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)機械工程科學(xué)研究院佳木斯農(nóng)業(yè)機械化研究所， 佳木斯 154000)

0 引言

有機農(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、降低資源浪費和環(huán)境污染等優(yōu)點[1-7]，這也對農(nóng)田除草作業(yè)提出了更高要求[8]。機械除草是實現(xiàn)有機農(nóng)業(yè)的有效技術(shù)措施，近年來水稻行間除草技術(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械方式去除[15]，因此影響了水稻植株生長，降低了水稻產(chǎn)量和品質(zhì)[16-18]。

按照結(jié)構(gòu)形式，水稻株間被動機械除草裝置可分為對轉(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)域為稻苗兩側(cè)6～10 cm。吳崇友等[14]研究的主動擺動除草刀齒和王金武等[23-24]研究的主動式螺旋彈齒株間除草盤，通過關(guān)鍵部件的主動往復(fù)擺動和回轉(zhuǎn)能夠?qū)崿F(xiàn)株間全幅除草，但是均不具備對植株的識別和定位功能，存在傷苗現(xiàn)象。為了降低機械除草造成的傷苗率，機械視覺和自動控制等技術(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導(dǎo)航方面，單一的自動控制需要較理想的作業(yè)環(huán)境才能實現(xiàn)精準(zhǔn)避障，目前鮮見根據(jù)稻株位置精確控制除草工作部件而進行株間除草作業(yè)的研究。文獻[28]研制了一種基于機械視覺的氣動式除草裝置，具有較好的作業(yè)效果，但該裝置依賴視覺智能導(dǎo)航平臺，其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，作業(yè)效率有待提高。

本文設(shè)計一種不依托于智能導(dǎo)航平臺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)合機械結(jié)構(gòu)設(shè)計與電控技術(shù)，通過理論分析和虛擬仿真試驗設(shè)計一種基于往復(fù)式開合運動的對置弧齒式稻田株間避苗除草裝置，通過田間試驗驗證其作業(yè)性能，以期為該裝置的進一步優(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控制系統(tǒng)組成，其中避苗自動控制系統(tǒng)包括光電傳感器、傳感器固定架、電動直線推桿和避苗控制器等。光電傳感器通過傳感器固定架安裝在安裝架前側(cè)，為植株定位檢測元件。電動直線推桿通過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直線推桿伸縮端和兩對置株間除草弧齒鉸接。光電傳感器和電動直線推桿沿機組前進方向前后排布，避苗控制器固定安裝在機架上。

該裝置由插秧機機頭提供動力，通過機架掛接在三點懸掛架上，沿插秧機前進方向運動。作業(yè)前，通過調(diào)節(jié)機架上限深裝置使除草弧齒在設(shè)定的入土深度下運行，啟動避苗除草控制系統(tǒng)，并通過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最大間距等信息。作業(yè)時，該裝置隨著插秧機頭的前進方向運動，避苗控制器中的GPS模塊監(jiān)測機具的作業(yè)速度，光電傳感器處于常開狀態(tài)監(jiān)測水稻植株位置，當(dāng)行進方向上出現(xiàn)秧苗遮擋光電傳感器接收端接收光線時，微控制器結(jié)合機具當(dāng)前作業(yè)速度實時調(diào)控電動直線推桿運行速度，并依次做出相應(yīng)伸長和收縮動作，通過弧齒控制連接板傳遞動力使株間除草齒末端間歇性張開一定間距，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)。除草弧齒在機具的拉力作用下在雜草根系生長層內(nèi)向前被動移動，利用波紋段弧齒末端增加其對土壤的掃掠面積和擾動量，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，實現(xiàn)株間避苗除草。

