籬架式栽培葡萄株間除草機(jī)自動(dòng)避障機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

徐麗明，于暢暢，劉 文，袁全春，馬 帥，段壯壯，邢潔潔

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籬架式栽培葡萄株間除草機(jī)自動(dòng)避障機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

徐麗明，于暢暢，劉 文，袁全春，馬 帥，段壯壯，邢潔潔

（中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083）

針對(duì)籬架式栽培葡萄株間自動(dòng)避障除草機(jī)作業(yè)時(shí)需要避開葡萄藤的要求，該文設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)避障機(jī)構(gòu)，分析了自動(dòng)避障機(jī)構(gòu)躲避葡萄藤的工作原理。自動(dòng)避障機(jī)構(gòu)包括平行四連桿機(jī)構(gòu)和避障觸發(fā)機(jī)構(gòu)，避障觸發(fā)機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵部件是觸桿，觸桿由兩段直線及連接兩者的圓弧部分構(gòu)成。在ADAMS中建立了參數(shù)化除草機(jī)模型，以觸桿較長(zhǎng)直線部分的長(zhǎng)度、中間過(guò)渡圓弧的角度和觸桿與除草部件邊緣的3個(gè)距離1、2、3的組合為試驗(yàn)因素，以作業(yè)后未除雜草面積3為指標(biāo)進(jìn)行正交試驗(yàn)，得出為顯著因素。以作為優(yōu)化變量，對(duì)3進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化結(jié)果表明，當(dāng)為225、300、212 mm時(shí)，3取得最優(yōu)值。田間試驗(yàn)表明，優(yōu)化后平均除草作業(yè)覆蓋率比優(yōu)化前提高8個(gè)百分點(diǎn)以上，除草作業(yè)覆蓋率的標(biāo)準(zhǔn)差降低，作業(yè)穩(wěn)定性較好，可為籬架式栽培葡萄株間自動(dòng)避障除草機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

農(nóng)業(yè)機(jī)械；設(shè)計(jì)；試驗(yàn)；籬架式栽培葡萄；株間；避障；除草機(jī)；優(yōu)化

0 引 言

現(xiàn)代除草技術(shù)主要可分為化學(xué)除草和非化學(xué)除草2大類?；瘜W(xué)除草主要指使用除草劑進(jìn)行除草，除草劑作用迅速、使用方便、易于大面積應(yīng)用[1]，但除草劑的大量使用破壞了生態(tài)環(huán)境，長(zhǎng)期使用同一種除草劑還會(huì)促使某些雜草產(chǎn)生“抗藥性”[2]，因此，非化學(xué)除草技術(shù)研究的重要性越來(lái)越凸顯。常用的非化學(xué)除草技術(shù)有機(jī)械除草、生物技術(shù)除草、熱力除草、電力除草等[3]，其中，機(jī)械除草技術(shù)主要分為行間機(jī)械除草技術(shù)和株間機(jī)械除草技術(shù)，前者已比較成熟，但株間機(jī)械除草技術(shù)仍是一個(gè)比較新的研究領(lǐng)域[4]，相關(guān)研究進(jìn)展較緩慢。

國(guó)外對(duì)株間機(jī)械除草技術(shù)的研究較早，研究成果也較多。荷蘭的Kouwenhoven和Kurstjens、丹麥的Melander、瑞典的Fogelberg等[5-8]對(duì)純機(jī)械的株間除草技術(shù)進(jìn)行研究，除草效果并不理想，且易傷苗；丹麥的Norremark[9]、西班牙的Pérez-Ruiz[10]對(duì)株間自動(dòng)避障除草技術(shù)展開了研究，把計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)、GPS定位技術(shù)應(yīng)用到了株間除草機(jī)械的自動(dòng)避障控制系統(tǒng)中，改善了除草效果且降低了傷苗率，但成本較高，效率較低。國(guó)內(nèi)起步較晚，近年來(lái)，東北農(nóng)業(yè)大學(xué)的陳振歆等[11]、楊松梅[12]、韓豹等[13]對(duì)純機(jī)械的株間除草技術(shù)做了研究，多用于低矮植物，工作效率低，傷苗率高；江蘇大學(xué)的張鵬舉等[14]、陳樹人等[15]、華南農(nóng)業(yè)大學(xué)的胡煉等[16]、中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)的陳子文等[17]把圖像識(shí)別技術(shù)與一些非接觸傳感技術(shù)應(yīng)用到了自動(dòng)避障控制系統(tǒng)中，取得較好效果，但圖像識(shí)別技術(shù)硬件成本高，且在復(fù)雜作業(yè)環(huán)境下圖像處理算法復(fù)雜，處理時(shí)間長(zhǎng)，效率較低。另外，目前株間除草的相關(guān)研究主要針對(duì)蔬菜類等低矮作物或果樹類等株距較大作物[18]，而葡萄因其種植模式特殊（株距只有1 m左右，除草機(jī)械無(wú)法跨越植株作業(yè)），現(xiàn)有株間除草機(jī)械無(wú)法滿足作業(yè)要求，而專門針對(duì)葡萄株間除草機(jī)械的相關(guān)理論研究很少，因此，本文針對(duì)行距3 m、株距為1 m的籬架式栽培葡萄的株間機(jī)械除草作業(yè)，設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)避障機(jī)構(gòu)，首先分析了自動(dòng)避障機(jī)構(gòu)的工作原理及相關(guān)幾何參數(shù)對(duì)未除雜草面積的影響；然后在ADAMS中對(duì)自動(dòng)避障機(jī)構(gòu)建立了相應(yīng)的參數(shù)化除草機(jī)模型，對(duì)影響較大的幾何參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化仿真，得出獲得最優(yōu)作業(yè)效果的幾何參數(shù)；最后通過(guò)田間試驗(yàn)對(duì)ADAMS優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，以期為籬架式栽培葡萄株間自動(dòng)避障除草機(jī)改進(jìn)和設(shè)計(jì)提供參考。

