王 奇 周文琪 唐 漢 馬驍馳 王金武 佟 童

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 哈爾濱 150030；2.黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院佳木斯農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所， 佳木斯 154000)

0 引言

有機(jī)農(nóng)業(yè)要求種植業(yè)在生產(chǎn)中完全或基本不施用人工合成的肥料、農(nóng)藥和除草劑，具有提高土壤肥力、增加土壤微生物種類和數(shù)量、降低資源浪費(fèi)和環(huán)境污染等優(yōu)點(diǎn)[1-7]，這也對(duì)農(nóng)田除草作業(yè)提出了更高要求[8]。機(jī)械除草是實(shí)現(xiàn)有機(jī)農(nóng)業(yè)的有效技術(shù)措施，近年來(lái)水稻行間除草技術(shù)與裝備得到廣泛研究和應(yīng)用，并取得了較好的效果[9-14]。由于水稻植株特性及水田環(huán)境的復(fù)雜性，使稻田株間雜草難以采用機(jī)械方式去除[15]，因此影響了水稻植株生長(zhǎng)，降低了水稻產(chǎn)量和品質(zhì)[16-18]。

按照結(jié)構(gòu)形式，水稻株間被動(dòng)機(jī)械除草裝置可分為對(duì)轉(zhuǎn)式、固定彈齒式和彈性耙齒式[19-22]。除草裝置根據(jù)除草期水稻和雜草根系物理特性差異，合理配置關(guān)鍵部件作業(yè)深度，被動(dòng)去除株間雜草，但在苗帶范圍內(nèi)均存在漏除現(xiàn)象，通常漏除區(qū)域?yàn)榈久鐑蓚?cè)6～10 cm。吳崇友等[14]研究的主動(dòng)擺動(dòng)除草刀齒和王金武等[23-24]研究的主動(dòng)式螺旋彈齒株間除草盤，通過(guò)關(guān)鍵部件的主動(dòng)往復(fù)擺動(dòng)和回轉(zhuǎn)能夠?qū)崿F(xiàn)株間全幅除草，但是均不具備對(duì)植株的識(shí)別和定位功能，存在傷苗現(xiàn)象。為了降低機(jī)械除草造成的傷苗率，機(jī)械視覺(jué)和自動(dòng)控制等技術(shù)和方法已應(yīng)用于中耕除草裝備中[25-27]，但相關(guān)研究主要集中在基于作物行的視覺(jué)導(dǎo)航方面，單一的自動(dòng)控制需要較理想的作業(yè)環(huán)境才能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)避障，目前鮮見(jiàn)根據(jù)稻株位置精確控制除草工作部件而進(jìn)行株間除草作業(yè)的研究。文獻(xiàn)[28]研制了一種基于機(jī)械視覺(jué)的氣動(dòng)式除草裝置，具有較好的作業(yè)效果，但該裝置依賴視覺(jué)智能導(dǎo)航平臺(tái)，其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，作業(yè)效率有待提高。

本文設(shè)計(jì)一種不依托于智能導(dǎo)航平臺(tái)的稻田株間避苗除草裝置，根據(jù)中耕期水稻植株和雜草物理特性，結(jié)合機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與電控技術(shù)，通過(guò)理論分析和虛擬仿真試驗(yàn)設(shè)計(jì)一種基于往復(fù)式開(kāi)合運(yùn)動(dòng)的對(duì)置弧齒式稻田株間避苗除草裝置，通過(guò)田間試驗(yàn)驗(yàn)證其作業(yè)性能，以期為該裝置的進(jìn)一步優(yōu)化提供依據(jù)。

