多液压缸协调作业导致局部支撑失效。ZHANG等［80］设计了一种基于杠杆悬臂梁双级微位移放大结构和柔性运动副的关节传感器，将支腿接触压力转化为位移并传递至压力信号输出结构，实现支腿压力的实时检测，确保支腿与地面良好接触。梁桂林等［81］提出一种基于称重和水平双反馈的复合调平控制策略，通过记录和分析实际调平过程中支腿的称重值和水平角度变化曲线，均衡各支腿受力，提高调平速度。LI等［82］采用比例-积分-微分控制（Proportional-Integral-Derivative Control, PID）算法对支腿相电流进行实时监控，当相电流小于0.23 A时，判定对应支腿为“虚腿”状态，并执行补偿。PAN等［64］设计一种补偿控制器，通过压力传感器实时监测支腿接地力，实现对“虚腿”的快速识别与计算补偿。GUO等［18］在电缸与调平支腿连接处安装压力传感器，实时检测各支腿受力情况，通过判断其是否达到应有的承重压力，识别支腿是否接地并有效承重，从而控制电缸伸缩，避免支腿悬空问题。
“虚腿”现象是制约4点支撑式调平技术发展的重要瓶颈。目前，相关优化方案在工程机械领域已较为成熟并得到应用，但在农业机械调平作业中仍存在明显的适配障碍，相关研究与工程应用相对较少，主要原因在于：农业机械作业对象多为松散可变形土壤，地面承载力空间差异显著，支腿/车轮易产生沉陷与回弹，支腿/车轮-地面接触刚度呈强非线性与时变特征，使得工程机械中基于刚性地基假设的载荷分配与支撑力控制策略难以直接套用；同时，相较于工程机械的静态调平，农业机械常处于低速连续行驶与贴地作业状态，调平需在扰动频繁、姿态持续变化的条件下进行，对“虚腿”补偿提出更高要求。此外，农业机械对成本、维护便捷性与环境适应性约束更强，高精度传感器与复杂执行/控制结构的工程化部署受限。综上，国内外在农业机械底盘调平装置的研究均取得了一定进展。液压差高、左右偏心轮摆动、平行4杆、4点导柱升降及铰链多连杆等典型机构的不断创制，提升了农业机械底盘调平装置在丘陵山区复杂地形的适应能力，部分研究成果已在不同类型农业机械中得到初步应用，但装置研究在结构强度、调平精度、稳定性等方面仍有提升空间。

3 底盘调平控制系统研究现状

农业机械底盘调平控制系统是保障复杂地形下农机作业稳定性、安全性与作业质量的核心技术之一，其通过整合感知、决策与执行环节，实现对底盘姿态的动态调节［83］。传统手动调平主要依靠水平仪等工具或操作人员经验进行姿态调整，难以均衡支腿载荷分布，容易出现“虚腿”现象，且调节时间长、精度低、效率低、操作复杂，难以满足丘陵山区行走和作业需求［84, 85］。相比之下，结合了高精度传感器、智能控制策略和高效控制算法的底盘调平控制系统，可在复杂地形和坡陡路窄的环境下，实现底盘自适应调平［86, 87］。

3.1　底盘调平控制策略

底盘调平控制策略是基于农业机械作业需求与调平目标所设计的系统性方案，其本质是通过感知-决策-执行的闭环控制，实现机体姿态的稳定调节，不仅涉及调平目标与控制逻辑的设定，还包括姿态、位移、载荷及地形等多源信息的感知与融合，并在此基础上完成支腿或执行机构的协调控制，从而直接影响姿态调平精度与速度［88］。
在农业机械底盘调平控制系统中，传感器作为控制系统的感知输入信息源，为调平策略的实施提供关键状态量。常用的感知信息主要包括底盘姿态信息、执行机构位移信息、支撑载荷分布信息以及前方地形信息等。其中，姿态检测传感器主要包括倾角传感器和惯性测量单元等，用于实时获取底盘侧倾角和俯仰角信息。实际应用中，姿态传感器通常采用正交布置方式（图1），即其敏感轴相互垂直；同时，传感器多安装于底盘中心或关键支撑点附近，并使其安装方向与支撑点连线保持一致，以降低安装位置对姿态测量结果的影响，从而有利于提高姿态感知精度并减小调平误差［30］。位移传感器安装于支腿或液压缸等执行机构上，用于反馈调平动作状态；载荷检测传感器主要包括压力传感器和应变片，可布置于支腿或液压缸支撑部位，用于监测载荷分布并抑制“虚腿”现象；地形测量传感器主要包括超声波传感器、激光测距传感器和红外传感器，可用于提前感知坡度变化，实现主动调平，提高系统对复杂地形的适应性。不同类型调平传感器的主要功能、安装位置及精度如表3所示。
图1 姿态传感器典型安装示意图

Fig. 1 Typical installation diagram for attitude sensor

表3 不同类型调平传感器的主要功能、安装位置和精度

Table 3 Main functions， mounting positions and accuracy of different types of leveling sensors

