林 靜，王東銳，呂洲翼，王鑫宇

（沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，沈陽 110161）

隨著近幾年全國果園種植面積的快速增長和我國現(xiàn)代果園種植模式的實(shí)施，果園機(jī)械化水平也應(yīng)該逐步提高。目前果園機(jī)械化水平相對(duì)較低，阻礙了林果業(yè)的快速發(fā)展，需要急需加快發(fā)展果園全程機(jī)械化水平。研究偏置式旋耕機(jī)可以伸入樹下作業(yè)，滿足果園旋耕作業(yè)前提下，提高了作業(yè)效率[1]。果園中耕作業(yè)是生產(chǎn)管理中關(guān)鍵作業(yè)之一，通過中耕作業(yè)可以改善土壤透氣性，提高果樹根部的呼吸效率，進(jìn)一步增加果樹產(chǎn)量和品質(zhì)。目前，遼寧省梨園產(chǎn)量位居全國第四，已經(jīng)成為遼寧林果業(yè)的支柱型產(chǎn)業(yè)，是當(dāng)?shù)匕l(fā)展農(nóng)村經(jīng)濟(jì)、帶動(dòng)農(nóng)民收入，助力鄉(xiāng)村振興的重要產(chǎn)業(yè)[2]。因此，設(shè)計(jì)一款自動(dòng)避障的果園旋耕機(jī)是解決果園高效率完成中耕作業(yè)的關(guān)鍵。

近些年來，我國林果業(yè)發(fā)展迅速，相關(guān)研究學(xué)者圍繞果園避障式旋耕機(jī)的整機(jī)及關(guān)鍵部件展開了相關(guān)研究。王斌等[3-6]提出通過將液壓控制系統(tǒng)嫁接于普通旋耕機(jī)上，并且著重設(shè)計(jì)了旋耕機(jī)的工作部件和避障系統(tǒng)，避障系統(tǒng)采用接觸式仿形避障的方式，該方法優(yōu)點(diǎn)是可靠性強(qiáng)，缺點(diǎn)是對(duì)于幼小果樹可能會(huì)造成一定的損傷。趙群喜等[7-8]提出在普通旋耕機(jī)上安裝液壓控制系統(tǒng)和避障執(zhí)行系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一種適合新疆果園的避障旋耕機(jī)，通過土槽試驗(yàn)和田間試驗(yàn)對(duì)樣機(jī)優(yōu)化，獲得了旋耕機(jī)的最優(yōu)參數(shù)組合，避障方式為接觸式仿形避障。胡傳亮等[9]提出的非接觸式避障采用激光和超聲波傳感器檢測，其優(yōu)點(diǎn)在于可靠性高，響應(yīng)快，超聲波可以穿透灰塵及小顆粒物，能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障的智能化要求。WANG 等[10]提出了一種非接觸式基于計(jì)算機(jī)視覺的控制方法，主要是通過攝像機(jī)來采集圖像，然后分析圖像，利用編程提取障礙物邊界，但是視覺技術(shù)在室外容易受幾何特征、物理環(huán)境、天氣和光線條件的影響，而且視覺技術(shù)所搭載的計(jì)算機(jī)硬件要求高，成本較大。馮吉等[11]提出一種非接觸式的激光雷達(dá)進(jìn)行障礙物掃描檢測，使用MATLAB 編程完成數(shù)據(jù)處理。史璐等[12]提出的激光雷達(dá)避障方案，優(yōu)點(diǎn)在于高精度掃描、使用環(huán)境較為廣泛，但用于避障割草機(jī)。以上研究為提升果園避障作業(yè)效果提供了基礎(chǔ)，由于果園避障旋耕機(jī)在進(jìn)行作業(yè)時(shí)，工作環(huán)境灰塵較大，因此本研究采用超聲波傳感器作為非接觸式避障識(shí)別。借助單片機(jī)控制系統(tǒng)將信號(hào)傳遞給液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)，根據(jù)機(jī)組前進(jìn)速度的情況而設(shè)定障礙物的識(shí)別距離，應(yīng)用仿真軟件對(duì)關(guān)鍵液壓系統(tǒng)進(jìn)行仿真，并進(jìn)行模擬試驗(yàn)驗(yàn)證，為自動(dòng)避障旋耕機(jī)提供理論參考。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與技術(shù)參數(shù)

