田間除草機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析

中圖分類號： S224.1+5 ；TP242.6 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-5553（2025）07-0021-08

Abstract：Toaddress the limitations of traditional herbicide sprayingandoutdated micro-cultivator weeding equipment，a field weeding robot was developed.The robot consisted of a mobile chasis，weeding mechanism，power system， motion control system，navigationand path plannng system，andan image recognition system.First，the mobilechassis was designedusing theoretical calculations and3D parametric modeling.The structure featured an adjustablewheel baseand longitudinal height，andagantry-typefour-wheel independentdrivechasiswithsteer-by-wirecontrol.Next，the weeding mechanismwas developed based on motion trajectory analysis.It combined an S-shaped inter-row weding bladeanda crescent-shaped inter-plant weeding blade.Thissystemincludedanelectric push-rod lifting deviceanda lateral slidingadjustment mechanismforpreciseoperation.Finally，fieldexperiments wereconducted toevaluate the robot’s performance. The results showed that at a travel speed of 0.3m/s ，with the crescent blade rotating at 1.3r/s and operating at a depth of 3cm ，theseedling injury rate remained below 5% ，while the weed removal rate exceeded 95% ，the robot achieved a working efficiency of no less than 0.2hm²/h in fields with a transport slope of up to 15^° and a planting slope of no more than 5^° . This study provides a valuable reference for the field management of low-growing cash crops.

Keywords：field weedingrobot；movingchassis；independent steering；crescent shovel；S-shaped interlineknife; low planting

0 引言

我國田園雜草種類多、分布廣。每年由于雜草危害造成作物產(chǎn)量損失約 10% ，糧食減產(chǎn)達(dá) 60000kt 經(jīng)濟(jì)損失達(dá)2200億元[1]。國內(nèi)農(nóng)戶普遍采用機(jī)械除草和藥劑除草兩種方法清理雜草。傳統(tǒng)機(jī)械除草方法效率低、靈活性和適應(yīng)性差；藥劑除草對環(huán)境污染危害性大并且給人類食品安全帶來威脅[2]。

為解決除草問題，德國與法國某些公司開發(fā)多種除草機(jī)器人，利用機(jī)器視覺來區(qū)分農(nóng)作物和雜草，采用“V\"型鏟刀、delta機(jī)械手爪等機(jī)構(gòu)，以 1.1km/h 的作業(yè)速度清除雜草。為提高除草效率，美國研發(fā)激光除草機(jī)器人，每小時可清除10方株雜草，雖然效率高但設(shè)備成本較高。我國除草機(jī)器人研究較晚，但在田間自主導(dǎo)航、雜草與作物識別算法方面有重要進(jìn)展。吳堅等[3將改進(jìn)的YOLOv5算法應(yīng)用于農(nóng)田苗草目標(biāo)檢測，比原始算法的平均精度提高 2.9% ，但作物雜草數(shù)據(jù)集來源單一。楊婕等4針對溫室大棚除草機(jī)器人設(shè)計磁導(dǎo)航模糊控制系統(tǒng)，直線行駛誤差在 2cm 內(nèi)，不適用于田間室外復(fù)雜場景。翁盛檳等通過智能調(diào)整模糊控制算法，建立除草機(jī)器人自主導(dǎo)航控制系統(tǒng)，但還未進(jìn)行樣機(jī)田間試驗(yàn)。王春雷等通過不斷地完善玉米根茬行圖像分割算法，使目標(biāo)面積誤差率降低至 24.68% ，但田間除草作業(yè)準(zhǔn)確率還有待提高。冀杰等開發(fā)的自適應(yīng)快速積分終端滑塊跟蹤控制系統(tǒng)，保證除草機(jī)器人在草坪作業(yè)時可迅速跟蹤期望軌跡，但未考慮除草機(jī)構(gòu)對跟線速度的影響。莊梅山8基于LabVIEW開發(fā)除草機(jī)器人雜草識別系統(tǒng)，平均雜草識別率為 95% ，但圖像處理器并行運(yùn)算速度較慢。國內(nèi)除草機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)大多是在國外基礎(chǔ)上進(jìn)行模仿，不適合國內(nèi)田地與種植農(nóng)藝。杜潔[9、黃文明[°等研究發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)行間除草機(jī)構(gòu)功能單一，株間除草技術(shù)研究較少。趙智宇等[11設(shè)計的智能除草機(jī)器人移動底盤結(jié)構(gòu)簡單，在田間轉(zhuǎn)向、爬坡、過坎等方面效果不佳。馬星野等[12]針對高功率激光除草機(jī)器人成本較高的問題，設(shè)計一種基于STM32單片機(jī)的低成本智能激光除草裝置，瞄準(zhǔn)器用舵機(jī)驅(qū)動，無法形成準(zhǔn)確的位置和速度的閉環(huán)控制，影響除草精度。

