于暢暢，徐麗明，王慶杰，袁全春，馬 帥，牛 叢，袁訓(xùn)騰，曾 鑒，王爍爍，陳 晨

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籬架式栽培葡萄雙邊作業(yè)株間自動避障除草機(jī)設(shè)計與試驗

于暢暢，徐麗明※，王慶杰，袁全春，馬 帥，牛 叢，袁訓(xùn)騰，曾 鑒，王爍爍，陳 晨

（中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083）

針對現(xiàn)有籬架式栽培葡萄園中株間除草機(jī)作業(yè)效率不高、葡萄藤周圍未除草區(qū)域較大等問題，該文設(shè)計了一種雙邊作業(yè)的株間自動避障除草機(jī)。通過對除草單體各部件進(jìn)行理論分析，確定了行寬調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、信號采集機(jī)構(gòu)、自動避障機(jī)構(gòu)和除草刀盤等關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)及參數(shù)，其中避障液壓缸行程為150 mm，除草刀盤半徑為150 mm。在ADAMS中建立了除草機(jī)虛擬樣機(jī)模型，進(jìn)行單因素仿真試驗，確定了避障液壓缸速度、前進(jìn)速度和控制系統(tǒng)預(yù)設(shè)的當(dāng)觸桿轉(zhuǎn)動達(dá)到一定角度觸發(fā)自動避障機(jī)構(gòu)工作的閾值（簡稱“角度閾值”）為主要影響因素。以仿真得到的3個主要影響因素為試驗因素，以除草作業(yè)覆蓋率為評價指標(biāo)，設(shè)計了二次回歸組合試驗，建立了除草作業(yè)覆蓋率的回歸模型，得到最優(yōu)參數(shù)分別為：避障液壓缸速度160 mm/s，前進(jìn)速度380 mm/s，角度閾值15.12°。在最優(yōu)參數(shù)下進(jìn)行了田間驗證試驗，得到平均除草作業(yè)覆蓋率約為90.02%。采取雙邊同時作業(yè)方式，作業(yè)效率比單邊作業(yè)方式提高約1倍。該研究為可用于籬架式栽培葡萄及其他作物株間除草機(jī)的進(jìn)一步優(yōu)化提供參考。

農(nóng)業(yè)機(jī)械；設(shè)計；試驗；籬架式栽培葡萄；株間；自動避障；除草機(jī)；ADAMS

0 引 言

在葡萄種植過程中，田間管理對于保證葡萄的高品質(zhì)至關(guān)重要，其中雜草控制是田間管理的重要環(huán)節(jié)之一[1]。常見除草技術(shù)主要分為化學(xué)除草技術(shù)與非化學(xué)除草技術(shù)[2]?；瘜W(xué)除草雖然能控制草害，但長期使用會破壞生態(tài)環(huán)境并使雜草產(chǎn)生抗藥性[3]；非化學(xué)除草技術(shù)中，機(jī)械除草應(yīng)用廣泛，其中行間機(jī)械除草技術(shù)發(fā)展較為成熟，而株間機(jī)械除草技術(shù)由于田間作物植株識別和定位難度較大，目前研究進(jìn)展緩慢[4-5]。

關(guān)于株間機(jī)械除草技術(shù)，國內(nèi)外已開展了相關(guān)研究。丹麥的Melander[6]利用機(jī)器視覺技術(shù)識別作物株間雜草的位置，除草效果較好，但價格較貴。丹麥的Norremark[7-8]研究了一種基于GPS定位的自動避障株間除草機(jī)，整體作業(yè)效果良好，但總體受限于GPS精度和使用成本。美國的Cordill等[9]研究了一種自動避障玉米株間除草機(jī)，采用光電傳感器檢測玉米植株，試驗結(jié)果表明，雜草對傳感器的檢測準(zhǔn)確度有著比較大的影響。胡煉等[10-12]設(shè)計了基于爪齒余擺運動的株間機(jī)械除草裝置，并研究了株間除草裝置橫向偏移量識別、作物跟蹤控制方法和除草爪齒避苗控制算法，能滿足株距20 cm及以上作物的株間除草要求，但除草爪避苗控制算法有待進(jìn)一步優(yōu)化。張朋舉等[13]、陳樹人等[14]研究了八爪式機(jī)械株間除草裝置，并基于LabVIEW設(shè)計了控制系統(tǒng)，存在實際前進(jìn)位移與控制系統(tǒng)得到的位移不一致、電磁吸合裝置響應(yīng)延時等問題。韓豹等[15]、葛玉曉[16]研究了水平圓盤式除草裝置和組合梳齒式株間除草機(jī)，應(yīng)用于玉米、大豆等中耕除草作業(yè)中，不適合在作物殘茬莖稈過多的田間進(jìn)行除草作業(yè)。徐麗明等[17]研究了一種單邊作業(yè)的籬架式葡萄株間自動避障除草機(jī)，通過觸桿識別葡萄藤的位置，采用液壓系統(tǒng)驅(qū)動除草機(jī)避開葡萄藤，具有一定除草效果，但整機(jī)只能單邊作業(yè)，作業(yè)效率不高，并且整機(jī)采用四連桿機(jī)構(gòu)，工作過程中液壓油箱、機(jī)架主體同時隨除草部件左右擺動，整機(jī)移動部件總質(zhì)量較大，慣性較大，作業(yè)操作難度大。

本文在已研究[17]基礎(chǔ)之上，設(shè)計了一種雙邊作業(yè)的株間自動避障除草機(jī)，闡述了除草機(jī)除草及避開葡萄藤工作原理，研究了關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)及參數(shù)。在ADAMS中建立參數(shù)化的虛擬樣機(jī)模型，并進(jìn)行運動學(xué)分析和單因素試驗，得到影響除草機(jī)作業(yè)效果的主要因素。設(shè)計二次回歸組合試驗，分析各因素對除草效果的影響，得到最優(yōu)工作參數(shù)組合并進(jìn)行田間試驗驗證，以期為籬架式葡萄園及其他果園株間機(jī)械除草技術(shù)的發(fā)展提供參考。

