徐麗明，于暢暢，劉 文，袁全春，馬 帥，段壯壯，邢潔潔

?

籬架式栽培葡萄株間除草機自動避障機構優(yōu)化設計

徐麗明，于暢暢，劉 文，袁全春，馬 帥，段壯壯，邢潔潔

（中國農(nóng)業(yè)大學工學院，北京 100083）

針對籬架式栽培葡萄株間自動避障除草機作業(yè)時需要避開葡萄藤的要求，該文設計了一種自動避障機構，分析了自動避障機構躲避葡萄藤的工作原理。自動避障機構包括平行四連桿機構和避障觸發(fā)機構，避障觸發(fā)機構的關鍵部件是觸桿，觸桿由兩段直線及連接兩者的圓弧部分構成。在ADAMS中建立了參數(shù)化除草機模型，以觸桿較長直線部分的長度、中間過渡圓弧的角度和觸桿與除草部件邊緣的3個距離1、2、3的組合為試驗因素，以作業(yè)后未除雜草面積3為指標進行正交試驗，得出為顯著因素。以作為優(yōu)化變量，對3進行優(yōu)化。優(yōu)化結果表明，當為225、300、212 mm時，3取得最優(yōu)值。田間試驗表明，優(yōu)化后平均除草作業(yè)覆蓋率比優(yōu)化前提高8個百分點以上，除草作業(yè)覆蓋率的標準差降低，作業(yè)穩(wěn)定性較好，可為籬架式栽培葡萄株間自動避障除草機優(yōu)化設計提供參考。

農(nóng)業(yè)機械；設計；試驗；籬架式栽培葡萄；株間；避障；除草機；優(yōu)化

0 引 言

現(xiàn)代除草技術主要可分為化學除草和非化學除草2大類。化學除草主要指使用除草劑進行除草，除草劑作用迅速、使用方便、易于大面積應用[1]，但除草劑的大量使用破壞了生態(tài)環(huán)境，長期使用同一種除草劑還會促使某些雜草產(chǎn)生“抗藥性”[2]，因此，非化學除草技術研究的重要性越來越凸顯。常用的非化學除草技術有機械除草、生物技術除草、熱力除草、電力除草等[3]，其中，機械除草技術主要分為行間機械除草技術和株間機械除草技術，前者已比較成熟，但株間機械除草技術仍是一個比較新的研究領域[4]，相關研究進展較緩慢。

國外對株間機械除草技術的研究較早，研究成果也較多。荷蘭的Kouwenhoven和Kurstjens、丹麥的Melander、瑞典的Fogelberg等[5-8]對純機械的株間除草技術進行研究，除草效果并不理想，且易傷苗；丹麥的Norremark[9]、西班牙的Pérez-Ruiz[10]對株間自動避障除草技術展開了研究，把計算機視覺技術、GPS定位技術應用到了株間除草機械的自動避障控制系統(tǒng)中，改善了除草效果且降低了傷苗率，但成本較高，效率較低。國內(nèi)起步較晚，近年來，東北農(nóng)業(yè)大學的陳振歆等[11]、楊松梅[12]、韓豹等[13]對純機械的株間除草技術做了研究，多用于低矮植物，工作效率低，傷苗率高；江蘇大學的張鵬舉等[14]、陳樹人等[15]、華南農(nóng)業(yè)大學的胡煉等[16]、中國農(nóng)業(yè)大學的陳子文等[17]把圖像識別技術與一些非接觸傳感技術應用到了自動避障控制系統(tǒng)中，取得較好效果，但圖像識別技術硬件成本高，且在復雜作業(yè)環(huán)境下圖像處理算法復雜，處理時間長，效率較低。另外，目前株間除草的相關研究主要針對蔬菜類等低矮作物或果樹類等株距較大作物[18]，而葡萄因其種植模式特殊（株距只有1 m左右，除草機械無法跨越植株作業(yè)），現(xiàn)有株間除草機械無法滿足作業(yè)要求，而專門針對葡萄株間除草機械的相關理論研究很少，因此，本文針對行距3 m、株距為1 m的籬架式栽培葡萄的株間機械除草作業(yè)，設計了一種自動避障機構，首先分析了自動避障機構的工作原理及相關幾何參數(shù)對未除雜草面積的影響；然后在ADAMS中對自動避障機構建立了相應的參數(shù)化除草機模型，對影響較大的幾何參數(shù)進行優(yōu)化仿真，得出獲得最優(yōu)作業(yè)效果的幾何參數(shù)；最后通過田間試驗對ADAMS優(yōu)化結果進行驗證，以期為籬架式栽培葡萄株間自動避障除草機改進和設計提供參考。

1 籬架式栽培葡萄株間自動避障除草機構工作原理

籬架式栽培葡萄株間自動避障除草機構見圖1，主要由機器主體、油缸、除草部件、平行四桿機構、避障觸發(fā)機構和觸桿組成。整機的關鍵部件是自動避障機構，主要包括平行四桿機構和避障觸發(fā)機構，其中平行四桿機構中的連桿可看成由機器主體和除草部件共同構成；避障觸發(fā)機構中的觸桿由兩段直線及連接兩者的圓弧部分構成，避障觸發(fā)機構中的接觸壓力采集機構與觸桿通過鐵絲連接，觸桿轉動帶動鐵絲拉伸，從而改變接觸壓力采集機構中壓力傳感器的壓力值，當達到控制系統(tǒng)設置的臨界壓力值時，自動避障機構工作，除草部件移出葡萄行，進入行間，通過改變控制系統(tǒng)設置的臨界壓力值可設定觸桿的閾值角度。接觸壓力采集機構中設有回位彈簧和阻尼器，保證觸桿在避過葡萄藤后平穩(wěn)回到圖1a所示的位置。