1 整體結(jié)構(gòu)與工作原理

弧齒式稻田株間自動(dòng)避苗除草裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示，由安裝架、株間除草弧齒、株側(cè)除草弧齒、除草齒固定架、弧齒控制連接板和避苗自動(dòng)控制系統(tǒng)組成，其中避苗自動(dòng)控制系統(tǒng)包括光電傳感器、傳感器固定架、電動(dòng)直線推桿和避苗控制器等。光電傳感器通過(guò)傳感器固定架安裝在安裝架前側(cè)，為植株定位檢測(cè)元件。電動(dòng)直線推桿通過(guò)螺栓固裝在除草齒固定架上，并由除草齒固定架安裝在安裝架后側(cè)，為控制除草弧齒開(kāi)閉的執(zhí)行元件。株間除草弧齒與除草齒固定架鉸接，弧齒控制連接板的兩端分別與電動(dòng)直線推桿伸縮端和兩對(duì)置株間除草弧齒鉸接。光電傳感器和電動(dòng)直線推桿沿機(jī)組前進(jìn)方向前后排布，避苗控制器固定安裝在機(jī)架上。

該裝置由插秧機(jī)機(jī)頭提供動(dòng)力，通過(guò)機(jī)架掛接在三點(diǎn)懸掛架上，沿插秧機(jī)前進(jìn)方向運(yùn)動(dòng)。作業(yè)前，通過(guò)調(diào)節(jié)機(jī)架上限深裝置使除草弧齒在設(shè)定的入土深度下運(yùn)行，啟動(dòng)避苗除草控制系統(tǒng)，并通過(guò)避苗控制器按鍵模塊設(shè)置系統(tǒng)的控制精度和株間除草齒張開(kāi)最大間距等信息。作業(yè)時(shí)，該裝置隨著插秧機(jī)頭的前進(jìn)方向運(yùn)動(dòng)，避苗控制器中的GPS模塊監(jiān)測(cè)機(jī)具的作業(yè)速度，光電傳感器處于常開(kāi)狀態(tài)監(jiān)測(cè)水稻植株位置，當(dāng)行進(jìn)方向上出現(xiàn)秧苗遮擋光電傳感器接收端接收光線時(shí)，微控制器結(jié)合機(jī)具當(dāng)前作業(yè)速度實(shí)時(shí)調(diào)控電動(dòng)直線推桿運(yùn)行速度，并依次做出相應(yīng)伸長(zhǎng)和收縮動(dòng)作，通過(guò)弧齒控制連接板傳遞動(dòng)力使株間除草齒末端間歇性張開(kāi)一定間距，以躲避秧苗和恢復(fù)株間除草狀態(tài)，完成株間避苗除草作業(yè)。除草弧齒在機(jī)具的拉力作用下在雜草根系生長(zhǎng)層內(nèi)向前被動(dòng)移動(dòng)，利用波紋段弧齒末端增加其對(duì)土壤的掃掠面積和擾動(dòng)量，將雜草剝離土壤，并使之漂浮于水面。株間除草齒和株側(cè)除草齒共同形成封閉除草區(qū)域，去除常規(guī)行間除草漏除區(qū)域雜草，實(shí)現(xiàn)株間避苗除草。

2 關(guān)鍵部件及參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 稻田株間除草作業(yè)條件

綜合文獻(xiàn)[11]和實(shí)際測(cè)定數(shù)據(jù)，得黑龍江省常規(guī)種植稻苗株距為100～150 mm，行距D為300 mm，插秧深度h1為15～20 mm，中耕除草期稻苗地上莖稈穴直徑d1為35～40 mm、高度h為200～250 mm、莖葉最大圍度d2為80～100 mm、根部分布深度h2為地表以下20～100 mm。行間除草裝置作業(yè)幅寬Dr為180～200 mm[9-14]。稻田株間除草作業(yè)條件如圖2所示。

2.2 除草齒參數(shù)確定

除草齒是該裝置的關(guān)鍵工作部件，其設(shè)計(jì)要求是入土部分應(yīng)盡量避免或減小漏除區(qū)域，形成完整株間除草區(qū)域，同時(shí)其地上部分應(yīng)避免在作業(yè)過(guò)程中碰觸損壞秧苗莖葉，降低傷苗率。為了減小除草齒行程，提高自動(dòng)避苗控制系統(tǒng)響應(yīng)速度，將除草齒設(shè)計(jì)為株間弧齒和株側(cè)弧齒，通過(guò)控制系統(tǒng)調(diào)控株間弧齒張開(kāi)或閉合實(shí)現(xiàn)植株根部區(qū)域雜草清除，通過(guò)株側(cè)弧齒去除行間除草輪與株間弧齒作業(yè)后所遺留部分雜草，主要結(jié)構(gòu)如圖3所示。