1 株間自動避障除草機(jī)總體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機(jī)總體結(jié)構(gòu)

株間自動避障除草機(jī)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括機(jī)架、液壓系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、地輪和除草單體，機(jī)架是整機(jī)部件的安裝載體，液壓系統(tǒng)各元件安裝在機(jī)架上方，三點懸掛安裝在機(jī)架前方，與拖拉機(jī)懸掛系統(tǒng)相連；液壓系統(tǒng)主要由液壓油箱、電磁閥組、風(fēng)冷卻器、液壓馬達(dá)、液壓泵、行寬調(diào)節(jié)液壓缸和避障液壓缸等組成，液壓馬達(dá)為除草刀盤旋轉(zhuǎn)提供動力，行寬調(diào)節(jié)液壓缸為行寬調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)提供動力，實現(xiàn)對作業(yè)行寬調(diào)節(jié)，避障液壓缸使除草單體進(jìn)出株間，實現(xiàn)避開葡萄藤的功能；地輪安裝在機(jī)架后方，調(diào)節(jié)地輪的高度，可改變除草刀的入土深度；帶輪傳動系統(tǒng)安裝在機(jī)架前方，大帶輪軸通過十字萬向節(jié)與拖拉機(jī)動力輸出裝置（power take-off，PTO）相連，小帶輪軸通過聯(lián)軸器與液壓泵相連，通過帶輪傳動系統(tǒng)將拖拉機(jī)動力傳遞到液壓系統(tǒng)；除草單體由行寬調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、信號采集機(jī)構(gòu)、自動避障機(jī)構(gòu)和除草刀盤等組成，整機(jī)左右兩邊各安裝1個除草單體，實現(xiàn)對兩行葡萄同時進(jìn)行株間除草作業(yè)，比單邊作業(yè)方式的作業(yè)效率提高約1倍。

1. 液壓馬達(dá) 2. 機(jī)架 3. 電磁閥組 4. 三點懸掛 5. 風(fēng)冷卻器 6. 除草單體7. 圓管 8. 大帶輪 9. 行寬調(diào)節(jié)液壓缸 10. 地輪 11. 除草刀 12. 觸桿 13. 位移傳感器 14. 液壓油箱 15. 避障液壓缸 16. 除草刀盤 17. 氣彈簧 18. 行寬調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu) 19. 自動避障機(jī)構(gòu) 20. 小帶輪 21. 液壓泵 22. 信號采集機(jī)構(gòu)

1.2 工作原理

在株間自動避障除草機(jī)作業(yè)之前，根據(jù)作業(yè)地塊葡萄行距的要求，首先調(diào)節(jié)行寬調(diào)節(jié)液壓缸，使除草機(jī)作業(yè)寬度滿足實際作業(yè)要求，并調(diào)節(jié)地輪高度，保證除草刀達(dá)到一定入土深度。作業(yè)時，拖拉機(jī)牽引除草機(jī)沿葡萄行方向前進(jìn)，同時通過動力輸出裝置（power take-off，PTO）和帶輪傳動系統(tǒng)將動力傳遞到液壓系統(tǒng)，液壓系統(tǒng)通過液壓馬達(dá)驅(qū)動除草刀盤旋轉(zhuǎn)。信號采集機(jī)構(gòu)實時監(jiān)測葡萄藤的位置，當(dāng)觸桿未碰到葡萄藤時，說明除草刀盤在相鄰兩顆葡萄藤之間，此時保持避障液壓缸伸出，使除草刀盤進(jìn)入葡萄株間進(jìn)行除草作業(yè)；當(dāng)觸桿碰到葡萄藤時，觸桿繞旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，并帶動位移傳感器和氣彈簧伸出，當(dāng)位移傳感器達(dá)到控制系統(tǒng)設(shè)置的閾值時，觸發(fā)控制系統(tǒng)生成控制信號使避障液壓缸縮回，帶動除草刀盤進(jìn)入葡萄行間；當(dāng)觸桿避開葡萄藤時，觸桿和位移傳感器在氣彈簧的作用下回到初始位置，控制系統(tǒng)控制避障液壓缸伸出，除草刀盤重新進(jìn)入葡萄株間作業(yè)，完成避開葡萄藤并在葡萄株間淺松除草的作業(yè)過程。

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

結(jié)合籬架式葡萄栽培模式[18]和淺松除草的技術(shù)要求[19]，要滿足2.5～3.0 m不同行寬栽培模式的葡萄園的除草作業(yè)要求，并且除草入土深度不少于50 mm，確定株間自動避障除草機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)，如表1所示。

表1 株間自動避障除草機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

除草單體是株間自動避障除草機(jī)實現(xiàn)株間除草功能的關(guān)鍵部件，其中行寬調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)要滿足作業(yè)行寬要求，信號采集機(jī)構(gòu)能準(zhǔn)確識別葡萄藤位置，自動避障機(jī)構(gòu)能避開葡萄藤并保證葡萄藤周圍未除草區(qū)域最小，除草刀盤能完成淺松除草作業(yè)，因此需對關(guān)鍵部件進(jìn)行理論分析與參數(shù)設(shè)計。

