煙葉分層定量采摘測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：S126；S512 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-5553（2025）08-0054-04

Abstract：Atesting platform for layered quantitative picking of tobacco leaves，based oncounting pulseresponse of cuting force，wasdesigned tomettheagronomicrequirementsof diferentmaturitylevelsthatrequirelayered quantitativeharvesting.Thisplatformadoptsacircularembracing pickingmethodtodeterminepicking parametersand verifythe feasibilityof picking methods.Thin film pressuresensors areinstalled below theringlikeknife holderon the testingplatform，whichcontrols thecuttingstrokeof theringlike knifebycollecting thenumberofcutting forcepulses generatedduring cuting tobaco，achieving thequantitativepicking functionof tobaco leaves.The starting heightof tobacco picking is determined by adjusting the picking mechanism as a whole toachieve the layered picking functionof tobacco leaves．In thegreenhouse tobacco experimental plantingarea，3O tobacc plants were selected toconductcuting force pulse threshold measurement experiments on the lower，middle，andupper leaves，and the lower threshold of effective cutting force pulse for counting picked tobacco leaves was determined to be 25N .In the experiments.of quantitative picking tobacco leavesbased oncuttng forcepulsecounting，theacuracyrate of quantitative picking mature tobacco leaves in the middle and lower layers was 100% ，and the accuracy rate of quantitative picking of immature tobacco leaves in the upper layer was 86.7% . The experimental results showed that the layered and quantitative picking function for mature tobaccoleavescan beachieved through theoveralliftingofthepicking platformand counting cuting forceresponsepulse.This provided theoreticaland practical reference for the further developmentof a tobacco layered quantitative picking system with higher practicality and reliability. Keywords：tobacco picking；layered quantitative picking；ringlike cuting knife；cutting force response；pulse counting

0 引言

煙草作為一種經(jīng)濟(jì)作物，在國家的稅收中占有重要份額，在不同國家和地區(qū)廣泛種植，全球有120多個(gè)國家與地區(qū)種植和出口煙草，我國的煙草產(chǎn)量約占全球的 30%^[1-3] ，其巨大的經(jīng)濟(jì)收益已成為我國一個(gè)重要的財(cái)政收人來源。煙葉采摘作為煙草種植的重要環(huán)節(jié)，采摘時(shí)間對(duì)煙葉的質(zhì)量和口感至關(guān)重要，過早或過晚采摘可能會(huì)影響煙葉品質(zhì)[4]。手工采摘時(shí)，農(nóng)民通常依靠經(jīng)驗(yàn)來確定最佳的采摘時(shí)間，以確保采摘到符合品質(zhì)要求的成熟煙葉。在我國當(dāng)前無商用化機(jī)械采摘作業(yè)的情況下，由于采摘過程耗時(shí)較長，采摘?jiǎng)趧?dòng)力成本是煙葉生產(chǎn)過程中的主要成本之一。相較于手工采摘，機(jī)械采摘難以分層定量采摘，并且可能引起煙葉損傷和破損問題，從而影響煙葉的外觀和品質(zhì)，改良和優(yōu)化定量分層機(jī)械化采摘技術(shù)仍然是當(dāng)前面臨的一個(gè)技術(shù)挑戰(zhàn)[5-7]

國內(nèi)外研究學(xué)者已經(jīng)對(duì)煙葉分層定量采摘技術(shù)進(jìn)行大量研究和分析[8-10]。例如，意大利某公司的RA系列煙草收獲機(jī)根據(jù)煙葉分布位置的不同，采取不同的收獲方式，針對(duì)分布于較低或中間部位的煙葉采摘，采用旋轉(zhuǎn)橡膠螺旋體對(duì)煙葉根部進(jìn)行拍打式收割；針對(duì)頂部的煙葉采摘，則利用鋸齒刀進(jìn)行整體切割式采摘[11]。張傳斌[12]設(shè)計(jì)制造了一種自適應(yīng)行距煙葉收割機(jī)，可以自動(dòng)調(diào)整切割位置和范圍，適用于不同行距種植的煙草的采摘，提高了煙葉的機(jī)械化采摘效率。李陽等13設(shè)計(jì)發(fā)明了一種自動(dòng)行走的煙草收獲機(jī)。以上幾種定量分層采摘方式主要通過控制采摘割臺(tái)的切割行程來實(shí)現(xiàn)分層采摘，但對(duì)于定量采摘（精確控制采摘葉片數(shù)量）并減少破損率，仍需要進(jìn)一步研究[14]

本文針對(duì)丘陵地區(qū)煙草種植區(qū)的煙葉采摘農(nóng)藝要求，設(shè)計(jì)一套基于煙葉切割力響應(yīng)信號(hào)特性的煙葉定量采摘方式，并搭建相應(yīng)的測(cè)試平臺(tái)。

1 測(cè)試平臺(tái)

1.1煙葉分層定量采摘測(cè)試平臺(tái)整體設(shè)計(jì)