调平传感器类型 主要功能 安装位置 精度
姿态检测传感器 实时获取侧倾角与俯仰角等姿态信息 底盘中心或关键支撑点 0.01°~0.1°
位移传感器 测量支腿/液压缸伸缩量，反馈执行状态 支腿伸缩机构或液压缸 0.05~1 mm
载荷检测传感器 监测支撑载荷分布，识别并抑制“虚腿” 支腿或液压缸支撑部位 0.05%~0.5% Full Scale （F.S）
地形测量传感器 感知前方地形变化，实现主动调平 底盘顶部或底部 1~10 mm
在上述感知信息支撑下，农业机械底盘调平控制策略通常可分为角度误差控制调平法和位置误差控制调平法两类［79］。前者以姿态角误差为控制对象，强调快速姿态修正；后者以执行机构位移或几何关系为控制对象，更侧重调平终值精度。

3.1.1　角度误差控制调平法

角度误差控制调平法是一种以传感器检测角度信号为依据，通过调节支撑腿高度实现底盘姿态水平的调平策略［88］。该策略首先根据传感器的角度数据，判断各个支撑点的高低情况，然后以倾角误差为核心，分两步调整支撑点：先调节一个方向的倾角误差至目标值，再调整另一方向，最终实现调平［81］。其优势在于响应速度快、调平精度高、算法简单。但由于不同方向的调整角度存在耦合关系，在调整一个方向时可能变化另一方向的倾角，需多次对照重复调节，调平时间较长。此外，该策略仅以倾角数据为输入，对传感器精度要求较高，且难以判断是否发生“虚腿”现象。
杨径等［48］采用角度误差控制调平法作为平面连杆双向调节机构的调平策略，通过双轴倾角传感器检测平台纵倾角和侧倾角，计算液压缸调节值，减少调平过程中质心高度变化，使平台趋于水平，角度跟踪误差小于0.5°。SONG等［89］为玉米联合收割机设计了基于角度误差控制调平法的油气悬架液压调平控制系统，通过驱动调平机构运动，补偿机体角度差，调平效果优于传统单阀控制单缸。HU等［90］开发了自适应调平液压悬架系统，利用二维角度传感器测量底盘姿态信息，控制4个液压缸实现底盘姿态动态调平。于泳超等［53］将检测到的倾角信号输入调平系统，计算倾角误差并控制液压调平系统完成果园作业平台调平底盘的姿态调整。柯超等［62］提出了一种基于角度误差控制调平法的多传感器耦合调平策略，并结合复合控制方法对调平系统进行优化改进，在提高调平精度的同时缩短调平时间。
从控制逻辑的实现来看，角度误差控制调平法具有实现简单、成本较低的优势，在农业机械领域应用广泛。但在实际应用中，存在不同角度耦合导致调平时间延长的问题，尚缺乏快速解耦的有效改进方法。

3.1.2　位置误差控制调平法

位置误差控制调平法，即“预置点”不动调平法，主要分为“中心点”不动调平法和“追逐式”调平法，其中“追逐式”调平法又细分为“最高点”不动和“最低点”不动两种［14］。在调平过程中，位置误差控制调平法通过传感器实时监测底盘姿态，判断各支腿空间高度，保持中心点、最高点或最低点对应支腿的位置不变，将其作为基准点，计算其余支腿与基准点的高度误差，并根据误差的大小和方向调整支腿位置，使各支腿高度逐步与基准点对齐，实现底盘姿态调平［21］。
其中，“中心点”不动调平法首先基于底盘结构参数或质量分布信息，确定底盘几何中心或等效中心点位置，随后通过姿态传感器获取俯仰角与侧倾角，计算各支撑点相对于中心点的姿态偏差，在保持中心点空间位置不发生变化的同时，协同调节各支撑点，使底盘绕中心点旋转至水平状态，当姿态误差满足控制精度要求且中心点位置偏移在允许范围内时，视为调平完成。“中心点”不动调平法在调平过程中液压缸所需的调整行程较短，调平时间短。SUN等［91， 92］基于该方法研究了一种车辆姿态控制策略，在调节车辆姿态时，直接控制电磁阀和压缩机的通断状态，提高控制效率。刘平义等［61］研制的丘陵山区农用调平底盘采用“中心点”不动调平法计算误差补偿量，在实现快速动态调平补偿的同时，确保充足的调平余量。金诚谦等［15］将该方法应用于履带式联合收获机全向调平底盘，通过调节铰链5杆机构，保持负载平台水平。ZHANG等［80］为提高调平速度，基于“中心点”不动调平法调整姿态角，以车身几何中心点为基准，计算每条支腿伸缩量，实现支腿同步调平控制。陈庚等［58］基于“中心点”不动调平法，在高地隙底盘调平系统中心安装倾角传感器，并建立笛卡尔坐标系，直接获得底盘相对于水平面的侧倾角和俯仰角。GUO等［18］采用以底盘中心为基准的“中心点”不动调平法，通过控制电缸伸缩运动实现调平，其伸缩速度与伸缩量成正比，可在保持4点果园作业调平底盘高度的同时调整底盘姿态。
“追逐式”调平法中，“最高点”不动调平法通过姿态检测传感器获取底盘俯仰角和侧倾角信息，计算各支撑点相对高度，确定高度最高的支撑点作为“最高点”，并作为参考基准，在调平过程中保持最高点对应支腿长度不变，不参与调节，其余支撑点根据姿态误差方向依次抬升，使底盘逐步趋于水平状态，当底盘俯仰角和侧倾角均满足预设阈值条件时，视为调平完成。由于保持最高点位置不变，其他支撑点在调平过程中仅包含抬升动作，可在一定程度上避免支腿失载，从而抑制“虚腿”现象。然而，连续多次调平可能逐渐减少各支腿调平余量，不利于后续底盘姿态调平。采用“最高点”不动调平法为调平控制策略的传统3点和4点支撑式调平装置的调平过程如图2—3所示。而“最低点”不动和“最高点”不动本质相同，仅调整方向相反。“最低点”不动调平法以初始姿态中高度最低的支撑点作为固定基准，在调平过程中保持最低点高度不变，其余支撑点根据姿态误差进行调节，可降低整机重心，提高调平稳定性。
图2 采用“最高点”不动调平法的3点支撑调平过程

