肖連軍，楊光龍

(貴州農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院，貴陽(yáng) 551400)

0 引言

我國(guó)南方以丘陵山地為主發(fā)展牧草產(chǎn)業(yè)的地區(qū)以貴州、廣西等省份為代表，由于機(jī)械作業(yè)環(huán)境不成熟，自然地塊狹小、土地形狀不規(guī)則，成套的大型機(jī)械無(wú)法進(jìn)場(chǎng)收獲牧草，大部分工作依靠人工完成，勞動(dòng)強(qiáng)度大、功效低，嚴(yán)重制約農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展[1]。因此研制小型輕便、性能穩(wěn)定、可靠性好、適用性強(qiáng)的牧草收割機(jī)，為南方丘陵山地農(nóng)業(yè)優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、高效的農(nóng)業(yè)提供硬件支撐，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

該牧草收割機(jī)械主要由收割系統(tǒng)、電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)、蓄電池動(dòng)力系統(tǒng)、行走系統(tǒng)和手機(jī)終端應(yīng)用系統(tǒng)等基本模塊組成[2]，拓展模塊為云平臺(tái)服務(wù)系統(tǒng)、植株識(shí)別視覺(jué)系統(tǒng)、牧草智能打包系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 牧草收割機(jī)結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

牧草收獲機(jī)械設(shè)計(jì)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 牧草收割機(jī)械設(shè)計(jì)指標(biāo)參數(shù)

2.1 機(jī)身設(shè)計(jì)

機(jī)身設(shè)計(jì)采用Siemens PLM Software的一款應(yīng)用軟件(Unigraphics NX)進(jìn)行設(shè)計(jì)制作，如圖2所示。

圖2 機(jī)身三維設(shè)計(jì)

2.2 主控芯片選型

主控芯片選擇STM32F103型控制器，該器件采用Cortex-M3內(nèi)核，CPU最高速度達(dá)72 MHz，實(shí)時(shí)性較好，能夠滿足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制需求，STM32芯片功能強(qiáng)大，為后期研制牧草收獲功能拓展預(yù)留研發(fā)空間。

2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊選擇

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的作用是借助電機(jī)傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)行走機(jī)械動(dòng)作，驅(qū)動(dòng)模塊所選擇的型號(hào)為AQMH3615NS，該模塊利用兩輸入的高低電平邏輯關(guān)系PWM波控制牧草收割機(jī)械調(diào)速、正反轉(zhuǎn)及剎車(表2)。

表2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的驅(qū)動(dòng)邏輯

AQMH3615NS模塊可三線控制調(diào)速、正反轉(zhuǎn)及剎車，可直接使用按鍵控制正反轉(zhuǎn)，此外負(fù)載大電流12 A及以上，瞬間峰值電流110 A。

2.4 動(dòng)力蓄電池選擇

針對(duì)現(xiàn)存的燃油動(dòng)力收割機(jī)械，作業(yè)時(shí)環(huán)境污染大，該牧草收割機(jī)利用蓄電池為系統(tǒng)供電，牧草收割作業(yè)全程無(wú)污染，清潔環(huán)保且運(yùn)行使用成本低。選擇的蓄電池品牌為璽霸，其主要參數(shù)如表3所示。

表3 動(dòng)力蓄電池主要性能參數(shù)

2.5 WiFi模塊選型

選用ESP8266無(wú)線模塊，一款超低功耗的UART-WiFi 透?jìng)髂K，擁有業(yè)內(nèi)極富競(jìng)爭(zhēng)力的封裝尺寸和超低能耗技術(shù)，專為移動(dòng)設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用設(shè)計(jì)，可將用戶的物理設(shè)備連接到WiFi無(wú)線網(wǎng)絡(luò)上，進(jìn)行互聯(lián)網(wǎng)或局域網(wǎng)通信，實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)功能。

3 基于安卓系統(tǒng)的應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)

該牧草收割應(yīng)用軟件研發(fā)是基于Android系統(tǒng)平臺(tái)進(jìn)行研發(fā)設(shè)計(jì)的，應(yīng)用研發(fā)成功后，手機(jī)下載該應(yīng)用軟件，在啟動(dòng)牧草收割機(jī)控制系統(tǒng)后，手機(jī)搜索WiFi名稱為ESP8266，其WiFi密碼為12345678，輸入WiFi登錄密碼，WiFi連接成功后，點(diǎn)擊手機(jī)的應(yīng)用軟件APP，即可進(jìn)入登錄界面輸入登錄密碼，如圖3所示，進(jìn)入到牧草收割機(jī)作業(yè)遠(yuǎn)程控制界面，如圖4所示。

圖3 APP應(yīng)用登錄界面設(shè)計(jì)

在圖4所示的手機(jī)控制界面中，由于牧草收割電機(jī)轉(zhuǎn)速為12 000 r·min-1，為了保證作業(yè)人員的安全，牧草收割電機(jī)啟動(dòng)開(kāi)關(guān)處設(shè)計(jì)了安全開(kāi)關(guān)，在長(zhǎng)按安全開(kāi)關(guān)約3 s后，再點(diǎn)擊啟動(dòng)電機(jī)，即可啟動(dòng)牧草收割電機(jī)進(jìn)行作業(yè)。 這樣的雙重啟動(dòng)設(shè)計(jì)避免了因誤操作而啟動(dòng)高速運(yùn)轉(zhuǎn)的刀片。當(dāng)選擇手動(dòng)模式控制作業(yè)，有4個(gè)方向鍵可供操作人員控制，分別控制前后左右4個(gè)方向進(jìn)行行走和作業(yè)。

圖4 牧草收割手機(jī)控制界面設(shè)計(jì)

4 樣機(jī)試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)條件

牧草收割機(jī)械理論前進(jìn)速度0.25 m·s-1。

4.2 試驗(yàn)?zāi)敛萜贩N

選擇的牧草品種1為甜象草，其特點(diǎn)為分蘗能力極強(qiáng)、生長(zhǎng)快、草莖剛強(qiáng)，牧草高度約40 cm；選擇的牧草品種2為多年生黑麥草，特點(diǎn)為草莖柔軟，牧草高度約15 cm。

4.3 試驗(yàn)方法

對(duì)兩種牧草試驗(yàn)區(qū)域進(jìn)行等面積塊劃分為3大塊，每塊再分為等面積的2小塊。

4.4 割草刀具的選擇

類型1為2葉刀，特點(diǎn)為刀刃稍鈍，類型2為3葉刀，刀刃鋒利。兩類刀具的實(shí)試數(shù)據(jù)如表4、表5所示。

圖5 牧草收割樣機(jī)

表4 甜象草實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 單位：%

表5 牧草種類2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 單位：%

4.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，對(duì)于甜象草，草莖剛強(qiáng)，選擇刀刃鋒利的刀具割草，割草率高；而對(duì)黑麥草，草莖柔軟。

5 總結(jié)

基于南方丘陵山地地貌特點(diǎn)設(shè)計(jì)了一款小型牧草收獲機(jī)，論述了丘陵山地小型化牧草收割機(jī)械的設(shè)計(jì)方案、研制及軟件應(yīng)用研發(fā)的過(guò)程與思路，最后進(jìn)行樣機(jī)試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了方案的可行性，同時(shí)為多功能牧草收割機(jī)械及精準(zhǔn)作業(yè)機(jī)械的研究提供了新思路。