王金峰 翁武雄 鞠金艷 陳鑫勝 王金武 王漢龍

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 哈爾濱 150030； 2.黑龍江科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 哈爾濱 150022)

0 引言

稻田間生長的雜草是造成水稻產(chǎn)量下降和品質(zhì)降低的主要原因之一，有效清除稻田雜草可為水稻提供良好的生長條件。施用化學(xué)除草劑會帶來作物藥害、雜草抗藥性和環(huán)境污染等諸多負(fù)面問題，機(jī)械除草作為一種環(huán)境友好型的綠色除草方式，可有效替代化學(xué)除草，緩解施用化學(xué)除草劑帶來的危害[1-4]。

日本早在20世紀(jì)50年代就開始對機(jī)械除草技術(shù)進(jìn)行研究，經(jīng)過長期的發(fā)展，技術(shù)已非常成熟，形成的系列水田除草機(jī)大致可分為步進(jìn)式與乘坐式兩種，基本能滿足水田除草作業(yè)要求[5-8]。相較于日本，中國水田邊緣處不設(shè)有供除草機(jī)轉(zhuǎn)向的區(qū)域，轉(zhuǎn)向半徑大的乘坐式除草機(jī)并不適合在國內(nèi)使用，并且中國丘陵、山地稻區(qū)的田塊面積較小，地況復(fù)雜，也不利于乘坐式大中型除草機(jī)作業(yè)和轉(zhuǎn)運(yùn)，因此，結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕的單行和雙行除草機(jī)更適合在中國推廣使用。但中國的水田機(jī)械特別是水田除草機(jī)械的研究尚處在理論和試驗(yàn)研究階段，未能在生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用[9-15]。東北農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的3SCJ-2型水田行間除草機(jī)利用主動與被動除草輪配合除去行間雜草[16]，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)研制了靠耙齒式除草輪的高速旋轉(zhuǎn)除掉行間雜草的除草機(jī)[17]，此類水田除草機(jī)多為步進(jìn)式，需要人工手握機(jī)具扶手在田間行走，配合機(jī)具前進(jìn)進(jìn)行除草作業(yè)，存在自動化程度低、勞動強(qiáng)度大、傷苗率高等問題。

本文旨在設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕、可以在田間遙控轉(zhuǎn)向的稻田行間除草機(jī)，機(jī)身搭載穩(wěn)定的人機(jī)交互系統(tǒng)，可通過機(jī)具前方的攝像頭實(shí)時(shí)觀察田間作業(yè)情況，配合轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)在稻田間行走并進(jìn)行除草，滿足除草機(jī)在不同情況下正常工作的要求。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

水田行間除草機(jī)采用傳統(tǒng)的四輪結(jié)構(gòu)，由前輪進(jìn)行驅(qū)動，后輪輔助轉(zhuǎn)向，整機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，質(zhì)量輕。主要由電源、電源支架、電機(jī)、攝像頭、主傳動箱、側(cè)傳動箱、轉(zhuǎn)向舵機(jī)、主動除草輪、轉(zhuǎn)向輪、機(jī)架、梯形轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)以及控制系統(tǒng)等組成。其中主動除草輪、轉(zhuǎn)向輪以及梯形轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)為主要工作部件，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

電機(jī)和主傳動箱連接，電源支架通過底部設(shè)置的小滑槽可前后調(diào)節(jié)地安裝在主傳動箱上，攝像頭與調(diào)節(jié)支架固接，可調(diào)節(jié)地安裝在電源前方，主傳動箱左右兩側(cè)分別安裝側(cè)傳動箱，側(cè)傳動箱由同步帶、同步輪以及張緊裝置構(gòu)成，限位板、直角架固定安裝在側(cè)板兩側(cè)，與側(cè)板共同構(gòu)成整機(jī)的機(jī)架，主動除草輪輪軸一端與側(cè)傳動箱輸出軸通過銷連接，另一端通過軸承座與機(jī)架鉸接，轉(zhuǎn)向舵機(jī)通過支撐板固定安裝在機(jī)架上并與梯形轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)連接，梯形轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)由3個連桿與固定安裝在機(jī)架上的三角板鉸連組成，呈等腰梯形狀，支架、支撐桿以及U形支架皆固定安裝在梯形轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)左右兩端底部，轉(zhuǎn)向輪與U形支架鉸連，電控箱以及控制系統(tǒng)各部件依次安裝在機(jī)架上。整機(jī)機(jī)身材料選用5052鋁合金板材，質(zhì)量23.3 kg，攝像頭高度角可調(diào)，可減小光照對圖像獲取模塊的干涉。通過改變電源以及電源支架的位置，可實(shí)現(xiàn)機(jī)具重心位置的調(diào)節(jié)，以適應(yīng)復(fù)雜的水田環(huán)境。