2 關(guān)鍵部件及參數(shù)設(shè)計

2.1 稻田株間除草作業(yè)條件

綜合文獻[11]和實際測定數(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，同時其地上部分應(yīng)避免在作業(yè)過程中碰觸損壞秧苗莖葉，降低傷苗率。為了減小除草齒行程，提高自動避苗控制系統(tǒng)響應(yīng)速度，將除草齒設(shè)計為株間弧齒和株側(cè)弧齒，通過控制系統(tǒng)調(diào)控株間弧齒張開或閉合實現(xiàn)植株根部區(qū)域雜草清除，通過株側(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)機械工作部件滑切角超過金屬對土壤的摩擦角(23°～45°)時，可降低作業(yè)阻力[29-30]，基于此設(shè)計除草齒部分結(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)過程中具有更大的掃掠面積，將入土部分除草齒設(shè)計為波紋形態(tài)。為了避免兩對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，將其末端進行交錯重疊設(shè)計。地表以上部分除草齒主要用于連接機架和入土部分除草齒，其在作業(yè)過程中應(yīng)避免對秧苗造成接觸損傷，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)計原則與株間除草齒相同。特別地，株間除草齒在避苗過程中其末端需張開40 mm，則株間除草齒由圖3中位置Ⅰ移動到位置Ⅱ，株側(cè)除草齒應(yīng)避免干擾株間除草齒往復(fù)運動。

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)鍵點進行圓滑過渡形成除草弧齒，則株間除草裝置作業(yè)總幅寬為120 mm。

3 自動避苗控制系統(tǒng)設(shè)計

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植株位置，傳感器的安裝高度可以檢測到水稻植株，而不會檢測雜草，再通過控制器根據(jù)機組前進速度實時控制電動直線推桿伸縮量，進而調(diào)控除草弧齒開合，實現(xiàn)避苗作業(yè)。系統(tǒng)硬件由光電傳感器、電動直線推桿和控制器等組成，自動避苗控制系統(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，其工作頻率可達72 MHz，I/O口及內(nèi)部資源豐富，滿足設(shè)計需求；標(biāo)號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P2為光電傳感器，其信號輸出端通過串聯(lián)兩個電阻實現(xiàn)分壓后與單片機PA1引腳連接，確保輸入單片機的電壓信號在規(guī)定范圍內(nèi)；標(biāo)號SD CARD是SD卡存儲模塊，利用SD卡作為存儲媒介存儲作業(yè)信息，其為SPI通信模式，該模塊的1、2、5、7引腳分別與單片機支持SPI模式的4個引腳連接；標(biāo)號U5B為PWM功率放大模塊，可將單片機輸出的PWM信號放大，驅(qū)動12 V規(guī)格的電動直線推桿，其輸出端OUT為繼電器模塊K1和K2的信號輸入端。單片機通過控制PA7口和PA8口輸出不同高低電平，使繼電器模塊K1和K2分別動作，實現(xiàn)電動推桿的伸縮變換。電動直線推桿的運行速度通過PWM信號調(diào)制予以控制。標(biāo)號P4為GPS模塊，其TX、RX接口與單片機相應(yīng)串口相連；標(biāo)號P1為LCD顯示模塊，標(biāo)號KEY0～KEY3為按鍵模塊，二者共同實現(xiàn)人機交互功能。

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

3.2 系統(tǒng)程序

系統(tǒng)軟件設(shè)計流程如圖7所示。首先，初始化系統(tǒng)I/O端口、定時器和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間距等信息。隨后系統(tǒng)開始作業(yè)，GPS模塊監(jiān)測機具的作業(yè)速度，光電傳感器監(jiān)測水稻植株位置。當(dāng)傳感器監(jiān)測到植株位置信號時，單片機根據(jù)機具作業(yè)速度得出電動直線推桿延時時長和運行速度，利用PWM信號調(diào)制實時調(diào)節(jié)電動直線推桿運行速度，再控制繼電器模塊1動作，使電動推桿伸長，弧齒展開；隨后，單片機控制繼電器模塊2動作，使電動推桿收縮，弧齒閉合，從而實現(xiàn)株間避苗除草。LCD顯示器實時顯示系統(tǒng)的作業(yè)速度、稻株穴數(shù)等相關(guān)作業(yè)狀態(tài)，存儲模塊在每次作業(yè)完成后存儲作業(yè)數(shù)據(jù)。

