蔣 郁，齊 龍，龔 浩，劉 闖，陶 明，胡小鹿，陳琴苓

(1 華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，廣東 廣州 510642； 2 華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 現(xiàn)代教育技術(shù)中心，廣東 廣州 510642；3 中國(guó)農(nóng)村技術(shù)開(kāi)發(fā)中心，北京 100045； 4 廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，廣東 廣州 510640)

稻田雜草抑制水稻生長(zhǎng)[1]，增加水稻病蟲(chóng)害發(fā)生概率[2]，是影響水稻產(chǎn)量和品質(zhì)的主要原因[3-4]。因此，有效的稻田雜草防控一直是水稻安全生產(chǎn)的重要保障。近年來(lái)，機(jī)械除草作為一種環(huán)境友好型的除草技術(shù)被廣泛地應(yīng)用于水稻生產(chǎn)中，多用于去除行間雜草[5]。與行間雜草相比，水稻株間雜草多為近株雜草，對(duì)水稻生長(zhǎng)的影響更大，但由于作物行的干擾，如何避開(kāi)水稻苗去除株間雜草是水稻機(jī)械化除草技術(shù)的難點(diǎn)。

國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的水稻株間機(jī)械除草裝置多利用移栽稻和雜草的生物力學(xué)特性、苗草根系深淺差異設(shè)計(jì)柔性除草部件或控制除草深度實(shí)現(xiàn)株間除草。日本三菱農(nóng)機(jī)株式會(huì)社研制的水田除草機(jī)[6]，采用柔性毛刷除去株間雜草，田間試驗(yàn)表明該類(lèi)型除草機(jī)能有效提高水稻產(chǎn)量和品質(zhì)[7]。歐萊克株式會(huì)社研制了一種四輪乘坐式除草機(jī)，行間采用滾輪除草，株間則采用彈性鋼絲除草[8]。美善株式會(huì)社研制了一種獨(dú)輪的手扶式除草機(jī)，行間采用滾輪除草，株間則使用從動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)式的羽輪除草，兼?zhèn)涑莺烷_(kāi)溝的功能[9]。王金武等[10]研制的3ZS-150型水稻中耕除草機(jī)采用耕耘鋤去除行間雜草；采用軟軸驅(qū)動(dòng)立式除草裝置，利用彈性鋼絲旋轉(zhuǎn)去除株間雜草。以上水稻株間除草裝置均不具備水稻植株和雜草的識(shí)別與定位功能，株間除草率僅為60%左右[11]，需多次作業(yè)才能完成除草要求，但多次作業(yè)不僅降低了生產(chǎn)效率，而且還增加了機(jī)具對(duì)秧苗的碾壓概率。

為了降低傷苗率、提高除草效果，株間除草技術(shù)常采用傳感器定位作物或雜草位置，選擇性地避開(kāi)秧苗，從而去除雜草。有研究采用實(shí)時(shí)差分GPS技術(shù)定位作物位置并精確地控制除草裝置避開(kāi)作物[12-13]，但該技術(shù)的硬件成本相對(duì)較高，而且不適用于水稻等小株距作物。日本石井農(nóng)機(jī)株式會(huì)社研制的水稻株間除草機(jī)采用距離傳感器識(shí)別稻株并控制電磁閥通斷，噴射高壓液體除草[14]。采用機(jī)器視覺(jué)識(shí)別植株的避苗技術(shù)[15-16]具有成本較低和控制系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，蔣郁等[17]和Jiang等[18]根據(jù)水田環(huán)境特點(diǎn)設(shè)計(jì)了基于機(jī)器視覺(jué)的水稻植株定位系統(tǒng)，用以引導(dǎo)除草機(jī)構(gòu)避開(kāi)水稻苗實(shí)現(xiàn)株間除草。

除了與作物或雜草的定位精度有關(guān)，株間機(jī)械除草效果還和除草機(jī)械裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)關(guān)系密切[19]。牛春亮等[20]對(duì)水田株間除草部件的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行分析，為稻田機(jī)械除草整機(jī)的研制提供了技術(shù)參考。賈洪雷等[21]通過(guò)對(duì)玉米中耕避苗除草裝置的運(yùn)動(dòng)速度與避苗區(qū)域半徑的關(guān)系進(jìn)行分析，驗(yàn)證控制系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間是否滿足要求。在運(yùn)動(dòng)學(xué)分析基礎(chǔ)上進(jìn)行機(jī)械與水田土壤耦合的動(dòng)力學(xué)分析[22-23]，能夠直觀地揭示各種不同結(jié)構(gòu)及參數(shù)對(duì)除草部件工作性能的影響，從而對(duì)除草部件的局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行更有針對(duì)性的優(yōu)化。

