擺動(dòng)型水田株間除草裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

田 亮，曹成茂，2，*，秦 寬，2，葛 俊，2，方梁菲

(1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，安徽 合肥 230036； 2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南方農(nóng)業(yè)裝備科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站，安徽 合肥 230036)

機(jī)械除草是有機(jī)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中常用的技術(shù)措施之一，被廣泛應(yīng)用于水田雜草防除。稻田雜草按照生長(zhǎng)位置劃分，可分為行間雜草和株間雜草。株間雜草與水稻秧苗的生長(zhǎng)位置更加接近，并且將株間分割成不連續(xù)的部分，作業(yè)時(shí)容易損傷秧苗；因此，株間除草作業(yè)工作難度大，精度要求高。

為實(shí)現(xiàn)高效、自動(dòng)化、低傷苗率的田間除草作業(yè)，解決株間除草難題，許多研究人員都對(duì)信息化、智能化的新型除草裝備，尤其是株間除草設(shè)備進(jìn)行了探索。Pérez-Ruíz等研發(fā)了一種株間自動(dòng)除草機(jī)器人，通過(guò)傳感器探測(cè)植株位置，利用氣壓缸控制末端執(zhí)行器的軌跡進(jìn)行避苗除草作業(yè)。Gobor等設(shè)計(jì)了一種電動(dòng)株間除草裝置，該機(jī)器在向前行進(jìn)的同時(shí)，位于機(jī)架上方的伺服電機(jī)帶動(dòng)除草機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)，通過(guò)匹配其旋轉(zhuǎn)速度與前進(jìn)速度來(lái)實(shí)現(xiàn)株間除草作業(yè)的目的。Tillett等、O’Dogherty等研發(fā)的除草機(jī)，通過(guò)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)采集并處理苗草信息，實(shí)時(shí)控制橫動(dòng)機(jī)構(gòu)以對(duì)準(zhǔn)刀具位置，通過(guò)旋轉(zhuǎn)的末端除草器執(zhí)行除草作業(yè)。周福君等、王文明設(shè)計(jì)了一種凸輪搖桿式擺動(dòng)型株間除草裝置，該裝置通過(guò)凸輪搖桿機(jī)構(gòu)將電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為除草刀的往復(fù)擺動(dòng)，并在室內(nèi)土槽中進(jìn)行正交試驗(yàn)，得到各參數(shù)對(duì)除草性能影響的主次順序及其最優(yōu)參數(shù)組合。王奇等設(shè)計(jì)了一款弧齒往復(fù)式稻田株間自動(dòng)避苗除草裝置，根據(jù)中耕期水稻植株和雜草的物理特性，結(jié)合機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與電控技術(shù)，進(jìn)行理論分析和虛擬仿真試驗(yàn)，并通過(guò)田間試驗(yàn)驗(yàn)證了株間除草裝置和自動(dòng)避苗控制系統(tǒng)的作業(yè)性能。陳子文等、李南等提出了一種行星刷式株間鋤草機(jī)械手，將覆蓋率、入侵率和保護(hù)區(qū)范圍作為鋤草效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)鋤草刷盤運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行仿真，并通過(guò)鋤草試驗(yàn)驗(yàn)證了該機(jī)械手的鋤草效果。但總的來(lái)看，上述株間除草設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，過(guò)于依賴機(jī)器視覺(jué)智能平臺(tái)，作業(yè)效率有待提高。

為解決稻田株間除草裝置傷苗率高、除草率低等問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種擺動(dòng)型水田株間除草裝置。該裝置根據(jù)水田內(nèi)秧苗植株和雜草生長(zhǎng)空間的位置差異性，利用激光傳感器探測(cè)水稻秧苗位置，通過(guò)偏心輪機(jī)構(gòu)將伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為除草桿的往復(fù)開(kāi)合，從而完成避苗除草作業(yè)。本文通過(guò)理論分析進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)自動(dòng)分析軟件對(duì)除草裝置的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行仿真分析，并基于田間試驗(yàn)驗(yàn)證除草裝置的作業(yè)性能，以期為水田株間除草機(jī)械的研究提供參考。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

擺動(dòng)型水田株間除草裝置的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由機(jī)架、主軸、偏心輪、連桿、推桿、擺動(dòng)桿、除草彈齒、激光傳感器等組成。其中，主軸由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，主軸帶動(dòng)偏心輪轉(zhuǎn)動(dòng)。除草桿與擺動(dòng)桿連接，擺動(dòng)桿與連桿分別固定安裝在推桿上。偏心輪帶動(dòng)連桿轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)除草桿擺動(dòng)。激光傳感器通過(guò)傳感器安裝架固定在機(jī)架上，位于除草彈齒前端，用于檢測(cè)水稻秧苗位置。