果園智能避障式旋耕機(jī)整體結(jié)構(gòu)如圖1，主要由超聲波傳感器、單片機(jī)控制器、油缸、電磁閥、懸掛架、變速箱、前懸掛桿、尾板調(diào)整桿、傳動(dòng)軸、側(cè)邊齒輪箱、旋耕刀、旋耕刀輥、浮動(dòng)油封、左側(cè)板與扶手等組成。智能避障系統(tǒng)置于旋耕機(jī)機(jī)具一側(cè)前部，根據(jù)樹干排列及障礙物的大小可進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)，其關(guān)鍵部件油缸位于機(jī)具一側(cè)中部，與其智能避障系統(tǒng)位于同一側(cè)，左、右旋耕刀安裝在機(jī)具下部的旋耕刀輥上，變速箱通過六棱柱傳動(dòng)軸將動(dòng)力傳遞到側(cè)邊齒輪箱。

圖1 果園智能避障式旋耕機(jī)結(jié)構(gòu)Figure 1 Structure diagram of orchard intelligent obstacle avoidance rotary cultivator

果園智能避障式旋耕機(jī)采用三點(diǎn)懸掛在拖拉機(jī)后端，拖拉機(jī)通過后端動(dòng)力輸出軸為旋耕機(jī)提供動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)旋耕機(jī)在果樹間進(jìn)行中耕作業(yè)，當(dāng)超聲波傳感器識(shí)別到障礙物時(shí)，將信號(hào)傳遞給換向閥，液壓系統(tǒng)中的油缸推動(dòng)旋耕機(jī)工作部件橫向平移，實(shí)現(xiàn)果園旋耕機(jī)自動(dòng)避障作業(yè)，保障旋耕機(jī)及旋耕刀不觸碰樹干，避免樹干損傷，機(jī)具主要技術(shù)參數(shù)如表1。

表1 機(jī)具主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Technical specifications

1.2 工作原理

避障旋耕機(jī)作業(yè)時(shí)，通過安裝在機(jī)具前方的超聲波傳感器有效識(shí)別到障礙物或樹干，從而達(dá)到高效率完成果園中耕作業(yè)。由液壓系統(tǒng)和單片機(jī)控制系統(tǒng)共同組成自動(dòng)避障系統(tǒng)，當(dāng)機(jī)具前方的超聲波傳感器識(shí)別到障礙物或樹干（圖2a），通過單片機(jī)芯片處理信號(hào)，再將指令發(fā)送到換向閥開關(guān)，液壓系統(tǒng)收到指令后，液壓缸開始工作（圖2b），由拖拉機(jī)自生的液壓系統(tǒng)為油缸提供動(dòng)力，油缸驅(qū)動(dòng)機(jī)具橫向平移，此時(shí)三點(diǎn)懸掛機(jī)構(gòu)承載機(jī)具全部重量，旋耕機(jī)作業(yè)路徑改變，避免了機(jī)具觸碰果樹造成的損傷（圖2c），在旋耕機(jī)完全躲避障礙物或者樹干，此時(shí)的恢復(fù)信號(hào)為時(shí)間信號(hào)，設(shè)定避障動(dòng)作開始后，即開始計(jì)時(shí)，例如在1 s內(nèi)完成避障，則1 s后，單片機(jī)中計(jì)時(shí)器觸發(fā)恢復(fù)信號(hào)，旋耕機(jī)上的油缸通過換向閥將旋耕機(jī)恢復(fù)到初始狀態(tài)，繼續(xù)進(jìn)行自動(dòng)避障循環(huán)作業(yè)（圖2d），當(dāng)超聲波傳感器未檢測到障礙物或者樹干時(shí)，自動(dòng)避障系統(tǒng)不工作，旋耕機(jī)正常作業(yè)（圖2c）。