3.3 避苗運動過程分析

光電傳感器和GPS模塊首先檢測秧苗位置和實時前進速度，隨后由控制器控制電動直線推桿驅(qū)動株間除草弧齒進行開閉運動，執(zhí)行避苗動作。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)傳感器未檢測到前方新秧苗時，電動直線推桿驅(qū)動株間除草齒在位置Ⅰ處執(zhí)行上一命令逐漸張開；當(dāng)傳感器到達并檢測到前方新植株時，單片機將電動直線推桿延時信號發(fā)出，同時電動直線推桿驅(qū)動株間除草齒經(jīng)過植株穴徑最大位置Ⅱ處；隨后電動直線推桿驅(qū)動株間除草齒株間閉合到達位置Ⅲ處，并根據(jù)收到的延時信號開始下一周期動作；在一個完整避苗運動周期內(nèi)，單片機向電動直線推桿發(fā)送一次延時和動作信號，以消除田間干擾信息對除草齒動作影響。因此，根據(jù)水稻種植株距和所選用光電傳感器參數(shù)，確定單片機通過PWM模塊和繼電器模塊控制電動直線推桿延時運行時間應(yīng)滿足

(1)

式中 Δt——電動直線推桿延時運行時間，s

S1——理論株距，m

S2——理論稻株穴徑，m

v——機組瞬時速度，m/s

電動直線推桿伸縮控制株間除草齒在避苗過程中的開閉運動，在實際作業(yè)過程中應(yīng)根據(jù)前進速度的變化實時調(diào)整電動直線推桿的伸縮速度，從而避免兩株間除草齒開閉時間過早或過晚，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)要求和選用的電動直線推桿參數(shù)，設(shè)定電動直線推桿最大伸縮量為5 mm，連接桿長度為40 mm，且電動直線推桿運行速度與機組前進速度之間滿足

vE=0.01v+0.02

(2)

式中vE——電動直線推桿運行速度，m/s

此時株間除草齒末端張開最大間距為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)除草裝置的前進速度小于0.9 m/s時，該系統(tǒng)均滿足株間除草要求。株間除草齒運動掠過一個作業(yè)周期的區(qū)域如圖9所示。

4 試驗與結(jié)果分析

4.1 虛擬仿真試驗

為了驗證株間除草裝置設(shè)計的合理性，采用顯式動力學(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，對裝置土壤擾動情況進行考察。

4.1.1模型建立

運用Creo軟件對株間除草齒進行三維建模和仿真簡化處理，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際水土耦合田間作業(yè)狀態(tài)，運用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，通過節(jié)點重合命令將2層模型的節(jié)點重合，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×寬×高)為650 mm×300 mm×30 mm，土層模型尺寸(長×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，以實現(xiàn)水-土在模型中相互混合。對水-土耦合模型施加重力約束，采用BOUNDARY_NON_REFLECTING關(guān)鍵字對水土表面進行約束，并對土壤底層施加SPC全約束。最后采用CONTROL_ALE關(guān)鍵字對ALE網(wǎng)格進行光滑化激活。

仿真過程如圖12所示。將除草弧齒運動簡化為勻速直線運動和周期性勻速圓周運動，采用CONSTRAINED_JOINT_REVOLUTE關(guān)鍵字對株間除草弧齒和除草齒固定架創(chuàng)建鉸鏈約束，運用DEFINE_CURVE和BOUNDARY_PRESCRIBED_MOTION_RIGID關(guān)鍵字定義和調(diào)用上述運動速度曲線。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，采用罰耦合算法進行流固耦合仿真。

4.1.2試驗方案

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行單因素虛擬仿真試驗，考察該裝置在其作業(yè)幅寬內(nèi)不同土層土壤擾動率變化情況，土壤擾動率為規(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]。試驗中，根據(jù)株間除草裝置實際作業(yè)情況，設(shè)前進速度為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Excel軟件進行數(shù)據(jù)處理。每個入土深度水平重復(fù)3次試驗，處理結(jié)果取平均值記為試驗結(jié)果。

