果園整地旋耕機(jī)智能避障系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

林 靜，王東銳，呂洲翼，王鑫宇

（沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，沈陽 110161）

隨著近幾年全國果園種植面積的快速增長和我國現(xiàn)代果園種植模式的實(shí)施，果園機(jī)械化水平也應(yīng)該逐步提高。目前果園機(jī)械化水平相對較低，阻礙了林果業(yè)的快速發(fā)展，需要急需加快發(fā)展果園全程機(jī)械化水平。研究偏置式旋耕機(jī)可以伸入樹下作業(yè)，滿足果園旋耕作業(yè)前提下，提高了作業(yè)效率[1]。果園中耕作業(yè)是生產(chǎn)管理中關(guān)鍵作業(yè)之一，通過中耕作業(yè)可以改善土壤透氣性，提高果樹根部的呼吸效率，進(jìn)一步增加果樹產(chǎn)量和品質(zhì)。目前，遼寧省梨園產(chǎn)量位居全國第四，已經(jīng)成為遼寧林果業(yè)的支柱型產(chǎn)業(yè)，是當(dāng)?shù)匕l(fā)展農(nóng)村經(jīng)濟(jì)、帶動農(nóng)民收入，助力鄉(xiāng)村振興的重要產(chǎn)業(yè)[2]。因此，設(shè)計(jì)一款自動避障的果園旋耕機(jī)是解決果園高效率完成中耕作業(yè)的關(guān)鍵。

近些年來，我國林果業(yè)發(fā)展迅速，相關(guān)研究學(xué)者圍繞果園避障式旋耕機(jī)的整機(jī)及關(guān)鍵部件展開了相關(guān)研究。王斌等[3-6]提出通過將液壓控制系統(tǒng)嫁接于普通旋耕機(jī)上，并且著重設(shè)計(jì)了旋耕機(jī)的工作部件和避障系統(tǒng)，避障系統(tǒng)采用接觸式仿形避障的方式，該方法優(yōu)點(diǎn)是可靠性強(qiáng)，缺點(diǎn)是對于幼小果樹可能會造成一定的損傷。趙群喜等[7-8]提出在普通旋耕機(jī)上安裝液壓控制系統(tǒng)和避障執(zhí)行系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一種適合新疆果園的避障旋耕機(jī)，通過土槽試驗(yàn)和田間試驗(yàn)對樣機(jī)優(yōu)化，獲得了旋耕機(jī)的最優(yōu)參數(shù)組合，避障方式為接觸式仿形避障。胡傳亮等[9]提出的非接觸式避障采用激光和超聲波傳感器檢測，其優(yōu)點(diǎn)在于可靠性高，響應(yīng)快，超聲波可以穿透灰塵及小顆粒物，能實(shí)現(xiàn)自動避障的智能化要求。WANG 等[10]提出了一種非接觸式基于計(jì)算機(jī)視覺的控制方法，主要是通過攝像機(jī)來采集圖像，然后分析圖像，利用編程提取障礙物邊界，但是視覺技術(shù)在室外容易受幾何特征、物理環(huán)境、天氣和光線條件的影響，而且視覺技術(shù)所搭載的計(jì)算機(jī)硬件要求高，成本較大。馮吉等[11]提出一種非接觸式的激光雷達(dá)進(jìn)行障礙物掃描檢測，使用MATLAB 編程完成數(shù)據(jù)處理。史璐等[12]提出的激光雷達(dá)避障方案，優(yōu)點(diǎn)在于高精度掃描、使用環(huán)境較為廣泛，但用于避障割草機(jī)。以上研究為提升果園避障作業(yè)效果提供了基礎(chǔ)，由于果園避障旋耕機(jī)在進(jìn)行作業(yè)時(shí)，工作環(huán)境灰塵較大，因此本研究采用超聲波傳感器作為非接觸式避障識別。借助單片機(jī)控制系統(tǒng)將信號傳遞給液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)，根據(jù)機(jī)組前進(jìn)速度的情況而設(shè)定障礙物的識別距離，應(yīng)用仿真軟件對關(guān)鍵液壓系統(tǒng)進(jìn)行仿真，并進(jìn)行模擬試驗(yàn)驗(yàn)證，為自動避障旋耕機(jī)提供理論參考。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與技術(shù)參數(shù)