2 關(guān)鍵部件避障結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 自動(dòng)避障識(shí)別設(shè)計(jì)

自動(dòng)避障識(shí)別設(shè)計(jì)主要采用超聲波傳感器（圖3），它是將超聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，具有頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象好，特別是方向性極好、能夠成為射線而定向傳播，常用的超聲波傳感器由壓電晶片組成，既可以發(fā)射超聲波，也可以接收超聲波[13]。

圖3 超聲波傳感器工作原理Figure 3 Ultrasonic wave sensor

超聲波發(fā)射器到障礙物的距離L1，超聲波接收器到障礙物的距離L2，是超聲波傳感器的主要技術(shù)參數(shù)，可根據(jù)設(shè)定障礙物的大小選定其影響因素的值，根據(jù)圖3建立公式為：

式中：L1為超聲波發(fā)射器到障礙物的距離（m）；L2為超聲波接收器到障礙物的距離（m）；c為超聲波在媒體中的傳播速度（km·h-1）；t1為超聲波發(fā)射器到障礙物所用的時(shí)間（h）；t2為超聲波接收器到障礙物所用的時(shí)間（h）；Vm為超聲波前進(jìn)速度（km·h-1）。

根據(jù)式（1）可以確定超聲波傳感器的識(shí)別距離，超聲波傳感器通過四個(gè)引腳與單片機(jī)連接，兩個(gè)引腳接電源正負(fù)極，兩個(gè)引腳接單片機(jī)上的信號(hào)引腳，當(dāng)超聲波傳感器檢測到前方障礙物時(shí)會(huì)產(chǎn)生顯著反射形成反射成回波。超聲波傳感器通過發(fā)射器發(fā)出超聲波信號(hào)，如果前方無障礙物，則接收器收不到反饋信號(hào)，此時(shí)超聲波傳感器發(fā)出的波段信號(hào)會(huì)繼續(xù)傳播下去；如果遇到前方有障礙物時(shí)，障礙物會(huì)將超聲波反射回去，此時(shí)接收器會(huì)接收到反射回來的超聲波，此過程即為超聲波識(shí)別測距過程。

2.2 智能避障控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能避障控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要利用AT89C51單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)。相比于接觸式避障方式而言，非接觸避障方式可以更好地保護(hù)樹干及機(jī)器，防止機(jī)器與樹干或者障礙物的碰撞。選擇單片機(jī)作為自動(dòng)避障控制的理由是結(jié)構(gòu)簡單，利于實(shí)現(xiàn)簡單的避障信號(hào)控制與計(jì)算，其內(nèi)在芯片處理速度較接觸式的處理速度快，為避障動(dòng)作提供更多的時(shí)間，單片機(jī)較接觸式避障方式更為可靠。

智能避障控制系統(tǒng)的主要作用是將超聲波傳感器識(shí)別到障礙物的信號(hào)處理，然后再迅速將信號(hào)傳遞為電磁換向閥，從而使旋耕機(jī)上的油缸開始工作，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)避障動(dòng)作。當(dāng)超聲波傳感器未識(shí)別到障礙物信號(hào)，此時(shí)單片機(jī)未收到超聲波傳感器送來的信號(hào)，因此電磁換向閥不工作，液壓回路繼續(xù)保持原來的狀態(tài)，油缸此時(shí)也不工作，旋耕機(jī)就是普通的旋耕機(jī)而進(jìn)行旋耕作業(yè)。圖4為果園智能避障旋耕機(jī)的控制系統(tǒng)原理圖。

圖4 單片機(jī)控制原理Figure 4 Single chip microcomputer control schematic diagram

AT89C51 單片機(jī)采用40 引腳的PDIP 封裝方式，主電源引腳GND 接地和VCC接4～5.5 V[13]。具體各個(gè)引腳接線如圖5，此時(shí)設(shè)置超聲波傳感器的識(shí)別距離為5 mm，超聲波模塊共有4 個(gè)引腳，分別于與單片機(jī)的電源引腳和信號(hào)引腳連接。此控制電路為了直觀地反應(yīng)超聲波識(shí)別距離，特意增加LED顯示屏顯示超聲波的識(shí)別距離，當(dāng)識(shí)別距離小于設(shè)定的5 mm時(shí)，蜂鳴器響，以此來提示駕駛員。單片機(jī)通過寫入程序來控制整個(gè)智能避障系統(tǒng)。