在前期水稻植株定位方法研究的基礎(chǔ)上，本研究擬設(shè)計(jì)一種氣動(dòng)式水稻株間機(jī)械除草裝置，并對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，優(yōu)化除草裝置結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)，以期提高水稻株間的除草效果。

1 氣動(dòng)式株間除草裝置工作原理及總體結(jié)構(gòu)

1.1 株間機(jī)械除草裝置工作原理

氣動(dòng)式水稻株間機(jī)械除草裝置根據(jù)秧苗動(dòng)態(tài)圖像的定位結(jié)果作出相應(yīng)的動(dòng)作決策控制。圖像采集和處理系統(tǒng)的主要硬件有：智能彩色相機(jī)(ISM1400C，美國(guó) Cognex)、工業(yè)鏡頭 (M0814-MP，日本Computer)和上位機(jī)(B470，中國(guó)Lenovo)。信號(hào)轉(zhuǎn)換及控制系統(tǒng)的主要硬件為I/O模塊(CIOMICRO-CC，美國(guó)Cognex)和可編程邏輯控制器PLC(FX2N-32MT，日本 Mitsubishi)。

機(jī)具前進(jìn)時(shí)，裝置處于除草狀態(tài)，當(dāng)水稻植株圖像進(jìn)入檢苗區(qū)域后，采用機(jī)器視覺(jué)定位[17]對(duì)秧苗進(jìn)行動(dòng)態(tài)定位；上位機(jī)發(fā)送定位信息的數(shù)字信號(hào)至智能相機(jī)，智能相機(jī)將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成編碼電信號(hào)后傳輸?shù)絀/O模塊，I/O模塊解碼信號(hào)并輸出信號(hào)至PLC，PLC運(yùn)行內(nèi)部程序觸發(fā)輸出端口；除草刀齒進(jìn)入秧苗保護(hù)區(qū)后，發(fā)出切換電磁閥位置的指令，氣缸桿伸出帶動(dòng)除草部件擺動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)避苗動(dòng)作；繞過(guò)稻株后，PLC再次發(fā)出切換電磁閥位置的指令，收回氣缸桿，裝置重新恢復(fù)至除草狀態(tài)?？刂浦噶顚⒁恢毖h(huán)，直至工作結(jié)束。株間除草作業(yè)流程如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)工作流程圖Fig. 1 Flow chart of control system

1.2 株間除草裝置總體結(jié)構(gòu)

氣動(dòng)擺動(dòng)式株間除草裝置由氣源(ZB-0.13/8,中國(guó)浙江日金實(shí)業(yè)有限公司)、電磁閥(4v210-08, 中國(guó) Airtac)、氣缸 (SC50×25)、連桿、擺桿、除草刀齒和控制系統(tǒng)組成，具體組成如圖2所示。除草裝置隨牽引機(jī)具向垂直紙面方向移動(dòng)，安裝在擺桿上的除草刀齒沿前進(jìn)方向在株間入土破壞雜草，達(dá)到株間除草的效果。當(dāng)除草刀齒到達(dá)秧苗根部保護(hù)區(qū)域內(nèi)時(shí)，電磁閥動(dòng)作使氣路換向，氣缸桿伸出推動(dòng)連桿帶動(dòng)擺桿轉(zhuǎn)動(dòng)，安裝在擺桿末端的除草刀齒隨擺桿轉(zhuǎn)動(dòng)離開(kāi)株間土壤完成避苗動(dòng)作。繞過(guò)稻株后，電磁閥再次使氣路換向，氣缸桿回縮拉動(dòng)連桿帶動(dòng)擺桿使除草刀齒入土執(zhí)行株間除草動(dòng)作。

圖2 氣動(dòng)式株間除草裝置示意圖Fig. 2 Sketch map of pneumatic intra-row weeding device

2 氣動(dòng)式株間除草機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析

氣動(dòng)式株間除草機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖3所示，根據(jù)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)原理，機(jī)構(gòu)平面自由度(F)的計(jì)算如下：