1 籬架式栽培葡萄株間自動(dòng)避障除草機(jī)構(gòu)工作原理

籬架式栽培葡萄株間自動(dòng)避障除草機(jī)構(gòu)見圖1，主要由機(jī)器主體、油缸、除草部件、平行四桿機(jī)構(gòu)、避障觸發(fā)機(jī)構(gòu)和觸桿組成。整機(jī)的關(guān)鍵部件是自動(dòng)避障機(jī)構(gòu)，主要包括平行四桿機(jī)構(gòu)和避障觸發(fā)機(jī)構(gòu)，其中平行四桿機(jī)構(gòu)中的連桿可看成由機(jī)器主體和除草部件共同構(gòu)成；避障觸發(fā)機(jī)構(gòu)中的觸桿由兩段直線及連接兩者的圓弧部分構(gòu)成，避障觸發(fā)機(jī)構(gòu)中的接觸壓力采集機(jī)構(gòu)與觸桿通過(guò)鐵絲連接，觸桿轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)鐵絲拉伸，從而改變接觸壓力采集機(jī)構(gòu)中壓力傳感器的壓力值，當(dāng)達(dá)到控制系統(tǒng)設(shè)置的臨界壓力值時(shí)，自動(dòng)避障機(jī)構(gòu)工作，除草部件移出葡萄行，進(jìn)入行間，通過(guò)改變控制系統(tǒng)設(shè)置的臨界壓力值可設(shè)定觸桿的閾值角度。接觸壓力采集機(jī)構(gòu)中設(shè)有回位彈簧和阻尼器，保證觸桿在避過(guò)葡萄藤后平穩(wěn)回到圖1a所示的位置。

1. 機(jī)器主體 2. 油缸 3. 除草部件 4. 平行四桿機(jī)構(gòu) 5. 接觸壓力采集機(jī)構(gòu) 6. 避障觸發(fā)機(jī)構(gòu)7.觸桿

1. Machine body 2. Fuel tank 3. Weeding part 4. Parallel four link mechanism 5. Contact pressure acquisition mechanism 6. Obstacle avoidance mechanism 7.Contact rod

注：方向表示與整機(jī)前進(jìn)方向平行；4為觸桿旋轉(zhuǎn)中心。

Note: Directionindicates the direction paralleling to the forward direction of machine;4is the rotation center of the contact rod.

圖1 籬架式栽培葡萄株間自動(dòng)避障除草機(jī)構(gòu)圖

Fig.1 Mechanism diagram of intra-row and auto obstacle avoidance weeder of trellis cultivated grape

工作時(shí)，拖拉機(jī)牽引機(jī)器沿正方向前進(jìn)，同時(shí)通過(guò)動(dòng)力輸出裝置（power take-off，PTO）、利用萬(wàn)向傳動(dòng)軸向除草機(jī)輸出動(dòng)力，使除草部件伸入株間進(jìn)行除草作業(yè)；當(dāng)遇到葡萄藤時(shí)，隨著機(jī)器的前進(jìn)，避障觸發(fā)機(jī)構(gòu)中的觸桿在葡萄藤的阻擋作用下圍繞著4逐漸旋轉(zhuǎn)，當(dāng)達(dá)到閾值角度時(shí)，觸發(fā)控制系統(tǒng)生成控制信號(hào)控制油缸伸出，使除草部件沿的正方向運(yùn)動(dòng)（縮回），進(jìn)入行間；避開葡萄藤后，避障觸發(fā)機(jī)構(gòu)在回位彈簧和阻尼器（防止避障觸發(fā)機(jī)構(gòu)回位過(guò)程中產(chǎn)生劇烈震蕩，產(chǎn)生錯(cuò)誤控制信號(hào)）的作用下，逐漸恢復(fù)原位，當(dāng)轉(zhuǎn)角小于閾值角度時(shí)，油缸縮回，除草部件沿的負(fù)方向運(yùn)動(dòng)（伸出），重新進(jìn)入株間進(jìn)行除草作業(yè)。