圖5 單片機(jī)控制電路圖Figure 5 Single chip microcomputer control circuit diagram

2.3 智能避障執(zhí)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能避障執(zhí)行系統(tǒng)主要有液壓回路來完成。液壓回路主要由雙作用液壓缸、可調(diào)節(jié)單向節(jié)流閥、三位四通電磁換向閥、油箱、液壓源、過濾器與溢流閥組成。智能避障執(zhí)行系統(tǒng)主要是油缸及液壓回路，液壓回路設(shè)計(jì)包含了各個(gè)液壓元件，其中電磁換向閥為液壓回路的主要部件，它控制著整個(gè)液壓回路中液壓油的流動(dòng)方向，液壓源為拖拉機(jī)本身自帶的液壓源為其提供動(dòng)力來源，溢流閥主要是為了液壓油缸行程結(jié)束以后部分液壓油繼續(xù)回流進(jìn)油箱，可調(diào)節(jié)單向節(jié)流閥主要是用來控制液壓油缸的速度，根據(jù)不同的果園株距以及拖拉機(jī)的前進(jìn)速度而進(jìn)行簡單的調(diào)節(jié)，保障智能避障系統(tǒng)的可靠性。

2.4 液壓系統(tǒng)液壓元件選用

選用液壓缸根據(jù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的要求，不僅要保證液壓缸有足夠的作用力、速度和行程，而且還要有足夠的強(qiáng)度和剛度。但是在某些特殊情況下，為了使用標(biāo)準(zhǔn)的液壓缸或者利用現(xiàn)有的液壓缸例如液壓缸的額定工作壓力，可以略微超出這些液壓缸的額定工作范圍。例如液壓缸的額定工作壓力為6.3 MPa,為了提高其作用力，使它能推動(dòng)超過額定負(fù)載的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，允許將它的工作壓力提高到6.5 MPa 或者略微高一些。因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)液壓缸零件時(shí)，都有一定的安全裕度[14]。

雙作用液壓缸（普通缸），農(nóng)業(yè)機(jī)械及小型工程機(jī)械工作壓力取10～16 MPa,基于拖拉機(jī)型號(hào)的自身液壓系統(tǒng)取值P為14 MPa。液壓缸活塞行程選用第一系列中的500 mm，油缸連接采用耳環(huán)式安裝，便于更換。

液壓缸活塞桿直徑計(jì)算公式：

式中：D為液壓油缸活塞桿直徑（m）；Fw為作用在活塞上的負(fù)載力（N）；ηm為液壓油缸的機(jī)械效率，取0.93；P1為液壓油缸工作腔壓力（Pa）；P2為液壓油缸回油腔壓力（Pa）；φ為液壓油缸桿徑比，取0.54。

根據(jù)式（2）旋耕機(jī)重力為作用在活塞的負(fù)載力，得到D=0.083 m，根據(jù)液壓系統(tǒng)工作壓力選取d/D=0.7,則d=0.058 m,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)適當(dāng)圓整取D=0.08 m,d=0.05 m，初定液壓油缸。

液壓油缸活塞桿運(yùn)動(dòng)速度公式，當(dāng)活塞桿前進(jìn)時(shí)：

當(dāng)活塞桿后退時(shí)：

式中：Q為流量（m3·s-1）；D為液壓直徑（m）；d為活塞桿直徑（m）；ηv為容積效率，取0.92。

根據(jù)式（3）和式（4）得到液壓油缸的伸出速度和收回速度均與其流量有直接關(guān)系，取流量Q=0.001 m3·s-1，故此得到油缸伸出速度為0.34 m·s-1，收回速度為0.68 m·s-1。