因此，面對我國傳統(tǒng)除草方式及設(shè)備存在的諸多弊端，如機(jī)械除草效率低下、靈活性與適應(yīng)性差，藥劑除草污染環(huán)境并且威脅食品安全，以及國內(nèi)除草機(jī)器人研發(fā)雖有進(jìn)展但仍存在機(jī)械結(jié)構(gòu)不適用、除草準(zhǔn)確率低等問題，開展對田間除草機(jī)器人關(guān)鍵部件的優(yōu)化設(shè)計顯得尤為迫切。本文針對田間除草機(jī)器人的移動底盤和除草機(jī)構(gòu)深入開展設(shè)計，旨在提升除草機(jī)器人的性能，使其能更好地適應(yīng)國內(nèi)復(fù)雜多樣的田塊條件和種植農(nóng)藝要求，從而有效解決傳統(tǒng)除草難題，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供高效、環(huán)保、精準(zhǔn)的除草解決方案，助力我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展進(jìn)程。

1總體結(jié)構(gòu)

除草機(jī)器人包括機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)兩部分。機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)主要包括輪式移動底盤、除草機(jī)構(gòu)和主機(jī)架等，電氣控制系統(tǒng)由動力系統(tǒng)、移動底盤控制系統(tǒng)、導(dǎo)航與路徑規(guī)劃系統(tǒng)、圖像識別系統(tǒng)和除草控制系統(tǒng)等組成，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1整機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

Fig.1Mechanical structureof thewholemachine

1.智能控制系統(tǒng)2.太陽能電池板3.GPS—RTK定位傳感器4.主機(jī)架5.行走轉(zhuǎn)向系統(tǒng)6.S形除草刀7.月牙鏟式除草刀

移動底盤的行走系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)選用自帶編碼器的機(jī)器人關(guān)節(jié)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)行走和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的高精度運(yùn)動控制。除草機(jī)構(gòu)采用S型行間除草裝置與月牙鏟式苗間除草裝置組合的結(jié)構(gòu)形式，實(shí)現(xiàn)全覆蓋除草作業(yè)。導(dǎo)航與路徑規(guī)劃系統(tǒng)融合北斗、RTK、IMU、視覺和激光雷達(dá)等多種傳感器，實(shí)現(xiàn)對田間場景的精確感知。圖像識別系統(tǒng)將YOLOv5深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識別算法應(yīng)用于英偉達(dá)JetsonOrinAGXGPU，實(shí)現(xiàn)雜草和作物的準(zhǔn)確識別。動力系統(tǒng)為光伏和鋰電的雙動力能源系統(tǒng)，配備 320AH 磷酸鐵鋰電池，綜合續(xù)航 以上，技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1技術(shù)參數(shù)Tab.1Technical parameters