1. 機器主體 2. 油缸 3. 除草部件 4. 平行四桿機構 5. 接觸壓力采集機構 6. 避障觸發(fā)機構7.觸桿

1. Machine body 2. Fuel tank 3. Weeding part 4. Parallel four link mechanism 5. Contact pressure acquisition mechanism 6. Obstacle avoidance mechanism 7.Contact rod

注：方向表示與整機前進方向平行；4為觸桿旋轉中心。

Note: Directionindicates the direction paralleling to the forward direction of machine;4is the rotation center of the contact rod.

圖1 籬架式栽培葡萄株間自動避障除草機構圖

Fig.1 Mechanism diagram of intra-row and auto obstacle avoidance weeder of trellis cultivated grape

工作時，拖拉機牽引機器沿正方向前進，同時通過動力輸出裝置（power take-off，PTO）、利用萬向傳動軸向除草機輸出動力，使除草部件伸入株間進行除草作業(yè)；當遇到葡萄藤時，隨著機器的前進，避障觸發(fā)機構中的觸桿在葡萄藤的阻擋作用下圍繞著4逐漸旋轉，當達到閾值角度時，觸發(fā)控制系統(tǒng)生成控制信號控制油缸伸出，使除草部件沿的正方向運動（縮回），進入行間；避開葡萄藤后，避障觸發(fā)機構在回位彈簧和阻尼器（防止避障觸發(fā)機構回位過程中產(chǎn)生劇烈震蕩，產(chǎn)生錯誤控制信號）的作用下，逐漸恢復原位，當轉角小于閾值角度時，油缸縮回，除草部件沿的負方向運動（伸出），重新進入株間進行除草作業(yè)。

經(jīng)初步試驗，當除草部件伸入葡萄株間的距離大于100 mm時能滿足作業(yè)要求，即避障時除草部件方向的行程至少為100 mm。由于萬向傳動軸正常工作時能達到的最大轉角為15°，即允許平行四桿機構中搖桿的轉角為±15°。設搖桿長度為（mm），以葡萄行所在直線為基準線，則除草部件方向的行程為

根據(jù)實際作業(yè)的要求，初取為700 mm，計算s約為±181 mm，滿足避障時除草部件方向的行程要求。

2 虛擬樣機模型建立與分析

為了進一步研究自動避障機構的工作情況，在ADAMS[19]中建立虛擬樣機模型，并對避障觸發(fā)機構進行參數(shù)化[20-21]，其主要幾何參數(shù)有：觸桿較長直線部分的長度(mm)、中間過渡圓弧的角度(°)、觸桿與除草部件邊緣的3個距離1(mm)、2(mm)、3(mm)，如圖2所示；其他相關參數(shù)有：接觸壓力采集機構中回位彈簧的剛度(N/mm)、阻尼器的阻尼(N?s/mm)、機器作業(yè)時的前進速度v(mm/s)和油缸初速度0(mm/s)。另外，葡萄藤的橫截面近似為圓形，為了簡化模型，本研究忽略葡萄藤橫截面的不規(guī)則性，統(tǒng)一采用半徑為20 mm的圓柱代替葡萄藤，材質(zhì)設為木質(zhì)。

根據(jù)上述工作原理，自動避障機構實現(xiàn)避開葡萄藤工作共包含3個過程，具體見圖2。首先，當觸桿剛碰到葡萄藤時，除草機處在0位置，此時避障觸發(fā)機構處于開始工作狀態(tài)；然后，隨著除草機沿正方向繼續(xù)前行，葡萄藤對觸桿產(chǎn)生壓力，在壓力的作用下觸桿圍繞4逐漸旋轉，當達到閾值角度時，在油缸的作用下，除草部件進入行間，直至到達1位置，此時觸桿即將與葡萄藤分離；最后，當觸桿與葡萄藤分離時，此時葡萄藤作用于的觸桿的壓力為0，避障觸發(fā)機構停止工作，除草部件重新回到株間，到達2位置。上述3個過程，即可實現(xiàn)株間除草時除草部件自動避開葡萄藤。

根據(jù)自動避障機構實現(xiàn)避開葡萄藤工作的3個過程之間的幾何關系，建立虛擬樣機模型。建模過程中需要確定避障觸發(fā)機構圓弧部分的半徑，根據(jù)圖2幾何關系計算可得