果園智能避障式旋耕機(jī)整體結(jié)構(gòu)如圖1，主要由超聲波傳感器、單片機(jī)控制器、油缸、電磁閥、懸掛架、變速箱、前懸掛桿、尾板調(diào)整桿、傳動軸、側(cè)邊齒輪箱、旋耕刀、旋耕刀輥、浮動油封、左側(cè)板與扶手等組成。智能避障系統(tǒng)置于旋耕機(jī)機(jī)具一側(cè)前部，根據(jù)樹干排列及障礙物的大小可進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)，其關(guān)鍵部件油缸位于機(jī)具一側(cè)中部，與其智能避障系統(tǒng)位于同一側(cè)，左、右旋耕刀安裝在機(jī)具下部的旋耕刀輥上，變速箱通過六棱柱傳動軸將動力傳遞到側(cè)邊齒輪箱。

圖1 果園智能避障式旋耕機(jī)結(jié)構(gòu)Figure 1 Structure diagram of orchard intelligent obstacle avoidance rotary cultivator

果園智能避障式旋耕機(jī)采用三點(diǎn)懸掛在拖拉機(jī)后端，拖拉機(jī)通過后端動力輸出軸為旋耕機(jī)提供動力，驅(qū)動旋耕機(jī)在果樹間進(jìn)行中耕作業(yè)，當(dāng)超聲波傳感器識別到障礙物時(shí)，將信號傳遞給換向閥，液壓系統(tǒng)中的油缸推動旋耕機(jī)工作部件橫向平移，實(shí)現(xiàn)果園旋耕機(jī)自動避障作業(yè)，保障旋耕機(jī)及旋耕刀不觸碰樹干，避免樹干損傷，機(jī)具主要技術(shù)參數(shù)如表1。

表1 機(jī)具主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Technical specifications

1.2 工作原理

避障旋耕機(jī)作業(yè)時(shí)，通過安裝在機(jī)具前方的超聲波傳感器有效識別到障礙物或樹干，從而達(dá)到高效率完成果園中耕作業(yè)。由液壓系統(tǒng)和單片機(jī)控制系統(tǒng)共同組成自動避障系統(tǒng)，當(dāng)機(jī)具前方的超聲波傳感器識別到障礙物或樹干（圖2a），通過單片機(jī)芯片處理信號，再將指令發(fā)送到換向閥開關(guān)，液壓系統(tǒng)收到指令后，液壓缸開始工作（圖2b），由拖拉機(jī)自生的液壓系統(tǒng)為油缸提供動力，油缸驅(qū)動機(jī)具橫向平移，此時(shí)三點(diǎn)懸掛機(jī)構(gòu)承載機(jī)具全部重量，旋耕機(jī)作業(yè)路徑改變，避免了機(jī)具觸碰果樹造成的損傷（圖2c），在旋耕機(jī)完全躲避障礙物或者樹干，此時(shí)的恢復(fù)信號為時(shí)間信號，設(shè)定避障動作開始后，即開始計(jì)時(shí)，例如在1 s內(nèi)完成避障，則1 s后，單片機(jī)中計(jì)時(shí)器觸發(fā)恢復(fù)信號，旋耕機(jī)上的油缸通過換向閥將旋耕機(jī)恢復(fù)到初始狀態(tài)，繼續(xù)進(jìn)行自動避障循環(huán)作業(yè)（圖2d），當(dāng)超聲波傳感器未檢測到障礙物或者樹干時(shí)，自動避障系統(tǒng)不工作，旋耕機(jī)正常作業(yè)（圖2c）。

2 關(guān)鍵部件避障結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 自動避障識別設(shè)計(jì)

自動避障識別設(shè)計(jì)主要采用超聲波傳感器（圖3），它是將超聲波信號轉(zhuǎn)換為電信號，具有頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象好，特別是方向性極好、能夠成為射線而定向傳播，常用的超聲波傳感器由壓電晶片組成，既可以發(fā)射超聲波，也可以接收超聲波[13]。