1，機(jī)架；2，連桿；3，偏心輪；4，主軸；5，傳感器安裝架；6，激光傳感器；7，推桿；8，連接塊；9，擺動(dòng)桿；10，底板；11，除草桿；12，除草彈齒。1， Frame； 2， Connecting rod； 3， Eccentric； 4， Main shaft； 5， Sensor mounting frame； 6， Laser sensor； 7， Push rod； 8， Connecting block； 9， Swinging rod； 10， Bottom plate； 11， Weeding rod； 12， Weeding spring tine.圖1 擺動(dòng)型水田株間除草裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Schematic diagram of swing intra-row weeding device for paddy field

1.2 工作原理

將除草裝置安裝于水田作業(yè)機(jī)械機(jī)架上，工作人員通過(guò)操縱掛接裝置改變作業(yè)機(jī)械機(jī)架與水田土壤表面之間的高度從而調(diào)節(jié)除草彈齒入土深度。工作前，根據(jù)田間作物生長(zhǎng)情況，調(diào)節(jié)除草彈齒入土深度，并完成對(duì)行工作，使兩組除草彈齒分別位于水稻秧苗兩側(cè)。作業(yè)時(shí)，除草裝置隨機(jī)具前進(jìn)方向運(yùn)動(dòng)，除草彈齒往復(fù)擺動(dòng)進(jìn)行株間除草作業(yè)。激光傳感器利用植株和雜草生長(zhǎng)高度的差異檢測(cè)水稻植株位置。在車輪處安裝霍爾傳感器，實(shí)時(shí)測(cè)量機(jī)具前進(jìn)速度。當(dāng)除草彈齒接近水稻秧苗時(shí)，水稻秧苗阻擋激光傳感器接收信號(hào)，從而確定秧苗位置。激光傳感器將秧苗位置信息發(fā)送給控制器，霍爾傳感器將機(jī)具速度信息發(fā)送給控制器，控制器結(jié)合機(jī)具作業(yè)速度和秧苗位置信息控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。伺服電機(jī)帶動(dòng)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)使偏心輪轉(zhuǎn)動(dòng)，偏心輪帶動(dòng)連桿轉(zhuǎn)動(dòng)，連桿帶動(dòng)推桿前后運(yùn)動(dòng)，改變兩擺動(dòng)桿之間的夾角，驅(qū)使除草桿左右往復(fù)擺動(dòng)，帶動(dòng)兩組除草彈齒的張開(kāi)和閉合，從而實(shí)現(xiàn)除草狀態(tài)→避苗狀態(tài)→除草狀態(tài)之間的切換，完成株間避苗除草作業(yè)。

除草彈齒沿著機(jī)具前進(jìn)方向運(yùn)動(dòng)，在水田株間土壤內(nèi)劃過(guò)。株間雜草被除草彈齒掃掠過(guò)后，根莖或被拉斷，或被彈齒帶動(dòng)推出土壤，漂浮于水面，逐漸枯萎死亡。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 除草彈齒參數(shù)確定

研究表明，水稻秧苗一般在移栽后7、14 d分別進(jìn)行第一次和第二次除草作業(yè)。依據(jù)水稻種植農(nóng)藝要求，行距一般為300 mm，株距為120～150 mm。

水田雜草以稗草和千金子為主，伴隨少量莎草科雜草和闊葉類雜草。水田雜草與水稻秧苗的生理特性具有很大的相似性，但其生長(zhǎng)周期不同步。除草作業(yè)時(shí)，水稻秧苗返青期結(jié)束、進(jìn)入分蘗期，水稻根系由一根主根和若干須根組成，根系長(zhǎng)度在80～100 mm，在30 mm范圍內(nèi)呈橢圓形分布。此時(shí)，稗草等雜草剛剛萌發(fā)，其根系僅有一根纖弱的主根，根系長(zhǎng)度在10～40 mm。

水田行距一般為300 mm左右，行間除草裝置的作業(yè)幅寬為220 mm。為防止漏除雜草，提高除草率，本研究將株間除草裝置的作業(yè)范圍設(shè)置為100 mm。本研究采用彈齒式除草執(zhí)行機(jī)構(gòu)，除草彈齒安裝在50 mm×20 mm的矩形彈齒盤上，前排設(shè)有4根彈齒，后排設(shè)有5根彈齒，前后排彈齒交錯(cuò)排列。