a. 调平前 b. 调平中 c. 调平后

Fig. 2 Three-point support leveling process using the “highest point” non-moving leveling method

图3 采用“最高点”不动调平法的4点支撑调平过程

a. 确定最高点 b. A点完成调平 c. C点完成调平 d. D点完成调平

Fig. 3 Four-point support leveling process using the “highest point” non-moving leveling method

李晓松等［93］设计了一种基于“最高点”不动调平法的4点支撑式自动调平控制系统，通过识别并锁定最高支撑点，分别修正X、Y方向倾斜，其最高点的判断方法与调平流程如图4所示。赵静一等［88］针对传统“追逐式”调平法在调平过程中支腿载荷分布不均、底盘动态性能差的问题，提出一种“面追逐式”4点支撑式误差控制调平法（图5）。该策略将各支腿与最高点对应支腿的高度误差分为4等分段，各支腿同时进行调平，调平速度以相同比例系数正比于各自的高度误差，并采用压力传感器保证调平过程中各支撑点处于同一平面，预防“虚腿”现象产生。顾星海等［94］对“最高点”不动调平法进行优化，提出了多次循环调平法和以相同速度控制一侧支腿进行调平的调平策略，避免支腿悬空，减小“虚腿”现象出现的可能性，简化控制算法。舒鑫等［50］、SHI等［51］采用只升不降的“最高点”不动调平法，通过标定和采集倾角数据，判断各支腿高低位置，并计算所需的升降差值和液压缸伸缩量，以点动方式调节各支腿液压缸，实现高地隙植保机的姿态调整。CHEN［31］等采用“最高点”不动调平法，通过调节左右传动摇臂机构，实现小型玉米收获机的姿态调节。于春生等［36］针对设计的自走式玉米收获机3点支撑式调平装置，采用“最低点”不动调平法，在缩短调平时间的同时，降低收获机重心。
图4 基于“最高点”不动调平法的4点支撑式自动调平控制系统调平流程图［88］

Fig. 4 Leveling flow chart of four-point supported automatic leveling control system based on the “highest point” non-moving leveling method

图5 “面追逐式”误差控制调平法基本思路

a. 调平前位置误差分配 b. 同步调整

Fig. 5 The basic idea of the “face chase” error control leveling method

贾新乐等［30］为丘陵山区小型农机3点自平衡调平底盘采用并优化“预置点”不动调平法，将预置点设为前方电缸运动距离的中心点。相比于“最高点”和“最低点”不动调平法，该策略通过直接计算调整支腿位置，减少机械重心变化，缩短调平距离、次数和时间。
目前，不断改进的位置误差控制调平法正逐步提高农业机械底盘在丘陵山区复杂地形的适应性。表4对比了不同类型的位置误差控制调平法，但该调平控制策略仍存在不足，在调平过程中容易出现支腿载荷分布不均、底盘动态性能差和“虚腿”现象等问题，有待进一步优化。
表4 农业机械底盘不同位置误差控制调平法对比

Table 4 Comparison of different types of position-error-control-based leveling methods for agricultural machinery chassis