液壓缸活塞行程時(shí)間公式，當(dāng)活塞桿伸出時(shí)：

當(dāng)活塞桿縮回時(shí)：

式中：V為液壓缸容積（m3）;S為活塞行程（m）；Q為流量（m3·s-1）；D為液壓直徑（m）；d為活塞桿直徑（m）。

根據(jù)式（5）和式（6）得到液壓油缸的伸出時(shí)間和收回時(shí)間均與其活塞行程有直接關(guān)系，取活塞行程S=0.5 m，故此得到油缸伸出速度為1.256 s，收回速度為0.766 s。根據(jù)其值較快，為滿足不同的條件，因此需要在液壓回路上加裝可調(diào)節(jié)單向節(jié)流閥，以此來滿足不同的油缸伸出速度和收回速度。根據(jù)國標(biāo)《GB/T321-2005》選擇HSG型工程液壓缸，型號(hào)為：HSG※01-80/45E。部分參數(shù)如表2。

表2 液壓系統(tǒng)元件參數(shù)Table 2 Hydraulic pressure system component parameter

選用可調(diào)節(jié)流閥，用來控制流體流量，從而達(dá)到控制流量控制。節(jié)流閥是通過改變節(jié)流截面或節(jié)流長度以控制流體流量的閥。流量控制閥基本要求：流量調(diào)節(jié)范圍，在規(guī)定的進(jìn)出口壓差下，調(diào)節(jié)閥口開度能達(dá)到的最小穩(wěn)定流量和最大流量之間的范圍。最大流量與最小穩(wěn)定流量之比一般在50 以上。根據(jù)國標(biāo)及液壓缸參數(shù)，選用力士樂系列的MK10G12型可調(diào)節(jié)流閥，部分參數(shù)如表2。

選用電磁閥根據(jù)液壓回路的要求，不僅要保證電磁閥要迅速，而且要保證整個(gè)液壓回路的壓力不能過大。電磁換向閥也叫電磁閥，是液壓控制系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換元件。它利用通電電磁鐵的吸引力推動(dòng)滑閥閥芯移動(dòng)，改變油流的通斷，來實(shí)現(xiàn)執(zhí)行元件的換向、啟動(dòng)、停止。根據(jù)國標(biāo)、液壓缸參數(shù)和節(jié)流閥參數(shù)，選用力士樂系列三位四通的WE5型濕式電磁換向閥，部分參數(shù)如表2。

3 避障結(jié)構(gòu)仿真分析

3.1 避障結(jié)構(gòu)模型建立

在FluidSIM-H 軟件上建立液壓回路（圖6），該軟件具有豐富的元件庫，可以清晰地反映液壓回路中液壓油的流動(dòng)方向以及各元件的性能參數(shù)。整個(gè)液壓回路液壓油的流動(dòng)方向均由電磁閥來控制，電磁閥的得電與失電主要由單片機(jī)來控制，油缸的伸出和縮回速度主要由可調(diào)節(jié)單向節(jié)流閥來控制，當(dāng)電磁閥處于中立狀態(tài)時(shí)，由于液壓源的持續(xù)輸出，造成液壓回路中依然有液壓油流動(dòng)，因此必須添加溢流閥使此狀態(tài)下液壓油回流到油箱中。

圖6 液壓回路仿真模擬Figure 6 Hydraulic circuit simulation diagram

3.2 仿真結(jié)果分析

根據(jù)FluidSIM-H 軟件建立的液壓回路進(jìn)行仿真分析可知，可調(diào)節(jié)單向節(jié)流閥的開合度直接影響了油缸伸出和縮回的速度，根據(jù)圖7，液壓油缸的伸出速度Va隨著節(jié)流閥的開合度的增大，速度也逐漸增大，液壓油缸的縮回速度Vb隨著節(jié)流閥的開合度的增大，速度也是隨著增大，因此選擇合適的節(jié)流閥開合度是直接影響液壓油缸的伸出和縮回速度的因素。

圖7 液壓回路節(jié)流閥開口度與油缸速度的關(guān)系Figure 7 Hydraulic circuit cylinder speed diagram

4 避障系統(tǒng)田間試驗(yàn)