2.2 避苗軌跡分析

水田雜草與秧苗在田間的空間位置不同，根據(jù)空間避苗除草原理，株間除草裝置作業(yè)時(shí)需經(jīng)歷除草→避苗→除草階段。當(dāng)除草裝置處于除草階段時(shí)，除草彈齒盤閉合，除草彈齒刺入水田土壤，掃過(guò)株間區(qū)域，將水田雜草帶出土壤或?qū)㈦s草根莖劃斷。當(dāng)除草裝置處于避苗階段時(shí)，除草彈齒盤張開(kāi)，待越過(guò)秧苗植株后，彈齒盤閉合，進(jìn)入除草階段。

根據(jù)株間除草作業(yè)要求，將擺動(dòng)型水田株間除草裝置的避苗作業(yè)運(yùn)動(dòng)軌跡設(shè)計(jì)為近似六邊形(圖2)。為保護(hù)秧苗植株，避免除草裝置對(duì)水稻秧苗造成損傷，根據(jù)秧苗植株根系范圍，將水稻秧苗50 mm范圍設(shè)為作物保護(hù)區(qū)。作業(yè)時(shí)，除草裝置不進(jìn)入作物保護(hù)區(qū)范圍，作物保護(hù)區(qū)內(nèi)的水田雜草不清除。

根據(jù)上述分析，將除草裝置的避苗階段分解為3個(gè)階段：階段1，激光傳感器檢測(cè)到秧苗植株位置，除草彈齒盤從閉合狀態(tài)張開(kāi)到最大位移處；階段2，除草彈齒盤保持在最大位移處，越過(guò)秧苗植株；階段3，除草彈齒越過(guò)秧苗植株后，除草彈齒盤從最大位移處并攏到閉合狀態(tài)。

激光傳感器識(shí)別到水稻秧苗后，將秧苗位置信息發(fā)送給除草裝置，除草裝置從除草狀態(tài)切換到避苗狀態(tài)，待除草彈齒繞過(guò)秧苗后，除草裝置從避苗狀態(tài)切換回除草狀態(tài)。考慮到除草彈齒劃過(guò)作物保護(hù)區(qū)域會(huì)損傷水稻秧苗根系，以及彈齒張開(kāi)和并攏需要時(shí)間，避苗狀態(tài)下除草彈齒盤在作物保護(hù)區(qū)域前方一段距離處開(kāi)始張開(kāi)，越過(guò)水稻秧苗植株后一段距離處開(kāi)始并攏，在作物保護(hù)區(qū)域后方一段距離處閉合。除草裝置的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖2所示，除草彈齒盤從處開(kāi)始張開(kāi)，在處彈齒盤達(dá)到最大位移，保持最大位移到處，從處開(kāi)始并攏，到處彈齒盤閉合。

1，除草彈齒運(yùn)動(dòng)軌跡；2，作物保護(hù)區(qū)域；L，水稻種植株距，mm；ABCD，避苗階段彈齒運(yùn)動(dòng)軌跡；A1B1C1D1，下一個(gè)除草周期避苗階段彈齒運(yùn)動(dòng)軌跡；L0，作物保護(hù)區(qū)域范圍，mm；L1，推程運(yùn)動(dòng)階段機(jī)具行駛距離，mm；L2，遠(yuǎn)程休止階段機(jī)具行駛距離，mm；L3，回程運(yùn)動(dòng)階段機(jī)具行駛距離，mm；L4，近程休止階段機(jī)具行駛距離，mm；v0，機(jī)具前進(jìn)速度，mm·s-1。1， Trajectory of weeding spring tine； 2， Crop protection area； L， Intra-row space of rice， mm； ABCD， Trajectory of spring tine in avoidance stage； A1B1C1D1， Trajectory of spring tine in avoidance stage of the next weeding period； L0， Range of crop protection area， mm； L1， Device driving distance in push stage， mm； L2， Device driving distance in remote standstill stage， mm； L3， Device driving distance in return stage， mm； L4， Device driving distance in proximity standstill stage， mm； v0， Device driving speed， mm·s-1.圖2 除草裝置運(yùn)動(dòng)軌跡示意圖Fig.2 Schematic diagram of movement trajectory of weeding device