位置误差控制调平法 优势 劣势 适用场景
“中心点”不动调平法 重心变化小、调平行程短、调平时间短、调平余量充足 对初始姿态敏感 动态行走作业；坡度变化频繁的复杂地形
“最高点”不动调平法 只升不降、可抑制“虚腿” 调平时间长、调平余量逐步减少、重心升高 高地隙作业机械；静态调平；大面积平缓坡地
“最低点”不动调平法 重心降低、稳定性与抗侧倾能力强 影响通过性、调平时间较长 稳定性优先场景；静态调平；大面积平缓坡地
综上所述，在调平控制策略研究方面，不同的调平策略各有优缺点（表5），适用于不同地形和作业需求，应结合农机用途、地形复杂度、调平精度要求等因素选择合适的策略。然而，在不同土壤条件下发生地面沉陷、滑转滑移时，调平控制策略的可靠性和稳定性有待提高。
表5 农业机械底盘调平控制策略对比

Table 5 Comparison of leveling control strategies for agricultural machinery chassis

调平控制策略 优势 劣势 适用场景
角度误差控制调平法 算法结构简单、响应速度快、控制精度高 多方向角度耦合，需多次迭代调整、调平时间较长、传感器精度要求高、载荷不均时易诱发“虚腿” 动态调平；地形起伏频繁、坡度快速变化的复杂地形
位置误差控制调平法 支腿位置调节精确、调平次数少、调平时间较短 计算和控制逻辑复杂、响应速度较慢、载荷分布不均时仍可能出现“虚腿” 静态调平或动静态兼顾；大面积平缓坡地

3.2　底盘调平控制算法

底盘调平控制算法是底盘调平控制系统的核心，目前的研究内容主要包括基于姿态感知的底盘调平控制算法、基于坡度预测的底盘调平控制算法以及底盘与农机具协同调整算法等。

3.2.1　基于姿态感知的底盘调平控制算法

随着农业机械化和智能化的快速发展，国内外学者聚焦农业机械底盘调平精度和响应速度的提升，围绕作业信息的准确感知、有效数据的高效处理和车身姿态的精准调控等方面，对底盘调平控制算法展开了大量研究，并取得了显著进展。
吕昊暾等［95］为提高果园作业平台自动调平控制系统性能，基于已开发的调平底盘提出了以前馈PID控制为核心的自动调平控制算法，控制原理如图6所示。静态调平试验表明，前馈PID控制未出现超调现象，相比传统PID控制，平台上升时间平均缩短20%，调节时间平均缩短30%，稳态误差控制在0.6%以内，性能更优。动态调平试验中，平台以2 km/h速度在起伏较大的路面上行驶时，工作台俯仰角绝对值差最大为3.0°，平均绝对误差为0.79°，均方根误差为0.58°，可将工作台倾角稳定在±3°以内。
图6 果园作业平台前馈PID自动调平控制流程图［95］

Fig. 6 Orchard work platform feed-forward PID automatic leveling control flowchart

杨腾祥等［96］根据设计的履带式联合收获机全向调平底盘，开发了一种基于闭环PID控制的履带式联合收割机底盘调平系统（图7），在调节范围内调平误差小于0.5°，调节时间小于5s，车身倾斜角度控制在±1.5°以内。
图7 履带式联合收获机底盘调平系统控制框图［96］

Fig. 7 Control block diagram of undercarriage leveling system for crawler combine harvester

孙永佳等［27］为已设计的马铃薯联合收获机车身调平机构，设计了一种基于模糊PID算法的车身调平系统（图8），该系统利用融合一阶惯性滤波的倾角传感器监测车身横向倾斜角度，抑制干扰和抖动信号。试验表明，模糊PID控制算法相比传统PID控制具有更优的控制性能，系统上升时间缩短53.57%，调节时间缩短51.77%，最大超调量减少6.25%，最大调平误差小于1°；在起伏较大的路面上以3.6 km/h速度行驶时，车身倾斜角误差控制在±3°以内。
图8 马铃薯联合收获机模糊PID车身调平系统结构图［27］

Fig. 8 Structure diagram of fuzzy PID body leveling system for potato combine harvester

DETTU等［97, 98］提出了一种基于贝叶斯优化算法和双层级联调节器的联合收获机底盘调平控制系统。该系统利用贝叶斯优化算法进行自动校准，减少待校准参数量，将迭代次数控制在50次以内；通过双层级联调节器控制切换液压作动器，并嵌入执行器饱和管理策略，解决驱动系统变量耦合问题。与无控制情况相比，该系统可实现最大±8°的侧倾调平和±2.5°的俯仰调平，侧倾角均方根误差减少约40%。
齐文超等［33］基于已开发的丘陵山地3点支撑式轮式拖拉机姿态调整装置，设计了一种基于双闭环PID算法的姿态主动调整控制系统。该系统通过调整车轮摆动角度，能够在±10°坡地上7.5 s内完成横向调平，最大调平误差小于0.5°，左右后轮摆角差的绝对值控制在±1°以内；在高低起伏较大的坡地上，以1挡速度（1.98 km/h）行驶时，车身倾斜角控制在±3°范围内，左右车轮摆角差的绝对值控制在±5°范围内。在此基础上，齐文超等［34］为提高控制系统性能，进一步提出了一种双闭环模糊PID控制算法，相比双闭环PID算法，新算法在±15°坡地上可实现12.5 s内无超调调平，减少了超调量和调平时间，控制效果更优。丘陵山地拖拉机姿态主动调整控制系统原理图如图9所示。
图9 丘陵山地拖拉机姿态主动调整控制系统原理图［34］