2.1 行寬調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

經(jīng)前期分析與預(yù)試驗，株間自動避障除草機(jī)具體作業(yè)過程示意圖見圖2。根據(jù)前期調(diào)研，國內(nèi)籬架式栽培模式的葡萄園行寬多為2.5～3.0 m[18]，為了提高適應(yīng)性，本文設(shè)計的除草機(jī)具有行寬調(diào)節(jié)功能，通過改變行寬調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)伸出距離的大小，即可實現(xiàn)對不同行寬的葡萄進(jìn)行除草作業(yè)。行寬調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)主要由行寬調(diào)節(jié)液壓缸、行寬調(diào)節(jié)安裝架和機(jī)架組成，行寬調(diào)節(jié)安裝架選用外徑50 mm的圓管，套裝在機(jī)架上內(nèi)徑52 mm的圓管內(nèi)，兩者間隙配合，行寬調(diào)節(jié)安裝架可在機(jī)架圓管內(nèi)自由移動，行寬調(diào)節(jié)液壓缸安裝在兩者之間，為兩者移動提供動力，當(dāng)打開管路截止閥時，行寬調(diào)節(jié)液壓缸帶動行寬調(diào)節(jié)安裝架伸出或縮回，當(dāng)關(guān)閉管路截止閥時，由于管路中液壓油無流動，行寬調(diào)節(jié)液壓缸長度保持不變，行寬調(diào)節(jié)安裝架與機(jī)架圓管的相對位置也不變。實際作業(yè)過程中，通過液壓系統(tǒng)控制行寬調(diào)節(jié)液壓缸伸縮，改變行寬調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)伸出距離，以滿足實際作業(yè)行寬要求。為了滿足2.5～3.0 m的作業(yè)行寬要求，并考慮到整機(jī)尺寸與各部件安裝，取機(jī)架總寬度為1 400 mm，行寬調(diào)節(jié)安裝架圓管長度為600 mm，考慮到必須保證除草單體能正常安裝在機(jī)架上，行寬調(diào)節(jié)安裝架圓管與機(jī)架圓管重合長度不少于200 mm，因此行寬調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)所能伸出的最大距離為400 mm。為了滿足行寬調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)最大伸出距離，取行寬調(diào)節(jié)液壓缸行程為400 mm，并且由于2個行寬調(diào)節(jié)液壓缸總長必須小于機(jī)架總寬度，因此取液壓缸安裝長度為600 mm。經(jīng)初步試驗，當(dāng)除草刀盤伸入葡萄株間的距離大于100 mm時能滿足作業(yè)要求，取為120 mm。在樣機(jī)設(shè)計時，單邊除草刀盤能擺動到的最大位置距離行寬調(diào)節(jié)安裝架邊緣的長度為590 mm，計算可得除草機(jī)作業(yè)幅寬范圍為2 340～3 140 mm，符合設(shè)計要求。

1. 行寬調(diào)節(jié)安裝架 2. 葡萄藤 3. 除草刀盤覆蓋區(qū)域 4. 葡萄行

1. Row width adjustment mount 2. Grape vine 3. Weeding cutter head coverage area 4. Grape row

注：為行寬調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)伸出的距離，mm；為除草刀盤伸入葡萄株間的距離，mm；3為葡萄株距，mm；為除草刀盤覆蓋區(qū)域邊界到葡萄行的距離，mm。

Note:is the extending distance of the row width adjustment mechanism, mm;is the distance that weeding cutter extending into intra-row, mm;3is the row spacing of grapes, mm;is the distance from coverage area boundary of weeding cutter head to grape row, mm.

圖2 整機(jī)作業(yè)過程示意圖

Fig.2 Schematic diagram of machine operating process

2.2 信號采集機(jī)構(gòu)

為了識別葡萄藤的位置，設(shè)計了信號采集機(jī)構(gòu)，主要由位移傳感器、氣彈簧、限位裝置和觸桿等組成。位移傳感器選用浙江臺州西域電子公司的KPM-75（隨位移變化輸出0～5 V電壓，行程為75 mm，最短安裝長度為118 mm，兩端為鉸接接頭），當(dāng)觸桿接觸到葡萄藤時，此時觸桿處于1位置，在葡萄藤的阻擋下繞點旋轉(zhuǎn)，帶動位移傳感器伸出，當(dāng)位移傳感器達(dá)到控制系統(tǒng)設(shè)置的閾值時，即2位置，自動避障機(jī)構(gòu)工作，從而使除草刀盤避開葡萄藤，具體工作過程如圖3所示。

當(dāng)避開葡萄藤后，在氣彈簧的作用下觸桿回到初始位置，氣彈簧相比普通拉伸彈簧具有較大阻尼[20]，能減小觸桿回位時碰撞到限位裝置時的振動，本文選取的氣彈簧行程桿直徑為6 mm，缸外徑為15 mm，安裝中心距為100 mm，行程為80 mm，阻尼為10 N?s/mm。限位裝置主要用于限定觸桿可轉(zhuǎn)動角度的范圍。觸桿由一段圓弧和一段直線2部分組成，其中圓弧半徑與除草刀盤護(hù)罩半徑相同，為180 mm，圓弧部分的弧度角為30°，為了保證除草刀盤不觸碰到葡萄藤，觸桿最遠(yuǎn)端的距離值應(yīng)大于除草刀盤的最大距離，結(jié)合自動避障機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，本文取觸桿的直線部分長度1為415 mm，為了得到位移傳感器安裝點到中心點的長度2，根據(jù)圖3中的幾何關(guān)系

聯(lián)立式（1）、（2）和（3）可得

經(jīng)前期試驗，當(dāng)觸桿繞中心點轉(zhuǎn)動時觸桿直線部分端點處變化的距離1為132 mm左右時，除草作業(yè)覆蓋率高，并且自動避障機(jī)構(gòu)觸碰到葡萄藤的幾率較小，因此取1為132 mm。位移傳感器的行程對應(yīng)0～5 V電壓輸出，實際測試中，當(dāng)位移變化越小時，控制系統(tǒng)采集到的電壓變化量越小，檢測錯誤率越大，因此位移傳感器的變化的距離2應(yīng)盡量大一些，但變化距離過大時，會造成位移傳感器檢測時間加長，降低作業(yè)效率，考慮到位移傳感器最大行程為75 mm，取2的值為35 mm。由式（4）計算可得位移傳感器安裝點到中心點的長度2為110.7 mm，取2為 110 mm。