工作時(shí)，電機(jī)輸出的動力經(jīng)主傳動箱減速增扭后傳遞至側(cè)傳動箱內(nèi)的同步帶，同步帶驅(qū)動同步輪帶動主動除草輪旋轉(zhuǎn)，驅(qū)使機(jī)具前進(jìn)并進(jìn)行除草作業(yè)，此時(shí)轉(zhuǎn)向輪在機(jī)具的慣性力以及土壤的反作用力下前進(jìn)運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)一步除去行間雜草。通過控制終端人機(jī)交互界面上的調(diào)速按鍵可實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)機(jī)具的前進(jìn)速度，搭載在機(jī)具前端的攝像頭對苗帶信息進(jìn)行獲取，并將圖像信息傳遞至人機(jī)交互界面上，經(jīng)過操作人員判斷后通過遙控裝置對除草機(jī)下達(dá)轉(zhuǎn)向指令，由下位機(jī)將電平信號傳遞給轉(zhuǎn)向舵機(jī)，轉(zhuǎn)向舵機(jī)將輸出的扭矩傳遞至梯形轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)改變轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)向角度，實(shí)現(xiàn)機(jī)具航向的改變。作業(yè)原理如圖2所示。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與分析

2.1 機(jī)具受力分析

水田作業(yè)環(huán)境較為復(fù)雜，為使除草機(jī)能夠正常進(jìn)行作業(yè)，本文通過對主動除草輪、轉(zhuǎn)向輪和整機(jī)進(jìn)行力學(xué)分析，計(jì)算主動除草輪所需最大驅(qū)動力矩，完成電機(jī)配套選型。根據(jù)文獻(xiàn)[16]設(shè)計(jì)主動除草輪半徑為150 mm，轉(zhuǎn)向輪半徑為100 mm。

在除草機(jī)勻速運(yùn)行過程中，主動除草輪主要受到來自土壤的反作用力與整機(jī)重力。主動除草輪上的彈齒為主要工作部件，隨著彈齒位置的變化，泥土對主動除草輪的合力作用點(diǎn)位置也在隨時(shí)發(fā)生變化，如圖3所示。

假設(shè)x軸正方向與除草機(jī)前進(jìn)方向相同，以回轉(zhuǎn)軸心O1為基準(zhǔn)點(diǎn)對主動除草輪進(jìn)行受力分析，鑒于泥面與彈齒的擠壓主要存在于第四象限，可以確定合力作用點(diǎn)位于第四象限某點(diǎn)，建立主動除草輪力平衡方程為

∑Fx=Ff1-FL1=0

(1)

∑Fy=W1+G1-Fn1=0

(2)

∑MO1=Md-x1Fn1-y1Ff1=0

(3)

其中

Ff1=μ1Fn1

式中Ff1——土壤對主動輪合力沿水平方向的分力，N

FL1——除草機(jī)對主動除草輪的拉力，N

W1——除草機(jī)對主動除草輪的壓力，N

G1——主動除草輪自身重力，N

Fn1——土壤對主動輪合力沿豎直方向的分力，N

Md——作用于主動除草輪的驅(qū)動力矩，N·m

μ1——主動輪滾動摩擦因數(shù)，取1

x1——Fn1到主動除草輪中心沿x方向的水平距離，m

y1——Ff1到主動除草輪中心沿y方向的豎直距離，m

由式(3)可得

Md=x1Fn1+y1Ff1=(x1+μ1y1)Fn1

(4)

除草機(jī)在勻速直線運(yùn)動過程中，轉(zhuǎn)向輪主要受到來自土壤與除草機(jī)的作用力，土壤合力作用點(diǎn)位置與主動除草輪相同。如圖4所示，假設(shè)x軸正方向與運(yùn)動方向相同，以點(diǎn)O2為基準(zhǔn)點(diǎn)對轉(zhuǎn)向輪進(jìn)行受力分析得