4.1.3試驗結(jié)果

運用SPSS軟件處理試驗數(shù)據(jù)，進行方差分析和F檢驗，試驗結(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，入土深度對土壤擾動率具有顯著性影響(P<0.05)。當(dāng)入土深度增加時，0～40 mm土層內(nèi)土壤擾動率先升高后下降，在入土深度為32 mm時達到最大值，總擾動率為90.02%，此時在地表以下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區(qū)間小于考察的雜草根系生長深度范圍，使得在設(shè)置的作業(yè)深度水平下除草齒有效擾動區(qū)間內(nèi)的土壤擾動率更高；靠近除草齒有效擾動區(qū)間的泥土，在相互之間粘連作用下得到擾動，但擾動能力有限，使得除草齒有效擾動區(qū)間下方土壤擾動率下降顯著；波紋形除草齒在指定深度內(nèi)滑動，增加了有效擾動區(qū)間上方土壤在豎直方向的相互作用和運動，但越遠離除草齒有效擾動區(qū)的土層土壤擾動率越低?；谏鲜龇治觯_定除草齒入土深度為32 mm。

4.2 田間驗證試驗

為驗證弧齒式稻田株間自動避苗除草裝置在田間作業(yè)時工作性能，于2020年6月24日—7月1日在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)阿城水稻試驗示范區(qū)進行田間試驗。試驗期間平均氣溫20～25℃，無降雨。試驗田水層深度為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。

該裝置由南通富來威農(nóng)業(yè)裝備有限公司加工試制，通過三點懸掛架與插秧機機頭相連。試驗前，調(diào)節(jié)機器限深裝置控制該裝置作業(yè)深度為32 mm。試驗時控制插秧機前進速度為0.5、0.6、0.7、0.8、0.9 m/s，評價指標(biāo)為除草率和傷苗率。田間試驗現(xiàn)場如圖15所示。

試驗時，以15 m作為一個試驗區(qū)長度，設(shè)置試驗區(qū)前后各5 m區(qū)域為緩沖區(qū)用于機器啟停緩沖。除草率統(tǒng)計方法為在試驗區(qū)內(nèi)沿機器前進方向選取10個測試小區(qū)，測試小區(qū)大小為0.12 m(除草裝置理論作業(yè)幅寬)×1 m，每個測試小區(qū)間間隔0.5 m。記錄作業(yè)前后每個測試小區(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)生長定義為未除雜草。傷苗率統(tǒng)計方法為記錄試驗前后試驗區(qū)測試行內(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]。每組水平試驗重復(fù)3次，測試結(jié)果取平均值作為試驗結(jié)果。田間試驗結(jié)果如表1所示。

表1 田間試驗結(jié)果

由表1可知，自動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%，且前進速度對除草率具有顯著影響(P<0.05)，除草率隨著前進速度增加而升高。產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因可能是隨著前進速度的增大，除草齒與土壤和雜草根系間的相互作用也增加，提高了其對雜草根系在泥土中的擾動和剝離能力，從而使除草率升高；自動避苗控制系統(tǒng)在試驗前進速度范圍內(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，驗證了程序設(shè)計的合理性。對比田間試驗與仿真試驗結(jié)果可知，土壤擾動率可用于表征除草率，土壤擾動率越高則除草效果越好，同時驗證了仿真試驗的可行性。田間試驗結(jié)果表明，稻田株間自動避苗除草裝置除草作業(yè)性能良好，自動避苗系統(tǒng)運行穩(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)計了一種稻田株間自動避苗除草裝置，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)，通過理論分析將除草齒設(shè)計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直線推桿的協(xié)同作用，設(shè)計了一種自動避苗控制系統(tǒng)，通過光電傳感器檢測稻苗位置，根據(jù)植株監(jiān)測瞬時前進速度，實時調(diào)節(jié)電動直線推桿運行延時和運行速度，從而控制株間除草齒張開設(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94.47%。

(4)利用顯式動力學(xué)軟件LS-DYNA進行虛擬仿真試驗，確定了土壤擾動率最大時的除草齒入土深度為32 mm。田間試驗表明，稻田株間自動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)計要求。