Fig. 9 Schematic diagram of active attitude adjustment control system for tractor in hilly mountainous terrain

JIANG等［99］针对设计的“3层车架”全向调平履带式作业机，提出了一种基于复合Q学习-反向传播神经网络-PID（Q-learning- Backpropagation Neural Network-PID，QBP-PID）的机身姿态控制算法（图10）。该算法通过BP神经网络实时优化PID控制参数，并结合Q学习算法在线更新神经网络权值，提高调平精度和响应速度；仿真结果表明，QBP-PID机身姿态控制算法能在2.8 s内完成20°横向调平、3.2 s内完成25°纵向调平，较传统PID和BP-PID控制缩短调平时间且无超调现象。为进一步提高控制精度和增强鲁棒性，汪若尘等［100］针对未建模动态补偿问题，设计了互联式全向液压调平系统，并提出了基于扰动观测器的滑模同步控制算法（图11）。该算法通过引入同步误差补偿项，降低单液压缸位置误差和双液压缸同步误差。相较于传统PID控制，滑模同步控制在20°横向调平和25°纵向调平时间上分别减少1.6 s和1.8 s，上升时间平均缩短21.8%，调平时间平均缩短35.5%，同步位置控制误差维持在±6×10-4 m以内，机身倾角平均误差为2.55%，液压缸同步误差为8.2%。
图10 履带式作业机QBP-PID机身姿态控制算法结构图［99］

Fig. 10 Structure of QBP-PID fuselage attitude control algorithm for tracked operating machine

图11 履带式作业机滑模同步控制算法框图［100］

Fig. 11 Block diagram of sliding mode synchronization control algorithm for tracked work machine

JIANG等［101］以丘陵山地3点支撑式轮式拖拉机为研究对象，构建描述车身姿态参数与轮心高度关系的运动学模型，提出一种结合分步调平策略、传统遗传算法和模拟退火算法的改进控制算法，研究结果表明，该改进算法较传统遗传算法的响应时间缩短了63.93%，改进算法可将最大侧倾角和最大俯仰角分别降低13.3°和4.3°；在混合坡地条件下，分别降低13.8°和4.0°。
ZHAO等［37］基于3点支撑式调平底盘，设计了一种融合阶梯式调平算法（Stepwise Lleveling Method, SLM）与自适应双环复合控制算法（Adaptive Dual-Loop Composite Control Strategy, ADLCCS）的调平控制系统（Stepwise Leveling Method Based on an Adaptive Dual-Loop Composite Control Strategy, ADLCCS-SLM）。SLM通过逐步增量调节1个或2个液压缸，实现快速调平，避免多调平机构联动带来复杂相互作用。ADLCCS采用内外双环结构：外环遵循分离原则，结合卡尔曼滤波和线性二次型高斯生成最优虚拟控制律，增强系统鲁棒性与响应速度；内环采用反步算法，补偿液压缸的非线性特性。同时，引入改进的自适应遗传算法优化控制参数，实现系统的自适应调整。试验结果表明，与传统PID算法相比，该系统俯仰角和侧倾角峰值分别降低了31.8%和33.3%。ADLCCS-SLM调平控制系统结构原理如图12所示。
图12 ADLCCS-SLM调平控制系统结构原理图［37］