式中，n為桿件和滑塊數(shù)量，n=3，P為鉸鏈轉(zhuǎn)動(dòng)副和移動(dòng)副的數(shù)量，P=4。根據(jù)式(1)計(jì)算出F=1，說(shuō)明機(jī)構(gòu)在平面內(nèi)有唯一確定的運(yùn)動(dòng)軌跡。除草刀齒中心在平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡為繞點(diǎn)O作圓周擺動(dòng)，擺動(dòng)的幅度與角速度和氣缸的運(yùn)動(dòng)行程與速度相關(guān)。假設(shè)氣缸伸出時(shí)，推桿滑塊作速度為v的勻速直線運(yùn)動(dòng)，在氣缸伸出的任意時(shí)刻(t)，連桿長(zhǎng)(a)、擺桿長(zhǎng)(b)、擺動(dòng)角度(α)和輔助角度(β)的幾何關(guān)系根據(jù)余弦定理有：

其中，根據(jù)直角三角形的正切值關(guān)系有：

將式(3)代入式(2)，則擺動(dòng)角度(α)與時(shí)間(t)的關(guān)系可求得為：

用擺動(dòng)角度對(duì)時(shí)間求導(dǎo)，可得任意時(shí)刻除草刀齒的擺動(dòng)角速度(ω)：

通過(guò)式(2)～(5)可得連桿長(zhǎng)和擺桿長(zhǎng)與擺動(dòng)桿的擺動(dòng)角度和角速度的關(guān)系。根據(jù)幾何關(guān)系，可得任意時(shí)刻除草刀齒中心提升高度(h)和橫向擺動(dòng)距離(w)：

圖3 氣動(dòng)式株間除草機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖Fig. 3 Kinematic diagram of mechanism of pneumatic intra-row weeding device

氣動(dòng)式株間除草機(jī)構(gòu)要有效地繞過(guò)秧苗，依照入土深度最大為30 mm計(jì)算，在避苗狀態(tài)時(shí)規(guī)定除草部件的中心提升高度要≥40 mm，此時(shí)除草部件完全離開(kāi)土壤，可避免損傷秧苗根部。莖基部保護(hù)區(qū)直徑為60 mm的情況下，規(guī)定除草部件橫向移動(dòng)距離≥60 mm，此時(shí)可以避免碰傷秧苗的莖部。同時(shí)，為了提升傳動(dòng)的效率，擺桿轉(zhuǎn)角≤20°[24]；為避免機(jī)架碰撞秧苗莖部，除草部件到回轉(zhuǎn)中心垂直距離≥170 mm。

本研究中，先設(shè)定擺桿轉(zhuǎn)角為20°，由于氣缸行程為25 mm，則有vt=25 mm，根據(jù)式(4)可得連桿長(zhǎng)(a)和擺桿長(zhǎng)(b)的關(guān)系如圖4所示，圖中b對(duì)a的變化不敏感(a增大20 mm，b只增大0.5 mm)，故只需考慮a。為使機(jī)具整體結(jié)構(gòu)緊湊和桿件輕量化，a應(yīng)當(dāng)盡量小，同時(shí)為避免桿件過(guò)小導(dǎo)致鉸鏈與擺動(dòng)桿干涉，設(shè)計(jì)a=35.00 mm，此時(shí)可求得b=72.24 mm。

圖4 連桿長(zhǎng)與擺桿長(zhǎng)的關(guān)系Fig. 4 Relationship of length of connecting rod and length of oscillating rod

將式(6)和式(7)移項(xiàng)后求平方和，得到除草部件到回轉(zhuǎn)中心水平距離(c)和除草部件到回轉(zhuǎn)中心垂直距離(d)關(guān)于除草部件橫向擺動(dòng)距離(w)和提升高度(h)的關(guān)系式：

暫設(shè)h=40 mm，w=60 mm，可得到：

將式(9)分別代入式(6)和式(7)可知，當(dāng)c=84 mm，d=191 mm時(shí)，h=40.25 mm，w=60.26 mm，均符合設(shè)計(jì)要求，且此時(shí)除草部件到回轉(zhuǎn)中心水平距離和除草部件到回轉(zhuǎn)中心垂直距離處于最小狀態(tài)，滿足緊湊和輕量化的設(shè)計(jì)需求。根據(jù)計(jì)算，本研究設(shè)計(jì)氣動(dòng)式株間除草機(jī)構(gòu)a=35 mm，b=72.24 mm，c=84 mm，d=191 mm。