電控系統(tǒng)硬件包括控制器、傳感器、執(zhí)行設(shè)備、人機(jī)交互設(shè)備及外圍輔助電氣設(shè)備等。其中，控制器包括底盤運(yùn)動控制器、除草機(jī)構(gòu)運(yùn)動控制器和上位主控制器；傳感器包括位置感知與定位傳感器、安全檢查傳感器、視覺識別傳感器；執(zhí)行設(shè)備包括用于行走系統(tǒng)的4個機(jī)器人關(guān)節(jié)伺服電機(jī)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的4個機(jī)器人關(guān)節(jié)伺服電機(jī)、控制除草末端執(zhí)行器的5個伺服電機(jī)和4個升降電動推桿；人機(jī)交互設(shè)備包括車載顯示屏、手持終端等；外圍輔助電氣設(shè)備包括無線客戶端、電源轉(zhuǎn)換模塊、喇叭、照明燈等。

2 移動底盤設(shè)計

傳統(tǒng)的如兩輪差速、阿克曼等結(jié)構(gòu)的行走底盤無法滿足除草機(jī)器人在田間靈活轉(zhuǎn)動、爬坡過坎能力強(qiáng)的設(shè)計要求[13]。為在黑黏土、砂石土、砂壤土等田地有良好的通過性，移動底盤設(shè)計為輪式四輪獨(dú)立驅(qū)動線控底盤。為適應(yīng)多種農(nóng)作物不同種植農(nóng)藝要求，設(shè)計底盤左、右兩側(cè)輪距可獨(dú)立。為適應(yīng)農(nóng)作物在不同生長階段的除草需求，移動底盤縱向高度可調(diào)節(jié)。為降低雜草對農(nóng)作物長勢及品質(zhì)的影響，在除草季除草機(jī)器人應(yīng)高效作業(yè)，盡量減少在田間地頭的非作業(yè)時間損耗，移動底盤轉(zhuǎn)向形式設(shè)計為原地轉(zhuǎn)向，因此設(shè)計底盤為輪距可調(diào)的四輪四驅(qū)四輪龍門跨騎作業(yè)結(jié)構(gòu)。

2. 1 行走機(jī)構(gòu)

四輪線控底盤的行走電機(jī)為除草機(jī)器人行走系統(tǒng)提供足夠動力。行走系統(tǒng)的設(shè)計與選型應(yīng)考慮啟動與正常行駛時所消耗的總功率。除草機(jī)器人需克服最大靜摩擦力 F_max 才能完成啟動動作， F_max 與除草機(jī)器人整機(jī)對地面的壓力成正比。底盤行走輪系受力分析如圖2所示。整機(jī)重量 M 為 930kg ，最大行駛速度 σ_v 為4km/h ，車輪直徑 D 為 590mm ，輪胎與地面的最大靜摩擦系數(shù) ε 為0.25。

圖2底盤行走輪系受力分析簡圖Fig.2 Schematic diagram of force analysis ofchassistravellingwheel train

1）除草機(jī)器人處于靜止?fàn)顟B(tài)時，需克服的最大摩擦力 F_max 計算如式（1）所示。

F_max=εF_n=εMg

式中： g —重力加速度，取 g=9.8m/s² ：F_n -——地面對整機(jī)的支持力， N 。計算可得最大摩擦力 F_max 為 2 278.5N 。啟動過程中摩擦力產(chǎn)生的扭矩 T_tf 計算如式（2）所示。

當(dāng) D 為 590mm 時，摩擦力扭矩 T_tf 為 車輪轉(zhuǎn)速 n 計算如式（3）所示。

當(dāng) v 為 4km/h 時，車輪轉(zhuǎn)速 n 為 36r/min 。

行走功率 P_z 計算如式（4）所示。

計算可得 P_z 為 3kW 。由于除草過程中除草機(jī)構(gòu)也會對行走產(chǎn)生阻力，當(dāng)安全系數(shù) k 為1.2時，行走系統(tǒng)總功率為 4kW 。為減少傳動系統(tǒng)造成的運(yùn)動誤差，選用集伺服電機(jī)、減速機(jī)、伺服驅(qū)動器于一體，結(jié)構(gòu)緊湊、精度高的關(guān)節(jié)電機(jī)。