1. 位移傳感器 2. 氣彈簧 3. 觸桿 4. 限位裝置

1. Displacement sensor 2. Air spring 3. Contact rod 4.Limit device

注：為觸桿旋轉(zhuǎn)中心；1為觸桿繞點轉(zhuǎn)動角度，(°)；2為位移傳感器安裝點繞點轉(zhuǎn)動角度，(°)；3為觸桿圓弧部分的圓弧角，(°)；1為觸桿直線部分的長度，mm；2為位移傳感器安裝點到中心點的長度，mm；1為當(dāng)觸桿繞中心點轉(zhuǎn)動時觸桿直線部分端點處變化的距離，mm；2為當(dāng)觸桿中心點轉(zhuǎn)動時位移傳感器變化的距離，mm；1為觸桿初始位置；2為觸桿繞中心點轉(zhuǎn)動角度為1時的位置。

Note:is the rotation center of contact rod;1is the angle of contact rod rotating around the point, (°);2is the angle of mounting point of displacement sensor rotating around the point, (°);3is the arc angle of the arc part of contact rod, (°);1is the length ofthe straight part of contact rod, mm;2is the distance between mounting point of displacement sensor and the center point, mm;1is the varying distance of the end point of the straight part when contact rod rotates around the point, mm;2is the varying distance of displacement sensor when it rotates around the point, mm;1is theinitial position of contact rod;2is the position when contact rod rotates the angle of1around the point.

圖3 信號采集機(jī)構(gòu)工作過程示意圖

Fig.3 Schematic diagram of the operating process of signal acquisition mechanism

2.3 自動避障機(jī)構(gòu)

為了在株間除草作業(yè)過程中實現(xiàn)避開葡萄藤的功能，設(shè)計了自動避障機(jī)構(gòu)，主要由避障液壓缸、液壓缸安裝架和除草刀盤安裝架等組成。自動避障機(jī)構(gòu)與機(jī)架采用單鉸點連接，在除草作業(yè)時，只有除草刀盤在避障液壓缸的作用下繞1轉(zhuǎn)動，而徐麗明等[17]采用四連桿機(jī)構(gòu)連接，工作過程中液壓油箱、機(jī)架主體同時隨除草部件左右擺動，整機(jī)移動部件總質(zhì)量較大，慣性較大，相比之下采用單鉸點連接方式，工作過程中移動部件的質(zhì)量減小，慣性減小，作業(yè)操作難度降低，對葡萄藤損傷的幾率也降低。作業(yè)時，當(dāng)避障液壓缸伸出時，除草刀盤進(jìn)入葡萄株間，進(jìn)行株間除草作業(yè)，當(dāng)接收到信號采集機(jī)構(gòu)獲得的葡萄藤位置信息時，控制系統(tǒng)控制避障液壓缸縮回，除草刀盤回到行間，實現(xiàn)株間除草作業(yè)時避開葡萄藤。自動避障機(jī)構(gòu)實際工作過程中的運動分析可簡化為二維平面運動模型，如圖4所示，以1為原點，建立直角坐標(biāo)系，對自動避障機(jī)構(gòu)進(jìn)行運動學(xué)分析。

1. 避障液壓缸 2. 液壓缸安裝架 3. 除草刀盤安裝架 4. 葡萄行

1. Obstacle avoidance hydraulic cylinder 2. Hydraulic cylinder mounting rack 3. Weeding cutter head mounting rack 4. Grape row

注：3為避障液壓缸為最大伸出量時除草刀盤的位置；4為避障液壓缸為最小伸出量時除草刀盤的位置；為除草刀盤的半徑，mm；max為避障液壓缸在4位置時的總長度，mm；min為避障液壓缸在3位置時的總長度，mm；3為除草刀盤中心1點到1點的距離，mm；4為除草刀盤中心1點到1點的距離，mm；5為1點到1點的距離，mm；6為點到1點的距離，mm；1為3位置時除草刀盤中心1點到1點在方向的距離，mm；2為4位置時除草刀盤中心2點到1點在方向的距離，mm；為3位置時1點到葡萄行的垂直距離，mm；為11與11的夾角，(°)；1為11與軸正方向的夾角，(°)；2為21與軸正方向的夾角，(°)；1為11和1的夾角，(°)；2為12和1的夾角，(°)；為1與軸負(fù)方向的夾角，(°)。

Note:3is theposition of weeding cutter head when obstacle avoidance hydraulic cylinder is at the maximum extension;4is theposition of weeding cutter head when obstacle avoidance hydraulic cylinder is at the minimum extension;is the radius of weeding cutter head , mm;maxisthe total length of obstacle avoidance hydraulic cylinder at the position of4, mm;ministhe total length of obstacle avoidance hydraulic cylinder at the position of3, mm;3is the distance between the center point1of weeding cutter head and the point1, mm;4is the distance between the center point1of weeding cutter head and the point1, mm;5is the distance between the point1and1, mm;6is the distance between the pointand1, mm;1is the distance in the directionofbetween the center point1of weeding cutter head and the point1at the position of3, mm;2is the distance in the directionofbetween the center point2of weeding cutter headand the point1at the position of4, mm;is the vertical distance between the point of1and grape row at the position of3, mm;is the angle between11and11, (°);1is the angle between11and the positive direction of the, (°);2is the angle between21and the positive direction of the, (°);1is the angle between11and1, (°);2is the angle between12and1, (°);is the angle between1andthe negative direction of the, (°).