依據(jù)除草彈齒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可對(duì)應(yīng)分為3個(gè)階段——推程運(yùn)動(dòng)階段、遠(yuǎn)程休止階段、回程運(yùn)動(dòng)階段，分別對(duì)應(yīng)于除草裝置避苗階段的3個(gè)階段。在除草階段，除草彈齒盤處于閉合狀態(tài)，伺服電機(jī)對(duì)應(yīng)近程休止階段。同時(shí)，伺服電機(jī)的工作過(guò)程應(yīng)遵循以下原則：(1)電機(jī)在推程運(yùn)動(dòng)階段應(yīng)快速進(jìn)入遠(yuǎn)程休止階段，以保障彈齒盤快速?gòu)堥_(kāi)，減小傷苗率；(2)電機(jī)在遠(yuǎn)程休止階段應(yīng)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，以保障此階段彈齒盤保持在最大位移處，越過(guò)秧苗植株；(3)電機(jī)在回程運(yùn)動(dòng)階段應(yīng)快速進(jìn)入近程休止階段，以保障彈齒盤迅速并攏，減少漏除雜草數(shù)量，增加除草率；(4)電機(jī)在近程休止階段應(yīng)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，以保障此階段彈齒盤處于閉合狀態(tài)，除去株間雜草。

令：

(1)

+++=。

(2)

式(1)、(2)中：為推程運(yùn)動(dòng)階段電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間，s；為遠(yuǎn)程休止階段電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間，s；為回程運(yùn)動(dòng)階段電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間，s；為近程休止階段電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間，s；為推程運(yùn)動(dòng)階段機(jī)具行駛距離，mm；為遠(yuǎn)程休止階段機(jī)具行駛距離，mm；為回程運(yùn)動(dòng)階段機(jī)具行駛距離，mm；為近程休止階段機(jī)具行駛距離，mm；為水稻種植株距，mm；為機(jī)具前進(jìn)速度，mm·s。

根據(jù)除草彈齒運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，結(jié)合偏心輪結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，除草裝置在設(shè)計(jì)時(shí)，偏心輪的轉(zhuǎn)動(dòng)規(guī)律為：偏心輪在推程運(yùn)動(dòng)階段轉(zhuǎn)動(dòng)90°，隨后進(jìn)入遠(yuǎn)程休止階段，在回程運(yùn)動(dòng)階段再次轉(zhuǎn)動(dòng)90°，隨后進(jìn)入近程休止階段。

即：

(3)

=2π。

(4)

式(3)、(4)中，為偏心輪角速度，rad·s；為偏心輪轉(zhuǎn)速，r·s。

將式(4)代入式(3)，可得

(5)

聯(lián)立式(1)、式(2)與式(5)，可得

(6)

由式(6)可知，除草彈齒的運(yùn)動(dòng)軌跡由偏心輪轉(zhuǎn)速、機(jī)具前進(jìn)速度、近程休止階段機(jī)具行駛距離和秧苗株距決定。除草作業(yè)時(shí)，可調(diào)節(jié)偏心輪轉(zhuǎn)速和機(jī)具前進(jìn)速度，以適應(yīng)不同株距和作物保護(hù)區(qū)域。

2.3 偏心輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

除草裝置作業(yè)時(shí)，偏心輪轉(zhuǎn)動(dòng)并帶動(dòng)連桿運(yùn)動(dòng)，連桿帶動(dòng)推桿前后運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)彈齒盤的張開(kāi)與并攏。偏心輪機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖3所示。

由圖3中的幾何關(guān)系，可得

(7)

式(7)中：為擺動(dòng)桿長(zhǎng)度，mm；為彈齒盤閉合時(shí)擺動(dòng)桿縱向長(zhǎng)度，mm；為彈齒盤閉合時(shí)擺動(dòng)桿橫向長(zhǎng)度，mm；為偏心輪偏置距離，mm；為連桿長(zhǎng)度，mm；為作物保護(hù)區(qū)域范圍，mm。

伺服電機(jī)在近程休止階段，彈齒盤并攏除草；在遠(yuǎn)程休止階段，彈齒盤保持在最大位移處，越過(guò)植株。結(jié)合作物保護(hù)區(qū)域范圍和彈齒盤尺寸，在彈齒盤閉合時(shí)，除草桿之間的距離為50 mm，待彈齒盤張開(kāi)至最大位移處，除草桿之間距離為100 mm。設(shè)計(jì)時(shí)，考慮結(jié)構(gòu)緊湊性和方便制造，將連桿長(zhǎng)度定為101 mm，偏心輪偏置距離設(shè)為20 mm。將上述取值代入式(7)，求得彈齒盤閉合時(shí)擺桿橫向長(zhǎng)度為81 mm，擺動(dòng)桿長(zhǎng)度為105 mm。