為滿足除草機(jī)器人啟動要求，底盤行走驅(qū)動電機(jī)提供的扭矩 Tgt;T_rf 。啟動后機(jī)器人正常運(yùn)行，在運(yùn)動過程中，靜摩擦變?yōu)闈L動摩擦，摩擦系數(shù) ε 變小，摩擦扭矩 T_tf 變小，因此所選行走電機(jī)扭矩保持不變也能順利完成直線運(yùn)行。

2）除草機(jī)器人在機(jī)耕道轉(zhuǎn)運(yùn)或田間作業(yè)時，驅(qū)動輪主要克服與地面的滾動摩擦力。由于機(jī)耕道多為硬化水泥路或壓緊的土路面，考慮以土路面為主，輪胎與壓實(shí)土路面的滾動摩擦系數(shù) μ₁ 為 0. 025～0. 035^[13] 此處 μ₁ 取0.03。通過式 （1）～ 式（4）計算可得機(jī)耕道行走所消耗的總功率為 0.365kW 。同理，田間作業(yè)查得輪胎與土壤的滾動摩擦系數(shù) μ₂ 為 0. 06～0.3 ，此處μ₂ 取0.18，計算得 P_z 為 。

因此，按靜止啟動最大動力需求 4kW 進(jìn)行選型，選用4只單邊軸支撐、負(fù)載能力為 400kg 、功率為1kW 、轉(zhuǎn)速為 40r/min 、帶制動功能的關(guān)節(jié)電機(jī)，具體型號為eRob170H50I—BHM—18CT。

2.2 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)

移動底盤原地轉(zhuǎn)向時，考慮到車輪與地面間的相互作用力，特別在松軟土壤轉(zhuǎn)向時，車輪側(cè)面受到王壤的擠壓，此時轉(zhuǎn)向輪受到的作用力為側(cè)向力、牽引力和垂直力，作用力矩為翻轉(zhuǎn)力矩、滾動力矩和回正力矩。除草機(jī)器人原地轉(zhuǎn)向時阻力矩最大，影響其原地轉(zhuǎn)向阻力矩的因素有機(jī)器人車軸負(fù)載、輪胎與地面之間的摩擦因數(shù)和輪胎氣壓，計算如式（5）所示。

式中： T_ι ——原地轉(zhuǎn)向阻力矩， N?m （20 f —車輪與地面的摩擦系數(shù)，取 f=0.7 ：G —轉(zhuǎn)向軸負(fù)載，

p 一車輪胎氣壓， kPa 。

取單個轉(zhuǎn)向軸負(fù)載 G 為2325N（按照整車重量930kg 的 1/4 計算），車輪胎氣壓 p 為 250kPa ，計算得 T_r 為 52.3N?m 。

車輪轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)速按式（3）計算，當(dāng) Δ_v 為 0.76m/s （按最大轉(zhuǎn)向速度 2.75km/h 計算）時，計算得車輪轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)速為 25r/min 。

單個轉(zhuǎn)向軸轉(zhuǎn)向所需功率 P 計算如式（6）所示。

計算可得單個轉(zhuǎn)向軸轉(zhuǎn)向功率 P_r 為 137W 。取安全系數(shù) k 為1.2，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)總功率約為 0.658kW 。選用與行走驅(qū)動電機(jī)同類型的110型關(guān)節(jié)電機(jī)，其功率為723W 額定扭矩為 87N?m. 輸出峰值轉(zhuǎn)速為 25r/min 行走機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)及裝配結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3底盤部分結(jié)構(gòu)示意圖

3 除草機(jī)構(gòu)設(shè)計

3.1 苗間除草刀設(shè)計

苗間除草刀設(shè)計為月牙鏟，進(jìn)行除草作業(yè)時，月牙鏟繞幼苗根部安全范圍旋轉(zhuǎn) 180^° 后駛出，通過判斷同一種植行兩作物間株距，控制月牙鏟駛?cè)讼乱恢暧酌绲钠鹗嘉恢?，同樣旋轉(zhuǎn) 180^° 后駛出連續(xù)工作。月牙鏟運(yùn)動過程中，與農(nóng)作物相對位置有重疊、相交、間距3種形式，近似運(yùn)動軌跡如圖4所示。