設葡萄藤能承受的壓力為0，觸桿轉角為，回位彈簧的變形量為，彈簧的剛度為，忽略回位彈簧軸線旋轉帶來的影響，則

即

經(jīng)接觸摩擦試驗測試可知，0＞10 N時，對葡萄藤會有損傷。在物理樣機中，依據(jù)實際作業(yè)情況和加工要求，初步設定1為90 mm，2為861 mm，0為100 mm，為10 mm，為5 N/mm，為保證觸桿不損傷葡萄藤，設定接觸壓力采集機構臨界壓力值為8 N。通過對物理樣機的初步試驗，在株距為1 m的條件下，測得前進速度v為350~420 mm/s時整機工作較平穩(wěn)，因此在虛擬樣機樣仿真時，取v為390 mm/s，為5 N/mm，對于阻尼系數(shù)，可配合其他參數(shù)進行取值，只需保證在作業(yè)過程中避障觸發(fā)機構平穩(wěn)工作即可。對于油缸速度，其大小根據(jù)平行四桿機構的轉動要求確定，其方向根據(jù)避障過程中避障觸發(fā)機構與葡萄藤之間的作用力大小確定。由圖1a可知，初始時∠123為90°，搖桿23可上下擺動的最大角度為15°，利用ADAMS中的IF函數(shù)[22-23]，設定油缸的速度為，則

1.葡萄行基準線 2. 除草部件伸入葡萄株間所能達到最大位置的基準線

1. Baseline of grape line 2. Baseline of the maximum position when weeding part deeping into the row of grape

注：為中間過渡圓弧的角度，(°)；為01與葡萄行之間的夾角，(°)；為12與葡萄行之間的夾角，(°)；1、2和3為觸桿與除草部件邊緣的3個距離，mm；0為除草部件深入葡萄株間的最遠距離，mm；為觸桿較長直線部分的長度，mm；1為彈簧掛接點到旋轉中心的距離，mm；2為除草部件邊沿到觸桿旋轉中心的距離，mm；0為除草部件沿軸方向的長度，mm；為避障觸發(fā)機構圓弧部分的半徑，mm；5為中間過渡圓弧的中心；0、0、1、1、2和2為除草部件在3個不同位置下的邊沿點；12、01和為除草部件邊沿點運動軌跡的交點；1為△11的11邊上的高，mm；2為△1201的1201邊上的高，mm；0為觸桿剛碰到葡萄藤時除草機的位置；1為觸桿完全避開葡萄藤時刻除草機的位置；2為除草機避障完成重新回到葡萄株間工作的位置。

Note：is the angle of the intermediate transition arc, (°);is the angle between01and grape line, (°);is the angle between12and grape line, (°);1,2and3are three distances between the contact rod and the edge of weeding part, mm;0is the longest distance for the weeding part which can deep into the row of grape, mm;is the length of the straight part of the first paragraph of the contact rod, mm;1is the distance from the spring attachment point to the rotation center, mm;2is the distance from the edge of the weeding part to the rotation center of the contact rod, mm;0is the length of the weeding part in thedirection, mm;is the radius of the arc portion of the trigger mechanism of obstacle avoidance, mm;5is the center of the intermediate transition arc;0,0,1,1,2and2are edge points of the weeding part when it states at three different positions;12,01andare the intersection points of the weeding part working trace;1isheight of △11on the sideline of11, mm;2isheight of △1201on the sideline of1201, mm;0is the position of the weeding part when rod just touches the vines;1is the position of the weeding part when rod completely avoids the vines;2is the position when the weeding part works in the row of grape again.

圖2 自動避障過程示意圖

Fig.2 Schematic diagram of auto obstacle avoidance process

為了獲得油缸初速度與避障時除草部件縮回與伸出的速度關系，在ADAMS中建立關于除草部件方向速度的測量[23]，除草部件縮回與伸出的方向分別對應的正方向和負方向，縮回與伸出的速度分別對應的正方向速度和負方向速度，分別用v1和v2表示，根據(jù)液壓設計原理可知，當電磁閥打開時，油缸會在極短時間內(nèi)達到所設定排量，從而使油缸速度從0到達設定速度，這段時間與油缸縮回與伸出過程所消耗總時間相比非常短，故在仿真試驗時，忽略油缸加速過程，近似認為油缸縮回與伸出過程中v1和v2數(shù)值不變。經(jīng)初步預試驗，0在30~90 mm/s范圍內(nèi)除草部件能正常伸出和縮回，滿足工作要求，故在30~90 mm/s范圍內(nèi)取0，共進行13次仿真試驗，得到除草部件縮回與伸出速度v1、v2與0與的關系如圖3所示。

圖3 除草部件縮回、伸出速度與油缸初速度的關系

由圖3可知，除草部件縮回和伸出速度v1、v2與油缸初速度0成正相關，且v1、v2隨著0的增大而增大，經(jīng)線性擬合后可得

由于油缸縮回與伸出過程中v1和v2數(shù)值近似不變，除草部件可看成拖拉機沿方向勻速運動與除草部件沿方向勻速運動的合成運動，根據(jù)平面合成運動原理，除草部件的實際運動也是勻速運動，其運動軌跡可簡化為從00→11→22，見圖2，則沿方向速度與沿方向速度關系為

設1為1201的面積，mm2；2為△11的面積，mm2。由平行四桿機構的平動特性[24-25]，則

由此可得

在△11中

設除草部件的寬度為0，則

由式(7)、(8)、(11)、(12)得

設

則

設

則△1201的面積1為

由仿真預試驗可知，除草部件邊沿00的一般軌跡可簡化為圖4，即運動軌跡為0′0′→1′1′→11→22，與圖2中運動軌跡相比多出一段直線運動1′1′→11，其原因是觸桿前端直線段需完全通過葡萄藤后除草部件才會重新進入株間作業(yè)。根據(jù)圖4可知，此時未除雜草面積比1多出四邊形′01′01的面積。