∑Fx=FL2-Ff2=0

(5)

∑Fy=W2+G2-Fn2=0

(6)

∑MO2=x2Fn2-y2Ff2=0

(7)

其中

Ff2=μ2Fn2

式中Ff2——土壤對轉(zhuǎn)向輪合力沿水平方向的分力，N

FL2——除草機(jī)對轉(zhuǎn)向輪的拉力，N

μ2——轉(zhuǎn)向輪滾動摩擦因數(shù)，取1

W2——除草機(jī)對轉(zhuǎn)向輪的壓力，N

G2——轉(zhuǎn)向輪自身重力，N

Fn2——土壤對轉(zhuǎn)向輪合力沿豎直方向的分力，N

x2——Fn2到轉(zhuǎn)向輪中心沿x方向的水平距離，m

y2——Ff2到轉(zhuǎn)向輪中心沿y方向的豎直距離，m

除草機(jī)電源支架底部設(shè)置有直線小滑槽，電源可相對主傳動箱進(jìn)行前后移動，根據(jù)電源尺寸以及安裝位置設(shè)計(jì)最大相對位移為8 cm，通過調(diào)節(jié)電源支架所在位置可改變除草機(jī)的重心。為減小轉(zhuǎn)向輪所受阻力，整機(jī)重心應(yīng)位于主動輪軸心前方。除草機(jī)在勻速運(yùn)動過程中，整機(jī)受力情況如圖5所示。

假設(shè)除草機(jī)前進(jìn)速度方向與x軸正方向相同，以主動除草輪轉(zhuǎn)動中心O為基準(zhǔn)點(diǎn)建立整機(jī)力平衡方程為

∑Fy=Fn1+Fn2-G=0

(8)

∑Fx=Ff1-Ff2+Ff3=0

(9)

∑MO=(L-x2)Fn2+d2Ff2+d3Ff3+
Gx3-x1Fn1-d1Ff1=0

(10)

式中Ff3——除彈齒外，土壤對除草機(jī)其他部分的阻力，N

G——除草機(jī)整機(jī)重力，N

L——主動除草輪到轉(zhuǎn)向輪的軸距，m

x3——G到主動除草輪中心沿x方向的水平距離，m

d1——Ff1到主動除草輪中心沿y方向的豎直距離，m

d2——Ff2到主動除草輪中心沿y方向的豎直距離，m

d3——Ff3到主動除草輪中心沿y方向的豎直距離，m

以轉(zhuǎn)向輪所受支持力Fn2最小為設(shè)計(jì)目標(biāo)，由式(10)可知，當(dāng)d1Ff1-d2Ff2-d3Ff3=0時(shí)，符合設(shè)計(jì)要求。主動除草輪在運(yùn)動過程中，x1在0～rw1(主動除草輪無滑轉(zhuǎn)時(shí)的滾動半徑)范圍內(nèi)波動，為保證除草機(jī)在各個時(shí)刻都能保持穩(wěn)定工作，取x3=0，即除草機(jī)重心位于主動除草輪中心軸線上。

聯(lián)立式(8)和式(10)可得

(11)

(12)

取μ1=1，聯(lián)立式(4)和式(12)可得

(13)

(14)

當(dāng)x1取最小值時(shí)，Md為最大值，將已知參數(shù)rw1=0.15 m，G=233 N等代入式(14)得主動除草輪所需最大驅(qū)動力矩Mdmax=49.42 N·m。

轉(zhuǎn)向輪側(cè)板采用鏤空設(shè)計(jì)，在轉(zhuǎn)向過程中，泥土對轉(zhuǎn)向輪側(cè)板的轉(zhuǎn)向阻力忽略不計(jì)，轉(zhuǎn)向阻力主要由機(jī)具重力與土壤產(chǎn)生的摩擦力引起，則轉(zhuǎn)向輪最大轉(zhuǎn)向阻力為

(15)