圖4 自動避障機(jī)構(gòu)運動學(xué)分析

Fig.4 Kinematic analysis of auto obstacle avoidance mechanism

由圖2作業(yè)示意圖分析可知，當(dāng)避障液壓缸為最大伸出量時，即除草刀盤為最大作業(yè)行寬時，除草刀盤伸入葡萄株間的距離為120 mm，當(dāng)避障液壓缸為最小伸出量時，為保證除草刀盤在行間作業(yè)時不會碰到葡萄行，除草刀盤邊緣到葡萄行的距離至少為0 mm，即圖4中4位置時除草刀盤與葡萄行的位置，此時是滿足作業(yè)要求時避障液壓缸需要的最小行程。為了得到避障液壓缸的最小行程，需要分別計算3和4位置時避障液壓缸的長度。

當(dāng)避障液壓缸為最大伸出量時，即圖4中3位置，由幾何關(guān)系可得

在D111中，由余弦定理得

在D11中，由余弦定理得

當(dāng)避障液壓缸為最小伸出量時，即圖4中4位置，由于D212和D111的各邊長為自動避障機(jī)構(gòu)的設(shè)計尺寸，其值在運動過程中保持不變，故

由幾何關(guān)系可得

在D12中，由余弦定理得

則自動避障油缸行程為

式中為避障液壓缸的最小行程，mm。

根據(jù)前述行寬調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的設(shè)計要求，除草刀盤能擺動到的最大位置距離行寬調(diào)節(jié)安裝架邊緣的長度590 mm，其中1點距離機(jī)架邊緣的設(shè)計長度為79 mm，則1點到除草刀盤最遠(yuǎn)處的距離為511 mm，取除草刀盤半徑為150 mm，除草刀盤中心1點到1點在方向的距離1為361 mm，由式（11）、（12）可計算得2為241 mm。3、4、5、6和為自動避障機(jī)構(gòu)的設(shè)計尺寸，其中：3為591 mm，4為349 mm，5為288 mm，6為533 mm，為31.6°。最終計算可得約為68 mm?？紤]到在實際作業(yè)時，葡萄藤有一定直徑，并且實際種植的葡萄行直線度有一定誤差，經(jīng)前期調(diào)研，當(dāng)除草刀盤距離葡萄藤中心距離大于70 mm時能有效控制對葡萄藤的損傷，本文取避障液壓缸的行程為150 mm。

2.4 除草刀盤設(shè)計

經(jīng)過前期研究，在進(jìn)行葡萄株間除草作業(yè)時，以葡萄行為中心，需除掉葡萄行左右兩側(cè)距離各為120 mm的區(qū)域才能滿足作業(yè)要求，為達(dá)到所需除草區(qū)域?qū)挾鹊囊螅莸侗P直徑必須大于240 mm，經(jīng)前期仿真分析，當(dāng)除草刀盤直徑為260～340 mm時，實際作業(yè)時除草作業(yè)面積覆蓋率變化不大，考慮到實際作業(yè)過程中拖拉機(jī)無法保持直線前進(jìn)，因此，為了達(dá)到作業(yè)要求的除草覆蓋面積，選取除草刀盤的直徑為300 mm。研究表明[19]，當(dāng)除草深度達(dá)到20～50 mm時，雜草根部被破壞，除草效果最佳，故本文采用淺松除草作業(yè)方式。選用小C型開墾刀作為除草刀片，每個刀盤共安裝3個除草刀，呈間隔120°均勻分布。

3 除草軌跡仿真試驗與分析

株間自動避障除草機(jī)具體作業(yè)過程如圖2所示，其中除草刀盤運動軌跡覆蓋區(qū)域的形狀不同，除草作業(yè)效果也會有差異，經(jīng)前期分析，除草刀盤運動軌跡覆蓋區(qū)域的形狀主要與拖拉機(jī)的避障液壓缸速度、前進(jìn)速度、控制系統(tǒng)預(yù)設(shè)的當(dāng)觸桿轉(zhuǎn)動達(dá)到一定角度觸發(fā)自動避障機(jī)構(gòu)工作的閾值（以下簡稱“角度閾值”）和除草刀盤直徑有關(guān)。為了研究株間自動避障除草機(jī)相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)與運動參數(shù)對除草作業(yè)效果的影響，在ADAMS中建立除草機(jī)虛擬樣機(jī)仿真模型[21-23]，對避障除草過程進(jìn)行仿真試驗與分析，為試驗因素的選擇及樣機(jī)的優(yōu)化提供參考依據(jù)。

3.1 仿真模型建立

仿真試驗的重點在于模擬除草作業(yè)過程除草刀盤的運動軌跡，因此為了提高仿真效率，本研究在建立仿真模型時對株間自動避障除草機(jī)進(jìn)行簡化。簡化后的模型主要包括機(jī)架、避障液壓缸、觸桿、除草刀盤和葡萄藤等，其中葡萄藤簡化為直徑為30 mm的圓柱體，材質(zhì)設(shè)為木質(zhì)，圓柱體之間的間距為1 m，代表葡萄株距，觸桿由Solidworks軟件建立并導(dǎo)入到ADAMS中，其余均用連桿代替。根據(jù)實際工作時各部件的運動形式，在各部件之間添加固定副、旋轉(zhuǎn)副或滑移副等約束[24-25]。為模擬觸桿與葡萄藤的碰撞關(guān)系[26]，在觸桿與葡萄藤之間添加接觸力，為使觸桿能回到初始位置，在觸桿與機(jī)架之間添加彈簧力，并為運動的部件添加驅(qū)動，主要包括3個驅(qū)動，其中用轉(zhuǎn)速為500 r/min的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動模擬除草刀盤的轉(zhuǎn)動，用速度為1（mm/s）的滑移驅(qū)動模擬拖拉機(jī)的前進(jìn)速度，為模擬避障液壓缸在控制系統(tǒng)控制下的伸縮運動，采用ADAMS中的IF函數(shù)設(shè)定避障液壓缸作業(yè)速度為

式中為避障液壓缸作業(yè)時速度，mm/s；2為避障液壓缸初始速度，mm/s；為角度閾值，(°)；1為觸桿運動時繞點轉(zhuǎn)動角度，(°)；1為除草刀盤距離機(jī)架邊緣的長度，mm。