根據(jù)圖4幾何關系計算得

由式（9）、（14）、（16）得

又

所以

式中3為△1201′′的面積，mm2。

最終得出

3即是單側作業(yè)后未除雜草面積，3越小，除凈率越高，作業(yè)效果越好。結合圖4及樣機結構可知，1和2的大小與避障觸發(fā)機構的幾何參數(shù)有直接關系，所以避障觸發(fā)機構的幾何參數(shù)會直接影響到未除雜草面積3，即影響作業(yè)效果，但具體的影響效果有待進一步分析。

3 仿真試驗與參數(shù)優(yōu)化

3.1 正交試驗

為了研究各幾何參數(shù)對作業(yè)效果的具體影響情況，進而獲得顯著性因素，進行仿真試驗。根據(jù)上述分析，避障觸發(fā)機構的幾何參數(shù)對未除雜草面積3影響較大，避障觸發(fā)機構的幾何參數(shù)主要有觸桿較長直線部分的長度、中間過渡圓弧的角度和觸桿與除草部件邊緣的3個距離1、2、3，設為1、2、3的組合參數(shù)。經(jīng)預試驗發(fā)現(xiàn)在1 000~1 100 mm范圍內(nèi)，在80°~90°范圍內(nèi)，1、2、3分別在240~360 mm、200~320 mm、190~310 mm范圍內(nèi)時，能初步滿足作業(yè)要求，故以此作為、和的試驗范圍。以、和為因素，以3為指標，在ADAMS中進行正交試驗[26-28]，設定油缸的初始速度0為50 mm/s，前進速度v為390 mm/s，回位彈簧的剛度為5 N/mm、阻尼器的阻尼為0.7 N?s/mm，試驗因素及水平選取如表1所示，每組試驗重復3次。為了能分析各試驗因素的影響顯著性及試驗因素之間的交互作用，選用標準正交表27（313）進行試驗，根據(jù)試驗結果對指標未除雜草面積3進行方差分析，如表2所示。

表1 正交試驗因素水平

表2 方差分析結果

注：＜0.05，（顯著，*）。Note:＜0.05(significant, *).

通過方差分析可以準確地判斷各因素水平對指標未除雜草面積3的顯著性。根據(jù)表2可知，對指標未除雜草面積3，單因素中，只有組合參數(shù)是顯著的，而觸桿較長直線部分的長度和中間過渡圓弧的角度并不顯著，交互作用中，只有×是顯著的，顯著性＞×，說明組合參數(shù)對作業(yè)效果影響最大，因此有必要單獨對組合參數(shù)即觸桿與除草部件邊緣的3個距離1、2、3進一步分析。

3.2 單因素試驗

為了進一步分析觸桿與除草部件邊緣的3個距離1、2、3對未除雜草面積3的具體影響，對1、2、3進行單因素試驗[29]。在優(yōu)化預試驗中發(fā)現(xiàn)，直接以3為優(yōu)化目標易產(chǎn)生錯誤，其原因是3公式較復雜，運算量過大，而由式（22）可知，1和2與3呈正相關，且1和2的大小與1、2、3有直接關系，故以1和2代替3作為試驗指標為試驗指標。取為1 050 mm，為85°，油缸的初始速度0為50 mm/s，前進速度v為390 mm/s，回位彈簧的剛度為5 N/mm、阻尼器的阻尼為0.7 N?s/mm，1、2、3的試驗范圍分別為240~360 mm、200~320 mm、190~310 mm，試驗安排與結果如表3所示。

表3 單因素試驗安排與結果

對單因素試驗結果進行分析，分別得到觸桿與除草部件邊緣的3個距離1、2和3對1和2的影響，如圖5所示。

由圖5可知，1只受到1的影響，且隨著1的增大而增大，即觸桿與除草部件前邊緣的距離越大，未除雜草面積3越大，除草效果越差；2同時受到1、2和3的影響，由圖5a可知，在一定范圍內(nèi)，2隨著1的增大而減小，但當1增大到一定程度時，2隨1的增大而增大，由圖5b可知，在一定范圍內(nèi)，2隨1的基本不變，由圖5c可知，2隨著3的增大而減小，但隨著1、2的增大對2影響比較復雜。綜上所述，觸桿與除草部件邊緣的距離1對1、2均有影響，即對未除雜草面積3有影響，且相關性不一致，故取值時應綜合考慮；在一定范圍內(nèi)，觸桿與除草部件后邊緣的距離2對1、2影響很小，故可在相應范圍適當取值即可；觸桿與除草部件邊緣的距離3對1無影響，對2影響成負相關，為了使未除雜草面積3盡量小，故取值應盡量大。