1，兩除草桿之間距離，mm；2，擺動(dòng)桿；3，推桿；4，連桿；5，偏心輪；l，擺動(dòng)桿長(zhǎng)度，mm；h，彈齒盤閉合時(shí)擺動(dòng)桿縱向長(zhǎng)度，mm；s，彈齒盤閉合時(shí)擺動(dòng)桿橫向長(zhǎng)度，mm；e，偏心輪偏置距離，mm；l0，連桿長(zhǎng)度，mm。實(shí)線部分，初始狀態(tài)時(shí)偏心輪機(jī)構(gòu)位置；虛線部分，遠(yuǎn)程休止?fàn)顟B(tài)時(shí)偏心輪機(jī)構(gòu)位置。1， Distance between weeding rods， mm； 2， Swinging rod； 3， Push rod； 4， Connecting rod； 5， Eccentric； l， Length of swinging rod， mm； h， Vertical length of swinging rod when weeding spring tine disc is closed， mm； s， Horizontal length of swinging rod when weeding spring tine disc is closed， mm； e， Offset radius of eccentric， mm； l0， Length of connecting rod， mm. Solid line parts， Position of eccentric mechanism in initial state； Broken line parts， Position of eccentric mechanism in remote standstill stage.圖3 偏心輪機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure diagram of eccentric mechanism

2.4 避苗系統(tǒng)設(shè)計(jì)

除草作業(yè)時(shí)，激光傳感器檢測(cè)水稻秧苗位置并將位置信息傳送給控制器，控制器結(jié)合秧苗位置和機(jī)具前進(jìn)速度，控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)彈齒盤開(kāi)合，完成避苗過(guò)程。除草裝置、激光傳感器和水稻秧苗的位置關(guān)系如圖4所示。

激光傳感器安裝在除草彈齒前端，用于檢測(cè)田間水稻秧苗位置。作業(yè)過(guò)程中，當(dāng)傳感器沒(méi)有檢測(cè)到水稻秧苗時(shí)，彈齒盤閉合除去株間雜草；當(dāng)傳感器檢測(cè)到水稻秧苗時(shí)，控制器發(fā)送延時(shí)信號(hào)給伺服電機(jī)，控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)彈齒盤張開(kāi)，進(jìn)行避苗作業(yè)，避苗階段結(jié)束后，除草彈齒到達(dá)閉合位置，進(jìn)入下一個(gè)周期的避苗除草作業(yè)。

根據(jù)上述分析，結(jié)合水稻種植株距和所選用激光傳感器參數(shù)，伺服電機(jī)延時(shí)運(yùn)行時(shí)間應(yīng)滿足如下關(guān)系：

(8)

式(8)中：Δ為伺服電機(jī)延時(shí)運(yùn)行時(shí)間，s；為除草彈齒和激光傳感器安裝距離，mm。

為了方便控制，結(jié)合株間除草裝置避苗除草作業(yè)過(guò)程，將避苗除草系統(tǒng)中除草彈齒和激光傳感器的安裝距離設(shè)定為

(9)

聯(lián)立式(2)、(8)、(9)，可得

(10)

3 除草裝置仿真試驗(yàn)

為了獲得株間除草裝置的最佳除草效果，采用機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)自動(dòng)分析軟件ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System)對(duì)除草裝置的工作過(guò)程進(jìn)行虛擬仿真，分析除草彈齒的運(yùn)動(dòng)軌跡。

3.1 試驗(yàn)指標(biāo)選取

除草率和傷苗率為常用的除草裝置評(píng)價(jià)指標(biāo)，但是，目前關(guān)于雜草和作物生長(zhǎng)狀況的仿真研究尚未展開(kāi)，難以獲取仿真區(qū)域內(nèi)的雜草數(shù)目和損傷的秧苗數(shù)目；因此，本研究?jī)H對(duì)除草裝置的工作過(guò)程進(jìn)行仿真。為分析除草彈齒的運(yùn)動(dòng)軌跡，特選取覆蓋率和入侵率作為試驗(yàn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，代替除草率和傷苗率來(lái)評(píng)價(jià)除草裝置的作業(yè)效果。覆蓋率和入侵率直接影響除草率和傷苗率：覆蓋率越大，除草范圍越廣，除草率越大；入侵率越小，秧苗受傷概率越低，傷苗率越小。圖5為除草裝置在株間區(qū)域除草的示意圖。