模型建立完畢后，設(shè)置仿真總時間為5.0 s，步長為0.001 s，進(jìn)行模擬仿真。ADAMS仿真時具有畫點軌跡線的功能，在仿真計算后，可得到任意一點運動過程中的軌跡線。為獲得除草刀盤的運動軌跡，在除草刀盤邊緣呈45°均勻建立8個Maker點，用Maker點的軌跡線近似作為除草刀盤的運行軌跡。

3.2 仿真試驗設(shè)計與評價指標(biāo)

仿真試驗以避障液壓缸速度、前進(jìn)速度、角度閾值和除草刀盤直徑4個因素為研究對象，經(jīng)預(yù)試驗，當(dāng)避障液壓缸速度小于160 mm/s、前進(jìn)速度大于380 mm/s時，除草刀盤與葡萄藤易碰撞，造成對葡萄藤的損傷，考慮到作業(yè)效率，前進(jìn)速度不能太小，且避障液壓缸速度過大時，所需要液壓系統(tǒng)總排量過大，會造成散熱困難和成本過高等問題，確定避障液壓缸速度取值范圍為160～200 mm/s、前進(jìn)速度的取值范圍為300～380 mm/s、角度閾值取值范圍為15°～19°和除草刀盤直徑取值范圍為260～340 mm。為分析各因素對除草作業(yè)效果的影響，確定每個研究對象取5水平，以除草作業(yè)覆蓋率[17]為評價指標(biāo)，分別對4個研究對象進(jìn)行了單因素試驗，當(dāng)對特定研究對象進(jìn)行單因素試驗時，其余3個研究對象的值均取中間水平值，最終分別得到4個研究對象的仿真結(jié)果，如圖5所示。其中評價指標(biāo)除草作業(yè)覆蓋率為

式中M為除草作業(yè)覆蓋率，%；為應(yīng)除雜草面積，mm2；2為未作業(yè)面積，mm2。

為保證葡萄藤不受到損傷，設(shè)定以葡萄藤中心為圓心，半徑為30 mm內(nèi)的雜草不用除去，則未作業(yè)面積2為實際未作業(yè)面積減去理論上不需要除去的雜草面積。

以靠近除草機(jī)經(jīng)過的葡萄行側(cè)作為除草機(jī)作業(yè)側(cè)，在除草機(jī)作業(yè)側(cè)，對每株葡萄而言，當(dāng)除草刀盤覆蓋區(qū)域邊界到葡萄行的距離大于150 mm時能滿足作業(yè)要求，針對葡萄株距3為1 000 mm的種植模式，則應(yīng)除雜草面積為

求解可得應(yīng)除雜草面積為150 000 mm2。

注：單因素試驗時，另外3個因素均為中間值。

Note: In single factor test, the other three factors are set intermediate values.

圖5 各因素對除草作業(yè)覆蓋率的影響

Fig.5 Effect of various factors on coverage rate of weeding

由圖5a分析可知，在所選水平范圍內(nèi)，隨著避障液壓缸速度的增大，除草作業(yè)覆蓋率逐漸減小，呈負(fù)相關(guān)趨勢變化；同樣，隨著前進(jìn)速度的增大，除草作業(yè)覆蓋率逐漸增大，呈正相關(guān)趨勢變化；隨著角度閾值的增大，除草作業(yè)覆蓋率逐漸增大，呈負(fù)相關(guān)趨勢變化；而隨著除草刀盤半徑的增大，除草作業(yè)覆蓋率無明顯變化趨勢。因此，確定避障液壓缸速度、前進(jìn)速度和角度閾值為影響除草作業(yè)效果的主要因素。

4 田間試驗驗證

4.1 試驗地概況

試驗于2018年8月在山東國豐機(jī)械有限公司農(nóng)機(jī)試驗田進(jìn)行（116.8°E，35.6°N），如圖6所示，采用直徑為30 mm的圓管代替葡萄藤，按行距為3 m、株距為1 m依次將圓管埋在試驗田中，共2行，每行6顆，以此模擬實際作業(yè)過程中的葡萄行。試驗儀器和設(shè)備包括株間自動避障除草機(jī)樣機(jī)、上海-50拖拉機(jī)（動力35.3 kW）、卷尺（香港宏利萊有限公司，0～5 m，精度為1 mm）、位移傳感器KPM-150（浙江臺州西域電子公司，量程150 mm，精度為0.1 mm）、數(shù)據(jù)采集卡NI USB-6008（美國國家儀器有限公司，模擬輸入采樣速率為10 kHz，采集電壓范圍為–10～10 V，精度為84.8 mV）、秒表（雷逸MB01）、電腦Lenovo G410（聯(lián)想控股股份有限公司）等。

1. 液壓油箱 2. 風(fēng)冷卻器 3. 除草刀盤 4. 地輪 5. 信號采集機(jī)構(gòu) 6. 自動避障機(jī)構(gòu) 7. 行寬調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu) 8. 機(jī)架

4.2 試驗方案

根據(jù)上述仿真試驗結(jié)果與分析，為研究機(jī)具關(guān)鍵作業(yè)參數(shù)對除草效果的影響規(guī)律，選取前進(jìn)速度340 mm/s、避障液壓缸速度180 mm/s和角度閾值17°為試驗因素零水平，以除草作業(yè)覆蓋率為評價指標(biāo)，根據(jù)Design-Expert 8.0.6軟件響應(yīng)曲面設(shè)計法中Box-Behnken Design原理確定試驗因素水平編碼表[27-29]，如表2所示。

表2 試驗因素水平

4.3 結(jié)果與分析

4.3.1 試驗結(jié)果

根據(jù) Box-Behnken Design試驗原理，共包括17組試驗，每組試驗重復(fù)3次，取3次的平均值作為該組的試驗結(jié)果，得出每組的除草作業(yè)覆蓋率。試驗安排與結(jié)果如表3所示。

表3 試驗安排與結(jié)果

應(yīng)用 Design-Expert 8.0.6對表3中試驗數(shù)據(jù)擬合并進(jìn)行方差分析, 采用2FI模型建立除草作業(yè)覆蓋率的回歸模型，回歸模型的顯著性檢驗結(jié)果如表4 所示。

表4 除草作業(yè)覆蓋率回歸模型顯著性分析

注：**表示極顯著（<0.01）；*表示顯著（<0.05）。

Note:**means highly significant (<0.01);*means significant (<0.05).