經(jīng)初步試驗(yàn)，當(dāng)除草部件伸入葡萄株間的距離大于100 mm時(shí)能滿足作業(yè)要求，即避障時(shí)除草部件方向的行程至少為100 mm。由于萬(wàn)向傳動(dòng)軸正常工作時(shí)能達(dá)到的最大轉(zhuǎn)角為15°，即允許平行四桿機(jī)構(gòu)中搖桿的轉(zhuǎn)角為±15°。設(shè)搖桿長(zhǎng)度為（mm），以葡萄行所在直線為基準(zhǔn)線，則除草部件方向的行程為

根據(jù)實(shí)際作業(yè)的要求，初取為700 mm，計(jì)算s約為±181 mm，滿足避障時(shí)除草部件方向的行程要求。

2 虛擬樣機(jī)模型建立與分析

為了進(jìn)一步研究自動(dòng)避障機(jī)構(gòu)的工作情況，在ADAMS[19]中建立虛擬樣機(jī)模型，并對(duì)避障觸發(fā)機(jī)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)化[20-21]，其主要幾何參數(shù)有：觸桿較長(zhǎng)直線部分的長(zhǎng)度(mm)、中間過(guò)渡圓弧的角度(°)、觸桿與除草部件邊緣的3個(gè)距離1(mm)、2(mm)、3(mm)，如圖2所示；其他相關(guān)參數(shù)有：接觸壓力采集機(jī)構(gòu)中回位彈簧的剛度(N/mm)、阻尼器的阻尼(N?s/mm)、機(jī)器作業(yè)時(shí)的前進(jìn)速度v(mm/s)和油缸初速度0(mm/s)。另外，葡萄藤的橫截面近似為圓形，為了簡(jiǎn)化模型，本研究忽略葡萄藤橫截面的不規(guī)則性，統(tǒng)一采用半徑為20 mm的圓柱代替葡萄藤，材質(zhì)設(shè)為木質(zhì)。

根據(jù)上述工作原理，自動(dòng)避障機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)避開葡萄藤工作共包含3個(gè)過(guò)程，具體見圖2。首先，當(dāng)觸桿剛碰到葡萄藤時(shí)，除草機(jī)處在0位置，此時(shí)避障觸發(fā)機(jī)構(gòu)處于開始工作狀態(tài)；然后，隨著除草機(jī)沿正方向繼續(xù)前行，葡萄藤對(duì)觸桿產(chǎn)生壓力，在壓力的作用下觸桿圍繞4逐漸旋轉(zhuǎn)，當(dāng)達(dá)到閾值角度時(shí)，在油缸的作用下，除草部件進(jìn)入行間，直至到達(dá)1位置，此時(shí)觸桿即將與葡萄藤分離；最后，當(dāng)觸桿與葡萄藤分離時(shí)，此時(shí)葡萄藤作用于的觸桿的壓力為0，避障觸發(fā)機(jī)構(gòu)停止工作，除草部件重新回到株間，到達(dá)2位置。上述3個(gè)過(guò)程，即可實(shí)現(xiàn)株間除草時(shí)除草部件自動(dòng)避開葡萄藤。

根據(jù)自動(dòng)避障機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)避開葡萄藤工作的3個(gè)過(guò)程之間的幾何關(guān)系，建立虛擬樣機(jī)模型。建模過(guò)程中需要確定避障觸發(fā)機(jī)構(gòu)圓弧部分的半徑，根據(jù)圖2幾何關(guān)系計(jì)算可得

設(shè)葡萄藤能承受的壓力為0，觸桿轉(zhuǎn)角為，回位彈簧的變形量為，彈簧的剛度為，忽略回位彈簧軸線旋轉(zhuǎn)帶來(lái)的影響，則

即

經(jīng)接觸摩擦試驗(yàn)測(cè)試可知，0＞10 N時(shí)，對(duì)葡萄藤會(huì)有損傷。在物理樣機(jī)中，依據(jù)實(shí)際作業(yè)情況和加工要求，初步設(shè)定1為90 mm，2為861 mm，0為100 mm，為10 mm，為5 N/mm，為保證觸桿不損傷葡萄藤，設(shè)定接觸壓力采集機(jī)構(gòu)臨界壓力值為8 N。通過(guò)對(duì)物理樣機(jī)的初步試驗(yàn)，在株距為1 m的條件下，測(cè)得前進(jìn)速度v為350~420 mm/s時(shí)整機(jī)工作較平穩(wěn)，因此在虛擬樣機(jī)樣仿真時(shí)，取v為390 mm/s，為5 N/mm，對(duì)于阻尼系數(shù)，可配合其他參數(shù)進(jìn)行取值，只需保證在作業(yè)過(guò)程中避障觸發(fā)機(jī)構(gòu)平穩(wěn)工作即可。對(duì)于油缸速度，其大小根據(jù)平行四桿機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)要求確定，其方向根據(jù)避障過(guò)程中避障觸發(fā)機(jī)構(gòu)與葡萄藤之間的作用力大小確定。由圖1a可知，初始時(shí)∠123為90°，搖桿23可上下擺動(dòng)的最大角度為15°，利用ADAMS中的IF函數(shù)[22-23]，設(shè)定油缸的速度為，則