將除草作業(yè)時(shí)除草范圍內(nèi)除草彈齒覆蓋區(qū)域的面積與作業(yè)區(qū)域面積的比例計(jì)為覆蓋率，將除草彈齒覆蓋區(qū)域與作物保護(hù)區(qū)重疊部分的面積占作物保護(hù)區(qū)面積的比例計(jì)為入侵率，即：

1，作物保護(hù)區(qū)域；2，除草彈齒；3，水稻秧苗；4，激光傳感器；L5，除草彈齒和激光傳感器安裝距離，mm。1， Crop protection area； 2， Weeding spring tine； 3， Rice seedling； 4， Laser sensor； L5， Mounting distance between weeding spring tine and laser sensor， mm.圖4 傳感器安裝位置示意圖Fig.4 Schematic diagram of laser sensor installation position

1，作物保護(hù)區(qū)域；2，除草彈齒覆蓋區(qū)域與作物保護(hù)區(qū)重疊部分；3，除草彈齒覆蓋區(qū)域；4，除草彈齒未覆蓋區(qū)域。1， Crop protection area； 2， Overlapping part of weeding spring tine coverage area and crop protection area； 3， Coverage area of weeding spring tine； 4， Uncovered area of weeding spring tine.圖5 株間區(qū)域除草示意圖Fig.5 Schematic diagram of weeding in intra-row area

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式(11)中：為覆蓋率，%；為入侵率，%；為作業(yè)區(qū)域面積，mm；為除草彈齒覆蓋區(qū)域面積，mm；為除草彈齒覆蓋區(qū)域與作物保護(hù)區(qū)重疊部分的面積，mm；為作物保護(hù)區(qū)面積，mm。

3.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為使株間除草裝置獲得更好的除草效果，本研究采用ADAMS軟件，以機(jī)具前進(jìn)速度和偏心輪轉(zhuǎn)速為試驗(yàn)因素，覆蓋率()和入侵率()為試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用2因素5水平二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)方法進(jìn)行虛擬仿真試驗(yàn)。

仿真試驗(yàn)中，設(shè)定作物保護(hù)區(qū)直徑為50 mm，秧苗株距為150 mm，提取仿真后的除草彈齒運(yùn)動(dòng)軌跡(圖6)，計(jì)算覆蓋率和入侵率。將試驗(yàn)因素水平編碼與結(jié)果分別整理于表1、表2。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.3.1 回歸模型建立

運(yùn)用Design-Expert 8.0.6軟件對(duì)表2的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，分別得到覆蓋率()、入侵率()與機(jī)具前進(jìn)速度()、偏心輪轉(zhuǎn)速()的回歸方程：

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對(duì)得到的回歸方程進(jìn)行方差分析，結(jié)果顯示：針對(duì)、構(gòu)建的回歸方程皆極顯著(<0.01)，失擬項(xiàng)不顯著(>0.05)，決定系數(shù)分別為0.98和0.97，表明在一定參數(shù)范圍內(nèi)，回歸模型的預(yù)測(cè)值與實(shí)際情況的擬合度較高，可用上述回歸模型對(duì)除草裝置的性能進(jìn)行分析與預(yù)測(cè)。

a，仿真示意圖；b，彈齒軌跡示意圖。1，左側(cè)彈齒運(yùn)動(dòng)軌跡；2，右側(cè)彈齒運(yùn)動(dòng)軌跡。a， Schematic diagram of simulation； b， Schematic diagram of trajectory of weeding spring tine. 1， Trajectory of left weeding spring tine； 2， Trajectory of right weeding spring tine.圖6 彈齒運(yùn)動(dòng)軌跡示意圖Fig.6 Schematic diagram of weeding spring tine movement trajectory

表1 試驗(yàn)因素水平編碼

表2 試驗(yàn)方案與結(jié)果

3.3.2 各因素對(duì)指標(biāo)的影響分析

為了更加直觀地分析試驗(yàn)指標(biāo)與試驗(yàn)因素之間的關(guān)系，利用Design-Expert 8.0.6軟件就機(jī)具前進(jìn)速度與偏心輪轉(zhuǎn)速對(duì)除草裝置覆蓋率和入侵率的影響做響應(yīng)曲面分析(圖7)。

當(dāng)偏心輪轉(zhuǎn)速一定時(shí)，覆蓋率隨著機(jī)具前進(jìn)速度的增加而增加；當(dāng)機(jī)具前進(jìn)速度一定時(shí)，覆蓋率隨著偏心輪轉(zhuǎn)速增加而減小。在機(jī)具前進(jìn)速度和偏心輪轉(zhuǎn)速的交互作用中，影響覆蓋率的主要因素是機(jī)具前進(jìn)速度。