為研究設(shè)計(jì)出的氣動(dòng)式株間除草機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)軌跡是否滿足規(guī)定需要，將氣動(dòng)式株間除草機(jī)構(gòu)的三維模型導(dǎo)入Pro-Engineer軟件，運(yùn)用機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真功能得到除草刀齒中心的運(yùn)動(dòng)軌跡。輸入推桿滑塊速度0.25 m/s，機(jī)具前進(jìn)速度為0.25 m/s，可得除草刀齒中心的運(yùn)動(dòng)軌跡(圖5)，除草刀齒能繞過(guò)護(hù)苗區(qū)，設(shè)計(jì)參數(shù)符合要求。

圖5 除草刀齒運(yùn)動(dòng)軌跡Fig. 5 Trajectory of weeding blade

3 除草刀齒設(shè)計(jì)與仿真優(yōu)化

3.1 除草刀齒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

除草刀齒擺動(dòng)入土后通過(guò)破壞雜草或擾動(dòng)雜草根系附近的土壤達(dá)到除草目的，故除草刀齒要求入土阻力小、入土后對(duì)土壤擾動(dòng)大且不能出現(xiàn)壅土。根據(jù)上述要求設(shè)計(jì)出直齒刀和彎齒刀2種除草刀齒，如圖6所示。為覆蓋秧苗苗帶區(qū)域，除草刀齒的作業(yè)寬度設(shè)計(jì)為60 mm。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，刀齒數(shù)過(guò)多易引起壅土，過(guò)少則導(dǎo)致除草率低，綜合考慮刀齒數(shù)量設(shè)計(jì)為4片。2種刀齒入土過(guò)程中先接觸土壤的部分設(shè)計(jì)為銳角尖端，使其碰觸土壤時(shí)更容易侵入破壞土壤表面從而更容易入土，刀片外形設(shè)計(jì)能減小刀齒平移方向的土壤阻力，同時(shí)依靠刀片側(cè)面黏附和擾動(dòng)土壤達(dá)到除草的目的。直齒刀的刃部從根部到尖端過(guò)渡形狀為直線，彎齒刀的過(guò)渡形狀則為曲線。2種刀刃的設(shè)計(jì)具有如下特點(diǎn)：直齒刀的直線觸土面容易產(chǎn)生較大的黏附效果，除草效果好但阻力較大；而彎齒刀的曲線觸土面對(duì)土壤具有一定的翻轉(zhuǎn)作用且擁有較優(yōu)的力學(xué)性能[25]。刀刃根部輪廓切線與垂直平面逆時(shí)針?biāo)傻慕嵌确Q為傾角。為確保土壤不沿刀刃向上積累引起壅土，應(yīng)傾角≥0°，同時(shí)應(yīng)避免傾角過(guò)大導(dǎo)致刀片尺寸過(guò)長(zhǎng)，故設(shè)計(jì)傾角的范圍為0～20°。根據(jù)水田土壤高濕高阻的工作環(huán)境，關(guān)鍵除草部件的材料選用抗氧化性、耐腐蝕性和耐磨性的20CrMnTi號(hào)鋼，采用數(shù)控電火花機(jī)床進(jìn)行加工，考慮除草刀片要有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，刀片厚2 mm。

圖6 除草刀齒結(jié)構(gòu)Fig. 6 Weeding blade structure

3.2 除草刀齒-水田土壤相互作用的仿真分析

為了模擬并分析2種除草刀結(jié)構(gòu)(直齒刀和彎齒刀)和刀齒傾角 (0、5、10、15 和 20°)對(duì)前進(jìn)阻力和土壤的擾動(dòng)程度的影響，得到較小前進(jìn)阻力和較大土壤擾動(dòng)程度的因素組合，運(yùn)用離散元?jiǎng)恿W(xué)仿真方法[26-27]，并參考相關(guān)文獻(xiàn)[28]的方法，在EDEM軟件中建立2種尺寸的球形顆粒模型分別代表水和土壤，將水顆粒覆蓋在土壤顆粒上并使其自然向下滲透，模擬自然泥水的形成過(guò)程。顆粒模型采用Hertz-Mindlin with JKR Cohesion模型建立，該模型能夠很好地模擬水田土壤顆粒間因靜電和水分等原因發(fā)生明顯黏結(jié)和團(tuán)聚的物理特性。所建立的水田土壤模型，上部分為水顆粒層，中間為水顆粒與土壤顆?；旌系娘柡屯寥缹樱聦訛橛猩倭克w粒的土壤層。廣東省的水田土壤以砂質(zhì)黏土為主，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[23,28-29]確定水田土壤參數(shù)與水顆粒參數(shù)，通過(guò)EDEM官方材料數(shù)據(jù)庫(kù)(GEMM數(shù)據(jù)庫(kù))獲取除草刀具材料參數(shù)。土壤與水離散元顆粒和除草刀模型的材料參數(shù)如表1所示，材料間接觸參數(shù)如表2所示。