Fig. 12 ADLCCS-SLM leveling control system structure schematic diagram

综上，基于姿态感知的底盘调平控制算法在一定程度上提高了农业机械在坡地、不平整地面等复杂环境下的作业性能，但仍需深入解决响应滞后、控制精度和抗干扰能力有限等问题。

3.2.2　基于坡度预测的底盘调平控制算法

现有底盘调平控制算法主要为基于姿态感知、反馈的被动调平方式，在动态行驶作业中存在检测滞后、响应延迟等问题，往往在机身发生倾斜后才进行姿态调整，难以实现绝对意义上的实时调平［14］。基于坡度预测的底盘调平控制算法通过实时感知前方地形和整机姿态，主动快速调平机身姿态，相比于被动调平方式，可在机身尚未发生明显倾斜时及时响应补偿。
WANG等［102］设计了一种基于快速主动调平方法的农用车辆调平系统，该系统利用红外测距传感器实时采集前方地面相对高度信息，并通过双轴倾角传感器获取车辆姿态数据，结合车辆行驶状态，提前计算调整执行机构角度与位移，调平精度优于传统被动调平方式。ZHU等［103］提出了基于遗传算法和BP神经网络的农业机械预测系统，通过激光雷达、惯性测量单元获取前方地形信息及农机当前的速度与姿态，结合农机几何模型，推算轮胎接地点，可对未来2 s内农机的位置与姿态进行预测。刘平义等［61］提出了一种丘陵山区农用预检测主动调平系统，该系统通过在底盘前端安装地面检测装置，提前获取前方地形信息，结合当前行驶状态实时计算并完成高度调节，可在底盘尚未发生明显倾斜前提前实施补偿，主动预防、避免或减少复杂地形作业中的底盘姿态偏移。LI等［82］通过激光雷达和超声波测距模块扫描采集前方土壤坡度和离地间隙参数、陀螺仪获取车身姿态信息，采用基于滑动窗口滤波和卡尔曼滤波的融合调平算法进行数据处理，控制双平行四边形、双丝杠和独立腿式机构，自适应主动调整独立腿式作业底盘的姿态、轴距和离地间隙。试验结果表明，该底盘调平时间短于被动调平方式，调平后俯仰角和横滚角的误差较小。
当前，基于红外测距、激光雷达、惯性测量单元等多源信息融合的多种基于坡度预测的底盘调平控制算法能较为准确地感知前方地形坡度走向，但在应对田间路面颠簸方面仍存在不足，农业机械在行驶作业过程中因其造成的瞬时姿态变化过大问题有待深入研究。

3.2.3　底盘与农机具协同调整控制算法

在丘陵山区复杂地形作业时，农业机械不仅需调平自身姿态，还需同步调节所挂接的农机具，确保其在作业中始终贴地仿形，保障作业质量［104］。底盘与农机具协同调整控制算法通过协调底盘调平装置与农机具姿态调节机构，实现整机与作业部件的姿态同步与动态匹配，提升系统整体性能。
杨福增等［105］提出了一种山地拖拉机姿态协同控制系统（图13），对车身调平和农具姿态的控制分别采用PID算法和双闭环模糊PID算法。试验结果表明，在坡度±15°的静态试验条件下，车身调平时间约为1.9 s，最大误差为1.10°，农具调平时间约为1.1 s，最大误差为0.46°，均无超调现象；在坡度14°~16°的动态作业环境中，车身横向倾角最大误差为1.90°，农具横向倾角最大误差为0.93°。
图13 山地拖拉机姿态协同控制系统原理框图［105］

Fig.13 Block diagram of attitude cooperative control system for mountain tractor

张锦辉等［106］基于神经网络PID算法设计了一种丘陵山地姿态同步控制系统（图14），同步控制拖拉机的车身姿态调节与农机具仿形调整作业（图15）。试验结果表明，神经网络PID算法较传统PID算法具有更优的控制性能，在固定坡度路面上，车身横向倾角最大误差为0.864 0°，左右摆角绝对值差最大误差为0.960 0°，机具横向倾角最大误差为0.649 7°；在随机坡度路面上，车身横向倾角最大误差为2.874 0°，左右摆角绝对值最大误差为4.280 0°，机具横向倾角最大误差为1.762 0°。为提高控制性能，LI等［107］进一步提出了一种结合前馈PID和模型降阶积分滑模的双闭环控制算法，以及一种带微分观测的三阶滑模控制算法。前者在姿态调整过程中减小附加力矩对传动系统的影响，确保左右摆动机构在非线性扰动下的同步控制；后者在仅有一个状态变量的情况下能够降低抖振干扰，可快速、无超调地形跟踪控制。试验结果表明，车身与农机具姿态最大调整速度可达2°/s。
图14 丘陵山地姿态同步控制系统试验现场

Fig. 14 Hilly terrain posture synchronization control system test site

图15 基于神经网络PID的拖拉机—农机具姿态同步控制系统框图［106］

Fig. 15 Block diagram of the tractor-implement attitude synchronization control system based on neural network PID

底盘调平装置与农机具姿态调节机构的协同能力是关乎农业机械及作业机具能否适应丘陵山区复杂地形的重要因素，然而现有的协同调整控制算法研究尚少。
现阶段，底盘调平控制算法主要分为线性控制、非线性控制和融合控制三大类，涵盖PID控制、模糊控制、滑模控制、神经网络控制等及其融合算法，典型底盘调平控制算法的原理、优势和劣势如表6所示。从表6可以看出，模糊PID因其鲁棒适应性高、调节灵活等优势，成为目前农业机械底盘调平技术研究和应用较多的控制算法。底盘调平控制算法正逐步由单一型向复合融合型演进，但在深入解决部分场景下调平及协同调整算法响应滞后、控制精度和抗干扰能力有限等问题方面仍有提升空间。
表6 典型底盘调平控制算法对比