圖5 觸桿與除草部件邊緣的3個距離d1、d2和d3對IJ1和IJ2的影響

3.3 自動避障機構優(yōu)化

ADAMS軟件具有優(yōu)化的功能，即以建立的參數(shù)化仿真模型內(nèi)的特定測量值作為目標函數(shù)，對相關影響參數(shù)進行求解，當目標函數(shù)最優(yōu)時，求解獲得相關影響參數(shù)的值，即為仿真模型的最優(yōu)解[30-31]。根據(jù)正交試驗和單因素試驗結果可知，觸桿與除草部件邊緣的3個距離1、2和3對未除雜草面積3影響最大。本文分別以1和2（1和2與3呈正相關，1和2越小，未除雜草面積越少）為指標對1、2和3進行優(yōu)化，設定為1 050 mm，為85°，油缸的初始速度0為50 mm/s，前進速度v為390 mm/s，回位彈簧的剛度為5 N/mm、阻尼器的阻尼為0.7 N?s/mm。

為了方便在ADAMS中執(zhí)行優(yōu)化，令

則1、2的最優(yōu)指標均為0。在ADAMS中，以1、2為優(yōu)化目標，對影響參數(shù)1、2、3進行優(yōu)化，選取1、2、3的基礎值分別為300、260、250 mm，上下最大偏差范圍設置為100 mm。最后得到優(yōu)化結果1為225 mm，2為300 mm，3為212 mm。根據(jù)優(yōu)化值可計算得未除雜草面積3的值約為3 610 mm2。

根據(jù)所建優(yōu)化模型，葡萄藤半徑為20 mm，為保證葡萄藤不受到損傷，設定以葡萄藤中心為圓心，半徑為30 mm內(nèi)的雜草不用除去，即1和2的優(yōu)化指標均為30 mm，則理論上不需要除草的面積為

計算可得0約為2 827 mm2，則除草部件實際未除草的面積為

計算后實際未除草的面積3′的值分別為783 mm2，接近除凈，可認為3已取得最優(yōu)值。

設定1、2和3的優(yōu)化值為225、300和212 mm，在ADMAS中仿真得到優(yōu)化后除草部件前、后邊沿點的避障軌跡，如圖6所示，可見優(yōu)化后的避障軌跡基本符合理論分析，且所得1、2、3的優(yōu)化值能保證未除雜草面積3基本達到最優(yōu)解，認為優(yōu)化結果成功。

圖6 優(yōu)化后除草部件前、后邊沿點的避障軌跡

4 田間試驗與分析

為了驗證除草機虛擬樣機模型仿真優(yōu)化結果是否合理，試制了株間避障除草機樣機，于2017年4月在山東國豐機械有限公司農(nóng)機試驗田進行了田間試驗，葡萄行距3 m、株距為1 m，試驗材料包括：14.7 kW的時風拖拉機作為株間避障除草機動力，米尺、木桿、直線位移傳感器、數(shù)據(jù)采集卡NI USB-6008、秒表、電腦等工具測量相關參數(shù)。由于前進速度大約維持在300~400 mm/s之間，拖拉機低速運動下對植株的損傷率極低，因此本試驗過程中忽略損傷率的影響，只考慮除草覆蓋率M作為除草效果的衡量指標[32]，即

式中M為除草作業(yè)覆蓋率，%；為應除草面積，mm2；3′為實際未除雜草面積，mm2。

設除草機單側作業(yè)幅寬為0.5 m，株距為1 m，對每株葡萄而言，設應除草面積為

本文以除草作業(yè)覆蓋率M為指標，以優(yōu)化后的觸桿與除草部件邊緣的3個距離1、2、3為因素，分別進行單次避障試驗和連續(xù)避障試驗。

4.1 單次避障試驗

為了減小連續(xù)作業(yè)過程中拖拉機駕駛及地表差異對實際測量結果造成的影響，首先進行單次避障試驗，即每次試驗時只躲避1顆葡萄藤，單次避障試驗現(xiàn)場如圖7a所示。以除草作業(yè)覆蓋率M為指標，以優(yōu)化前后觸桿與除草部件邊緣的3個距離1、2和3為因素，分別進行單次避障試驗，設定為1 050 mm，為85°，油缸的初始速度0為50 mm/s，前進速度v為390 mm/s，、根據(jù)具體情況調(diào)節(jié)，只需確保自動避障機構正常平穩(wěn)運行即可。試驗時，1、2和3的值取2組，優(yōu)化后（225 mm，300 mm，212 mm），優(yōu)化前（290 mm，320 mm，310 mm），每組試驗重復3次，試驗安排與結果如表4所示。

由表4田間試驗結果，計算得到優(yōu)化后與優(yōu)化前試驗除草作業(yè)覆蓋率M的平均值分別為98.1%、88.8%，優(yōu)化后所得除草作業(yè)覆蓋率M比優(yōu)化前提高約10個百分點，表明優(yōu)化后的除草效果比優(yōu)化前的除草效果有較大提升。

圖7 田間試驗

表4 單次避障試驗安排與結果

4.2 連續(xù)避障試驗

為了驗證仿真優(yōu)化結果在除草機連續(xù)避障作業(yè)時是否合理，以除草作業(yè)覆蓋率M為指標，以優(yōu)化前后觸桿與除草部件邊緣的3個距離1、2和3為試驗因素，進行了田間連續(xù)避障試驗，試驗現(xiàn)場如圖7b所示。試驗時，設定除草機需連續(xù)對6顆葡萄植株進行株間除草作業(yè)，綜合對6顆葡萄植株的除草作業(yè)覆蓋率進行分析，每組試驗重復3次，其他試驗參數(shù)與單次避障試驗相同，試驗結果如圖8所示。