4.1 田間試驗(yàn)方案

為了更好地驗(yàn)證智能避障系統(tǒng)不同工況下的作業(yè)要求，進(jìn)行最佳工作參數(shù)試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)間為2022 年6月，試驗(yàn)地點(diǎn)為甘肅省張掖市甘州區(qū)沙井鎮(zhèn)五個(gè)墩村果園基地。經(jīng)過實(shí)地測量，果園行距為3 m，株距平均值為1.98 m。田間試驗(yàn)過程中主要所需的儀器為：東風(fēng)404-10 型拖拉機(jī)、安裝智能避障系統(tǒng)的果園旋耕機(jī)、卷尺、直尺等，田間試驗(yàn)如圖8。

圖8 田間試驗(yàn)Figure 8 Field test

田間試驗(yàn)主要是為了測試智能避障系統(tǒng)的工作效果，智能避障系統(tǒng)在保證不觸碰障礙物的前提下而進(jìn)行避障動(dòng)作，其中果園中的障礙物主要為果樹樹干及樹冠，電線桿及其他桿型障礙物可視為果樹樹干為參考，試驗(yàn)時(shí)單獨(dú)對(duì)電線桿進(jìn)行試驗(yàn)分析，要求果園旋耕機(jī)的避障率應(yīng)盡量大，影響這個(gè)指標(biāo)的因素主要有前進(jìn)速度、旋耕機(jī)橫向移動(dòng)速度和識(shí)別距離，其他的因素對(duì)避障率的影響較小。避障率的衡量標(biāo)準(zhǔn)為：當(dāng)旋耕機(jī)橫向移動(dòng)時(shí)，旋耕機(jī)機(jī)架位置與果樹根部的距離超過0.1 m時(shí)即為避障成功，若距離小于0.1 m時(shí)，即視為避障不成功，未完成避障動(dòng)作。

由于田間試驗(yàn)在夏季進(jìn)行，因此在果園中存在雜草以及其他作物的影響，因此在試驗(yàn)時(shí)需要將試驗(yàn)的地方將雜草及作物清除，由于時(shí)間等其他因素的關(guān)系，本應(yīng)該在春季耕整地時(shí)節(jié)進(jìn)行田間試驗(yàn)，所以為了盡可能地還原試驗(yàn)真實(shí)場地，因此需要將周圍雜草及作物清除干凈。田間試驗(yàn)在圖8 中已經(jīng)將旋耕機(jī)識(shí)別的地方將雜草及作物清除，試驗(yàn)時(shí)機(jī)具的前進(jìn)距離為30 m，識(shí)別系統(tǒng)距離機(jī)架橫向位置為0.08 m，由于試驗(yàn)時(shí)整列果樹排列偏差較小，因此可以忽略因果樹位置偏差而造成的試驗(yàn)誤差。圖8中選擇的地塊為果園最靠地邊的位置，因此會(huì)有草垛，但是并未影響試驗(yàn)，拖拉機(jī)及旋耕機(jī)均可以通過。

試驗(yàn)中恢復(fù)信號(hào)的時(shí)間由于各個(gè)因素的變化而變化，因此進(jìn)行每組試驗(yàn)前需要修改單片機(jī)的程序，調(diào)整恢復(fù)信號(hào)的時(shí)間。在控制其他因素不變的條件下，以前進(jìn)速度、旋耕機(jī)橫向移動(dòng)速度和識(shí)別距離為試驗(yàn)因素，以避障率為試驗(yàn)指標(biāo)，進(jìn)行三因素三水平的正交試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)，共進(jìn)行17組試驗(yàn)，試驗(yàn)因素編碼表如表3。

表3 正交試驗(yàn)因素水平Table 3 Table of orthogonal test factors and levels

4.2 田間試驗(yàn)分析

正交試驗(yàn)表如表4，共17組試驗(yàn)。

表4 正交試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Orthogonal experiment result