1.葡萄行基準(zhǔn)線 2. 除草部件伸入葡萄株間所能達(dá)到最大位置的基準(zhǔn)線

1. Baseline of grape line 2. Baseline of the maximum position when weeding part deeping into the row of grape

注：為中間過(guò)渡圓弧的角度，(°)；為01與葡萄行之間的夾角，(°)；為12與葡萄行之間的夾角，(°)；1、2和3為觸桿與除草部件邊緣的3個(gè)距離，mm；0為除草部件深入葡萄株間的最遠(yuǎn)距離，mm；為觸桿較長(zhǎng)直線部分的長(zhǎng)度，mm；1為彈簧掛接點(diǎn)到旋轉(zhuǎn)中心的距離，mm；2為除草部件邊沿到觸桿旋轉(zhuǎn)中心的距離，mm；0為除草部件沿軸方向的長(zhǎng)度，mm；為避障觸發(fā)機(jī)構(gòu)圓弧部分的半徑，mm；5為中間過(guò)渡圓弧的中心；0、0、1、1、2和2為除草部件在3個(gè)不同位置下的邊沿點(diǎn)；12、01和為除草部件邊沿點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡的交點(diǎn)；1為△11的11邊上的高，mm；2為△1201的1201邊上的高，mm；0為觸桿剛碰到葡萄藤時(shí)除草機(jī)的位置；1為觸桿完全避開葡萄藤時(shí)刻除草機(jī)的位置；2為除草機(jī)避障完成重新回到葡萄株間工作的位置。

Note：is the angle of the intermediate transition arc, (°);is the angle between01and grape line, (°);is the angle between12and grape line, (°);1,2and3are three distances between the contact rod and the edge of weeding part, mm;0is the longest distance for the weeding part which can deep into the row of grape, mm;is the length of the straight part of the first paragraph of the contact rod, mm;1is the distance from the spring attachment point to the rotation center, mm;2is the distance from the edge of the weeding part to the rotation center of the contact rod, mm;0is the length of the weeding part in thedirection, mm;is the radius of the arc portion of the trigger mechanism of obstacle avoidance, mm;5is the center of the intermediate transition arc;0,0,1,1,2and2are edge points of the weeding part when it states at three different positions;12,01andare the intersection points of the weeding part working trace;1isheight of △11on the sideline of11, mm;2isheight of △1201on the sideline of1201, mm;0is the position of the weeding part when rod just touches the vines;1is the position of the weeding part when rod completely avoids the vines;2is the position when the weeding part works in the row of grape again.

圖2 自動(dòng)避障過(guò)程示意圖

Fig.2 Schematic diagram of auto obstacle avoidance process

為了獲得油缸初速度與避障時(shí)除草部件縮回與伸出的速度關(guān)系，在ADAMS中建立關(guān)于除草部件方向速度的測(cè)量[23]，除草部件縮回與伸出的方向分別對(duì)應(yīng)的正方向和負(fù)方向，縮回與伸出的速度分別對(duì)應(yīng)的正方向速度和負(fù)方向速度，分別用v1和v2表示，根據(jù)液壓設(shè)計(jì)原理可知，當(dāng)電磁閥打開時(shí)，油缸會(huì)在極短時(shí)間內(nèi)達(dá)到所設(shè)定排量，從而使油缸速度從0到達(dá)設(shè)定速度，這段時(shí)間與油缸縮回與伸出過(guò)程所消耗總時(shí)間相比非常短，故在仿真試驗(yàn)時(shí)，忽略油缸加速過(guò)程，近似認(rèn)為油缸縮回與伸出過(guò)程中v1和v2數(shù)值不變。經(jīng)初步預(yù)試驗(yàn)，0在30~90 mm/s范圍內(nèi)除草部件能正常伸出和縮回，滿足工作要求，故在30~90 mm/s范圍內(nèi)取0，共進(jìn)行13次仿真試驗(yàn)，得到除草部件縮回與伸出速度v1、v2與0與的關(guān)系如圖3所示。

圖3 除草部件縮回、伸出速度與油缸初速度的關(guān)系

由圖3可知，除草部件縮回和伸出速度v1、v2與油缸初速度0成正相關(guān)，且v1、v2隨著0的增大而增大，經(jīng)線性擬合后可得

由于油缸縮回與伸出過(guò)程中v1和v2數(shù)值近似不變，除草部件可看成拖拉機(jī)沿方向勻速運(yùn)動(dòng)與除草部件沿方向勻速運(yùn)動(dòng)的合成運(yùn)動(dòng)，根據(jù)平面合成運(yùn)動(dòng)原理，除草部件的實(shí)際運(yùn)動(dòng)也是勻速運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)軌跡可簡(jiǎn)化為從00→11→22，見圖2，則沿方向速度與沿方向速度關(guān)系為

設(shè)1為1201的面積，mm2；2為△11的面積，mm2。由平行四桿機(jī)構(gòu)的平動(dòng)特性[24-25]，則

由此可得

在△11中

設(shè)除草部件的寬度為0，則

由式(7)、(8)、(11)、(12)得

設(shè)

則

設(shè)