圖8 除草機連續(xù)避障試驗結果

由圖8知，計算得到優(yōu)化后與優(yōu)化前試除草作業(yè)覆蓋率M的平均值分別為97.5%、89.8%，除草作業(yè)覆蓋率的標準偏差分別為2.98%、7.81%，其中，優(yōu)化后平均除草作業(yè)覆蓋率比優(yōu)化前提高約8個百分點，標準偏差顯著降低，即優(yōu)化后除草作業(yè)作業(yè)效果平穩(wěn)性提高，每次試驗中未除草面積差異較小?？傮w而言，在保證不損傷植株的前提下，優(yōu)化后的除草效果有了較大的提高，且除草作業(yè)穩(wěn)定性更好。

5 結 論

本文根據(jù)籬架式栽培葡萄株間自動避障除草機在作業(yè)過程中的避障要求，設計了一種自動避障機構，分析了自動避障機構的工作原理及相關幾何參數(shù)對工作效果的影響，并在ADAMS中對自動避障機構建立了相應的參數(shù)化除草機模型，對影響較大的幾何參數(shù)進行優(yōu)化仿真，得出最優(yōu)值，并通過田間試驗驗證了ADAMS優(yōu)化結果的合理性，得出主要結論如下：

1）影響避障觸發(fā)機構的幾何參數(shù)主要有：觸桿較長直線部分的長度、中間過渡圓弧的角度和觸桿與除草部件邊緣的3個距離的組合因素，其中組合因素對未除雜草面積影響顯著。

2）觸桿與除草部件前邊緣的距離1對未除雜草面積有影響，故取值時應綜合考慮；觸桿與除草部件后邊緣的距離2未除雜草面積影響很小，在一定范圍內(nèi)變化時對未除雜草面積基本無影響；觸桿與除草部件右邊緣的距離3對未除雜草面積成負相關，在一定范圍內(nèi)，3越大，未除雜草面積越大。

3）優(yōu)化后，觸桿與除草部件邊緣的3個距離1、2、3最佳值分別為（225、300、212 mm）。田間試驗表明，優(yōu)化后平均除草作業(yè)覆蓋率比優(yōu)化前提高8個百分點以上，除草作業(yè)覆蓋率的標準差降低，除草作業(yè)平穩(wěn)性提高，優(yōu)化效果明顯。

本研究為后續(xù)籬架式葡萄株間避障除草機改進設計提供了參考。

[1] 白勇，王曉燕，胡光，等. 非化學方法在農(nóng)田雜草防治中的應用[J]. 農(nóng)業(yè)機械學報，2007, 38(4): 191－196. Bai Yong, Wang Xiaoyan, Hu Guang, et al. Review of the development in non-chemical weed management[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2007, 38(4): 191－196. (in Chinese with English abstract)

[2] Cordill C, Grift T E. Design and testing of an intra-row mechanical weeding machine for corn[J]. Biosystems Engineering, 2011, 110(3): 247－252.

[3] 李東升，張蓮潔，蓋志武，等. 國內(nèi)外除草技術研究現(xiàn)狀[J]. 森林工程，2002, 18(1): 17－18.

[4] Midtiby H S. Estimating the plant stem emerging points (PSEPs) of sugar beets at early growth stages[J]. Biosystems Engineering, 2012, 111(1): 83－90.

[5] Kouwenhoven J K. Intra-row mechanical weed control pos-sibilities and problems[J]. Soil & Tillage Research, 1997, 41(1): 87－104.

[6] Kurstjens D A G, Perdok U D. The selective soil covering mechanism of weed harrows on sandy soil[J]. Soil & Tillage Research, 2000, 55(3): 193－206.

[7] Melander B. Optimization of the adjustment of a vertical axisrotary brush weeder for intra-row weed control in row crops[J]. Journal of Agricultural Engineering Research, 1997, 68(1): 39－50.

[8] Fogelberg F, Kritz G. Intra-row weeding with brushes on vertical axes factors influencing in-row soil height[J]. Soil & Tillage Research, 1999, 50(2): 149－157.

[9] Norremark M. The development and assessment of the accuracy of an autonomous GPS-based system for intra-row mechanical weed control in row crops[J]. Biosystems Engineering, 2008, 101(4): 396－410.

[10] Pérez-Ruiz M. Automatic GPS based intra-row weed knife control system for transplanted row crops[J]. Computers and Electronics in Agriculture, 2012, 80: 41－49.