株間除草齒由入土和地上兩部分組成。根據(jù)滑切原理，當(dāng)農(nóng)業(yè)機(jī)械工作部件滑切角超過(guò)金屬對(duì)土壤的摩擦角(23°～45°)時(shí)，可降低作業(yè)阻力[29-30]，基于此設(shè)計(jì)除草齒部分結(jié)構(gòu)參數(shù)。由于雜草根系在泥土層主要分布在0～40 mm范圍內(nèi)，為使除草齒作業(yè)過(guò)程中具有更大的掃掠面積，將入土部分除草齒設(shè)計(jì)為波紋形態(tài)。為了避免兩對(duì)置株間除草齒在未避苗作業(yè)狀態(tài)下出現(xiàn)漏除區(qū)域，將其末端進(jìn)行交錯(cuò)重疊設(shè)計(jì)。地表以上部分除草齒主要用于連接機(jī)架和入土部分除草齒，其在作業(yè)過(guò)程中應(yīng)避免對(duì)秧苗造成接觸損傷，并且應(yīng)使裝置結(jié)構(gòu)緊湊，便于加工。株側(cè)除草齒設(shè)計(jì)原則與株間除草齒相同。特別地，株間除草齒在避苗過(guò)程中其末端需張開(kāi)40 mm，則株間除草齒由圖3中位置Ⅰ移動(dòng)到位置Ⅱ，株側(cè)除草齒應(yīng)避免干擾株間除草齒往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

綜合上述分析，確定株間除草齒主要參數(shù)：作業(yè)區(qū)間為稻株兩側(cè)0～30 mm，幅寬B1為60 mm、重疊區(qū)間C為6 mm，入土部分滑切角τ1為50°，地上部分滑切角τ2為40°，入土部分波紋幅值A(chǔ)1為10 mm、周期T1為20 mm，地上部分頂端離地距離H2為250 mm、頂端間距E1為60 mm、最大間距L1為125 mm；株側(cè)除草齒主要參數(shù)：作業(yè)區(qū)間為稻株兩側(cè)25～60 mm，幅寬B2為120 mm，入土部分滑切角τ3為50°、地上部分滑切角τ4為35°，入土部分波紋幅值A(chǔ)2為12.5 mm、周期T2為20 mm，地上部分頂端離地距離H2為250 mm、頂端間距E2為75 mm、最大間距L2為155 mm。將各部分關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行圓滑過(guò)渡形成除草弧齒，則株間除草裝置作業(yè)總幅寬為120 mm。

3 自動(dòng)避苗控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該裝置主要應(yīng)用于中耕期的水稻，系統(tǒng)利用植株和雜草高度差檢測(cè)植株位置，傳感器的安裝高度可以檢測(cè)到水稻植株，而不會(huì)檢測(cè)雜草，再通過(guò)控制器根據(jù)機(jī)組前進(jìn)速度實(shí)時(shí)控制電動(dòng)直線推桿伸縮量，進(jìn)而調(diào)控除草弧齒開(kāi)合，實(shí)現(xiàn)避苗作業(yè)。系統(tǒng)硬件由光電傳感器、電動(dòng)直線推桿和控制器等組成，自動(dòng)避苗控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3.1 系統(tǒng)硬件