式中rw2——轉(zhuǎn)向輪無滑轉(zhuǎn)時(shí)的滾動半徑，m

生產(chǎn)機(jī)械設(shè)備使用的材料影響設(shè)備的使用壽命。因此需要在選擇材料時(shí)要全面考慮經(jīng)濟(jì)性和適用性。很多煤礦企業(yè)的生產(chǎn)設(shè)備在選擇耐磨零件的時(shí)候傾向于低碳錳鋼。相較于普通的鋼來說，這種鋼的耐磨性能更好，同時(shí)隨著現(xiàn)代生產(chǎn)技術(shù)以及工藝的迅速發(fā)展，能夠選擇的材料增多，使得煤礦機(jī)械零件所具備的抗磨性以及抗腐性得到了提升，為降低磨損，應(yīng)合理選擇材料，提高零件耐磨性和壽命。

將rw2=0.1 m，μ2=1，L=0.294 m等已知參數(shù)代入式(15)中可得到土壤對轉(zhuǎn)向輪摩擦力最大值為Ff2max=99.86 N。

2.2 梯形轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

根據(jù)阿克曼轉(zhuǎn)向幾何原理對梯形轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)[18-20]，梯形轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)主要由轉(zhuǎn)向舵機(jī)、轉(zhuǎn)向盤、三角板、滾子、轉(zhuǎn)向軸以及各連桿構(gòu)成，結(jié)構(gòu)如圖6所示。轉(zhuǎn)向盤一端與轉(zhuǎn)向舵機(jī)動力輸出軸固連，另一端插入配裝在滾子中心孔內(nèi)，滾子可前后移動地安裝在滑槽內(nèi)，左連桿和右連桿兩端分別與驅(qū)動桿和三角板鉸連形成等腰梯形狀四桿機(jī)構(gòu)，轉(zhuǎn)向軸固定安裝在左、右連桿后端底部并與三角板鉸連接。作業(yè)時(shí)，由轉(zhuǎn)向舵機(jī)動力輸出軸提供動力，經(jīng)過轉(zhuǎn)向盤驅(qū)動滾子在滑槽內(nèi)滑動，帶動驅(qū)動桿左右偏移，通過左、右連桿的擺動改變左、右轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)向角，實(shí)現(xiàn)除草機(jī)航向的改變。

除草機(jī)左、右轉(zhuǎn)向過程運(yùn)動規(guī)律一致，本文以除草機(jī)右轉(zhuǎn)進(jìn)行分析，除草機(jī)右轉(zhuǎn)過程中，左、右轉(zhuǎn)向輪均左轉(zhuǎn)且右轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角大于左轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角，主動除草輪與轉(zhuǎn)向輪繞同一個瞬時(shí)中心點(diǎn)作圓周滾動，梯形轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)滿足阿克曼轉(zhuǎn)向幾何關(guān)系，除草機(jī)轉(zhuǎn)向過程如圖7所示。圖中O3為轉(zhuǎn)向中心，a、b、c、d為梯形轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)在初始位置時(shí)鉸連點(diǎn)所在的位置，b′、c′為梯形轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)偏移后各個鉸連點(diǎn)的位置。

除草機(jī)轉(zhuǎn)角θ2、左轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角θ1、右轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角θ3和整機(jī)轉(zhuǎn)彎半徑R應(yīng)滿足

(16)

(17)

(18)

式中l(wèi)ad——左右轉(zhuǎn)向輪中心距離，mm

聯(lián)立式(16)和式(18)可得右轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角與左轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角的關(guān)系為

(19)

聯(lián)立式(17)和式(18)可得除草機(jī)轉(zhuǎn)角與右轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角的關(guān)系為

(20)

為盡量避免除草機(jī)在轉(zhuǎn)彎過程中對水稻秧苗造成損傷，結(jié)合整機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸以及秧苗行間距，設(shè)計(jì)除草機(jī)最大轉(zhuǎn)向角θ2max=30°，為避免除草機(jī)轉(zhuǎn)彎半徑R過大，設(shè)計(jì)主動除草輪到轉(zhuǎn)向輪的軸距L=294 mm，為減少轉(zhuǎn)向輪對秧苗的損傷，綜合考慮轉(zhuǎn)向輪寬度與秧苗行距，確定左、右轉(zhuǎn)向輪中心距離lad=316 mm，將已知參數(shù)代入式(16)～(20)得除草機(jī)轉(zhuǎn)彎半徑R=509.22 mm，左轉(zhuǎn)向輪最大轉(zhuǎn)角θ1max=23.78°，右轉(zhuǎn)向輪最大轉(zhuǎn)角θ3max=39.93°。