圖3 超聲波傳感器工作原理Figure 3 Ultrasonic wave sensor

超聲波發(fā)射器到障礙物的距離L1，超聲波接收器到障礙物的距離L2，是超聲波傳感器的主要技術(shù)參數(shù)，可根據(jù)設(shè)定障礙物的大小選定其影響因素的值，根據(jù)圖3建立公式為：

式中：L1為超聲波發(fā)射器到障礙物的距離（m）；L2為超聲波接收器到障礙物的距離（m）；c為超聲波在媒體中的傳播速度（km·h-1）；t1為超聲波發(fā)射器到障礙物所用的時(shí)間（h）；t2為超聲波接收器到障礙物所用的時(shí)間（h）；Vm為超聲波前進(jìn)速度（km·h-1）。

根據(jù)式（1）可以確定超聲波傳感器的識別距離，超聲波傳感器通過四個(gè)引腳與單片機(jī)連接，兩個(gè)引腳接電源正負(fù)極，兩個(gè)引腳接單片機(jī)上的信號引腳，當(dāng)超聲波傳感器檢測到前方障礙物時(shí)會產(chǎn)生顯著反射形成反射成回波。超聲波傳感器通過發(fā)射器發(fā)出超聲波信號，如果前方無障礙物，則接收器收不到反饋信號，此時(shí)超聲波傳感器發(fā)出的波段信號會繼續(xù)傳播下去；如果遇到前方有障礙物時(shí)，障礙物會將超聲波反射回去，此時(shí)接收器會接收到反射回來的超聲波，此過程即為超聲波識別測距過程。

2.2 智能避障控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能避障控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要利用AT89C51單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)。相比于接觸式避障方式而言，非接觸避障方式可以更好地保護(hù)樹干及機(jī)器，防止機(jī)器與樹干或者障礙物的碰撞。選擇單片機(jī)作為自動避障控制的理由是結(jié)構(gòu)簡單，利于實(shí)現(xiàn)簡單的避障信號控制與計(jì)算，其內(nèi)在芯片處理速度較接觸式的處理速度快，為避障動作提供更多的時(shí)間，單片機(jī)較接觸式避障方式更為可靠。

智能避障控制系統(tǒng)的主要作用是將超聲波傳感器識別到障礙物的信號處理，然后再迅速將信號傳遞為電磁換向閥，從而使旋耕機(jī)上的油缸開始工作，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)避障動作。當(dāng)超聲波傳感器未識別到障礙物信號，此時(shí)單片機(jī)未收到超聲波傳感器送來的信號，因此電磁換向閥不工作，液壓回路繼續(xù)保持原來的狀態(tài)，油缸此時(shí)也不工作，旋耕機(jī)就是普通的旋耕機(jī)而進(jìn)行旋耕作業(yè)。圖4為果園智能避障旋耕機(jī)的控制系統(tǒng)原理圖。

圖4 單片機(jī)控制原理Figure 4 Single chip microcomputer control schematic diagram

AT89C51 單片機(jī)采用40 引腳的PDIP 封裝方式，主電源引腳GND 接地和VCC接4～5.5 V[13]。具體各個(gè)引腳接線如圖5，此時(shí)設(shè)置超聲波傳感器的識別距離為5 mm，超聲波模塊共有4 個(gè)引腳，分別于與單片機(jī)的電源引腳和信號引腳連接。此控制電路為了直觀地反應(yīng)超聲波識別距離，特意增加LED顯示屏顯示超聲波的識別距離，當(dāng)識別距離小于設(shè)定的5 mm時(shí)，蜂鳴器響，以此來提示駕駛員。單片機(jī)通過寫入程序來控制整個(gè)智能避障系統(tǒng)。