則△1201的面積1為

由仿真預(yù)試驗(yàn)可知，除草部件邊沿00的一般軌跡可簡(jiǎn)化為圖4，即運(yùn)動(dòng)軌跡為0′0′→1′1′→11→22，與圖2中運(yùn)動(dòng)軌跡相比多出一段直線運(yùn)動(dòng)1′1′→11，其原因是觸桿前端直線段需完全通過(guò)葡萄藤后除草部件才會(huì)重新進(jìn)入株間作業(yè)。根據(jù)圖4可知，此時(shí)未除雜草面積比1多出四邊形′01′01的面積。

根據(jù)圖4幾何關(guān)系計(jì)算得

由式（9）、（14）、（16）得

又

所以

式中3為△1201′′的面積，mm2。

最終得出

3即是單側(cè)作業(yè)后未除雜草面積，3越小，除凈率越高，作業(yè)效果越好。結(jié)合圖4及樣機(jī)結(jié)構(gòu)可知，1和2的大小與避障觸發(fā)機(jī)構(gòu)的幾何參數(shù)有直接關(guān)系，所以避障觸發(fā)機(jī)構(gòu)的幾何參數(shù)會(huì)直接影響到未除雜草面積3，即影響作業(yè)效果，但具體的影響效果有待進(jìn)一步分析。

3 仿真試驗(yàn)與參數(shù)優(yōu)化

3.1 正交試驗(yàn)

為了研究各幾何參數(shù)對(duì)作業(yè)效果的具體影響情況，進(jìn)而獲得顯著性因素，進(jìn)行仿真試驗(yàn)。根據(jù)上述分析，避障觸發(fā)機(jī)構(gòu)的幾何參數(shù)對(duì)未除雜草面積3影響較大，避障觸發(fā)機(jī)構(gòu)的幾何參數(shù)主要有觸桿較長(zhǎng)直線部分的長(zhǎng)度、中間過(guò)渡圓弧的角度和觸桿與除草部件邊緣的3個(gè)距離1、2、3，設(shè)為1、2、3的組合參數(shù)。經(jīng)預(yù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在1 000~1 100 mm范圍內(nèi)，在80°~90°范圍內(nèi)，1、2、3分別在240~360 mm、200~320 mm、190~310 mm范圍內(nèi)時(shí)，能初步滿足作業(yè)要求，故以此作為、和的試驗(yàn)范圍。以、和為因素，以3為指標(biāo)，在ADAMS中進(jìn)行正交試驗(yàn)[26-28]，設(shè)定油缸的初始速度0為50 mm/s，前進(jìn)速度v為390 mm/s，回位彈簧的剛度為5 N/mm、阻尼器的阻尼為0.7 N?s/mm，試驗(yàn)因素及水平選取如表1所示，每組試驗(yàn)重復(fù)3次。為了能分析各試驗(yàn)因素的影響顯著性及試驗(yàn)因素之間的交互作用，選用標(biāo)準(zhǔn)正交表27（313）進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)指標(biāo)未除雜草面積3進(jìn)行方差分析，如表2所示。

表1 正交試驗(yàn)因素水平

表2 方差分析結(jié)果

注：＜0.05，（顯著，*）。Note:＜0.05(significant, *).

通過(guò)方差分析可以準(zhǔn)確地判斷各因素水平對(duì)指標(biāo)未除雜草面積3的顯著性。根據(jù)表2可知，對(duì)指標(biāo)未除雜草面積3，單因素中，只有組合參數(shù)是顯著的，而觸桿較長(zhǎng)直線部分的長(zhǎng)度和中間過(guò)渡圓弧的角度并不顯著，交互作用中，只有×是顯著的，顯著性＞×，說(shuō)明組合參數(shù)對(duì)作業(yè)效果影響最大，因此有必要單獨(dú)對(duì)組合參數(shù)即觸桿與除草部件邊緣的3個(gè)距離1、2、3進(jìn)一步分析。

3.2 單因素試驗(yàn)

為了進(jìn)一步分析觸桿與除草部件邊緣的3個(gè)距離1、2、3對(duì)未除雜草面積3的具體影響，對(duì)1、2、3進(jìn)行單因素試驗(yàn)[29]。在優(yōu)化預(yù)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，直接以3為優(yōu)化目標(biāo)易產(chǎn)生錯(cuò)誤，其原因是3公式較復(fù)雜，運(yùn)算量過(guò)大，而由式（22）可知，1和2與3呈正相關(guān)，且1和2的大小與1、2、3有直接關(guān)系，故以1和2代替3作為試驗(yàn)指標(biāo)為試驗(yàn)指標(biāo)。取為1 050 mm，為85°，油缸的初始速度0為50 mm/s，前進(jìn)速度v為390 mm/s，回位彈簧的剛度為5 N/mm、阻尼器的阻尼為0.7 N?s/mm，1、2、3的試驗(yàn)范圍分別為240~360 mm、200~320 mm、190~310 mm，試驗(yàn)安排與結(jié)果如表3所示。

表3 單因素試驗(yàn)安排與結(jié)果

對(duì)單因素試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，分別得到觸桿與除草部件邊緣的3個(gè)距離1、2和3對(duì)1和2的影響，如圖5所示。