系統(tǒng)主要硬件原理如圖5所示，微控制器采用STM32F103ZET6單片機(jī)，其工作頻率可達(dá)72 MHz，I/O口及內(nèi)部資源豐富，滿足設(shè)計(jì)需求；標(biāo)號(hào)U1和U3是電源轉(zhuǎn)換模塊，分別采用LM7805和LM1117-3.3芯片，用以將作業(yè)機(jī)具電瓶提供的12 V電源轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)中各模塊需要的5 V或3.3 V電源；標(biāo)號(hào)P2為光電傳感器，其信號(hào)輸出端通過(guò)串聯(lián)兩個(gè)電阻實(shí)現(xiàn)分壓后與單片機(jī)PA1引腳連接，確保輸入單片機(jī)的電壓信號(hào)在規(guī)定范圍內(nèi)；標(biāo)號(hào)SD CARD是SD卡存儲(chǔ)模塊，利用SD卡作為存儲(chǔ)媒介存儲(chǔ)作業(yè)信息，其為SPI通信模式，該模塊的1、2、5、7引腳分別與單片機(jī)支持SPI模式的4個(gè)引腳連接；標(biāo)號(hào)U5B為PWM功率放大模塊，可將單片機(jī)輸出的PWM信號(hào)放大，驅(qū)動(dòng)12 V規(guī)格的電動(dòng)直線推桿，其輸出端OUT為繼電器模塊K1和K2的信號(hào)輸入端。單片機(jī)通過(guò)控制PA7口和PA8口輸出不同高低電平，使繼電器模塊K1和K2分別動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)推桿的伸縮變換。電動(dòng)直線推桿的運(yùn)行速度通過(guò)PWM信號(hào)調(diào)制予以控制。標(biāo)號(hào)P4為GPS模塊，其TX、RX接口與單片機(jī)相應(yīng)串口相連；標(biāo)號(hào)P1為L(zhǎng)CD顯示模塊，標(biāo)號(hào)KEY0～KEY3為按鍵模塊，二者共同實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能。

采用的光電傳感器為激光對(duì)射型，型號(hào)為M12JG-30N1，由樂(lè)清貝福電器有限公司生產(chǎn)，640～650 nm紅色可見(jiàn)激光，工作電壓為6～36 V DC，工作電流為100～200 mA；采用的電動(dòng)直線推桿為上海達(dá)鐵機(jī)電科技有限公司生產(chǎn)的TA2-B通用型直流電動(dòng)推桿，工作電壓為12 V DC，行程為100 mm，運(yùn)行速度為60 mm/s，推力可達(dá)100 N。自動(dòng)避苗控制系統(tǒng)實(shí)物如圖6所示。

3.2 系統(tǒng)程序

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程如圖7所示。首先，初始化系統(tǒng)I/O端口、定時(shí)器和PWM等寄存器，并利用按鍵模塊設(shè)置系統(tǒng)的控制精度和株間除草弧齒張開(kāi)間距等信息。隨后系統(tǒng)開(kāi)始作業(yè)，GPS模塊監(jiān)測(cè)機(jī)具的作業(yè)速度，光電傳感器監(jiān)測(cè)水稻植株位置。當(dāng)傳感器監(jiān)測(cè)到植株位置信號(hào)時(shí)，單片機(jī)根據(jù)機(jī)具作業(yè)速度得出電動(dòng)直線推桿延時(shí)時(shí)長(zhǎng)和運(yùn)行速度，利用PWM信號(hào)調(diào)制實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)電動(dòng)直線推桿運(yùn)行速度，再控制繼電器模塊1動(dòng)作，使電動(dòng)推桿伸長(zhǎng)，弧齒展開(kāi)；隨后，單片機(jī)控制繼電器模塊2動(dòng)作，使電動(dòng)推桿收縮，弧齒閉合，從而實(shí)現(xiàn)株間避苗除草。LCD顯示器實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)的作業(yè)速度、稻株穴數(shù)等相關(guān)作業(yè)狀態(tài)，存儲(chǔ)模塊在每次作業(yè)完成后存儲(chǔ)作業(yè)數(shù)據(jù)。