對梯形轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需確定各桿件長度以及左、右連桿與機(jī)架的夾角θ，為了給轉(zhuǎn)向舵機(jī)預(yù)留足夠安裝空間，設(shè)計(jì)左、右連桿長度為lab=lcd=60 mm，如圖8所示。

(21)

(22)

(23)

lb′c′=lad-2lcdcosθ

(24)

式中l(wèi)ab——左連桿長度，mm

lcd——右連桿長度，mm

lac′——鉸連點(diǎn)a到c′的距離，mm

θ4——ac′與ad的夾角，(°)

聯(lián)立式(21)～(24)可得左、右連桿與機(jī)架的夾角為

(25)

將已知參數(shù)代入式(25)可得θ=60.25°。

梯形轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)進(jìn)行轉(zhuǎn)向作業(yè)時(shí)，轉(zhuǎn)向舵機(jī)輸出的扭矩經(jīng)過轉(zhuǎn)向盤以及各連桿作用于轉(zhuǎn)向輪，轉(zhuǎn)向過程受力桿件較多，需對梯形轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)進(jìn)行受力分析，以此為依據(jù)選配轉(zhuǎn)向舵機(jī)。

轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)運(yùn)動過程桿件受力情況如圖9所示，主要有轉(zhuǎn)向舵機(jī)作用在滾子中心點(diǎn)e上的驅(qū)動力Fd；作用在左連桿與驅(qū)動桿鉸連點(diǎn)b上的左轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向阻力Fl；作用在右連桿與驅(qū)動桿鉸連點(diǎn)c上的右轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向阻力Fr。將上述作用力分別沿驅(qū)動桿方向和垂直于驅(qū)動桿方向進(jìn)行分解，為使驅(qū)動桿滿足平衡條件，則作用于驅(qū)動桿上的力需滿足條件

Flcosα+Frcosβ-Fdcosγ=0

(26)

式中α——Fl與驅(qū)動桿的夾角，(°)

β——Fr與驅(qū)動桿的夾角，(°)

γ——Fd與驅(qū)動桿的夾角，(°)

作用在左、右轉(zhuǎn)向輪上的阻力主要來自于土壤的摩擦力，根據(jù)力矩平衡方程

(27)

則轉(zhuǎn)向舵機(jī)作用在滾子上的扭矩為

Md1=Fdloe

(28)

式中l(wèi)oe——轉(zhuǎn)向盤長度，mm

由于α、β、γ與轉(zhuǎn)向舵機(jī)轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系較為復(fù)雜，利用Creo 5.0對梯形轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動仿真，得到α、β、γ與右轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角θ3之間的關(guān)系，通過式(26)～(28)將其轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)向舵機(jī)扭矩與右轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角θ3之間的關(guān)系，如圖10所示，分析可知，轉(zhuǎn)向舵機(jī)扭矩隨著右轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角先增大后減小，右轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角為29°時(shí)，轉(zhuǎn)向舵機(jī)扭矩達(dá)到最大值，此時(shí)梯形轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)所需最大驅(qū)動扭矩理論值為4.57 N·m。為保證梯形轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)正常工作，所選擇轉(zhuǎn)向舵機(jī)的驅(qū)動扭矩理論值應(yīng)大于4.57 N·m。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

梯形轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)硬件組成如圖11a所示。主要包括Raspberry Pi3 B+(樹莓派)、轉(zhuǎn)向舵機(jī)控制板和電機(jī)驅(qū)動板。Raspberry Pi3 B+內(nèi)置2.4G WiFi，保證數(shù)據(jù)傳輸性能；轉(zhuǎn)向舵機(jī)控制板采用磁編碼器進(jìn)行位置反饋，控制精度高；整個控制系統(tǒng)通過風(fēng)扇降熱，保證控制板工作性能。

系統(tǒng)控制原理框圖如圖11b所示，攝像頭采集的圖像信息經(jīng)USB數(shù)據(jù)線傳遞到Raspberry Pi3 B+，再經(jīng)WiFi無線串口通訊模塊傳遞到移動PC端。操作者實(shí)時(shí)監(jiān)控控制界面的圖像顯示窗口，根據(jù)需要發(fā)出控制指令，Raspberry Pi3 B+將收到的PC端控制信號從GPIO口以電平信號的形式傳遞到各個驅(qū)動器，控制電器元件執(zhí)行預(yù)期動作。在稻田環(huán)境下WiFi傳輸距離最大能夠達(dá)到100 m。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