根據(jù)除草作業(yè)覆蓋率的分析結(jié)果可知，1、2、3、13、23項的系數(shù)達(dá)到顯著性水平（<0.05），其余項不顯著。回歸模型的值小于0.01，而失擬項的值為0.1017，說明回歸模型極其顯著且失擬不顯著，回歸有效。刪除不顯著項后得到除草作業(yè)覆蓋率的回歸方程為

4.3.2 響應(yīng)曲面分析

由表4可知，避障液壓缸速度×角度閾值（13）、前進(jìn)速度×角度閾值（23）具有交互作用，由生成的響應(yīng)曲面圖分析兩組交互因子對除草作業(yè)覆蓋率的影響規(guī)律。

由圖7a可知，隨著避障液壓缸速度的增大除草作業(yè)覆蓋率呈減小趨勢，因為避障液壓缸速度越大，在同樣的響應(yīng)時間內(nèi)避障液壓缸的行程越大，從而使除草部件在避開葡萄藤時兩者之間的距離加大，造成葡萄藤周圍未作業(yè)面積加大，但避障液壓缸速度不能太小，否則除草部件在行進(jìn)過程中會來不及避開葡萄藤，對葡萄藤造成損傷，故避障液壓缸速度在取值范圍內(nèi)應(yīng)盡量取小。隨著角度閾值的增大除草作業(yè)覆蓋率呈增大趨勢，這是由于角度閾值越大，說明觸桿碰到葡萄藤需要轉(zhuǎn)動更大的角度才會觸發(fā)避障液壓缸工作，此時觸桿與除草部件的距離更小，即除草部件與葡萄藤距離更小，葡萄藤周圍未作業(yè)面積也會相應(yīng)減小，但角度閾值不能太大，否則避障液壓缸在接收到觸發(fā)信號后會來不及避開葡萄藤，損傷葡萄藤，故角度閾值應(yīng)在取值范圍內(nèi)應(yīng)盡量取大。除草作業(yè)覆蓋率沿避障液壓缸速度方向的變化速率大于沿角度閾值方向的變化速率，即避障液壓缸速度對除草作業(yè)覆蓋率的影響大于角度閾值對除草作業(yè)覆蓋率的影響。

由圖7b可知，隨著前進(jìn)速度、角度閾值的增大除草作業(yè)覆蓋率呈增大趨勢，這是因為當(dāng)前進(jìn)速度增大時，由于位移傳感器的反應(yīng)時間有一定延時，觸桿實際轉(zhuǎn)動的角度大于設(shè)置的角度閾值才會觸發(fā)避障液壓缸工作，使除草部件與葡萄藤距離減小，葡萄藤周圍未作業(yè)面積也會相應(yīng)減小，但前進(jìn)速度過大會損傷葡萄藤，故在取值范圍內(nèi)應(yīng)盡量取大。除草作業(yè)覆蓋率沿前進(jìn)速度方向的變化速率大于沿角度閾值方向的變化速率，即前進(jìn)速度對除草作業(yè)覆蓋率的影響大于角度閾值對除草作業(yè)覆蓋率的影響。

由表4可知，避障液壓缸速度、前進(jìn)速度和角度閾值的值分別為93.19、81.77和49.08，結(jié)合響應(yīng)面分析，各因素對于除草作業(yè)覆蓋率的貢獻(xiàn)率依次為避障液壓缸速度、前進(jìn)速度和角度閾值。

4.4 參數(shù)優(yōu)化與驗證試驗

根據(jù)上述所建立模型，利用Design-Expert 8.0.6優(yōu)化模塊對回歸模型進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化[30-31]，其中試驗因素的約束條件為：避障液壓缸速度160～200 mm/s，前進(jìn)速度300～380 mm/s，角度閾值15°～19°，評價指標(biāo)除草作業(yè)覆蓋率取目標(biāo)最大值為100%。最終優(yōu)化得到3個試驗因素參數(shù)值分別為：避障液壓缸速度160 mm/s，前進(jìn)速度380 mm/s，角度閾值15.12°，最佳除草作業(yè)覆蓋率為90.15%。利用求解獲得的最優(yōu)試驗參數(shù)進(jìn)行田間驗證試驗，共重復(fù)3次，最終得到平均除草作業(yè)覆蓋率約為90.02%，比組合試驗的最高值提高了0.67個百分點以上。

圖7 交互因子對除草作業(yè)覆蓋率的影響

5 結(jié) 論

本文設(shè)計了一種雙邊作業(yè)的株間自動避障除草機(jī)，實現(xiàn)對2行葡萄同時進(jìn)行株間除草作業(yè)，相比單邊作業(yè)方式作業(yè)效率提高了約1倍，同時可根據(jù)實際作物的行寬改變除草機(jī)的作業(yè)行寬，并通過對除草單體各部件進(jìn)行理論分析，確定了行寬調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、信號采集機(jī)構(gòu)、自動避障機(jī)構(gòu)和除草刀盤等關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)及參數(shù)，其中避障液壓缸行程為150 mm，除草刀盤半徑為150 mm。