針對(duì)南方丘陵地區(qū)煙葉自下而上分層成熟的生理特點(diǎn)，設(shè)計(jì)環(huán)形刀式分層定量采摘方式[15-17]及測(cè)試平臺(tái)，環(huán)形刀通過合抱煙株自下而上運(yùn)動(dòng)完成煙葉的切割式采摘。測(cè)試平臺(tái)示意如圖1所示，其主要部件包括氣缸、電磁閥、數(shù)控氣壓表、儲(chǔ)氣罐、環(huán)形采摘刀、采摘刀刀座、刀座托盤及薄膜壓力傳感器等。測(cè)試平臺(tái)分層定量采摘的原理：采摘平臺(tái)通過整體升降調(diào)節(jié)起始采摘高度，實(shí)現(xiàn)分層采摘；通過計(jì)量環(huán)形采摘刀切割過程切割力脈沖響應(yīng)個(gè)數(shù)實(shí)現(xiàn)煙葉的定量采摘。采摘刀座由氣缸驅(qū)動(dòng)，通過高速電磁閥控制氣缸的進(jìn)氣方向，實(shí)現(xiàn)刀座的上下運(yùn)動(dòng)和行程控制。測(cè)試平臺(tái)環(huán)形刀座的最大切割行程為 20cm ，可滿足單次采摘 2～ 3片煙葉的農(nóng)藝要求。煙葉分層定量采摘測(cè)試平臺(tái)所用到的主要功能元件及性能參數(shù)如表1所示。

圖1煙葉分層定量采摘測(cè)試平臺(tái)Fig.1 Test platform for layered tobacco harvesting1.小型儲(chǔ)氣罐2.采摘刀刀座3.環(huán)形采摘刀4.電磁閥5.氣缸6.采摘刀托盤7.安裝底板

表1煙葉分層采收平臺(tái)主要設(shè)備選型表 Tab.1 Main experimental equipment and its models

1.2采摘機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

環(huán)形刀抱合采摘實(shí)物及結(jié)構(gòu)如圖2所示。采摘機(jī)構(gòu)整體由左右對(duì)稱的2組環(huán)形刀組成，在環(huán)形刀抱合煙株之后，通過控制割臺(tái)向上運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)定量采摘。為了更好地抱合煙株，環(huán)形刀的直徑應(yīng)與煙株直徑相匹配。一般煙株的有效采摘段直徑為 2.5～4cm ，且直徑自下而上逐漸減小，實(shí)際應(yīng)用時(shí)可以制作2～3種不同口徑的環(huán)形刀，以適應(yīng)不同采摘層的采摘作業(yè)。為簡(jiǎn)化機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，試驗(yàn)裝置只采用直徑為 4.5cm 的單口徑環(huán)形刀開展相關(guān)測(cè)試工作。

圖2環(huán)形刀結(jié)構(gòu)

Fig.2 Circular pickingknifestructure 1.薄膜壓力傳感器2.環(huán)形采摘刀3.采摘刀安裝座 4.刀座鉸鏈5.活動(dòng)底座6.壓力柱

為了實(shí)現(xiàn)基于煙葉切割力響應(yīng)的煙葉定量采摘功能，將環(huán)形刀設(shè)計(jì)成一端與刀座底部鉸鏈連接，另一端浮動(dòng)的安裝方式，浮動(dòng)端底部設(shè)計(jì)有壓力柱，壓力柱端面正對(duì)著安裝在底座的薄膜壓力傳感器，傳感器檢測(cè)壓力柱傳遞來的環(huán)形刀切割力。通過測(cè)試確定出合理的有效煙葉切割力判斷閾值，生成煙葉脈沖計(jì)數(shù)信號(hào)，進(jìn)而精準(zhǔn)控制煙葉的切割行程，實(shí)現(xiàn)定量采摘功能。

2煙葉分層定量采摘電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

依據(jù)1.2節(jié)煙葉分層定量采摘原理，對(duì)煙葉分層定量采摘測(cè)試平臺(tái)電控部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，煙葉分層定量采摘控制流程如圖3所示。首先，通過切割力采集模塊獲取實(shí)時(shí)割力，并依據(jù)設(shè)定的切割力閾值生成計(jì)數(shù)脈沖，然后通過 Stm32 控制器對(duì)煙葉切割過程中的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)脈沖數(shù)量到達(dá)設(shè)定值時(shí)， Stm32 控制器端口控制切換氣動(dòng)電磁閥進(jìn)氣方向，使氣缸活塞帶動(dòng)環(huán)形切割刀回落至初始狀態(tài)，完成一次煙葉環(huán)抱切割式動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)煙葉分層定量采摘功能。測(cè)試平臺(tái)的氣路結(jié)構(gòu)原理如圖4所示。

圖6有效煙葉切割力脈沖數(shù)統(tǒng)計(jì) Fig.6 Statistics of effective tobacco cutting force