由圖5可知，1只受到1的影響，且隨著1的增大而增大，即觸桿與除草部件前邊緣的距離越大，未除雜草面積3越大，除草效果越差；2同時(shí)受到1、2和3的影響，由圖5a可知，在一定范圍內(nèi)，2隨著1的增大而減小，但當(dāng)1增大到一定程度時(shí)，2隨1的增大而增大，由圖5b可知，在一定范圍內(nèi)，2隨1的基本不變，由圖5c可知，2隨著3的增大而減小，但隨著1、2的增大對(duì)2影響比較復(fù)雜。綜上所述，觸桿與除草部件邊緣的距離1對(duì)1、2均有影響，即對(duì)未除雜草面積3有影響，且相關(guān)性不一致，故取值時(shí)應(yīng)綜合考慮；在一定范圍內(nèi)，觸桿與除草部件后邊緣的距離2對(duì)1、2影響很小，故可在相應(yīng)范圍適當(dāng)取值即可；觸桿與除草部件邊緣的距離3對(duì)1無(wú)影響，對(duì)2影響成負(fù)相關(guān)，為了使未除雜草面積3盡量小，故取值應(yīng)盡量大。

圖5 觸桿與除草部件邊緣的3個(gè)距離d1、d2和d3對(duì)IJ1和IJ2的影響

3.3 自動(dòng)避障機(jī)構(gòu)優(yōu)化

ADAMS軟件具有優(yōu)化的功能，即以建立的參數(shù)化仿真模型內(nèi)的特定測(cè)量值作為目標(biāo)函數(shù)，對(duì)相關(guān)影響參數(shù)進(jìn)行求解，當(dāng)目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)時(shí)，求解獲得相關(guān)影響參數(shù)的值，即為仿真模型的最優(yōu)解[30-31]。根據(jù)正交試驗(yàn)和單因素試驗(yàn)結(jié)果可知，觸桿與除草部件邊緣的3個(gè)距離1、2和3對(duì)未除雜草面積3影響最大。本文分別以1和2（1和2與3呈正相關(guān)，1和2越小，未除雜草面積越少）為指標(biāo)對(duì)1、2和3進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)定為1 050 mm，為85°，油缸的初始速度0為50 mm/s，前進(jìn)速度v為390 mm/s，回位彈簧的剛度為5 N/mm、阻尼器的阻尼為0.7 N?s/mm。

為了方便在ADAMS中執(zhí)行優(yōu)化，令

則1、2的最優(yōu)指標(biāo)均為0。在ADAMS中，以1、2為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)影響參數(shù)1、2、3進(jìn)行優(yōu)化，選取1、2、3的基礎(chǔ)值分別為300、260、250 mm，上下最大偏差范圍設(shè)置為100 mm。最后得到優(yōu)化結(jié)果1為225 mm，2為300 mm，3為212 mm。根據(jù)優(yōu)化值可計(jì)算得未除雜草面積3的值約為3 610 mm2。

根據(jù)所建優(yōu)化模型，葡萄藤半徑為20 mm，為保證葡萄藤不受到損傷，設(shè)定以葡萄藤中心為圓心，半徑為30 mm內(nèi)的雜草不用除去，即1和2的優(yōu)化指標(biāo)均為30 mm，則理論上不需要除草的面積為

計(jì)算可得0約為2 827 mm2，則除草部件實(shí)際未除草的面積為

計(jì)算后實(shí)際未除草的面積3′的值分別為783 mm2，接近除凈，可認(rèn)為3已取得最優(yōu)值。

設(shè)定1、2和3的優(yōu)化值為225、300和212 mm，在ADMAS中仿真得到優(yōu)化后除草部件前、后邊沿點(diǎn)的避障軌跡，如圖6所示，可見優(yōu)化后的避障軌跡基本符合理論分析，且所得1、2、3的優(yōu)化值能保證未除雜草面積3基本達(dá)到最優(yōu)解，認(rèn)為優(yōu)化結(jié)果成功。

圖6 優(yōu)化后除草部件前、后邊沿點(diǎn)的避障軌跡

4 田間試驗(yàn)與分析

為了驗(yàn)證除草機(jī)虛擬樣機(jī)模型仿真優(yōu)化結(jié)果是否合理，試制了株間避障除草機(jī)樣機(jī)，于2017年4月在山東國(guó)豐機(jī)械有限公司農(nóng)機(jī)試驗(yàn)田進(jìn)行了田間試驗(yàn)，葡萄行距3 m、株距為1 m，試驗(yàn)材料包括：14.7 kW的時(shí)風(fēng)拖拉機(jī)作為株間避障除草機(jī)動(dòng)力，米尺、木桿、直線位移傳感器、數(shù)據(jù)采集卡NI USB-6008、秒表、電腦等工具測(cè)量相關(guān)參數(shù)。由于前進(jìn)速度大約維持在300~400 mm/s之間，拖拉機(jī)低速運(yùn)動(dòng)下對(duì)植株的損傷率極低，因此本試驗(yàn)過(guò)程中忽略損傷率的影響，只考慮除草覆蓋率M作為除草效果的衡量指標(biāo)[32]，即