圖4月牙鏟運(yùn)動相對位置及軌跡示意圖Fig.4 Schematic diagram of the relative position andtrajectory ofthe crescent shovel

假設(shè)月牙鏟運(yùn)動中心線始終與作物行保持一致，為使作物不被月牙鏟割傷，當(dāng)月牙鏟在農(nóng)作物周圍除草時，月牙鏟內(nèi)側(cè)需正對作物且沿周旋轉(zhuǎn)，月牙鏟繞作物移動軌跡為橢圓形，近似為圓形處理，由于月牙鏟的圓心是移動的，月牙鏟內(nèi)外半徑計算如式（7）和式（8）所示。

式中： R_i ——內(nèi)圓掃過的最小距離（內(nèi)圓面到旋轉(zhuǎn)中心）， mm l_a ——月牙鏟和作物之間的安全距離， mm R- 作物的最大外徑， mm ：L_z T 作物1到作物2的中心間距， mm ：R_n1 設(shè)備前面第1株作物的最大外輪廓半徑， mm ：（204號 R_n2 ——設(shè)備前面第2株作物的最大外輪廓半徑， mm ：R_o ——月牙鏟的外圓掃過的最大距離（外圓面到旋轉(zhuǎn)中心）， mm 。

月牙鏟繞作物旋轉(zhuǎn)時，月牙鏟經(jīng)過半周旋轉(zhuǎn)后內(nèi)側(cè)面對準(zhǔn)下一株作物，此時兩作物間的距離 L_☉ 即為月牙鏟保持勻速連續(xù)旋轉(zhuǎn)的臨界距離，該臨界距離計算如式（9）所示。

式中： l_c ——除草機(jī)器人整體前進(jìn)距離， mm 。

月牙鏟轉(zhuǎn)速計算按兩株作物中心間距與臨界距離大小分為3種情況。

1）當(dāng) L_z=L_P 時， L_z 計算如式（10）所示。

月牙鏟勻速轉(zhuǎn)動，其轉(zhuǎn)速 N_y 計算如式（11）所示。

式中： ——月牙鏟的旋轉(zhuǎn)原點(diǎn)的移動速度， m/s 。

2）當(dāng) L_zgt;L_☉ 時， L_z 計算如式（12）所示。

月牙鏟轉(zhuǎn)速不變，當(dāng)月牙鏟旋轉(zhuǎn)到月牙鏟內(nèi)側(cè)面對準(zhǔn)下一株作物時，月牙鏟停正轉(zhuǎn)動，月牙鏟到作物的距離 L_yn 計算如式（13）所示，此時，月牙鏟繼續(xù)以 N_y 旋轉(zhuǎn)。

3）當(dāng) L_z☉ 時，計算如式（14）所示。

則月牙鏟需在兩作物間增加轉(zhuǎn)速，月牙鏟轉(zhuǎn)半圈，除草機(jī)器人前進(jìn)距離 L_cz 計算如式（15）所示。

此時，月牙鏟轉(zhuǎn)速 N_yj 計算如式（16）所示。

式中： L₁ ——月牙鏟中心到原點(diǎn)距離， mm L₂ ——機(jī)器前端第一株作物中心到原點(diǎn)距， mm 。

3.2苗間除草刀運(yùn)動軌跡分析

苗間除草刀運(yùn)動軌跡與機(jī)器人行走速度、刀具旋轉(zhuǎn)速度以及株間距有關(guān)，采用控制變量法對其運(yùn)動軌跡進(jìn)行分析。

1）確定月牙鏟和作物之間安全距離 l_a 。取 為0.3m/s，L_z 為 300mm 、 N_y 為 1r/s ，運(yùn)動軌跡如圖5所示。

圖5不同安全距下月牙鏟運(yùn)動軌跡圖Fig.5Motion path of the crescent shovel underdifferent safetydistances

2）月牙鏟和作物之間安全距離 l_a 為 70mm 時，取 V_☉ 為 0.3m/s，L_z 為 200mm，300mm，N， 為1.5r/s.2r/s ，運(yùn)動軌跡如圖6所示。

