立式旋轉(zhuǎn)智能株間機(jī)械除草裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

權(quán)龍哲， 王 旗， 張景禹， 馮槐區(qū)， 吳 冰

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院， 黑龍江 哈爾濱 150030)

機(jī)械除草是一種綠色環(huán)保的雜草防除技術(shù)，是最為理想的雜草防除方式之一.目前，行間機(jī)械除草技術(shù)已相對(duì)成熟，而對(duì)于株間雜草，由于其距離植株更近，因此對(duì)植株危害更大，也更難防除.傳統(tǒng)株間機(jī)械除草裝置主要根據(jù)農(nóng)作物與雜草生長(zhǎng)特性的差異來(lái)清除雜草，如彈齒式、指式和刷式除草裝置等，但除草效果有限.隨著控制技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外科研人員開(kāi)始研究可以主動(dòng)避苗的智能株間除草裝置，如M. N?RREMARK等[1]、王金武等[2]和胡煉等[3]研究了擺線鋤式株間除草裝置，N. D. TILLETT等[4]和李南等[5]研究了豁口圓盤(pán)刀式除草裝置，陳子文等[6]研究了行星刷式除草裝置，M. PéREZ-RUZ等[7]和周福君等[8]研究了擺動(dòng)式株間除草裝置.目前國(guó)內(nèi)的研究尚處于起步階段，仍存在著除草率低和傷苗率高的問(wèn)題，尚未見(jiàn)到成熟的株間除草裝置，且大多數(shù)研究集中在水平旋轉(zhuǎn)式除草裝置，對(duì)于具有空間避苗功能的立式旋轉(zhuǎn)除草裝置的研究較為少見(jiàn).

為此，筆者以三葉期前后玉米苗為研究對(duì)象，基于空間避苗除草設(shè)想，設(shè)計(jì)一種基于立式旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的智能株間機(jī)械除草裝置.通過(guò)理論分析和EDEM仿真試驗(yàn)，對(duì)裝置的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并通過(guò)室內(nèi)土槽正交試驗(yàn)，確定最優(yōu)參數(shù)組合，最后通過(guò)田間試驗(yàn)驗(yàn)證除草效果.

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與避苗除草原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

立式旋轉(zhuǎn)智能株間除草裝置試驗(yàn)樣機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示.該裝置主要由掛接機(jī)架、圓盤(pán)除草刀、控制系統(tǒng)、動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)、攝像頭安裝支架以及傾斜角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)組成.該裝置采用模塊化設(shè)計(jì)思想，將控制、視覺(jué)和機(jī)械系統(tǒng)盡可能集成為一體.控制系統(tǒng)的硬件部分安裝在機(jī)架內(nèi)部，包括伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和STM32控制板.機(jī)架的側(cè)邊集成了除草裝置的控制面板，包括狀態(tài)顯示數(shù)碼管、開(kāi)關(guān)組及調(diào)節(jié)按鈕.控制面板實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前的工作狀態(tài)，通過(guò)按鈕可以設(shè)置當(dāng)前工作參數(shù)和作業(yè)狀態(tài).攝像頭安裝在支架上，其安裝角度可調(diào).攝像頭連接到車(chē)載電腦上，車(chē)載電腦為一臺(tái)帶有GTX1060 NVIDIA顯卡的計(jì)算機(jī).圓盤(pán)除草刀繞水平軸旋轉(zhuǎn)，由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)車(chē)載電源進(jìn)行供電.圓盤(pán)除草刀的傾斜角可以通過(guò)側(cè)邊的角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)置，角度調(diào)節(jié)范圍為0°～35°.

圖1 智能除草裝置結(jié)構(gòu)圖

1.2 避苗除草原理

除草裝置掛載在田間作業(yè)平臺(tái)上.作業(yè)時(shí)，圓盤(pán)除草刀逆時(shí)針旋轉(zhuǎn).圓盤(pán)除草刀上裝有3個(gè)除草刀，除草刀之間的空隙作為避苗空間，除草刀分布區(qū)域作為除草空間.除草作業(yè)過(guò)程分為避苗過(guò)程和除草過(guò)程.除草作業(yè)時(shí)，視覺(jué)系統(tǒng)進(jìn)行苗草檢測(cè)，并構(gòu)建保護(hù)區(qū)和除草區(qū)；當(dāng)經(jīng)過(guò)植株保護(hù)區(qū)域時(shí)，除草裝置進(jìn)入避苗過(guò)程，植株從避苗空間穿過(guò)；當(dāng)經(jīng)過(guò)除草區(qū)域時(shí)，除草裝置進(jìn)入除草過(guò)程，除草刀對(duì)株間土層進(jìn)行鏟切除草.