式中M為除草作業(yè)覆蓋率，%；為應(yīng)除草面積，mm2；3′為實(shí)際未除雜草面積，mm2。

設(shè)除草機(jī)單側(cè)作業(yè)幅寬為0.5 m，株距為1 m，對(duì)每株葡萄而言，設(shè)應(yīng)除草面積為

本文以除草作業(yè)覆蓋率M為指標(biāo)，以優(yōu)化后的觸桿與除草部件邊緣的3個(gè)距離1、2、3為因素，分別進(jìn)行單次避障試驗(yàn)和連續(xù)避障試驗(yàn)。

4.1 單次避障試驗(yàn)

為了減小連續(xù)作業(yè)過(guò)程中拖拉機(jī)駕駛及地表差異對(duì)實(shí)際測(cè)量結(jié)果造成的影響，首先進(jìn)行單次避障試驗(yàn)，即每次試驗(yàn)時(shí)只躲避1顆葡萄藤，單次避障試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖7a所示。以除草作業(yè)覆蓋率M為指標(biāo)，以優(yōu)化前后觸桿與除草部件邊緣的3個(gè)距離1、2和3為因素，分別進(jìn)行單次避障試驗(yàn)，設(shè)定為1 050 mm，為85°，油缸的初始速度0為50 mm/s，前進(jìn)速度v為390 mm/s，、根據(jù)具體情況調(diào)節(jié)，只需確保自動(dòng)避障機(jī)構(gòu)正常平穩(wěn)運(yùn)行即可。試驗(yàn)時(shí)，1、2和3的值取2組，優(yōu)化后（225 mm，300 mm，212 mm），優(yōu)化前（290 mm，320 mm，310 mm），每組試驗(yàn)重復(fù)3次，試驗(yàn)安排與結(jié)果如表4所示。

由表4田間試驗(yàn)結(jié)果，計(jì)算得到優(yōu)化后與優(yōu)化前試驗(yàn)除草作業(yè)覆蓋率M的平均值分別為98.1%、88.8%，優(yōu)化后所得除草作業(yè)覆蓋率M比優(yōu)化前提高約10個(gè)百分點(diǎn)，表明優(yōu)化后的除草效果比優(yōu)化前的除草效果有較大提升。

圖7 田間試驗(yàn)

表4 單次避障試驗(yàn)安排與結(jié)果

4.2 連續(xù)避障試驗(yàn)

為了驗(yàn)證仿真優(yōu)化結(jié)果在除草機(jī)連續(xù)避障作業(yè)時(shí)是否合理，以除草作業(yè)覆蓋率M為指標(biāo)，以優(yōu)化前后觸桿與除草部件邊緣的3個(gè)距離1、2和3為試驗(yàn)因素，進(jìn)行了田間連續(xù)避障試驗(yàn)，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖7b所示。試驗(yàn)時(shí)，設(shè)定除草機(jī)需連續(xù)對(duì)6顆葡萄植株進(jìn)行株間除草作業(yè)，綜合對(duì)6顆葡萄植株的除草作業(yè)覆蓋率進(jìn)行分析，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，其他試驗(yàn)參數(shù)與單次避障試驗(yàn)相同，試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

圖8 除草機(jī)連續(xù)避障試驗(yàn)結(jié)果

由圖8知，計(jì)算得到優(yōu)化后與優(yōu)化前試除草作業(yè)覆蓋率M的平均值分別為97.5%、89.8%，除草作業(yè)覆蓋率的標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為2.98%、7.81%，其中，優(yōu)化后平均除草作業(yè)覆蓋率比優(yōu)化前提高約8個(gè)百分點(diǎn)，標(biāo)準(zhǔn)偏差顯著降低，即優(yōu)化后除草作業(yè)作業(yè)效果平穩(wěn)性提高，每次試驗(yàn)中未除草面積差異較小。總體而言，在保證不損傷植株的前提下，優(yōu)化后的除草效果有了較大的提高，且除草作業(yè)穩(wěn)定性更好。

5 結(jié) 論

本文根據(jù)籬架式栽培葡萄株間自動(dòng)避障除草機(jī)在作業(yè)過(guò)程中的避障要求，設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)避障機(jī)構(gòu)，分析了自動(dòng)避障機(jī)構(gòu)的工作原理及相關(guān)幾何參數(shù)對(duì)工作效果的影響，并在ADAMS中對(duì)自動(dòng)避障機(jī)構(gòu)建立了相應(yīng)的參數(shù)化除草機(jī)模型，對(duì)影響較大的幾何參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化仿真，得出最優(yōu)值，并通過(guò)田間試驗(yàn)驗(yàn)證了ADAMS優(yōu)化結(jié)果的合理性，得出主要結(jié)論如下：

1）影響避障觸發(fā)機(jī)構(gòu)的幾何參數(shù)主要有：觸桿較長(zhǎng)直線部分的長(zhǎng)度、中間過(guò)渡圓弧的角度和觸桿與除草部件邊緣的3個(gè)距離的組合因素，其中組合因素對(duì)未除雜草面積影響顯著。