1）在ADAMS中建立了除草機(jī)虛擬樣機(jī)模型，并進(jìn)行了參數(shù)化，對可能影響除草作業(yè)覆蓋率的試驗因素進(jìn)行了單因素試驗，最終確定避障液壓缸速度、前進(jìn)速度和控制系統(tǒng)預(yù)設(shè)的當(dāng)觸桿轉(zhuǎn)動達(dá)到一定角度觸發(fā)自動避障機(jī)構(gòu)工作的閾值（簡稱“角度閾值”）3個因素為影響除草作業(yè)覆蓋率的主要因素，為除草機(jī)樣機(jī)試驗及優(yōu)化提供參考依據(jù)。

2）設(shè)計了二次回歸組合試驗，探明了避障液壓缸速度、前進(jìn)速度和角度閾值對除草作業(yè)覆蓋率的影響規(guī)律，并應(yīng)用Design-Expert 8.0.6軟件對所建立的模型進(jìn)行優(yōu)化求解，得到最優(yōu)參數(shù)分別為：避障液壓缸速度160 mm/s，前進(jìn)速度380 mm/s，角度閾值15.12°，在最優(yōu)參數(shù)下進(jìn)行了田間驗證試驗，獲得平均除草作業(yè)覆蓋率約為90.02%，比組合試驗的最高覆蓋率提高了0.67個百分點以上。

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Design and experiment of bilateral operation intra-row auto obstacle avoidance weeder for trellis cultivated grape

Yu Changchang, Xu Liming※,Wang Qingjie, Yuan Quanchun, Ma Shuai, Niu Cong, Yuan Xunteng, Zeng Jian, Wang Shuoshuo, Chen Chen

(100083,)

Considering the problems of low efficiency and large area without weeding around the vine after operation, a bilateral operation intra-row auto obstacle avoidance weeder for trellis cultivated grape was designed. The weeder consisted of frame, hydraulic system, transmission system, land wheel and weeding device. Frame was installation carrier for all of machine components. Hydraulic system was used to provide power for weeder, driving two hydraulic motors and four hydraulic cylinders. Transmission system was the medium which transmitted power from tractor to hydraulic system. Land wheel made it possible to adjust the weeding depth. Weeding device was the key component for the weeder, and it was composed of row width adjustment mechanism, signal acquisition mechanism, auto obstacle avoidance mechanism and weeding cutter head. The extending distance of row width adjustment mechanism could be adjusted from 0 to 400 mm to adapt different row spacings in different fileds. The specific location of the grape vine could be identified correctly with signal acquisition mechanism. And the obstacle avoidance mechanism could avoid weeding cutter head from contacting the grape vine, which probably caused injuries. The weed was destroyed under high-speed rotation of weeding cutter head driven by hydraulic motor. The parameters of these key components of weeding monomer were determined by theoretical analysis and experiment. In order to research the effects of structural and operation parameters of automatic obstacle avoidance weeder, a brief virtual prototype model was built in ADAMS software, and key components were parameterized simultaneously. To simplify calculation, using link mechanism to replace the complex machine and constraints were set between different links. Kinematics simulations was carried out using virtual prototype model, and the simulation results of operating trajectory of weeding cutter head agreed with theoretical analysis. Then single factor simulation experiments were carried out in ADAMS with the coverage rate of weeding selected as the evaluation index. The simulation results confirmed that speed of obstacle avoidance hydraulic cylinder, operating speed of the weeder and angle threshold (defined as the rotation angle of feeler lever when control system triggered the automatic obstacle avoidance mechanism) were the main influence factors. Operating speed and angle threshold had positive impact on it, while speed of obstacle avoidance hydraulic cylinder had negative impact on it. In addition, quadratic regression general combination experiments were conducted by taking speed of obstacle avoidance hydraulic cylinder, operating speed and angle threshold as the experiment factors and coverage rate of weeding as the evaluation index. Analysis of variance (ANOVA) was performed to find the statistically significant parameters in field experiments and quadratic regression model was set up by response surface methodology with Design-Expert 8.0.6. It was showed that speed of obstacle avoidance hydraulic cylinder, operating speed and angle threshold were extremely significantly (<0.01) effective parameters, and the interaction of speed of obstacle avoidance hydraulic cylinder speed, operating speed and angle threshold were significantly (<0.05) effective on coverage rate of weeding. Furthermore, the optimizing function of Design-Expert 8.0.6 was used for the optimization in this paper and the results showed that when speed of obstacle avoidance hydraulic cylinder was 160 mm/s, operating speed was 380 mm/s and angle threshold was 15.12°, the optimal average coverage rate of weeding was 90.15%. Field experiment with the optimal combination of key parameters were carried out to testify the validity of optimization. The coverage rate of weeding was 90.02%, which is 0.67 percentage points higher than the results of quadratic regression general combination tests. This study could provide a reference for further research of intra-row weeder for trellis cultivated grape and other plants.

agricultural machinery; design; experiments; trellis cultivated grape; intra-row; auto obstacle avoidance; weeder; ADAMS

2018-11-07

2019-02-16

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項資金資助（CARS-29）

于暢暢，博士生，主要從事生物生產(chǎn)自動化技術(shù)與裝備研究。Email：yuchang@cau.edu.cn

徐麗明，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事生物生產(chǎn)自動化技術(shù)與裝備研究。Email：xlmoffice@126.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.05.001

S224.1+5

A

1002-6819(2019)-05-0001-09

于暢暢，徐麗明，王慶杰，袁全春，馬 帥，牛 叢，袁訓(xùn)騰，曾 鑒，王爍爍，陳 晨.籬架式栽培葡萄雙邊作業(yè)株間自動避障除草機(jī)設(shè)計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2019，35(5)：1－9. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.05.001 http://www.tcsae.org

Yu Changchang, Xu Liming, Wang Qingjie, Yuan Quanchun, Ma Shuai, Niu Cong, Yuan Xunteng, Zeng Jian, Wang Shuoshuo, Chen Chen.Design and experiment of bilateral operation intra-row auto obstacle avoidance weeder for trellis cultivated grape[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(5): 1－9. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.05.001 http://www.tcsae.org