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)及參數(shù)確定

2.1 圓盤(pán)除草刀的設(shè)計(jì)

2.1.1安裝傾角

由于除草刀作業(yè)時(shí)會(huì)受到平臺(tái)前進(jìn)速度va的影響，因此，除草刀采用傾斜安裝，使除草刀旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生向后的分速度vr1，從而一定程度上抵消平臺(tái)前進(jìn)速度.相對(duì)于前進(jìn)方向，除草刀傾斜放置和垂直放置時(shí)覆蓋的除草區(qū)域如圖2所示，其中，vr為除草刀的旋轉(zhuǎn)速度，vh為除草刀的垂直分速度，θ為除草刀傾斜放置時(shí)的安裝傾角，v為除草刀垂直放置時(shí)的合速度，θ′為合速度的角度.

圖2 除草區(qū)域覆蓋示意圖

2.1.2圓盤(pán)除草刀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為保證避苗效果，圓盤(pán)除草刀應(yīng)有足夠的避苗空間，同時(shí)其尺寸不應(yīng)過(guò)大，否則會(huì)增大除草刀的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，增加系統(tǒng)功耗和控制難度.圖3為除草刀結(jié)構(gòu)圖.綜合除草效率問(wèn)題，圓盤(pán)除草刀最終結(jié)構(gòu)如圖3a所示.其中，α為避苗空間的角度，β為除草空間的角度，γ為圓盤(pán)除草刀外圈避苗空間角度，α比γ大10°.避苗空間角度計(jì)算式為

(1)

式中：r為除草刀半徑，m；h為玉米苗軀干高度，m；d為入土深度，m；k為玉米苗軀干寬度，m.

玉米苗葉片的擴(kuò)展范圍大，在避苗空間設(shè)計(jì)時(shí)將玉米苗的軀干尺寸作為設(shè)計(jì)參考.玉米苗軀干高度與實(shí)際高度一致，軀干寬度取最大寬度的50%.通過(guò)田間實(shí)際測(cè)量，三葉期前后玉米苗高度一般為110～130 mm，伸展直徑一般為190～220 mm.當(dāng)入土深度為50 mm時(shí)，選擇除草刀安裝半徑為280 mm，則避苗空間的夾角α至少應(yīng)為57.62°.

為保證除草效果，同時(shí)減少除草刀對(duì)土壤的擾動(dòng)破壞，參照目前已經(jīng)廣泛使用的中耕除草鏟的工作原理，設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)單有效的楔面除草刀，如圖3b所示.為降低加工難度，除草刀由刀片和刀座2部分組成，刀片安裝在刀座上，刀座與除草刀桿固定在一起.除草刀片為厚度1.0 mm的65Mn彈簧鋼，由激光切割加工成型，除草刀座由鋁鑄造而成.

圖3 除草刀結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 EDEM仿真試驗(yàn)

2.2.1仿真參數(shù)與土壤模型的設(shè)定

入土角是鏟式中耕除草裝置設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素之一.土壤的力學(xué)特性比較復(fù)雜，通過(guò)EDEM離散元技術(shù)模擬土壤和機(jī)具的相互作用是一種有效的分析方法.東北地區(qū)土壤為有黏性的黑土，容易團(tuán)聚，參考HANG C.G.等[9]研究結(jié)果，選擇土壤與除草刀之間的接觸模型為Hertz-Mindlin(無(wú)滑移)模型，選擇土壤顆粒之間接觸模型為JKR Cohesion模型，并設(shè)置4種土壤顆粒，模型參數(shù)設(shè)置如表1所示.

表1 模型參數(shù)設(shè)置

2.2.2土壤鏟切效果試驗(yàn)

根據(jù)《農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》對(duì)于中耕機(jī)械土壤工作部件設(shè)計(jì)要求，單翼鏟和雙翼鏟切土角和碎土角為0°～30°.因此，每隔5°選1個(gè)入土角度，設(shè)置7個(gè)入土角度，建立7組除草刀模型進(jìn)行仿真試驗(yàn).設(shè)定前進(jìn)速度為0.5 m·s-1,轉(zhuǎn)速為3.49 rad·s-1，圓盤(pán)除草刀安裝傾角為25°，入土深度為30 mm.