2）觸桿與除草部件前邊緣的距離1對(duì)未除雜草面積有影響，故取值時(shí)應(yīng)綜合考慮；觸桿與除草部件后邊緣的距離2未除雜草面積影響很小，在一定范圍內(nèi)變化時(shí)對(duì)未除雜草面積基本無(wú)影響；觸桿與除草部件右邊緣的距離3對(duì)未除雜草面積成負(fù)相關(guān)，在一定范圍內(nèi)，3越大，未除雜草面積越大。

3）優(yōu)化后，觸桿與除草部件邊緣的3個(gè)距離1、2、3最佳值分別為（225、300、212 mm）。田間試驗(yàn)表明，優(yōu)化后平均除草作業(yè)覆蓋率比優(yōu)化前提高8個(gè)百分點(diǎn)以上，除草作業(yè)覆蓋率的標(biāo)準(zhǔn)差降低，除草作業(yè)平穩(wěn)性提高，優(yōu)化效果明顯。

本研究為后續(xù)籬架式葡萄株間避障除草機(jī)改進(jìn)設(shè)計(jì)提供了參考。

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Xu Liming, Yu Changchang, Liu Wen, Yuan Quanchun, Ma Shuai, Duan Zhuangzhuang, Xing Jiejie

(100083,)

At present, in the trellis vineyard, the methods of mechanical weeding are mainly divided into inter-row mechanical weeding and intra-row mechanical weeding. The development of intra-row mechanical weeding is relatively slow, because the identification and location for crop and weed is difficult in the process of mechanical weeding. Now, the theoretical study on intra-row mechanical weeding of trellis cultivated grape is not very much. In order to achieve the intra-row weeding of trellis cultivated grape,this paper designs an auto obstacle avoidance mechanism based on the existing weeder, which includes parallel four-bar linkage mechanism and trigger mechanism of obstacle avoidance. The contact rod is composed by 2 straight lines and an arc connecting straight lines in the trigger mechanism of obstacle avoidance. And the theoretical working principle of auto obstacle avoidance mechanism is described. After the pre-test,it is found that the length of the straight section of the first section of the rod, the arc angle of the intermediate transition arc and the 3 distances between the contact rod and the edge of the weeding part have obvious effect on the result of weeding. Soa virtual prototype model for auto obstacle avoidance mechanism is built in ADAMS, and the trigger mechanism of obstacle avoidance is parameterized. Then, the orthogonal test is conducted by taking the combination of3 distances between contact rod and edge of weeding partand the length of the first part of the rodas the test factors and the area which is not covered by the weeding parts after the work as the experimental index. The results show that the combination of3 distances and its interaction with the arc angle of intermediate transition are significant factors.In order to analyze the effect of the combination of3 distances on the area not covered by the weeding parts after the work deeply,thelength of the first part of the rodis set as 1050 mm, the arc angle of intermediate transition is 85°, the forward speed is 390 mm/s, the initial velocity of the cylinder is 50 mm/s, and furtherly taking the parameter the combination of3 distances as the test factor and the area not covered by weeding parts after the work as the experimental index, the optimization simulation is conducted. The results show that the optimal value is obtained when the 3 distances between contact rod and edge of weeding part are 225, 300, and 212 mm, respectively. The area not covered is 783mm2except the scheduled area which is not needed to weed. It is very small, so the weeds can be considered to be removed completely, which shows the result of weeding is good.On the basis of simulation optimization, the field tests of single obstacle avoidance and continuous obstacle avoidance are also carried out, in which the combination of 3 structural parameters of the obstacle avoidance mechanism is set as variable and the parameters such as length of the first part of the rodand arc angle of the intermediate transition arc as constant values.The field test results show that the average coverage rate of weeding operation after optimization is 97.5%, which is about 8% higher than before, and the standard deviation is 2.98%, which is lower than before. The stability of weeding is also better, and the effect of optimization is obvious. Generally,this study enriches the method of identification and location for crops and weeds in the process of mechanical weeding, and also provides reference for the improvement of the design of intra-row weeder for trellis cultivated grape.

agricultural machinery; design; experiments; trellis cultivated grape; intra-row; obstacle avoidance; weeder; optimization

徐麗明，于暢暢，劉 文，袁全春，馬 帥，段壯壯，邢潔潔. 籬架式栽培葡萄株間除草機(jī)自動(dòng)避障機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2018，34(7)：23－30. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.07.003 http://www.tcsae.org

Xu Liming, Yu Changchang, Liu Wen, Yuan Quanchun, Ma Shuai, Duan Zhuangzhuang, Xing Jiejie. Optimal design on auto obstacle avoidance mechanism of intra-row weeder for trellis cultivated grape [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(7): 23－30. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.07.003 http://www.tcsae.org

2017-10-09

2018-02-26

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)資金資助（CARS-29）

徐麗明，女，山東蓬萊人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事生物生產(chǎn)自動(dòng)化技術(shù)與裝備研究。Email：xlmoffice@126.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.07.003

S224.1

A

1002-6819(2018)-07-0023-08