[11] 陳振歆，王金武，牛春亮，等. 彈齒式苗間除草裝置關鍵部件設計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)機械學報，2010, 41(6): 81－86. Chen Zhenxin, Wang Jinwu, Niu Chunliang, et al. Design and experiment of key components of trash cultivator’s working in paddy rice seeding lines[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2010, 41(6): 81－86. (in Chinese with English abstract)

[12] 楊松梅，王金武，劉永軍，等. 水田株間立式除草裝置的設計[J]. 農(nóng)機化研究，2014, 36(12): 154－157. Yang Songmei, Wang Jinwu, Liu Yongjun, et al. Design and simulation analysis of vertical weed control device between seedlings in paddy field[J].Journal of Agricultural Mechanization Research, 2014, 36(12): 154－157. (in Chinese with English abstract)

[13] 韓豹，申建英，李悅梅. 3ZCF-7700型多功能中耕除草機設計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2011，27(1): 124－129.Han Bao, Shen Jianying, Li Yuemei. Design and experiment of 3ZCF-7700 multi-functional weeding-cultivating machine[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2011, 27(1): 124－129. (in Chinese with English abstract)

[14] 張朋舉，張紋，陳樹人，等. 八爪式株間機械除草裝置虛擬設計與運動仿真[J]. 農(nóng)業(yè)機械學報，2010, 41(4): 56－59. Zhang Pengju, Zhang Wen, Chen Shuren, et al. Virtual design and kinetic simulation for eight claw intra-row mechanical weeding device[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2010, 41(4): 56－59. (in Chinese with English abstract)

[15] 陳樹人，張朋舉，尹東富，等. 基于 LabVIEW 的八爪式機械株間除草裝置控制系統(tǒng)[J]. 農(nóng)工程學報，2010, 26(增刊2): 234－237. Chen Shuren, Zhang Pengju, Yin Dongfu, et al. Control system of eight claw intra-row mechanical weeding device based on LabVIEW [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2010, 26(Supp.2): 234－237. (in Chinese with English abstract)

[16] 胡煉，羅錫文，張智剛，等. 株間除草裝置橫向偏移量識別與作物行跟蹤控制[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2013, 29(14)：8－14. Hu Lian, Luo Xiwen, Zhang Zhigang, et al. Side-shift offset identification and control of crop row tracking for intra-row mechanical weeding[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(14): 8－14. (in Chinese with English abstract)

[17] 陳子文，李南，孫哲，等. 行星刷式株間鋤草機械手優(yōu)化與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)機械學報，2015, 46(9):94－99. Chen Ziwen, Li Nan, Sun Zhe, et al. Optimization and experiment of intra-row brush weeding manipulator based on planetary gear train[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2015, 46(9): 94－99. (in Chinese with English abstract)

[18] 劉文，徐麗明，邢潔潔，等. 作物株間機械除草技術的研究現(xiàn)狀[J]. 農(nóng)機化研究. 2017(1): 243－250. Liu Wen, Xu Liming, Xing Jiejie, et al. Research status of mechanical intra-row weed control in row crops[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research , 2017(1): 243－250. (in Chinese with English abstract)

[19] 葛玉曉. 大豆株間除草裝置設計與試驗研究[D]. 哈爾濱:東北農(nóng)業(yè)大學, 2016.Ge Yuxiao. Design and Experimental Study on Intra-row Weeding Equipment for Soybean[D]. Harbin: Northeast Agricultural University, 2016. (in Chinese with English abstract)

[20] 傅友賓. 基于PRO/E和ADAMS的變速器動力學仿真[D]. 大連：大連理工大學, 2007. Fu Youbin. Investigation on Dynamics Simulation of Transmission Based on PRO/E and ADAMS[D]. Dalian: Dalian University of Technology, 2007. (in Chinese with English abstract)

[21] (美)MSC. Software, ADAMS/ View高級培訓教程[M]. 邢俊文，陶永忠，譯. 北京：清華大學出版社, 2004.

[22] 陳樹人，張朋舉，李雙. 基于ADAMS的八爪式株間機械除草裝置的運動仿真及優(yōu)化[C]// 紀念中國農(nóng)業(yè)工程學會成立三十周年暨中國農(nóng)業(yè)工程學會2009年學術年會（CSAE 2009）, 中國山西太谷, 2009. Chen Shuren, Zhang Pengju, Li Shuang.Kinetic simulation and optimization for eight claw intra-row mechanical weeding device based on adams [C]// CSAE 2009. (in Chinese with English abstract)

[23] 李增剛. ADAMS入門詳解與實例[M]. 北京：國防工業(yè)出版社，2006：171－176.

[24] 張愛民，廖培旺，李偉，等. 基于Adams的棉田殘茬廢膜收集打捆機分析[J]. 農(nóng)機化研究, 2018(3): 22－27. Zhang Aimin, Liao Peiwang, Li Wei, et al. Analysis research of cotton stubble collecting waste film bundling machine based on adams[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2018(3): 22－27. (in Chinese with English abstract)

[25] 蒿麗萍. 剛體的平面運動和點的合成運動[J]. 內(nèi)蒙古電大學刊，1990(增刊2)：30－33.

[26] 劉瑞江，張業(yè)旺，聞崇煒，等. 正交試驗設計和分析方法研究[J]. 實驗技術與管理，2010, 27(9): 52－55. Liu Ruijiang, Zhang Yewang, Wen Chongwei, et al. Study on the design and analysis methods of orthogonal experiment [J].Experimental Technology and Management, 2010, 27(9): 52－55. (in Chinese with English abstract)

[27] 任露泉.試驗優(yōu)化設計與分析[M]. 北京：高等教育出版社，2003: 78－79.

[28] 郝拉娣，于化東. 正交試驗設計表的使用分析[J]. 編輯學報, 2005, 17(5): 334－335.