對(duì)不同結(jié)構(gòu)與不同傾角的除草刀齒與水田土壤的相互作用進(jìn)行離散元?jiǎng)恿W(xué)仿真。除草刀的前進(jìn)速度設(shè)置為0.2 m/s，最大入土深度不宜超過(guò)移栽秧苗的根系深度[30]，刀齒最大入土深度為3 cm。土壤阻力通過(guò)土壤阻力－時(shí)間折線圖(圖7)表明，規(guī)定除草刀齒與土壤接觸的時(shí)刻為0，仿真時(shí)間共0.5 s。

表1 材料參數(shù)Table 1 Material parameters

表2 材料間接觸參數(shù)Table 2 Contact parameters between materials

圖7 除草刀所受土壤阻力仿真結(jié)果Fig. 7 Simulation results of soil resistance to weeding blades

根據(jù)仿真結(jié)果，不同傾角 (0、5、10、15和20°)的直齒刀對(duì)應(yīng)的阻力最大值分別為24.18、19.38、15.55、21.89和 19.20 N，對(duì)應(yīng)的阻力平均值為 14.30、13.53、12.94、15.82 和 15.49 N；而不同傾角 (0、5、10、15 和 20°)彎齒刀對(duì)應(yīng)的阻力最大值為5.78、5.69、4.98、5.20和 5.73 N，對(duì)應(yīng)的阻力均值為4.04、3.63、3.12、3.40和 3.54 N。直齒刀所受的土壤阻力大于彎齒刀，不同類(lèi)型的刀齒受土壤的阻力最大值與平均值均隨著傾角增大呈先減后增的趨勢(shì)。綜上，傾角為10°的彎齒刀破壞土壤時(shí)受到土壤的阻力較小。

利用EDEM的后處理器，得到土壤顆粒的運(yùn)動(dòng)速度分布，土壤顆粒受除草刀擾動(dòng)會(huì)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)速度，可根據(jù)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)速度的顆粒數(shù)量判定土壤受擾動(dòng)程度的大小。垂直于刀齒前進(jìn)方向，在刀齒尖端處做截面，觀察同一時(shí)刻(0.5 s)截面上顆粒的運(yùn)動(dòng)速度分布，如圖8所示。顆粒的運(yùn)動(dòng)速度范圍為0～0.100 m/s，在刀齒附近的土壤顆粒為擾動(dòng)土壤顆粒，速度分布在0.033～0.100 m/s，因此規(guī)定速度大于0.033 m/s的顆粒為受擾動(dòng)的顆粒。使用Photoshop圖像處理軟件統(tǒng)計(jì)出截面內(nèi)受擾動(dòng)顆粒像素所占的面積，面積越大，說(shuō)明土壤受擾動(dòng)程度越大。統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表3，根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，傾角為10°的彎齒刀產(chǎn)生的土壤擾動(dòng)程度較大，被擾動(dòng)的土壤區(qū)域面積為149.69 cm2。

綜合仿真結(jié)果可知，傾角為10°的彎齒刀與土壤相互作用時(shí)產(chǎn)生的阻力較小、土壤擾動(dòng)程度較大，是較優(yōu)的設(shè)計(jì)。

圖8 不同除草刀齒不同傾角作用下水田土壤顆粒運(yùn)動(dòng)速度分布Fig. 8 Distribution of particle motion velocity under different weeding blade claw with different inclinations in paddy soil