每組仿真入土試驗(yàn)連續(xù)進(jìn)行3次，求出該時(shí)間段內(nèi)的平均前進(jìn)阻力作為最終結(jié)果.入土角度為0°、5°、10°、15°、20°、25°和30°時(shí)的入土阻力分別為8.51、7.59、6.93、6.48、7.32、8.55和10.30 N.隨著入土角的增大，前進(jìn)阻力先減小后增大，阻力最小時(shí)入土角為15°.除草刀入土角為15°時(shí)，除草刀牽引阻力和扭矩如圖4所示.由圖4可知，除草刀最大扭矩約為6.7 N·m，最大牽引阻力約為13.9 N.

圖4 除草刀對(duì)土壤的鏟切仿真試驗(yàn)

2.3 動(dòng)力及傳動(dòng)設(shè)計(jì)

為縮小系統(tǒng)體積，防止機(jī)構(gòu)臃腫，動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)采用伺服電機(jī)搭配諧波減速器的方式.驅(qū)動(dòng)圓盤(pán)除草刀作業(yè)的扭矩主要由除草刀本身加速所需要的扭矩和除草刀轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)克服土壤阻力所需要的扭矩構(gòu)成.除草刀本身加速所需扭矩可以通過(guò)圓盤(pán)除草刀的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和角加速度求得.通過(guò)Pro/E軟件分析，經(jīng)過(guò)減重設(shè)計(jì)圓盤(pán)除草刀的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量約為0.09 kg·m2.除草刀最大角加速度發(fā)生在靜止加速啟動(dòng)時(shí)，角加速度約為178 rad·s-2，估算出除草刀加速所需的扭矩約為16.000 N·m.EDEM仿真試驗(yàn)得出除草刀克服土壤阻力需要的扭矩約為6.700 N·m，因此，求出除草刀所需最大扭矩約為22.700 N·m.為保證系統(tǒng)可靠性，最終選擇的減速比為1 ∶50，伺服電機(jī)額定扭矩為0.637 N·m，最大扭矩為2.230 N·m，額定轉(zhuǎn)速為3 000 r·min-1，最高轉(zhuǎn)速為6 000 r·min-1.

3 控制策略與運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

3.1 視覺(jué)和控制策略

視覺(jué)系統(tǒng)采用深度學(xué)習(xí)苗草檢測(cè)算法，在該方面，筆者所在的課題研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)有了較為深入的研究[10].之前已經(jīng)在多樣化數(shù)據(jù)采集基礎(chǔ)上，建立了基于Faster R-CNN的改進(jìn)型苗草檢測(cè)模型.在此基礎(chǔ)上，采用G-R特征提取方法[11]進(jìn)行苗草圖像的分割和標(biāo)記，通過(guò)數(shù)據(jù)增強(qiáng)后最終建立了基于YOLOv3網(wǎng)絡(luò)的苗草檢測(cè)模型[12].相比于Faster R-CNN苗草檢測(cè)模型，YOLOv3檢測(cè)模型的檢測(cè)速度更快.通過(guò)大量的苗草圖像數(shù)據(jù)訓(xùn)練，最終玉米苗識(shí)別平均準(zhǔn)確率為98.50%，雜草識(shí)別的平均準(zhǔn)確率為93.45%.

為了確保除草刀控制的準(zhǔn)確性，控制系統(tǒng)采用時(shí)間和位移相結(jié)合的控制方式.移動(dòng)平臺(tái)的作業(yè)速度比較穩(wěn)定，因此控制系統(tǒng)的主體是時(shí)間控制方式，同時(shí)采用了位移控制方式對(duì)其進(jìn)行監(jiān)督和修正.此外，控制系統(tǒng)采用了S型加減速速度控制算法.視覺(jué)系統(tǒng)與除草刀控制系統(tǒng)的協(xié)同作業(yè)過(guò)程如圖5所示.