梯形轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)系統(tǒng)軟件包括控制電氣元件程序和人機(jī)交互界面程序。如圖12所示，其中，“Camera=1”、“Speed_up=1”、“Speed_down=1”、“Speed=1”、“Turn_left=1”、“Turn_right=1”、“Angle=1”、“Turn=1”和“Stop=1”分別為攝像頭開關(guān)控制、電機(jī)轉(zhuǎn)速增加、電機(jī)轉(zhuǎn)速減少、速度確認(rèn)、轉(zhuǎn)向舵機(jī)左轉(zhuǎn)一個角度、舵機(jī)右轉(zhuǎn)一個角度、角度確認(rèn)、轉(zhuǎn)向舵機(jī)回正和電機(jī)急停的標(biāo)志變量。在上位機(jī)PC端中按下對應(yīng)的按鍵會下達(dá)不同信號，通過WiFi傳輸將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綐漭桑琑aspberry Pi3 B+根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)執(zhí)行相應(yīng)操作。

為提高控制系統(tǒng)的可操作性，開發(fā)了如圖13所示的人機(jī)交互界面，操作界面采用Tkinter(簡稱Tk)模塊開發(fā)，Tk是Python標(biāo)準(zhǔn)的GUI工具包接口，開發(fā)周期短。界面主要由操作控制、圖像顯示、工作狀態(tài)顯示3個模塊組成。進(jìn)入駕駛界面后，先滾動調(diào)速條確定除草機(jī)行駛速度，再進(jìn)行整機(jī)轉(zhuǎn)角的確認(rèn)，之后點(diǎn)擊“開啟攝像頭”按鈕獲取外界環(huán)境信息，最后在操作控制區(qū)域根據(jù)需要選擇除草機(jī)工作狀態(tài)，界面的右下角會實(shí)時(shí)顯示除草機(jī)當(dāng)前的控制命令。

4 試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)地點(diǎn)及條件

為檢測稻田行間除草機(jī)轉(zhuǎn)向性能與除草性能，于2021年5月18日在黑龍江省哈爾濱市阿城區(qū)東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院試驗(yàn)田進(jìn)行田間作業(yè)性能試驗(yàn)。田間環(huán)境溫度15℃，環(huán)境濕度46%，水稻種植采用機(jī)械插秧作業(yè)，未經(jīng)化學(xué)或人工除草。試驗(yàn)于插秧后10 d進(jìn)行，水稻品種為龍洋16，長勢良好，株距0.12 m，行距0.30 m，秧苗平均高度約0.21 m，泥漿層平均深度約0.08 m，泥土平均深度約0.18 m，雜草數(shù)量約20株/m2，雜草(主要以水田稗為主)平均株高約0.06 m，根系平均深度約0.16 m，田間狀況如圖14所示。

4.2 轉(zhuǎn)向性能試驗(yàn)

由于水田環(huán)境復(fù)雜，需對除草機(jī)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)進(jìn)行性能測試，通過對比田間整機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)角與所設(shè)計(jì)理論轉(zhuǎn)角之間的誤差，分析梯形轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)的控制精度，探究除草機(jī)轉(zhuǎn)向過程的穩(wěn)定性。

試驗(yàn)前，分別對左連桿與機(jī)架鉸連點(diǎn)a和右連桿與驅(qū)動桿鉸連點(diǎn)c的中心進(jìn)行標(biāo)記，通過測量轉(zhuǎn)向前后兩個鉸連點(diǎn)之間距離，利用余弦定理可得轉(zhuǎn)向前后右轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角θ3，再根據(jù)式(20)可求出實(shí)際整機(jī)轉(zhuǎn)角θ2。試驗(yàn)時(shí)，將除草機(jī)放置于稻田，通過人機(jī)交互界面上的轉(zhuǎn)向角度調(diào)節(jié)按鈕改變除草機(jī)整機(jī)轉(zhuǎn)角，由初始位置開始改變1°，再返回初始位置，每次比上次多調(diào)整1°，以此類推，共計(jì)調(diào)整30次，達(dá)到極限轉(zhuǎn)向位置，在每次調(diào)整前后分別測量并記錄一次鉸連點(diǎn)a和c之間的距離，共計(jì)測量31次。再將測量的數(shù)據(jù)代入式(20)即可計(jì)算出整機(jī)田間實(shí)際轉(zhuǎn)向角。測量結(jié)果如圖15所示。