圖5 單片機(jī)控制電路圖Figure 5 Single chip microcomputer control circuit diagram

2.3 智能避障執(zhí)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能避障執(zhí)行系統(tǒng)主要有液壓回路來完成。液壓回路主要由雙作用液壓缸、可調(diào)節(jié)單向節(jié)流閥、三位四通電磁換向閥、油箱、液壓源、過濾器與溢流閥組成。智能避障執(zhí)行系統(tǒng)主要是油缸及液壓回路，液壓回路設(shè)計(jì)包含了各個(gè)液壓元件，其中電磁換向閥為液壓回路的主要部件，它控制著整個(gè)液壓回路中液壓油的流動方向，液壓源為拖拉機(jī)本身自帶的液壓源為其提供動力來源，溢流閥主要是為了液壓油缸行程結(jié)束以后部分液壓油繼續(xù)回流進(jìn)油箱，可調(diào)節(jié)單向節(jié)流閥主要是用來控制液壓油缸的速度，根據(jù)不同的果園株距以及拖拉機(jī)的前進(jìn)速度而進(jìn)行簡單的調(diào)節(jié)，保障智能避障系統(tǒng)的可靠性。

2.4 液壓系統(tǒng)液壓元件選用

選用液壓缸根據(jù)運(yùn)動機(jī)構(gòu)的要求，不僅要保證液壓缸有足夠的作用力、速度和行程，而且還要有足夠的強(qiáng)度和剛度。但是在某些特殊情況下，為了使用標(biāo)準(zhǔn)的液壓缸或者利用現(xiàn)有的液壓缸例如液壓缸的額定工作壓力，可以略微超出這些液壓缸的額定工作范圍。例如液壓缸的額定工作壓力為6.3 MPa,為了提高其作用力，使它能推動超過額定負(fù)載的機(jī)構(gòu)運(yùn)動，允許將它的工作壓力提高到6.5 MPa 或者略微高一些。因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)液壓缸零件時(shí)，都有一定的安全裕度[14]。

雙作用液壓缸（普通缸），農(nóng)業(yè)機(jī)械及小型工程機(jī)械工作壓力取10～16 MPa,基于拖拉機(jī)型號的自身液壓系統(tǒng)取值P為14 MPa。液壓缸活塞行程選用第一系列中的500 mm，油缸連接采用耳環(huán)式安裝，便于更換。

液壓缸活塞桿直徑計(jì)算公式：

式中：D為液壓油缸活塞桿直徑（m）；Fw為作用在活塞上的負(fù)載力（N）；ηm為液壓油缸的機(jī)械效率，取0.93；P1為液壓油缸工作腔壓力（Pa）；P2為液壓油缸回油腔壓力（Pa）；φ為液壓油缸桿徑比，取0.54。

根據(jù)式（2）旋耕機(jī)重力為作用在活塞的負(fù)載力，得到D=0.083 m，根據(jù)液壓系統(tǒng)工作壓力選取d/D=0.7,則d=0.058 m,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)適當(dāng)圓整取D=0.08 m,d=0.05 m，初定液壓油缸。

液壓油缸活塞桿運(yùn)動速度公式，當(dāng)活塞桿前進(jìn)時(shí)：

當(dāng)活塞桿后退時(shí)：

式中：Q為流量（m3·s-1）；D為液壓直徑（m）；d為活塞桿直徑（m）；ηv為容積效率，取0.92。

根據(jù)式（3）和式（4）得到液壓油缸的伸出速度和收回速度均與其流量有直接關(guān)系，取流量Q=0.001 m3·s-1，故此得到油缸伸出速度為0.34 m·s-1，收回速度為0.68 m·s-1。

液壓缸活塞行程時(shí)間公式，當(dāng)活塞桿伸出時(shí)：

當(dāng)活塞桿縮回時(shí)：

式中：V為液壓缸容積（m3）;S為活塞行程（m）；Q為流量（m3·s-1）；D為液壓直徑（m）；d為活塞桿直徑（m）。

根據(jù)式（5）和式（6）得到液壓油缸的伸出時(shí)間和收回時(shí)間均與其活塞行程有直接關(guān)系，取活塞行程S=0.5 m，故此得到油缸伸出速度為1.256 s，收回速度為0.766 s。根據(jù)其值較快，為滿足不同的條件，因此需要在液壓回路上加裝可調(diào)節(jié)單向節(jié)流閥，以此來滿足不同的油缸伸出速度和收回速度。根據(jù)國標(biāo)《GB/T321-2005》選擇HSG型工程液壓缸，型號為：HSG※01-80/45E。部分參數(shù)如表2。