當(dāng) N_y 為 1r/s 時，月牙刀不傷害作物，植株安全；當(dāng) N_y 為 1.5r/s 時， L_yn=35mm，L₁=52mm ，理論上能保證刀具不傷害植株，但考慮到除草機(jī)器人系統(tǒng)誤差，不建議使用；當(dāng) N_y 為 2r/s 時，月牙刀已經(jīng)切除作物。因此，除草機(jī)器人適合作業(yè)的最小種植株距范圍為 300mmgt;L_zgt;200mm 、月牙鏟合理轉(zhuǎn)速范圍為1.5r/sgt;N_ygt;1r/s.

圖6不同株距與轉(zhuǎn)速下月牙鏟運(yùn)動軌跡圖 Fig.6Motion path of crescent shovel under different plant spacing and speed

3）最優(yōu)運(yùn)動軌跡分析。取 V_☉ 為 0.3m/s 、 L_z? 230mm，N_y 為 1.3r/s ，運(yùn)動軌跡如圖7所示。

圖7定轉(zhuǎn)速不同株距下月牙鏟運(yùn)動軌跡圖Fig.7 Motion track diagram of crescent shovelunderfixedspeed and differentplantdistance

由圖7可知， L_zgt;230mm 時，月牙鏟在兩株作物間有一段直線行走空行程，因此在滿足刀具運(yùn)行安全距離情況下，此月牙鏟結(jié)構(gòu)式刀具適應(yīng)的農(nóng)作物最小種植行距為 230mm 。

4）三排月牙刀行走路線規(guī)劃。以甘肅蘭州高原夏菜花椰菜種植為例，花椰菜種子經(jīng)過40天左右溫棚育苗培養(yǎng)后，在2片葉期人工移栽到露天田地或冷棚田地中，每株作物的間距無法像機(jī)播作物保持一致。為適應(yīng)此種種植農(nóng)藝，除草機(jī)器人的3個苗間除草機(jī)構(gòu)運(yùn)動時需實(shí)時調(diào)整運(yùn)動軌跡，安全避開植株，并確保除草面積最大化。刀具行走軌跡規(guī)劃如圖8所示。

圖8現(xiàn)實(shí)場景除草機(jī)器人的苗間除草軌跡規(guī)劃Fig.8Trajectory planning of weeding robotin realistic scene

3.3 苗間與行間除草機(jī)構(gòu)設(shè)計

除草機(jī)構(gòu)的末端執(zhí)行器直接與田間苗草接觸，直接影響除草效果及農(nóng)作物產(chǎn)量等，要求其在工作過程中既要安全避讓作物不能傷苗，又要將作物周圍雜草除去。國內(nèi)的行間除草技術(shù)相對成熟，針對不同作物和不同種類雜草，除草刀可設(shè)計為鏟式、耙式、鋤式等結(jié)構(gòu)。為增大除草范圍及效率，本文設(shè)計S形行間除草刀。

由于有的田間禾本科和闊葉型雜草為多年生植物，根系發(fā)達(dá)入王深度深，以藜科植物灰條為例，根系可長達(dá) 3m ，因此月牙鏟形苗間除草刀和S形行間除草刀與連接盤間的轉(zhuǎn)軸設(shè)計至關(guān)重要。除草刀入土向下推進(jìn)時，刀具與連接轉(zhuǎn)軸對挖深土壤產(chǎn)生軸向剪切力和徑向切削力，不斷將下方土壤及雜草切削，除草刀隨入土深度的增加，連接轉(zhuǎn)軸需要的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度也隨之增大。實(shí)心連接轉(zhuǎn)軸軸徑計算如式（17）和式（18）所示。

式中： d 軸端直徑， mm ：T 軸所傳遞的轉(zhuǎn)矩， N?m P 軸所傳遞的功率， kW N 軸的工作轉(zhuǎn)速， Δr/min A 安全系數(shù)。