圖5 視覺(jué)系統(tǒng)和除草刀控制系統(tǒng)協(xié)同作業(yè)流程圖

3.2 運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

由于標(biāo)準(zhǔn)的S型加減速速度算法分段多、計(jì)算量大，因此實(shí)際使用中多采用簡(jiǎn)化的S型加減速速度算法[13].結(jié)合除草刀運(yùn)動(dòng)特性，將簡(jiǎn)化的S型加減速模型分為加加速、減加速、加減速、減減速和勻速等5段組成，前4段作為避苗轉(zhuǎn)速曲線，最后一段作為除草轉(zhuǎn)速曲線.由于除草刀在每個(gè)周期中的起始角速度和結(jié)束角速度不相等，為了使速度變化平穩(wěn)，通過(guò)控制加速時(shí)間和減速時(shí)間的不同來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的初、末速度.為了簡(jiǎn)化模型的復(fù)雜度，設(shè)定加速過(guò)程2段曲線的加速時(shí)間都為ta，減速過(guò)程2段曲線的減速時(shí)間都為tb.各個(gè)函數(shù)段的時(shí)間間隔主要通過(guò)保護(hù)區(qū)和株間除草區(qū)的時(shí)間決定.若目標(biāo)植株保護(hù)區(qū)直徑為D，機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)前進(jìn)速度為va，則除草刀在經(jīng)過(guò)該區(qū)域時(shí)需要的時(shí)間td是前4段速度函數(shù)的時(shí)間總和，即

(2)

除草過(guò)程的時(shí)間tc和株間除草過(guò)程中的除草刀轉(zhuǎn)速ωl分別為

(3)

(4)

式中：l為株間除草區(qū)長(zhǎng)度.ωc和ωl計(jì)算如下：

(5)

式中：ωc為加速后最快的角速度；ωs為本周期初始角速度；J為角加加速度； -J為角減加速度.

由于圓盤(pán)除草刀最外圈避苗空間的角度為γ，因此避苗過(guò)程的總轉(zhuǎn)角為γ，即加速過(guò)程和減速過(guò)程的總轉(zhuǎn)角為γ.通過(guò)分析角速度的函數(shù)特性可知，加速過(guò)程轉(zhuǎn)角θac、減速過(guò)程轉(zhuǎn)角θde和總轉(zhuǎn)角γ計(jì)算式為

(6)

其中，本周期初始角速度ωs也是上一個(gè)周期結(jié)束時(shí)的角速度.對(duì)上述的表達(dá)式進(jìn)行整合，可以得到一個(gè)只包含未知變量ta的方程，即

(7)

方程(7)比較復(fù)雜，借助Matlab求解出符合要求的ta：

ta=3tdωl-4γ+tdωs+

(8)

以圓盤(pán)除草刀圓心為坐標(biāo)原點(diǎn)，x軸方向?yàn)槠脚_(tái)前進(jìn)方向，建立笛卡爾直角坐標(biāo)系.除草刀繞自身軸線逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，則除草刀的運(yùn)動(dòng)為隨平臺(tái)前進(jìn)和繞其自身軸線轉(zhuǎn)動(dòng)的復(fù)合運(yùn)動(dòng).選刀刃上任意點(diǎn)為研究對(duì)象，任意時(shí)刻除草刀刃上任意點(diǎn)M的運(yùn)動(dòng)軌跡方程為

(9)

4 試驗(yàn)與結(jié)果分析

4.1 試驗(yàn)條件

土槽試驗(yàn)在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程訓(xùn)練中心室內(nèi)進(jìn)行.土槽長(zhǎng)為10 m，寬為3 m.土壤類(lèi)型為典型的東北黑壤土，水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為11.4%～17.5%.除草裝置樣機(jī)安裝在室內(nèi)小型車(chē)體平臺(tái)上，平臺(tái)速度可調(diào)，試驗(yàn)每次均為單行，5行全部完成后，取平均值作為最終結(jié)果.每組試驗(yàn)完成后，苗草需要重新布置.由于試驗(yàn)時(shí)處于冬季，無(wú)法獲取到真實(shí)玉米苗樣本，且本研究的重點(diǎn)是驗(yàn)證除草裝置的避苗除草效果.因此，本試驗(yàn)采用尺寸相近的樣苗和樣草取代真實(shí)的苗草.為減小試驗(yàn)誤差，每組試驗(yàn)的苗草分布規(guī)律盡可能一致，樣苗株距為250～300 mm，雜草密度為0.03～0.04 株·cm-2.