3.3 避苗運(yùn)動(dòng)過(guò)程分析

光電傳感器和GPS模塊首先檢測(cè)秧苗位置和實(shí)時(shí)前進(jìn)速度，隨后由控制器控制電動(dòng)直線推桿驅(qū)動(dòng)株間除草弧齒進(jìn)行開(kāi)閉運(yùn)動(dòng)，執(zhí)行避苗動(dòng)作。如圖8所示，光電傳感器與株間除草齒末端間距與水稻株距相等，當(dāng)傳感器未檢測(cè)到前方新秧苗時(shí)，電動(dòng)直線推桿驅(qū)動(dòng)株間除草齒在位置Ⅰ處執(zhí)行上一命令逐漸張開(kāi)；當(dāng)傳感器到達(dá)并檢測(cè)到前方新植株時(shí)，單片機(jī)將電動(dòng)直線推桿延時(shí)信號(hào)發(fā)出，同時(shí)電動(dòng)直線推桿驅(qū)動(dòng)株間除草齒經(jīng)過(guò)植株穴徑最大位置Ⅱ處；隨后電動(dòng)直線推桿驅(qū)動(dòng)株間除草齒株間閉合到達(dá)位置Ⅲ處，并根據(jù)收到的延時(shí)信號(hào)開(kāi)始下一周期動(dòng)作；在一個(gè)完整避苗運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)，單片機(jī)向電動(dòng)直線推桿發(fā)送一次延時(shí)和動(dòng)作信號(hào)，以消除田間干擾信息對(duì)除草齒動(dòng)作影響。因此，根據(jù)水稻種植株距和所選用光電傳感器參數(shù)，確定單片機(jī)通過(guò)PWM模塊和繼電器模塊控制電動(dòng)直線推桿延時(shí)運(yùn)行時(shí)間應(yīng)滿足

(1)

式中 Δt——電動(dòng)直線推桿延時(shí)運(yùn)行時(shí)間，s

S1——理論株距，m

S2——理論稻株穴徑，m

v——機(jī)組瞬時(shí)速度，m/s

電動(dòng)直線推桿伸縮控制株間除草齒在避苗過(guò)程中的開(kāi)閉運(yùn)動(dòng)，在實(shí)際作業(yè)過(guò)程中應(yīng)根據(jù)前進(jìn)速度的變化實(shí)時(shí)調(diào)整電動(dòng)直線推桿的伸縮速度，從而避免兩株間除草齒開(kāi)閉時(shí)間過(guò)早或過(guò)晚，造成接觸損傷稻株或增加漏除面積等現(xiàn)象。因此，根據(jù)除草作業(yè)要求和選用的電動(dòng)直線推桿參數(shù)，設(shè)定電動(dòng)直線推桿最大伸縮量為5 mm，連接桿長(zhǎng)度為40 mm，且電動(dòng)直線推桿運(yùn)行速度與機(jī)組前進(jìn)速度之間滿足

vE=0.01v+0.02

(2)

式中vE——電動(dòng)直線推桿運(yùn)行速度，m/s

此時(shí)株間除草齒末端張開(kāi)最大間距為40 mm，該裝置在植株兩側(cè)各60 mm株間除草范圍內(nèi)，理論除草覆蓋率為86.94%，配合行間除草裝置作業(yè)后全幅除草覆蓋率為94.47%。當(dāng)除草裝置的前進(jìn)速度小于0.9 m/s時(shí)，該系統(tǒng)均滿足株間除草要求。株間除草齒運(yùn)動(dòng)掠過(guò)一個(gè)作業(yè)周期的區(qū)域如圖9所示。

4 試驗(yàn)與結(jié)果分析

4.1 虛擬仿真試驗(yàn)

為了驗(yàn)證株間除草裝置設(shè)計(jì)的合理性，采用顯式動(dòng)力學(xué)軟件LS-DYNA建立株間除草齒-水-土壤流固耦合模型，模擬田間作業(yè)環(huán)境，對(duì)裝置土壤擾動(dòng)情況進(jìn)行考察。