初步選用伺服電機(jī)額定功率 P 為 1kW 、額定轉(zhuǎn)速 N 為 3000r/min 減速機(jī)減速比 1：10 、傳動效率gt;96% 。除草刀具轉(zhuǎn)軸選用材料Q235，安全系數(shù) A 一般為 149～126 ，此時 A 取最大值149，計算得最大軸徑 d 為 21.96mm ，設(shè)計時選取直徑為 24mm 圓鋼。由式（18）可得，最大需求轉(zhuǎn)矩 32N?mlt; 電機(jī)額定輸出扭矩 40N?m ，因此，電機(jī)、減速機(jī)選擇符合要求。

為減輕整車重量，對 24mm 實(shí)心圓鋼進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，空心連接轉(zhuǎn)軸軸徑計算如式（19）和式（20）所示。

式中： α 空心軸的內(nèi)徑 d₁ 與外徑 d₂ 之比。

除草機(jī)器人連接轉(zhuǎn)軸選用外徑為 30mm 、壁厚為3.2mm 的空心軸，計算得 α 為0.787，最大直徑為25.81mm ，因此，圓鋼選型符合要求。

為便于橫向調(diào)節(jié)，除草機(jī)構(gòu)驅(qū)動單元與除草刀具連接盤中間設(shè)計滑塊連接機(jī)構(gòu)與滑軌連接；在縱向高度調(diào)節(jié)方面，設(shè)計電動推桿連接機(jī)構(gòu)，便于除草機(jī)構(gòu)整體升降，苗間與行間除草機(jī)構(gòu)如圖9所示。

圖9苗間與行間除草機(jī)構(gòu)示意圖

Fig.9Schematic diagram of weeding mechanism between seedlings and rows

4試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 試驗(yàn)方法

通過場地試驗(yàn)和田間試驗(yàn)，對底盤的最大爬坡度和最大橫坡行駛角、除草機(jī)構(gòu)的除草率和傷苗率及整機(jī)的工作效率進(jìn)行測定。

最大爬坡度是評價設(shè)備動力性的主要指標(biāo)之一，理論設(shè)計值為 15^° ，坡度計算如式（21）所示。

tanB=h/l

式中： B 1 一坡度， （^°） h 高程差， mm ：l 1 水平距離， mm 。

計算可得高程差與水平距離比值為0.27。因此，分別用黑黏土、砂石土、砂壤土3種土壤搭建長 x 寬 x 高為 10m×5m×2.7m 的斜坡，觀察樣機(jī)能否爬上該坡度[14]

最大橫坡行駛角是評價設(shè)備側(cè)傾穩(wěn)定性的主要指標(biāo)之一，以理論計算值5°為依據(jù)，代人式（21）可得高程差與水平距離比值為0.087。因此，分別用黑黏土、砂石土、砂壤土3種土壤搭建長 x 寬 x 高為 5m×10m×0.435m 的斜坡，樣機(jī)從坡底垂直于斜坡直線向前行駛，觀察樣機(jī)在該坡地上能否穩(wěn)定行駛，是否有傾翻跡象。

除草率和傷苗率作為評價除草刀性能的關(guān)鍵指標(biāo)，與設(shè)備作業(yè)速度、除草深度、連接轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速都有直接關(guān)系[15]。取田內(nèi)作物3個種植行與鄰行間2個種植間距連續(xù)區(qū)域?yàn)殡s草試驗(yàn)區(qū)域，樣本區(qū)域長 20m 。試驗(yàn)前，先將樣本區(qū)域內(nèi)的原有作物株數(shù)和雜草株數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計，除草機(jī)器人在此區(qū)域除草作業(yè)結(jié)束后，統(tǒng)計現(xiàn)有雜草株數(shù)和損傷農(nóng)作物株數(shù)，農(nóng)作物損傷指除草刀拋出的、折斷的、掩埋的秧苗。除草率 y₁ 計算如式（22）所示，傷苗率 y₂ 計算如式（23）所示。