[29] 王瑞麗，白曉虎，秦軍偉.農(nóng)機單因素試驗設計與分析[J]. 農(nóng)業(yè)科技與裝備，2014(9): 26－28. Wang Ruili, Bai Xiaohu, Qin Junwei. The single factor experimental design and analysis of agricultural machinery[J].Agricultural Science & Technology and Equipment, 2014(9): 26－28. (in Chinese with English abstract)

[30] 李瑜婷，趙治國，章桐. 基于ADAMS的雙橫臂懸架性能多目標優(yōu)化研究[J]. 中國制造業(yè)信息化，2009(17):30－34. Li Yuting, Zhao Zhiguo, Zhang Tong. The ADAMS-based multi-objects optimization of double beams vehicle suspension[J]. Manufacture Information Engineering of China , 2009(17): 30－34. (in Chinese with English abstract)

[31] 侯鎖軍，秦東晨. 基于ADAMS/View多連桿獨立懸架的運動學仿真及優(yōu)化設計[J]. 拖拉機與農(nóng)用運輸車，2010(1)：60－61. Hou Suojun, Qin Dongchen. Kinematics simulation and optimization design of multi-link independent suspension based on adams/view[J]. Tractor & Farm Transporter, 2010(1): 60－61. (in Chinese with English abstract)

[32] 黑龍江省質(zhì)量技術監(jiān)督局.大豆除草機械作業(yè)質(zhì)量：DB23/T837?2004 [S].

Optimal design on auto obstacle avoidance mechanism of intra-row weeder for trellis cultivated grape

Xu Liming, Yu Changchang, Liu Wen, Yuan Quanchun, Ma Shuai, Duan Zhuangzhuang, Xing Jiejie

(100083,)

At present, in the trellis vineyard, the methods of mechanical weeding are mainly divided into inter-row mechanical weeding and intra-row mechanical weeding. The development of intra-row mechanical weeding is relatively slow, because the identification and location for crop and weed is difficult in the process of mechanical weeding. Now, the theoretical study on intra-row mechanical weeding of trellis cultivated grape is not very much. In order to achieve the intra-row weeding of trellis cultivated grape,this paper designs an auto obstacle avoidance mechanism based on the existing weeder, which includes parallel four-bar linkage mechanism and trigger mechanism of obstacle avoidance. The contact rod is composed by 2 straight lines and an arc connecting straight lines in the trigger mechanism of obstacle avoidance. And the theoretical working principle of auto obstacle avoidance mechanism is described. After the pre-test,it is found that the length of the straight section of the first section of the rod, the arc angle of the intermediate transition arc and the 3 distances between the contact rod and the edge of the weeding part have obvious effect on the result of weeding. Soa virtual prototype model for auto obstacle avoidance mechanism is built in ADAMS, and the trigger mechanism of obstacle avoidance is parameterized. Then, the orthogonal test is conducted by taking the combination of3 distances between contact rod and edge of weeding partand the length of the first part of the rodas the test factors and the area which is not covered by the weeding parts after the work as the experimental index. The results show that the combination of3 distances and its interaction with the arc angle of intermediate transition are significant factors.In order to analyze the effect of the combination of3 distances on the area not covered by the weeding parts after the work deeply,thelength of the first part of the rodis set as 1050 mm, the arc angle of intermediate transition is 85°, the forward speed is 390 mm/s, the initial velocity of the cylinder is 50 mm/s, and furtherly taking the parameter the combination of3 distances as the test factor and the area not covered by weeding parts after the work as the experimental index, the optimization simulation is conducted. The results show that the optimal value is obtained when the 3 distances between contact rod and edge of weeding part are 225, 300, and 212 mm, respectively. The area not covered is 783mm2except the scheduled area which is not needed to weed. It is very small, so the weeds can be considered to be removed completely, which shows the result of weeding is good.On the basis of simulation optimization, the field tests of single obstacle avoidance and continuous obstacle avoidance are also carried out, in which the combination of 3 structural parameters of the obstacle avoidance mechanism is set as variable and the parameters such as length of the first part of the rodand arc angle of the intermediate transition arc as constant values.The field test results show that the average coverage rate of weeding operation after optimization is 97.5%, which is about 8% higher than before, and the standard deviation is 2.98%, which is lower than before. The stability of weeding is also better, and the effect of optimization is obvious. Generally,this study enriches the method of identification and location for crops and weeds in the process of mechanical weeding, and also provides reference for the improvement of the design of intra-row weeder for trellis cultivated grape.

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

徐麗明，于暢暢，劉 文，袁全春，馬 帥，段壯壯，邢潔潔. 籬架式栽培葡萄株間除草機自動避障機構優(yōu)化設計[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2018，34(7)：23－30. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.07.003 http://www.tcsae.org

Xu Liming, Yu Changchang, Liu Wen, Yuan Quanchun, Ma Shuai, Duan Zhuangzhuang, Xing Jiejie. Optimal design on auto obstacle avoidance mechanism of intra-row weeder for trellis cultivated grape [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(7): 23－30. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.07.003 http://www.tcsae.org

2017-10-09

2018-02-26

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

徐麗明，女，山東蓬萊人，教授，博士生導師，主要從事生物生產(chǎn)自動化技術與裝備研究。Email：xlmoffice@126.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.07.003

S224.1

A

1002-6819(2018)-07-0023-08