4.1.1模型建立

運(yùn)用Creo軟件對(duì)株間除草齒進(jìn)行三維建模和仿真簡(jiǎn)化處理，并以.stp格式導(dǎo)入hypermesh軟件中，采用六面體網(wǎng)格單元形式進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖10所示，再將生成的k文件導(dǎo)入LS-DYNA前后處理軟件LS-PrePost中。株間除草齒材料定義為MAT_RIGID，相關(guān)參數(shù)設(shè)置為：密度0.007 82 g/mm3，彈性模量2.11×105MPa，泊松比0.288[31]。

為模擬株間除草裝置實(shí)際水土耦合田間作業(yè)狀態(tài)，運(yùn)用LS-DYNA前后處理軟件LS-PrePost分別建立水層模型和土層模型，并將水層模型建立在土層模型正上方，通過(guò)節(jié)點(diǎn)重合命令將2層模型的節(jié)點(diǎn)重合，形成水上土下的水-土耦合模型，如圖11所示。根據(jù)農(nóng)藝要求建立水層模型尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為650 mm×300 mm×30 mm，土層模型尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為650 mm×300 mm×60 mm。土層材料定義為MAT_FHWA_SOIL，相關(guān)參數(shù)設(shè)置為：土壤密度0.001 61 g/mm3，土粒密度0.002 73 g/mm3，體積模量5.6 MPa，剪切模量1.9 MPa，黏聚力0.015 5 MPa，內(nèi)摩擦角15°，含水率40%[32]，其他參數(shù)的選取參考MAT147試驗(yàn)值[33]。水層材料定義為MAT_NULL，相關(guān)參數(shù)設(shè)置為：密度為0.001 g/mm3，截止壓力為-1×105MPa，并定義EOS狀態(tài)方程用以設(shè)定土層和空氣的材料參數(shù)。采用多物質(zhì)ALE單元算法SOLID網(wǎng)格單元定義水層網(wǎng)格和土層網(wǎng)格單元類型。采用多物質(zhì)耦合關(guān)鍵字ALE_MULTI_MATERIAL_GROUP設(shè)定模型，以實(shí)現(xiàn)水-土在模型中相互混合。對(duì)水-土耦合模型施加重力約束，采用BOUNDARY_NON_REFLECTING關(guān)鍵字對(duì)水土表面進(jìn)行約束，并對(duì)土壤底層施加SPC全約束。最后采用CONTROL_ALE關(guān)鍵字對(duì)ALE網(wǎng)格進(jìn)行光滑化激活。

仿真過(guò)程如圖12所示。將除草弧齒運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)化為勻速直線運(yùn)動(dòng)和周期性勻速圓周運(yùn)動(dòng)，采用CONSTRAINED_JOINT_REVOLUTE關(guān)鍵字對(duì)株間除草弧齒和除草齒固定架創(chuàng)建鉸鏈約束，運(yùn)用DEFINE_CURVE和BOUNDARY_PRESCRIBED_MOTION_RIGID關(guān)鍵字定義和調(diào)用上述運(yùn)動(dòng)速度曲線。設(shè)置CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID流固耦合關(guān)鍵字命令，并將ALE單元體(水-土耦合模型)和拉格朗日單元體(株間除草裝置模型)分別定義為主結(jié)構(gòu)MASTER和從結(jié)構(gòu)SLAVE，采用罰耦合算法進(jìn)行流固耦合仿真。

4.1.2試驗(yàn)方案

除草齒入土深度是影響該裝置除草效果的主要因素，因此，為了獲得合理的入土深度進(jìn)行單因素虛擬仿真試驗(yàn)，考察該裝置在其作業(yè)幅寬內(nèi)不同土層土壤擾動(dòng)率變化情況，土壤擾動(dòng)率為規(guī)定體積內(nèi)受破壞導(dǎo)致密度下降的土壤單元數(shù)與土壤復(fù)合模型總單元數(shù)的比值[34]。試驗(yàn)中，根據(jù)株間除草裝置實(shí)際作業(yè)情況，設(shè)前進(jìn)速度為0.8 m/s，入土深度分別設(shè)置為8、16、24、32、40 mm。每組試驗(yàn)后，利用后處理軟件LS-PrePost獲取土壤單元密度分布和數(shù)據(jù)導(dǎo)出，如圖13所示，再通過(guò)Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。每個(gè)入土深度水平重復(fù)3次試驗(yàn)，處理結(jié)果取平均值記為試驗(yàn)結(jié)果。