式中： W₁ ——除草前雜草數(shù)量，株；W₃ ——除草后雜草數(shù)量，株。

式中： W₂ 一 除草前作物數(shù)量，株；W₄ ———除草后損傷農(nóng)作物數(shù)量，株。

整機(jī)工作效率是評價設(shè)備性能的重要指標(biāo)，在測定除草率和傷苗率的試驗(yàn)條件下，工作效率計算如式（24）所示。

式中： Q 號 工作效率， hm²/h a 試驗(yàn)區(qū)域?qū)挾龋?m t 試驗(yàn)區(qū)域行駛時間，s。

4.2試驗(yàn)結(jié)果

2023年5月上旬，在甘肅古浪縣泗水鎮(zhèn)某種植基地進(jìn)行試驗(yàn)。先在硬質(zhì)水泥場地上分別用黑黏土、砂石王和砂壤土搭建6種斜坡，測試樣機(jī)通過性，驗(yàn)證其最大爬坡度和最大橫坡行駛角，重復(fù)試驗(yàn)3次，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2樣機(jī)通過性能參數(shù)測定結(jié)果Tab.2Test results of the performance parameters of the prototype

按照玉米田間除草試驗(yàn)內(nèi)容設(shè)置月牙鏟轉(zhuǎn)速為1.3r/s 、機(jī)具前進(jìn)速度為 0.3m/s 、除草深度為 3cm 這3項(xiàng)關(guān)鍵因素確定后，取3塊 20m 的試驗(yàn)區(qū)域，測量除草前后作物株數(shù)、雜草株數(shù)以及除草后損傷作物株數(shù)、作業(yè)寬度、行駛時間，計算出除草率、傷苗率和工作效率，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3田間試驗(yàn)參數(shù)測定結(jié)果Tab.3Testresult of field testparameters

試驗(yàn)表明，除草機(jī)器人適用于田間轉(zhuǎn)運(yùn)坡度 ?15^° 、田內(nèi)種植坡度 ?5^° 的地況，采用機(jī)械方式除草時，月牙鏟轉(zhuǎn)速為 1.3r/s. 機(jī)具前進(jìn)速度為 0.3m/s 、除草深度為3cm ，測得除草率 95% 、傷苗率 6% 、工作效率≥0.2hm²/h ，滿足設(shè)計要求。作業(yè)過程中，玉米幼苗初期在葉片形狀、顏色等特征上與狗尾草、馬唐草等雜草幼苗類似，識別算法無法精準(zhǔn)地將它們區(qū)分開來，從而導(dǎo)致部分雜草被誤認(rèn)為農(nóng)作物而未被清除。試驗(yàn)田地平整度不高、玉米種植不規(guī)范、除草機(jī)構(gòu)橫向調(diào)節(jié)滑軌安裝精度不高等原因，造成除草刀切人深度和切入方向與預(yù)設(shè)值有偏差，進(jìn)而造成傷苗情況。

5 結(jié)論

1）針對我國傳統(tǒng)的除草方式及設(shè)備所造成的作物減產(chǎn)及品質(zhì)不佳的問題，設(shè)計一款田間除草機(jī)器人，其主要由移動底盤、除草機(jī)構(gòu)、動力系統(tǒng)、運(yùn)動控制系統(tǒng)、導(dǎo)航與路徑規(guī)劃系統(tǒng)和圖像識別系統(tǒng)等組成。對移動底盤和除草機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計分析、三維建模以及樣機(jī)研制，并在玉米田進(jìn)行試驗(yàn)。

2）試驗(yàn)表明，當(dāng)除草機(jī)器人在轉(zhuǎn)運(yùn)坡度 ?15^° 、種植坡度 ?5^° 的田間，機(jī)具以 0.3m/s 的速度前進(jìn)，月牙鏟以1.3Δr/s 的轉(zhuǎn)速、 3cm 的深度旋切除草時，除草率 95% 、傷苗率 67% 、工作效率 ?0.2hm²/h ，代替人工高效可靠地完成除草任務(wù)，為稀植低矮、種植密度 ?15 萬株/ hm² 的經(jīng)濟(jì)作物田間管理提供參考。

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