3.3 仿真結(jié)果驗(yàn)證

為驗(yàn)證離散元?jiǎng)恿W(xué)仿真結(jié)果是否與實(shí)際情況相符，于2018年11月在華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院土槽試驗(yàn)平臺(tái)對(duì)彎齒刀進(jìn)行測(cè)試試驗(yàn)，每種除草刀進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn)，每次試驗(yàn)后將土槽泥土恢復(fù)平整，測(cè)試不同傾角彎齒刀除草部件作業(yè)時(shí)的土壤阻力。具體設(shè)計(jì)如圖9所示，土槽試驗(yàn)平臺(tái)由土槽、滑軌支架和移動(dòng)平臺(tái)組成。土槽在試驗(yàn)前進(jìn)行泡水、攪拌、混合等處理，并靜置2 d，形成上部覆有水層的仿飽和水田土壤；移動(dòng)平臺(tái)由130BYG350D 步進(jìn)電機(jī)(步距角1.2°，步距精度5%) 提供前進(jìn)動(dòng)力，測(cè)試過(guò)程中移動(dòng)平臺(tái)的速度為0.2 m/s，除草刀的入土深度為30 mm；除草刀和DS2-500N-S推拉力傳感器(測(cè)量范圍0～500 N，精度為±0.1%F.S，最小讀數(shù)達(dá)到0.01 N)安裝在移動(dòng)平臺(tái)上，拉力傳感器的采集頻率為50 Hz。由于平臺(tái)勻速移動(dòng)，拉力傳感器測(cè)得的牽引力與土壤阻力大小相等、方向相反，所測(cè)的牽引力經(jīng)轉(zhuǎn)換后以數(shù)字信號(hào)的形式存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)。

表3 受擾動(dòng)顆粒統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 3 Statistical result of particles under turbulence

圖9 仿真結(jié)果土槽驗(yàn)證試驗(yàn)Fig. 9 Soil bin validation experiment of simulation result

土壤阻力實(shí)測(cè)值結(jié)果如圖10所示，彎齒刀接觸土壤后所受的阻力呈平穩(wěn)上升趨勢(shì)。在刀齒完全入土后土壤阻力在2～7 N穩(wěn)定波動(dòng)，且較平穩(wěn)，數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)與仿真結(jié)果相似。試驗(yàn)過(guò)程中不同傾角彎齒刀所受最大阻力和平均阻力的實(shí)測(cè)值見(jiàn)表4，結(jié)果(表4)顯示，彎齒刀的實(shí)測(cè)值大于仿真值，驗(yàn)證結(jié)果與仿真值誤差小于20%，土壤阻力仿真結(jié)果可靠。

表4 彎齒刀土槽試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果Table 4 Measured data of bending blade experiment in soil bin and the simulation result

4 田間試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)材料

株間除草裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化(選用彎刀式、傾角10°的除草刀齒)后，為驗(yàn)證在不同工作參數(shù)下的綜合工作性能(除草率及傷苗率)，并選出較優(yōu)的工作條件，2019年4月5日在廣東省肇慶市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所試驗(yàn)田中進(jìn)行機(jī)械除草單體搭載的田間性能試驗(yàn)。試驗(yàn)于插秧后15 d進(jìn)行，試驗(yàn)使用的水稻品種為‘恒豐優(yōu)3 512’，秧苗平均高度為270 mm、株距約為150 mm。試驗(yàn)田內(nèi)雜草以稗草、千金子、節(jié)節(jié)菜和陌上菜為主，雜草的平均根系深度為22 mm，株間雜草平均密度為每平方米160株。田塊于試驗(yàn)前1 d蓄水30 mm，試驗(yàn)當(dāng)天放水，試驗(yàn)時(shí)泥腳深度約為200 mm。田間試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖11所示。

圖11 株間除草裝置田間試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)Fig. 11 Scene of field experiment of paddy intra-row weeding device

4.2 試驗(yàn)方法

株間除草裝置單體的田間性能試驗(yàn)以氣缸伸縮速度、機(jī)具前進(jìn)速度和除草深度3個(gè)工作參數(shù)作為試驗(yàn)因子，采用三因素五水平二次旋轉(zhuǎn)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，分析各工作參數(shù)對(duì)除草率(y1)和傷苗率(y2)的影響，除草率與傷苗率定義如下：

式中，Z為試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)水稻行間雜草總株數(shù)，S為除草作業(yè)后試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)水稻行間剩余雜草株數(shù)，I為除草作業(yè)后試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)被壓折、連根拔起和倒伏的損傷秧苗數(shù)，M為試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)的總秧苗數(shù)。試驗(yàn)因素水平編碼表如表5所示。