4.1.3試驗(yàn)結(jié)果

運(yùn)用SPSS軟件處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行方差分析和F檢驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖14所示，各水平數(shù)據(jù)平均值后不同字母表示同一處理間差異顯著(P<0.05)。

由圖14可知，入土深度對(duì)土壤擾動(dòng)率具有顯著性影響(P<0.05)。當(dāng)入土深度增加時(shí)，0～40 mm土層內(nèi)土壤擾動(dòng)率先升高后下降，在入土深度為32 mm時(shí)達(dá)到最大值，總擾動(dòng)率為90.02%，此時(shí)在地表以下0～8 mm、8～16 mm、16～24 mm、24～32 mm和32～40 mm內(nèi)土層的擾動(dòng)率分別為79.05%、86.45%、91.85%、96.10%和94.15%。產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因可能是除草齒入土部分為波紋結(jié)構(gòu)，其在豎直方向有效擾動(dòng)區(qū)間小于考察的雜草根系生長(zhǎng)深度范圍，使得在設(shè)置的作業(yè)深度水平下除草齒有效擾動(dòng)區(qū)間內(nèi)的土壤擾動(dòng)率更高；靠近除草齒有效擾動(dòng)區(qū)間的泥土，在相互之間粘連作用下得到擾動(dòng)，但擾動(dòng)能力有限，使得除草齒有效擾動(dòng)區(qū)間下方土壤擾動(dòng)率下降顯著；波紋形除草齒在指定深度內(nèi)滑動(dòng)，增加了有效擾動(dòng)區(qū)間上方土壤在豎直方向的相互作用和運(yùn)動(dòng)，但越遠(yuǎn)離除草齒有效擾動(dòng)區(qū)的土層土壤擾動(dòng)率越低?；谏鲜龇治?，確定除草齒入土深度為32 mm。

4.2 田間驗(yàn)證試驗(yàn)

為驗(yàn)證弧齒式稻田株間自動(dòng)避苗除草裝置在田間作業(yè)時(shí)工作性能，于2020年6月24日—7月1日在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)阿城水稻試驗(yàn)示范區(qū)進(jìn)行田間試驗(yàn)。試驗(yàn)期間平均氣溫20～25℃，無(wú)降雨。試驗(yàn)田水層深度為20～30 mm，泥腳深度為160～180 mm。水稻秧苗平均高度為220～250 mm，行距為300 mm，株距為150 mm。試驗(yàn)區(qū)雜草主要種類有稗草和野慈菇，平均雜草密度為35株/m2。

該裝置由南通富來(lái)威農(nóng)業(yè)裝備有限公司加工試制，通過(guò)三點(diǎn)懸掛架與插秧機(jī)機(jī)頭相連。試驗(yàn)前，調(diào)節(jié)機(jī)器限深裝置控制該裝置作業(yè)深度為32 mm。試驗(yàn)時(shí)控制插秧機(jī)前進(jìn)速度為0.5、0.6、0.7、0.8、0.9 m/s，評(píng)價(jià)指標(biāo)為除草率和傷苗率。田間試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖15所示。