Table 6 Comparison of typical chassis leveling control algorithms

控制类型 算法名称 控制原理 优势 劣势 参考文献
线性控制 传统PID 比例-积分-微分反馈调节 结构简单、实时性好、易工程实现 难以应对强非线性与时变工况 ［105］
增量式PID 控制增量Δu，抑制积分饱和 抗干扰能力较好，适合数字控制 响应偏慢、大范围动态适应性不足 ［53］
前馈PID 前馈补偿+反馈控制 响应快、抑制外部干扰 依赖建模精度、参数整定困难 ［95］
闭环PID 闭环误差最小化控制 结构简单、调试方便 控制精度与动态性能受限 ［96］
双闭环PID 外环位置+内环速度/电流 动态响应快、抗干扰能力强 结构与调参复杂 ［33］
非线性控制 模糊PID 模糊规则在线调节PID参数 适应性强、鲁棒性好 规则设计复杂、计算量较大 ［108-111］
双闭环模糊PID控制 模糊PID外环位置+内环速度控制 精度高、稳定性好 规则数量多、调试难度大 ［34］
模糊分层变结构 模糊调节+变结构切换 控制精度高、鲁棒性强 结构复杂、工程实现难 ［112］
神经网络PID 神经网络自整定PID参数 适应强非线性与时变系统 训练复杂、泛化能力受限 ［106］
滑模同步 滑模保持多执行器同步 多系统协调能力强 通信需求高、结构复杂 ［100］
带微分观测的三阶滑模 状态估计+高阶滑模面 控制精度高、估计误差小 对噪声敏感、计算量大 ［107］
融合控制 模糊-卡尔曼 模糊控制+卡尔曼估计 抗噪能力强、控制平滑 依赖模型、参数敏感 ［50， 51］
卡尔曼-模糊PID 状态估计+模糊调参 精度高、抗干扰能力强 实时性受限 ［62］
GA-BP神经网络 遗传算法优化BP网络 全局搜索、优化能力强 易陷局部最优、泛化不足 ［103］
QBP-PID 强化学习+神经网络调参 智能优化、自学习能力强 收敛慢、结构和调参复杂 ［99］
Backstepping-滑模双闭环 非线性反步+滑模控制 鲁棒性强、控制精度高 参数多、调试工作量大 ［113］
模糊滑模变结构 模糊调节滑模增益 抗扰能力强、控制灵活 规则设计和结构复杂 ［114］
自适应模糊滑模 滑模+模糊+自适应 自适应与鲁棒性兼顾 控制结构复杂、调参难度大 ［115］
ADLCCS-SLM 自适应双闭环+阶梯调平 复杂地形适应性强 参数耦合、结构复杂、调参难度大 ［37］

4 问题分析与发展展望

4.1　问题分析

国内外学者在农业机械底盘调平技术方面主要是通过创制新型的调平机构和装置，采用适宜的控制策略和传感器，设计高效的控制算法，搭建专用的控制系统来实现姿态调整。现有农业机械底盘调平技术在大型机械及大平缓耕地基本能够满足调平需求，且已得到初步应用，但在丘陵山区复杂地形还存在以下不足。
（1）底盘调平模型与性能评价规范尚未建立。当前多数研究仅聚焦调平结构设计与控制实现，缺乏对农机在复杂地形与多变工况下调平作业的深入建模及对调平性能统一的评价标准，难以为调平装置的设计优化与控制系统的开发提供系统性理论依据。其根源在于：一是底盘调平过程同时涉及“土壤-轮地/支腿接触-机体结构-液压执行-控制系统”多物理耦合，存在明显的非线性、时变性与强不确定性；二是丘陵山区工况随机性强，坡度起伏、地面沉陷、滑转滑移与载荷转移等现象使载荷通道难以准确描述，模型参数随工况变化显著；三是农艺作业需求具有多样性和区域差异性，作业质量、作物损伤、通过性与安全性等指标难以统一量化并映射到调平性能评价中，导致评价指标体系与测试规范难以标准化。因此，模型与评价体系的缺失并非单一技术环节所致，而是与问题本身的高度复杂性以及农机作业目标的多目标权衡特征密切相关。
（2）调平装置可靠性与通用性不足。现有多数调平装置在复杂地形下的适应性仍有局限，尤其是在15°～25°的坡地地形，调平装置的抗倾覆能力较弱；且部分调平装置强度不足、调平范围和关键部位承载能力有限；调平过程中可能因支腿协调不足、液压系统响应滞后而出现机体抖动震颤现象；结构尺寸大、构造复杂，整机稳定性因重心上移而大幅降低，影响其安全性。同时，标准化、模块化程度低，不利于实现产品通用化与系列化开发。
（3）底盘调平控制系统集成度低、算法智能性不足。目前多采用单一控制策略或低耦合的多策略组合，调平时间较长，未能实现调平控制的快速动态解耦；高精度传感器应用不足，多传感器融合水平低，制约对整机姿态与地形信息的全面感知；部分调平算法响应滞后、控制精度低、对田间路面颠簸的抗干扰能力有限，适应不足，未能提前补偿调整，农机在行驶作业过程中容易因其姿态变化过大。同时，底盘与农机具的协同调整算法研究较少，农机具的仿形作业与底盘调平的动态匹配问题尚未有效解决。此外，算法智能性不足还受到多方面系统性约束：田间感知条件复杂，传感器可靠性、布置成本与数据质量难以兼顾；调平控制对象存在多变量强耦合与执行链时滞，使动态控制难以兼顾速度与精度；可用于训练与验证智能算法的标定数据与标准工况集不足，且跨地区、跨作物、跨机型的域差异显著，制约算法泛化与工程复用。同时，底盘调平与农机具作业质量之间存在强耦合的多目标约束，缺乏统一的协同控制与在线权衡机制。
（4）“虚腿”难以识别，工程化验证、实际推广与应用不足。农业机械在调平作业过程中易受土壤沉陷等复杂条件影响，支腿载荷分布不均，“虚腿”难以识别和解决；成本控制压力大，多数研究成果仍处于仿真或样机试验阶段，且试验手段单一，实地系统性验证较少，在耕、种、管、收、运等各实际生产环节中可靠稳定高效智能的装置系统推广与应用不足。