3 結(jié)果與分析

3.1 田間測(cè)試方案

在南京農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)田內(nèi)進(jìn)行田間性能測(cè)試，測(cè)試場(chǎng)景如圖5所示。田間性能測(cè)試時(shí)，固定氣缸切割行程為 20cm ，煙葉切割時(shí)的力信號(hào)由數(shù)據(jù)采集卡（型號(hào)為NI的DAQ122）采集，采樣頻率為 50Hz^[22] 。測(cè)試時(shí)共選取30棵煙株開展切割力測(cè)試試驗(yàn)，分別切割了煙株底部、中部、頂部3個(gè)部分的煙葉，測(cè)試完成后對(duì)切割力的大小進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

圖5煙葉分層采摘田間測(cè)試場(chǎng)景 Fig.5Field test scenario for layered tobacco harvesting

根據(jù)切割力測(cè)試結(jié)果，確定出有效切割力計(jì)數(shù)閾值，選取煙株上、中、下部位開展定量采摘試驗(yàn)，驗(yàn)證基于切割脈沖計(jì)算控制采摘數(shù)量的可行性。在南京農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)田內(nèi)進(jìn)行定量采摘精度測(cè)試試驗(yàn)，采摘精度測(cè)試試驗(yàn)共設(shè)置3個(gè)目標(biāo)采摘量，分別為2片、3片、4片采摘量，每個(gè)目標(biāo)采摘量按照煙葉上、中、下3個(gè)部位，各進(jìn)行10次定量采摘試驗(yàn)。實(shí)際采摘數(shù)量與預(yù)設(shè)值一致時(shí)認(rèn)定為采摘成功，否則為采摘失敗，將采摘成功次數(shù)的百分率定義為定量采摘正確率。

3.2切割力的統(tǒng)計(jì)結(jié)果與閾值確定

對(duì)測(cè)試方案中所采集的切割力數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，煙葉的切割力最大值為 39.96N ，最小值為25.52N，平均切割力為 34.15N ，對(duì)采集的切割力數(shù)據(jù)按照切割力區(qū)間進(jìn)行頻次統(tǒng)計(jì)，如圖6所示，煙葉切割力為 25～40N ，其中以 30～40N 的切割力居多。由此可知，小于 25N 的切割力脈沖為非有效煙葉切割脈沖，可能是環(huán)形刀切割側(cè)生小細(xì)枝或煙株表皮不規(guī)則凸起所產(chǎn)生的，只有大于25N 的切割力脈沖才是有效切割煙葉產(chǎn)生的脈沖，可以作為采摘煙葉數(shù)的計(jì)數(shù)脈沖。為此，將煙葉有效切割力計(jì)數(shù)脈沖的閾值（最小值）設(shè)定為 25N_? 0

設(shè)定有效采摘力計(jì)數(shù)脈沖閾值后，對(duì)采集卡采集的切割力數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)數(shù)脈沖生成操作，其結(jié)果如圖7所示。

3.3定量采摘正確率測(cè)試試驗(yàn)

在試驗(yàn)田內(nèi)進(jìn)行定量采摘正確率測(cè)試試驗(yàn)。試驗(yàn)中，對(duì)煙株的上、中、下3個(gè)部位各設(shè)置3個(gè)目標(biāo)采摘量開展測(cè)試，分別為2片、3片和4片采摘量，共采摘30顆煙株。定量采摘正確率統(tǒng)計(jì)如表2所示，測(cè)試過程中除上部煙葉的采摘正確率未達(dá) 100% 外，中、下部定量采摘正確率均為 100% 。而頂部煙葉采摘正確率低的主要原因是測(cè)試階段的煙株越往頂部煙葉成熟度越低、葉傾角越小，容易造成環(huán)形刀沿?zé)煴郴瑒?dòng)而未能形成有效切割。試驗(yàn)結(jié)果表明：環(huán)形刀式采摘結(jié)構(gòu)采摘成熟煙葉是可行的，可以利用環(huán)形刀切割煙葉時(shí)形成的切割力脈沖信號(hào)作為煙葉定量采摘的控制信號(hào)。

表2測(cè)試平臺(tái)煙葉分層定量采摘正確率測(cè)試結(jié)果 Tab.2 Test results of the precision of layered quantitative picking of tobacco leaves on the testing platform

4結(jié)論

1）針對(duì)丘陵地區(qū)煙草種植區(qū)的煙葉采摘農(nóng)藝要求，設(shè)計(jì)一種環(huán)形刀式煙葉分層定量采摘方法，并搭建一套基于煙葉切割力脈沖計(jì)數(shù)的煙葉分層定量采摘測(cè)試平臺(tái)。田間試驗(yàn)結(jié)果表明，針對(duì)成熟煙葉的定量采摘正確率為 100% ，驗(yàn)證環(huán)形抱合采摘方式和定量采摘方法的可行性。

2）現(xiàn)有測(cè)試平臺(tái)只是原理性驗(yàn)證平臺(tái)，機(jī)具通過性、靈活性和氣源的持久性存在較大不足，使機(jī)具尚不具備沿?zé)焿砰_展連續(xù)采摘作業(yè)的能力，但作為一種新型煙葉采摘方式，可為進(jìn)一步開發(fā)實(shí)用性和可靠性更高的煙葉采摘系統(tǒng)提供理論和實(shí)踐參考。

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