表2 液壓系統(tǒng)元件參數(shù)Table 2 Hydraulic pressure system component parameter

選用可調(diào)節(jié)流閥，用來控制流體流量，從而達(dá)到控制流量控制。節(jié)流閥是通過改變節(jié)流截面或節(jié)流長度以控制流體流量的閥。流量控制閥基本要求：流量調(diào)節(jié)范圍，在規(guī)定的進(jìn)出口壓差下，調(diào)節(jié)閥口開度能達(dá)到的最小穩(wěn)定流量和最大流量之間的范圍。最大流量與最小穩(wěn)定流量之比一般在50 以上。根據(jù)國標(biāo)及液壓缸參數(shù)，選用力士樂系列的MK10G12型可調(diào)節(jié)流閥，部分參數(shù)如表2。

選用電磁閥根據(jù)液壓回路的要求，不僅要保證電磁閥要迅速，而且要保證整個(gè)液壓回路的壓力不能過大。電磁換向閥也叫電磁閥，是液壓控制系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換元件。它利用通電電磁鐵的吸引力推動滑閥閥芯移動，改變油流的通斷，來實(shí)現(xiàn)執(zhí)行元件的換向、啟動、停止。根據(jù)國標(biāo)、液壓缸參數(shù)和節(jié)流閥參數(shù)，選用力士樂系列三位四通的WE5型濕式電磁換向閥，部分參數(shù)如表2。

3 避障結(jié)構(gòu)仿真分析

3.1 避障結(jié)構(gòu)模型建立

在FluidSIM-H 軟件上建立液壓回路（圖6），該軟件具有豐富的元件庫，可以清晰地反映液壓回路中液壓油的流動方向以及各元件的性能參數(shù)。整個(gè)液壓回路液壓油的流動方向均由電磁閥來控制，電磁閥的得電與失電主要由單片機(jī)來控制，油缸的伸出和縮回速度主要由可調(diào)節(jié)單向節(jié)流閥來控制，當(dāng)電磁閥處于中立狀態(tài)時(shí)，由于液壓源的持續(xù)輸出，造成液壓回路中依然有液壓油流動，因此必須添加溢流閥使此狀態(tài)下液壓油回流到油箱中。

圖6 液壓回路仿真模擬Figure 6 Hydraulic circuit simulation diagram

3.2 仿真結(jié)果分析

根據(jù)FluidSIM-H 軟件建立的液壓回路進(jìn)行仿真分析可知，可調(diào)節(jié)單向節(jié)流閥的開合度直接影響了油缸伸出和縮回的速度，根據(jù)圖7，液壓油缸的伸出速度Va隨著節(jié)流閥的開合度的增大，速度也逐漸增大，液壓油缸的縮回速度Vb隨著節(jié)流閥的開合度的增大，速度也是隨著增大，因此選擇合適的節(jié)流閥開合度是直接影響液壓油缸的伸出和縮回速度的因素。

圖7 液壓回路節(jié)流閥開口度與油缸速度的關(guān)系Figure 7 Hydraulic circuit cylinder speed diagram

4 避障系統(tǒng)田間試驗(yàn)

4.1 田間試驗(yàn)方案

為了更好地驗(yàn)證智能避障系統(tǒng)不同工況下的作業(yè)要求，進(jìn)行最佳工作參數(shù)試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)間為2022 年6月，試驗(yàn)地點(diǎn)為甘肅省張掖市甘州區(qū)沙井鎮(zhèn)五個(gè)墩村果園基地。經(jīng)過實(shí)地測量，果園行距為3 m，株距平均值為1.98 m。田間試驗(yàn)過程中主要所需的儀器為：東風(fēng)404-10 型拖拉機(jī)、安裝智能避障系統(tǒng)的果園旋耕機(jī)、卷尺、直尺等，田間試驗(yàn)如圖8。