4.2　发展展望

基于目前研究现状、尚存在的问题，以及未来发展需求，面向适应丘陵山区复杂地形要求，未来农业机械底盘调平技术应加强以下方面研究。
（1）融合农艺的调平机理与评价体系构建。深度结合底盘调平应用场景、多变工况信息及实际农艺要求，分析调平机理及载荷来源性质，建立整机载荷谱，具体而言，可通过长期田间实测与多源数据采集获取典型工况下的载荷时程与作业状态信息。例如，在不同坡度等级、土壤条件、作业速度与作业模式下，布设姿态角、支腿位移、液压压力/流量、关键结构应变与轮地接触力等传感测点，形成可追溯的载荷数据库；在此基础上，结合数据驱动建模与统计归纳方法，如雨流计数、等效损伤、工况聚类与代表工况提取等，构建能够反映典型作业循环与极端工况特征的整机载荷谱，并实现不同地区与作物农艺需求下的载荷谱参数化表达。需要指出的是，整机载荷谱建立过程中仍面临工况高度随机、土壤-轮地作用非线性强等问题，有待通过实测与仿真相结合的方式进一步提高载荷谱的泛化性与工程可用性。在此基础上，构建装置系统在调平过程中精准实用的动力学与运动学模型及科学完善的性能评价体系。底盘调平模型与性能评价体系可有效表征装置系统的参数特性，不仅为调平装置研制与控制系统设计提供理论基础，也为后续试验验证提供重要依据。
（2）高可靠性通用底盘调平装置研发。基于动力学与运动学底盘调平模型，拓宽调平范围，选用高强度结构材料，对应力较大、应力集中的关键部位、重要部件进行结构优化、配置调整与创新设计，在满足强度和调平性能要求的同时，减少重心上移，提高底盘稳定性；一体化整合多连接结构，去除冗余部分，减轻整体重量，实现轻量化和微型化；标准化零部件、模块化调平机构，提升装置通用性，同时实现功能差异化配置。随着机电一体化技术的快速发展，伺服电缸等执行部件有望在底盘调平装置中得到广泛应用，解决作业过程中负载变化时液压系统响应不稳定问题，进一步提升响应速度与调平精度。
（3）基于多传感器融合的智能协同调整控制系统开发。结合作业需求，深入研究装置耦合特性，综合运用多类型控制策略，兼顾静态调平精度与动态调平性能，提高调平快速解耦能力；选用高精度传感器，提高检测精度；加强惯性测量单元、激光雷达等多传感器融合，实时获取整机姿态及前方地形特征等多源信息；探究农业机械行进速度与调平响应速度的匹配关系，融合多种智能控制算法，强化其鲁棒性、自适应性与自学习能力；推进感知、计算、执行架构一体化，深入开展基于实时感知、动态反馈、智能决策的集成化姿态主动协同调整控制系统研究，在机身和作业部件姿态尚未发生变化时快速响应，协调底盘调平装置与农机具姿态调节机构实现补偿调整，更好地满足农业机械在丘陵山区复杂地形的作业需求。
（4）“虚腿”抑制与低成本调平技术工程化验证。结合底盘调平模型、装置及控制系统，提出识别改进方案，解决农业机械在不同土壤条件下因地面沉陷、滑转滑移、载荷分布不均等因素导致的“虚腿”现象；以调平性能评价体系为依据，加强基于计算机辅助工程仿真、台架、样机及实车的静态、动态、负载作业及稳定性等试验验证。同时，从工程可实施性与成本约束出发，探索低成本调平技术路径：一方面，在保证关键调平精度的前提下，通过传感器功能整合与选型优化，如以姿态-位移信息融合替代高成本多点测量，降低系统硬件成本；另一方面，通过控制算法简化与参数整定策略优化，减少对高算力硬件和复杂控制结构的依赖，并结合结构集成化设计与常规材料替代方案，提升调平系统的工程适用性与推广价值，推动农业机械底盘调平技术研究成果的转化及产业化应用。

本研究不存在研究者以及与公开研究成果有关的利益冲突。

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