當(dāng)偏心輪轉(zhuǎn)速一定時(shí)，入侵率隨著機(jī)具前進(jìn)速度的增加而增加；當(dāng)機(jī)具前進(jìn)速度一定時(shí)，入侵率隨著偏心輪轉(zhuǎn)速增加而減小。在機(jī)具前進(jìn)速度和偏心輪轉(zhuǎn)速的交互作用中，影響入侵率的主要因素是機(jī)具前進(jìn)速度。

總的來(lái)看，機(jī)具前進(jìn)速度對(duì)除草裝置的覆蓋率、入侵率均具有極顯著(<0.01)影響。從理論分析來(lái)看，除草彈齒運(yùn)動(dòng)軌跡由機(jī)具前進(jìn)速度和偏心輪轉(zhuǎn)速?zèng)Q定。在同樣的偏心輪轉(zhuǎn)速條件下，隨著機(jī)具前進(jìn)速度增加，彈齒并攏、張開(kāi)時(shí)機(jī)具行駛的距離增加，在一個(gè)除草周期內(nèi)，除草彈齒劃過(guò)更多的作業(yè)區(qū)域，可作用于更多的水田土壤，因而覆蓋率增加。但彈齒覆蓋范圍增加，會(huì)導(dǎo)致與作物保護(hù)區(qū)域重疊的可能性增加，入侵率亦隨之增加。偏心輪轉(zhuǎn)速對(duì)除草裝置的覆蓋率、入侵率亦具有極顯著(<0.01)影響。在同樣的機(jī)具前進(jìn)速度下，隨著偏心輪轉(zhuǎn)速的增加，彈齒并攏、張開(kāi)時(shí)機(jī)具行駛的距離減小，在一個(gè)除草周期內(nèi)，除草彈齒劃過(guò)的作業(yè)區(qū)域減小，因而覆蓋率減小。但彈齒覆蓋范圍減少，會(huì)使得與作物保護(hù)區(qū)域重疊的可能性減少，入侵率隨之下降。要說(shuō)明的是，本研究選取覆蓋率和入侵率為試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)，以代替除草率和傷苗率，但在上述仿真分析時(shí)，均假定水田雜草均勻分布在作業(yè)區(qū)域，這與實(shí)際情況并不完全相同，因而仿真結(jié)果可能與田間試驗(yàn)有出入。

3.3.3 模型優(yōu)化分析

為確定除草裝置的最優(yōu)參數(shù)組合，根據(jù)實(shí)際作業(yè)要求，建立除草性能優(yōu)化模型，選擇優(yōu)化的約束條件為

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X1，機(jī)具前進(jìn)速度；X2，偏心輪轉(zhuǎn)速；Y1，覆蓋率；Y2，入侵率。X1， Machine driving speed； X2， Eccentric rotation speed； Y1， Coverage rate； Y2， Intrusion rate.圖7 響應(yīng)曲面分析圖Fig.7 Analysis of response surface

利用Design-Expert 8.0.6軟件進(jìn)行優(yōu)化求解，得到最優(yōu)參數(shù)組合：機(jī)具前進(jìn)速度266.12 mm·s，偏心輪轉(zhuǎn)速3.97 r·s。在此條件下，覆蓋率為85.70%，入侵率為5.62%，除草裝置的作業(yè)性能最優(yōu)。

4 田間驗(yàn)證試驗(yàn)

為驗(yàn)證擺動(dòng)型水田株間除草裝置在田間作業(yè)時(shí)的工作性能，參考GB/T 36012—2018《鋤草機(jī)器人性能規(guī)范及其試驗(yàn)方法》，于2020年7月2日在安徽省淮南市鳳臺(tái)縣鳳凰鎮(zhèn)試驗(yàn)田進(jìn)行田間試驗(yàn)(圖8)。

試驗(yàn)田水層深度為20～30 mm，泥腳深度為140～160 mm。試驗(yàn)田栽種水稻品種為南粳9108，水稻秧苗平均高度為260 mm，長(zhǎng)勢(shì)良好，未見(jiàn)明顯病蟲(chóng)害。田間雜草以稗草和千金子等雜草為主，稻田株間雜草平均密度約為28株·m。