圖8 田間試驗(yàn)Figure 8 Field test

田間試驗(yàn)主要是為了測試智能避障系統(tǒng)的工作效果，智能避障系統(tǒng)在保證不觸碰障礙物的前提下而進(jìn)行避障動作，其中果園中的障礙物主要為果樹樹干及樹冠，電線桿及其他桿型障礙物可視為果樹樹干為參考，試驗(yàn)時(shí)單獨(dú)對電線桿進(jìn)行試驗(yàn)分析，要求果園旋耕機(jī)的避障率應(yīng)盡量大，影響這個(gè)指標(biāo)的因素主要有前進(jìn)速度、旋耕機(jī)橫向移動速度和識別距離，其他的因素對避障率的影響較小。避障率的衡量標(biāo)準(zhǔn)為：當(dāng)旋耕機(jī)橫向移動時(shí)，旋耕機(jī)機(jī)架位置與果樹根部的距離超過0.1 m時(shí)即為避障成功，若距離小于0.1 m時(shí)，即視為避障不成功，未完成避障動作。

由于田間試驗(yàn)在夏季進(jìn)行，因此在果園中存在雜草以及其他作物的影響，因此在試驗(yàn)時(shí)需要將試驗(yàn)的地方將雜草及作物清除，由于時(shí)間等其他因素的關(guān)系，本應(yīng)該在春季耕整地時(shí)節(jié)進(jìn)行田間試驗(yàn)，所以為了盡可能地還原試驗(yàn)真實(shí)場地，因此需要將周圍雜草及作物清除干凈。田間試驗(yàn)在圖8 中已經(jīng)將旋耕機(jī)識別的地方將雜草及作物清除，試驗(yàn)時(shí)機(jī)具的前進(jìn)距離為30 m，識別系統(tǒng)距離機(jī)架橫向位置為0.08 m，由于試驗(yàn)時(shí)整列果樹排列偏差較小，因此可以忽略因果樹位置偏差而造成的試驗(yàn)誤差。圖8中選擇的地塊為果園最靠地邊的位置，因此會有草垛，但是并未影響試驗(yàn)，拖拉機(jī)及旋耕機(jī)均可以通過。

試驗(yàn)中恢復(fù)信號的時(shí)間由于各個(gè)因素的變化而變化，因此進(jìn)行每組試驗(yàn)前需要修改單片機(jī)的程序，調(diào)整恢復(fù)信號的時(shí)間。在控制其他因素不變的條件下，以前進(jìn)速度、旋耕機(jī)橫向移動速度和識別距離為試驗(yàn)因素，以避障率為試驗(yàn)指標(biāo)，進(jìn)行三因素三水平的正交試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)，共進(jìn)行17組試驗(yàn)，試驗(yàn)因素編碼表如表3。

表3 正交試驗(yàn)因素水平Table 3 Table of orthogonal test factors and levels

4.2 田間試驗(yàn)分析

正交試驗(yàn)表如表4，共17組試驗(yàn)。

表4 正交試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Orthogonal experiment result

應(yīng)用Design-expert軟件對自動避障控制系統(tǒng)的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行多元回歸擬合分析，以避障率為響應(yīng)值、前進(jìn)速度（x1）、旋耕機(jī)橫向移動速度（x2）、識別距離（x3）為自變量，剔除不顯著項(xiàng)，得到避障率的回歸方程為：

式中：x1為前進(jìn)速度（km·h-1）；x2為旋耕機(jī)橫向移動速度（m·s-1）；x3為識別距離（m）。

對避障率的回歸方程（7）進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，結(jié)果如表5。從表5 方差分析中看出p值為0.000 4（p＜0.01），極顯著。失擬項(xiàng)p值為0.151 8＞0.05,對結(jié)果影響不顯著。

表5 避障率方差分析Table 5 Obstacle avoidance rate variance analysis table

將一個(gè)因素固定在零水平，利用響應(yīng)面圖可以直觀地看出其余兩因素對試驗(yàn)指標(biāo)的影響。圖9 為各個(gè)因素對避障率的影響。

圖9 試驗(yàn)因素對避障率顯著性影響的響應(yīng)面Figure 9 The response surface of the significant influence of experimental factors on obstacle avoidance rate