表5 試驗(yàn)因素水平編碼表Table 5 Factor level coding table for experiment

選取23塊30 m長(zhǎng)的地塊作為試驗(yàn)區(qū)域，每個(gè)試驗(yàn)區(qū)域前后各5 m長(zhǎng)的區(qū)域作為加速和減速的緩沖區(qū)，以保證機(jī)器能以穩(wěn)定的工作狀態(tài)通過(guò)試驗(yàn)區(qū)域。由2名計(jì)數(shù)員分別統(tǒng)計(jì)各自測(cè)試區(qū)域內(nèi)雜草數(shù)和傷苗數(shù)，對(duì)測(cè)得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)取平均值并轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的除草率與傷苗率。

4.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。根據(jù)表6的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析各因子對(duì)除草率的影響結(jié)果的方差分析如表7所示，比較各因子的F值可知，除草率顯著性的影響因子依次為除草深度(x3)、機(jī)具前進(jìn)速度(x2)、氣缸伸縮速度(x1)。將影響不顯著的因子(x1)剔除，得到除草率(y1)的回歸模型方程：

表6 試驗(yàn)方案及結(jié)果Table 6 Experimental scheme and results

表7 各因子對(duì)除草率影響的方差分析表Table 7 Variance analysis of influence from each factor to weeding rate

根據(jù)表6的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，各因子對(duì)傷苗率的影響結(jié)果的方差分析如表8所示，模型的F值為16.85，P＜0.000 1，表明該模型可信；失擬項(xiàng)F值為2.48，P=0.121 5，差異不顯著，表明該模型的擬合程度良好；因子x1、x2、x3影響極顯著，因子x2x3在水平α=0.05時(shí)影響顯著，因子x1x3、x12在水平α=0.1時(shí)影響顯著，其他因子影響不顯著；比較各因子的F值可知，影響傷苗率顯著性的因子依次為除草深度、機(jī)具前進(jìn)速度和氣缸伸縮速度。將影響不顯著的因子剔除，得到傷苗率(y2)的回歸模型方程為：

表8 各因子對(duì)傷苗率影響的方差分析表Table 8 Variance analysis of influence from each factor to seedling injury rate

根據(jù)回歸方程(12)，氣缸伸縮速度對(duì)除草率的影響不顯著，因此將氣缸伸縮速度設(shè)定在零水平，即0.35 m/s，得到的響應(yīng)曲面如圖12所示。分析可知，除草率最低為60%，除草率隨著機(jī)具前進(jìn)速度和除草深度的增加而增加，兩者達(dá)到最大時(shí)，除草率最大(82%)。通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)，除草深度對(duì)除草率的影響更加顯著。

圖12 機(jī)具前進(jìn)速度和除草深度對(duì)除草率影響的響應(yīng)曲面Fig. 12 Response surface of machine forward speed and weeding depth to weeding rate

將除草深度設(shè)定為零水平，即2.0 cm，得到氣缸伸縮速度與機(jī)具前進(jìn)速度的傷苗率響應(yīng)曲面(圖13a)。分析圖13a可知，傷苗率最低為2.73%，最高為4.39%，且傷苗率隨著氣缸伸縮速度的升高和機(jī)具前進(jìn)速度的降低而降低。氣缸伸縮速度升高會(huì)導(dǎo)致機(jī)具前進(jìn)速度對(duì)傷苗率的影響減弱，同時(shí)機(jī)具前進(jìn)速度的降低也會(huì)導(dǎo)致氣缸伸縮速度對(duì)傷苗率的影響減弱。當(dāng)氣缸伸縮速度最高而機(jī)具前進(jìn)速度最低時(shí)，傷苗率達(dá)到最小值。

將機(jī)具前進(jìn)速度設(shè)置為零水平，即0.20 m/s，得到氣缸伸縮速度與除草深度的傷苗率響應(yīng)曲面(圖13b)。分析圖13b可知，傷苗率最低為2.25%，最高為3.91%，且傷苗率隨著氣缸伸縮速度的升高和除草深度的降低而降低。氣缸伸縮速度升高會(huì)導(dǎo)致除草深度對(duì)傷苗率的影響增強(qiáng)，同時(shí)增加除草深度也會(huì)減弱氣缸伸縮速度對(duì)傷苗率的影響。當(dāng)氣缸伸縮速度最高而除草深度最低時(shí)，傷苗率達(dá)到最小值。