4.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選擇除草平臺(tái)的作業(yè)速度、除草刀角度和入土深度為試驗(yàn)因素.通過(guò)前面設(shè)計(jì)除草刀時(shí)的理論分析，除草刀角度過(guò)小會(huì)影響除草效果，過(guò)大會(huì)導(dǎo)致避苗空間不足，造成傷苗，其最大角度為72.38°，因此選擇除草刀角度50°～70°.此外，通過(guò)室內(nèi)預(yù)試驗(yàn)，在保證破土除草效果的前提下，確定除草刀入土深度為30～50 mm，過(guò)淺會(huì)降低除草效果，過(guò)深會(huì)消耗較多動(dòng)力.確定平臺(tái)的作業(yè)速度為0.4～0.6 m·s-1，過(guò)低會(huì)降低除草效率，過(guò)高會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)響應(yīng)速度不足.各因素及水平如表2所示.

表2 試驗(yàn)因素和水平

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果與極差分析

由表3的極差分析可知，影響除草率的主次順序依次為除草刀角度、除草刀入土深度和作業(yè)速度，各因素的最優(yōu)水平組合為A2B3C3.同理，影響傷苗率的主次順序依次為除草刀角度、作業(yè)速度和除草刀入土深度，各因素的最優(yōu)水平組合為A1B1C2.

4.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

為探究3個(gè)因素對(duì)除草率和傷苗率影響的顯著程度，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表4所示.分析表明：除草刀角度對(duì)除草率和傷苗率的影響均顯著(p<0.05)；作業(yè)速度對(duì)傷苗率的影響顯著(p<0.05).

表4 試驗(yàn)因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的顯著性影響

表5 綜合加權(quán)結(jié)果

由表5分析可知：影響綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)的主次順序依次為工作速度、除草刀入土深度和除草刀角度，最佳參數(shù)組合A2B2C3.

除草刀角度對(duì)除草率和傷苗率的影響均顯著，但對(duì)綜合加權(quán)評(píng)分的結(jié)果影響不大.因?yàn)楫?dāng)除草刀角度較小時(shí)，除草率和傷苗率都低，而角度較大時(shí)，除草率和傷苗率都高.當(dāng)綜合考慮2個(gè)指標(biāo)時(shí)，除草刀角度對(duì)最終評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響就會(huì)較小.作業(yè)速度對(duì)傷苗率的影響顯著，作業(yè)速度較高時(shí)會(huì)導(dǎo)致傷苗率提高，這可能是由于視覺(jué)和控制系統(tǒng)響應(yīng)速度不足導(dǎo)致的，這也是下一步系統(tǒng)的優(yōu)化方向.

4.4 室外田間試驗(yàn)

為驗(yàn)證優(yōu)化后立式旋轉(zhuǎn)株間除草裝置的除草效果，在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)田進(jìn)行了田間除草試驗(yàn)，田間試驗(yàn)照片如圖6所示.試驗(yàn)田長(zhǎng)為20 m，寬為10 m.試驗(yàn)材料為玉米苗及其伴生雜草，玉米苗株距為250～300 mm，圓盤(pán)除草刀安裝傾角為25°.在作業(yè)速度為0.5 m·s-1，除草刀角度為60°，除草刀入土深度為50 mm的情況下，對(duì)其中3行玉米苗分別進(jìn)行除草試驗(yàn)，求出平均值作為最終試驗(yàn)結(jié)果.

圖6 智能株間除草裝置的田間試驗(yàn)照片

通過(guò)田間試驗(yàn)測(cè)得該裝置平均除草率為89.57%，平均傷苗率為4.54%，除草前后的對(duì)比照片如圖7所示.

圖7 除草前后效果對(duì)比照片

5 結(jié) 論

1) 以三葉期前后玉米苗為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了一種基于立式旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的新型智能株間機(jī)械除草裝置，對(duì)除草裝置的關(guān)鍵部件進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì).正交試驗(yàn)結(jié)果表明，除草刀角度對(duì)除草率和傷苗率的影響均顯著，作業(yè)速度對(duì)傷苗率的影響顯著.

2) 兼顧除草率和傷苗率2個(gè)指標(biāo)，通過(guò)綜合加權(quán)評(píng)分法，確定除草裝置最優(yōu)參數(shù)組合如下：作業(yè)速度為0.5 m·s-1，除草刀角度為60°，除草刀入土深度為50 mm.在該參數(shù)水平下進(jìn)行田間試驗(yàn)，平均除草率為89.57%，平均傷苗率為4.54%.試驗(yàn)結(jié)果可以為立式旋轉(zhuǎn)除草裝置的優(yōu)化和設(shè)計(jì)提供參考.