從避障率的響應(yīng)面圖看出，避障率隨著旋耕機(jī)橫向移動速度的增大而提高，在前進(jìn)速度變小和旋耕機(jī)橫向移動速度增大時(shí)，避障率提高（圖9a)；避障率隨著識別距離的增加而提高，在前進(jìn)速度變小和識別距離增大時(shí)，避障率提高（圖9b)；避障率隨著旋耕機(jī)橫向移動速度和識別距離的增加而提高，成正比例關(guān)系（圖9c)；而前進(jìn)速度與避障率成反比例關(guān)系。

根據(jù)建立的回歸模型，可以獲得各因素的最優(yōu)參數(shù)組合，實(shí)現(xiàn)自動避障系統(tǒng)的最佳作業(yè)參數(shù)。利用Design-expert 8.0.6軟件的優(yōu)化求解部分，以最大避障率為評價(jià)指標(biāo)，建立數(shù)學(xué)模型：

求得滿足約束條件的最大避障率的最優(yōu)參數(shù)組合為：前進(jìn)速度3.69 km·h-1，旋耕機(jī)橫向移動速度0.52 m·s-1，識別距離0.41 m，此時(shí)避障率可達(dá)到97.91%。根據(jù)求解得到前進(jìn)速度，旋耕機(jī)橫向移動速度和識別距離的最優(yōu)組合為A2B2C2，在同一地點(diǎn)以同樣的方法進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果顯示當(dāng)自動避障系統(tǒng)在3.69 km·h-1的速度前進(jìn)時(shí)，以0.52 m·s-1的旋耕機(jī)橫向移動速度時(shí)，在識別距離為0.41 m 時(shí)，機(jī)具的避障率為97.91%，達(dá)到了自動避障的農(nóng)藝要求，證明優(yōu)化結(jié)果合理可靠。

5 討論與結(jié)論

由于目前果園避障作業(yè)過程中大多都使用接觸式的避障方式，通過機(jī)具的仿形結(jié)構(gòu)接觸障礙物來傳遞避障信號，導(dǎo)致在仿形結(jié)構(gòu)接觸過程中造成的果樹損傷以及仿形結(jié)構(gòu)的失效等問題。主要因?yàn)榻佑|式避障方式不能完全保證果樹的安全性，以及避障動作的準(zhǔn)確性。因此，本研究根據(jù)現(xiàn)代化果園種植模式設(shè)計(jì)了一種非接觸式的智能避障系統(tǒng)，提高了避障準(zhǔn)確性和果樹的安全性。

通過Proteus 8 Professional 軟件設(shè)計(jì)出了單片機(jī)控制部分原理，Keil uVision5 軟件編寫了超聲波傳感器接口與單片機(jī)處理的程序，通過FluidSIM-H 軟件仿真分析設(shè)計(jì)出自動避障系統(tǒng)的液壓回路，并通過節(jié)流閥的開口度的大小影響油缸速度的關(guān)系，并對液壓回路的液壓缸、節(jié)流閥和電磁換向閥進(jìn)行了理論計(jì)算和選型，設(shè)計(jì)出了智能避障系統(tǒng)的執(zhí)行部分。

本研究結(jié)果表明，智能避障系統(tǒng)以0.52 m·s-1的旋耕機(jī)橫向移動速度伸縮移動和識別距離為0.41 m，機(jī)具前進(jìn)速度以3.69 km·h-1的速度前進(jìn)時(shí)，智能避障系統(tǒng)的避障率達(dá)到97.91%。通過對試驗(yàn)結(jié)論的驗(yàn)證，在最優(yōu)的參數(shù)組合下，避障率的平均值達(dá)到97.24%，滿足果園避障旋耕作業(yè)的相關(guān)技術(shù)要求，可以為果園智能避障旋耕機(jī)的設(shè)計(jì)及參數(shù)優(yōu)化提供一定的理論參考。