將氣缸伸縮速度設(shè)置為零水平，即0.35 m/s，得到機(jī)具前進(jìn)速度與除草深度的傷苗率響應(yīng)曲面(圖13c)。分析圖13c可知，傷苗率最低為1.99%，最高為3.89%，且傷苗率隨著機(jī)具前進(jìn)速度和除草深度的增加而增加。當(dāng)機(jī)具前進(jìn)速度和除草深度同時(shí)最小時(shí)，傷苗率達(dá)到最小值。

根據(jù)以上的分析，結(jié)合機(jī)具實(shí)際工作的要求，設(shè)定機(jī)具前進(jìn)速度為0.25 m/s，氣缸伸縮速度為0.45 m/s，除草深度為1.0～3.0 cm。以除草率＞80%，傷苗率＜4%為目標(biāo)，利用Design-Expert 11軟件進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化分析，在符合優(yōu)化目標(biāo)的參數(shù)中，除草深度的均值為2.42 cm，因此除草深度選擇2.50 cm。

在國(guó)家水稻產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系肇慶市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所開(kāi)展水稻株間機(jī)械除草性能多點(diǎn)重復(fù)田間試驗(yàn)，采用優(yōu)化的工作參數(shù)，氣缸伸縮速度0.45 m/s、機(jī)具前進(jìn)速度0.25 m/s和除草深度2.5 cm。每次試驗(yàn)分別選取30 m長(zhǎng)的地塊作為試驗(yàn)區(qū)域，重復(fù)5次，試驗(yàn)結(jié)果取平均值。試驗(yàn)結(jié)果表明肇慶不同水稻品種的平均除草率為83.91%，傷苗率為3.63%，該除草裝置能夠滿足水稻株間除草的性能要求。

圖13 不同影響因子對(duì)傷苗率影響的響應(yīng)曲面Fig. 13 Response surface of influence from each factor to seedling injury rate

5 結(jié)論

本研究在稻株機(jī)器視覺(jué)識(shí)別定位技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，采用機(jī)械設(shè)計(jì)理論、離散元?jiǎng)恿W(xué)仿真方法結(jié)合田間試驗(yàn)研制出氣動(dòng)式水稻株間機(jī)械除草裝置，結(jié)論如下：

1)運(yùn)用機(jī)械設(shè)計(jì)原理設(shè)計(jì)氣動(dòng)式株間除草機(jī)構(gòu)及其關(guān)鍵參數(shù)，得到氣動(dòng)式株間除草機(jī)構(gòu)的連桿長(zhǎng)35 mm，擺桿長(zhǎng)72.24 mm，除草部件到回轉(zhuǎn)中心水平距離84 mm，垂直距離191 mm。通過(guò)理論計(jì)算及Proe運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真驗(yàn)證其運(yùn)動(dòng)軌跡并測(cè)得除草部件提升高度40.25 mm＞40 mm，除草部件橫向擺動(dòng)距離60.26 mm＞50 mm，符合株間避苗除草的要求。

2)利用EDEM軟件建立水田土壤泥水混合的顆粒模型，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行不同結(jié)構(gòu)和傾角組合的除草刀齒與水田土壤相互作用的離散元?jiǎng)恿W(xué)仿真分析。根據(jù)仿真結(jié)果可得：關(guān)鍵除草部件形態(tài)為彎齒刀、傾角為10°時(shí)，關(guān)鍵除草部件與土壤接觸時(shí)阻力較小，為3.12 N，且對(duì)土壤的擾動(dòng)程度較大，受影響的面積達(dá)149.69 cm2。土槽試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明土壤阻力實(shí)測(cè)值與仿真值結(jié)果一致，誤差基本小于20%，仿真結(jié)果可靠。

3)對(duì)株間除草裝置整機(jī)進(jìn)行田間試驗(yàn)，試驗(yàn)采用二次正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)，得到氣缸伸縮速度、機(jī)具前進(jìn)速度和除草深度對(duì)除草率和傷苗率的影響規(guī)律，優(yōu)化結(jié)果表明：在機(jī)具前進(jìn)速度為0.25 m/s，氣缸伸縮速度為0.45 m/s，除草深度為2.5 cm的條件下，平均除草率為83.91%，傷苗率為3.63%，滿足株間除草率＞80%，傷苗率＜4%的性能要求。