試驗(yàn)時(shí)，以15 m作為一個(gè)試驗(yàn)區(qū)長(zhǎng)度，設(shè)置試驗(yàn)區(qū)前后各5 m區(qū)域?yàn)榫彌_區(qū)用于機(jī)器啟停緩沖。除草率統(tǒng)計(jì)方法為在試驗(yàn)區(qū)內(nèi)沿機(jī)器前進(jìn)方向選取10個(gè)測(cè)試小區(qū)，測(cè)試小區(qū)大小為0.12 m(除草裝置理論作業(yè)幅寬)×1 m，每個(gè)測(cè)試小區(qū)間間隔0.5 m。記錄作業(yè)前后每個(gè)測(cè)試小區(qū)內(nèi)雜草總數(shù)和除掉雜草數(shù)，除草率即為除掉雜草數(shù)與雜草總數(shù)之比，其中測(cè)試小區(qū)內(nèi)雜草根莖被拉斷、翻埋、漂起定義為已除雜草；雜草根與泥面相連接，可以繼續(xù)生長(zhǎng)定義為未除雜草。傷苗率統(tǒng)計(jì)方法為記錄試驗(yàn)前后試驗(yàn)區(qū)測(cè)試行內(nèi)總秧苗數(shù)和損傷秧苗數(shù)，傷苗率即為損傷秧苗數(shù)與總秧苗數(shù)之比，其中試驗(yàn)區(qū)內(nèi)秧苗被壓折葉片、連根拔起和倒伏定義為損傷秧苗[11-12]。每組水平試驗(yàn)重復(fù)3次，測(cè)試結(jié)果取平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。田間試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 田間試驗(yàn)結(jié)果

由表1可知，自動(dòng)避苗株間除草裝置的平均除草率為86.51%，平均傷苗率為0.20%，且前進(jìn)速度對(duì)除草率具有顯著影響(P<0.05)，除草率隨著前進(jìn)速度增加而升高。產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因可能是隨著前進(jìn)速度的增大，除草齒與土壤和雜草根系間的相互作用也增加，提高了其對(duì)雜草根系在泥土中的擾動(dòng)和剝離能力，從而使除草率升高；自動(dòng)避苗控制系統(tǒng)在試驗(yàn)前進(jìn)速度范圍內(nèi)均能控制株間除草弧齒有效躲避秧苗，在不同速度水平下傷苗率變化不顯著，驗(yàn)證了程序設(shè)計(jì)的合理性。對(duì)比田間試驗(yàn)與仿真試驗(yàn)結(jié)果可知，土壤擾動(dòng)率可用于表征除草率，土壤擾動(dòng)率越高則除草效果越好，同時(shí)驗(yàn)證了仿真試驗(yàn)的可行性。田間試驗(yàn)結(jié)果表明，稻田株間自動(dòng)避苗除草裝置除草作業(yè)性能良好，自動(dòng)避苗系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，作業(yè)質(zhì)量滿足水田中耕除草農(nóng)藝要求。

5 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了一種稻田株間自動(dòng)避苗除草裝置，該裝置能夠有效清除稻田株間雜草，其除草率高、傷苗率低，作業(yè)性能穩(wěn)定，可滿足稻田除草作業(yè)要求。

(2)根據(jù)中耕期稻株物理參數(shù)，通過(guò)理論分析將除草齒設(shè)計(jì)為株間除草弧齒和株側(cè)除草弧齒，確定了除草齒主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，其除草作業(yè)區(qū)域分別為稻株兩側(cè)0～30 mm和25～60 mm，株間除草總幅寬為120 mm。

(3)利用光電傳感器和電動(dòng)直線推桿的協(xié)同作用，設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)避苗控制系統(tǒng)，通過(guò)光電傳感器檢測(cè)稻苗位置，根據(jù)植株監(jiān)測(cè)瞬時(shí)前進(jìn)速度，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)電動(dòng)直線推桿運(yùn)行延時(shí)和運(yùn)行速度，從而控制株間除草齒張開(kāi)設(shè)定間距，以躲避秧苗，配合行間除草裝置作業(yè)全幅除草覆蓋率可達(dá)94.47%。

(4)利用顯式動(dòng)力學(xué)軟件LS-DYNA進(jìn)行虛擬仿真試驗(yàn)，確定了土壤擾動(dòng)率最大時(shí)的除草齒入土深度為32 mm。田間試驗(yàn)表明，稻田株間自動(dòng)避苗除草裝置平均除草率為86.51%、平均傷苗率為0.20%，除草和避苗作業(yè)性能穩(wěn)定，滿足設(shè)計(jì)要求。