將試驗(yàn)樣機(jī)安裝于后置乘坐式水田作業(yè)機(jī)械上，座椅位于除草裝置后端，方便駕駛?cè)藛T觀察除草裝置作業(yè)效果。作業(yè)時(shí)駕駛?cè)藛T根據(jù)樣機(jī)作業(yè)狀況，及時(shí)調(diào)整機(jī)具前進(jìn)方向，保證除草裝置位于苗帶中央，實(shí)現(xiàn)除草裝置對(duì)行。

為驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)的擺動(dòng)型水田株間除草裝置的除草性能，以上文得到的最優(yōu)參數(shù)組合為工作參數(shù)，為方便實(shí)際操作，將機(jī)具前進(jìn)速度設(shè)為270 mm·s，偏心輪輪轉(zhuǎn)速設(shè)為4 r·s，選取除草率、傷苗率為試驗(yàn)指標(biāo)，進(jìn)行田間性能試驗(yàn)。

a，除草前田塊；b，除草后田塊。a， Paddy field before weeding； b， Paddy field after weeding.圖8 除草裝置田間試驗(yàn)照片F(xiàn)ig.8 Photos of field experiment of weeding device

其中，除草率為已除雜草占雜草總數(shù)的比例(若試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)雜草根莖被拉斷、翻埋、飄起，將其視為已除雜草；若雜草根與泥面連接，可以繼續(xù)生長(zhǎng)，將其視為未除雜草)；傷苗率為損傷秧苗占秧苗總數(shù)的比例(若試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)秧苗被壓折、連根拔起、倒伏，將其視為損傷秧苗)。除草前統(tǒng)計(jì)各試驗(yàn)區(qū)秧苗和雜草的數(shù)量，除草試驗(yàn)完成后，用細(xì)繩將測(cè)試區(qū)圍住，統(tǒng)計(jì)已除雜草和未除雜草、損傷秧苗和未損傷秧苗數(shù)量，每組數(shù)據(jù)采集3次，取平均值。

通過(guò)試驗(yàn)區(qū)域的試驗(yàn)指標(biāo)估計(jì)整體指標(biāo)。為消除誤差，統(tǒng)計(jì)時(shí)選取5組數(shù)據(jù)，測(cè)算平均值(表3)。試驗(yàn)中，除草率的最大值為83.4%，最小值為81.6%，平均值為82.5%；傷苗率最大值為5.7%，最小值為4.5%，平均值為5.1%。田間性能試驗(yàn)證明，本研究設(shè)計(jì)的擺動(dòng)型水田株間除草裝置能滿足設(shè)計(jì)要求。

表3 田間試驗(yàn)結(jié)果

仿真試驗(yàn)結(jié)果與田間試驗(yàn)結(jié)果大體一致，但也略有差異。原因可能包括：(1)田間試驗(yàn)作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，會(huì)出現(xiàn)車輪打滑、機(jī)組振動(dòng)等情況，導(dǎo)致機(jī)具前進(jìn)速度無(wú)法始終保持一致；(2)水田雜草在田間隨機(jī)分布，而非平均分布，而仿真試驗(yàn)?zāi)J(rèn)雜草平均分布在作業(yè)區(qū)域，因此結(jié)果也會(huì)與田間試驗(yàn)有所出入。

5 小結(jié)

本研究設(shè)計(jì)了一種擺動(dòng)型水田株間除草裝置，運(yùn)用ADAMS軟件對(duì)其工作過(guò)程進(jìn)行仿真模擬，得到除草彈齒的運(yùn)動(dòng)軌跡。以機(jī)具前進(jìn)速度和偏心輪轉(zhuǎn)速為試驗(yàn)因素、覆蓋率和入侵率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用2因素5水平二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)方法進(jìn)行虛擬仿真試驗(yàn)，運(yùn)用Design-Expert 8.0.6軟件對(duì)仿真試驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析與優(yōu)化分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)機(jī)具前進(jìn)速度為266.12 mm·s、偏心輪轉(zhuǎn)速為3.97 r·s時(shí)，除草裝置作業(yè)性能最優(yōu)，覆蓋率為85.70%，入侵率為5.62%。基于上述仿真結(jié)果，將機(jī)具前進(jìn)速度設(shè)為270 mm·s，偏心輪轉(zhuǎn)速設(shè)為4 r·s，進(jìn)行田間驗(yàn)證試驗(yàn)，結(jié)果與仿真試驗(yàn)大體一致。田間性能試驗(yàn)證明，本研究所設(shè)計(jì)的擺動(dòng)型水田株間除草裝置能滿足設(shè)計(jì)要求。