由圖15可知，除草機(jī)整機(jī)轉(zhuǎn)角在0°～20°范圍內(nèi)調(diào)整時(shí)，整機(jī)轉(zhuǎn)向過程基本處于穩(wěn)定狀態(tài)；整機(jī)轉(zhuǎn)角在20°～30°范圍內(nèi)調(diào)整時(shí)，存在一定的波動。這是由于水田泥角較深，整機(jī)轉(zhuǎn)角調(diào)節(jié)角較小時(shí)，轉(zhuǎn)向輪對泥土的擾動面積較小，整機(jī)轉(zhuǎn)向過程能夠維持平穩(wěn)；調(diào)節(jié)角較大時(shí)，轉(zhuǎn)向輪對泥土的擾動面積較大，整機(jī)易產(chǎn)生轉(zhuǎn)向偏差。整機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)角與理論轉(zhuǎn)角的最大偏差為1.3°，出現(xiàn)在整機(jī)轉(zhuǎn)角調(diào)節(jié)角為25°時(shí)。實(shí)際除草作業(yè)過程中，除草機(jī)沿著秧苗前進(jìn)，整機(jī)轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)角較小，因此梯形轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的控制精度可滿足田間轉(zhuǎn)向作業(yè)要求。

4.3 田間除草性能試驗(yàn)

除草機(jī)前進(jìn)速度是影響水田機(jī)械除草效果的重要因素，以整機(jī)前進(jìn)速度為試驗(yàn)因素，除草率和傷苗率為評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行單因素試驗(yàn)，選取5塊2.4 m×30 m的矩形區(qū)域作為不同前進(jìn)速度下除草率和傷苗率測定的試驗(yàn)田塊，然后在不同前進(jìn)速度的試驗(yàn)田塊內(nèi)任意選取5個1 m×1 m區(qū)域?yàn)闇y試區(qū)，除草機(jī)田間作業(yè)情況如圖16所示，除草率和傷苗率計(jì)算式為

(29)

(30)

式中Y1——除草率，%

Q1——除草前測試區(qū)雜草總數(shù)，株

Q2——除草后測試區(qū)雜草總數(shù)，株

Y2——傷苗率，%

X1——除草前測試區(qū)秧苗總數(shù)，株

X2——除草后測試區(qū)秧苗總數(shù)，株

計(jì)算后取平均值，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示，除草機(jī)除草率均不低于77.9%，除草效果較優(yōu)，傷苗率均不高于3%，滿足水田機(jī)械除草農(nóng)藝要求。

表1 田間除草作業(yè)效果Tab.1 Effect weeding in field %

5 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了一種基于遙控轉(zhuǎn)向的稻田行間除草機(jī)，能夠?qū)崿F(xiàn)遙控駕駛進(jìn)行田間轉(zhuǎn)向與除草作業(yè)，滿足水田復(fù)雜環(huán)境下的機(jī)械除草要求。

(2)對主動除草輪進(jìn)行運(yùn)動學(xué)與動力學(xué)分析，得到主動除草輪所需最大驅(qū)動力矩為49.42 N·m；對梯形轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動分析，得到梯形轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)；對梯形轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)進(jìn)行受力分析，得到梯形轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)所需最大驅(qū)動扭矩理論值為4.57 N·m，并完成了轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

(3)進(jìn)行了除草機(jī)轉(zhuǎn)向性能試驗(yàn)，由試驗(yàn)結(jié)果可知，整機(jī)轉(zhuǎn)角在0°～20°范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)向過程相對較為平穩(wěn)，運(yùn)動狀態(tài)與控制系統(tǒng)所設(shè)定的運(yùn)動情況基本吻合，調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的控制精度較高。由田間除草試驗(yàn)結(jié)果可知，整機(jī)前進(jìn)速度為0.4～0.6 m/s時(shí)，除草率均不低于77.9%，傷苗率均不高于3%，除草效果良好，滿足水田機(jī)械除草農(nóng)藝要求。