應(yīng)用Design-expert軟件對(duì)自動(dòng)避障控制系統(tǒng)的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行多元回歸擬合分析，以避障率為響應(yīng)值、前進(jìn)速度（x1）、旋耕機(jī)橫向移動(dòng)速度（x2）、識(shí)別距離（x3）為自變量，剔除不顯著項(xiàng)，得到避障率的回歸方程為：

式中：x1為前進(jìn)速度（km·h-1）；x2為旋耕機(jī)橫向移動(dòng)速度（m·s-1）；x3為識(shí)別距離（m）。

對(duì)避障率的回歸方程（7）進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，結(jié)果如表5。從表5 方差分析中看出p值為0.000 4（p＜0.01），極顯著。失擬項(xiàng)p值為0.151 8＞0.05,對(duì)結(jié)果影響不顯著。

表5 避障率方差分析Table 5 Obstacle avoidance rate variance analysis table

將一個(gè)因素固定在零水平，利用響應(yīng)面圖可以直觀地看出其余兩因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響。圖9 為各個(gè)因素對(duì)避障率的影響。

圖9 試驗(yàn)因素對(duì)避障率顯著性影響的響應(yīng)面Figure 9 The response surface of the significant influence of experimental factors on obstacle avoidance rate

從避障率的響應(yīng)面圖看出，避障率隨著旋耕機(jī)橫向移動(dòng)速度的增大而提高，在前進(jìn)速度變小和旋耕機(jī)橫向移動(dòng)速度增大時(shí)，避障率提高（圖9a)；避障率隨著識(shí)別距離的增加而提高，在前進(jìn)速度變小和識(shí)別距離增大時(shí)，避障率提高（圖9b)；避障率隨著旋耕機(jī)橫向移動(dòng)速度和識(shí)別距離的增加而提高，成正比例關(guān)系（圖9c)；而前進(jìn)速度與避障率成反比例關(guān)系。

根據(jù)建立的回歸模型，可以獲得各因素的最優(yōu)參數(shù)組合，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障系統(tǒng)的最佳作業(yè)參數(shù)。利用Design-expert 8.0.6軟件的優(yōu)化求解部分，以最大避障率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，建立數(shù)學(xué)模型：

求得滿足約束條件的最大避障率的最優(yōu)參數(shù)組合為：前進(jìn)速度3.69 km·h-1，旋耕機(jī)橫向移動(dòng)速度0.52 m·s-1，識(shí)別距離0.41 m，此時(shí)避障率可達(dá)到97.91%。根據(jù)求解得到前進(jìn)速度，旋耕機(jī)橫向移動(dòng)速度和識(shí)別距離的最優(yōu)組合為A2B2C2，在同一地點(diǎn)以同樣的方法進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果顯示當(dāng)自動(dòng)避障系統(tǒng)在3.69 km·h-1的速度前進(jìn)時(shí)，以0.52 m·s-1的旋耕機(jī)橫向移動(dòng)速度時(shí)，在識(shí)別距離為0.41 m 時(shí)，機(jī)具的避障率為97.91%，達(dá)到了自動(dòng)避障的農(nóng)藝要求，證明優(yōu)化結(jié)果合理可靠。

5 討論與結(jié)論

由于目前果園避障作業(yè)過程中大多都使用接觸式的避障方式，通過機(jī)具的仿形結(jié)構(gòu)接觸障礙物來傳遞避障信號(hào)，導(dǎo)致在仿形結(jié)構(gòu)接觸過程中造成的果樹損傷以及仿形結(jié)構(gòu)的失效等問題。主要因?yàn)榻佑|式避障方式不能完全保證果樹的安全性，以及避障動(dòng)作的準(zhǔn)確性。因此，本研究根據(jù)現(xiàn)代化果園種植模式設(shè)計(jì)了一種非接觸式的智能避障系統(tǒng)，提高了避障準(zhǔn)確性和果樹的安全性。

通過Proteus 8 Professional 軟件設(shè)計(jì)出了單片機(jī)控制部分原理，Keil uVision5 軟件編寫了超聲波傳感器接口與單片機(jī)處理的程序，通過FluidSIM-H 軟件仿真分析設(shè)計(jì)出自動(dòng)避障系統(tǒng)的液壓回路，并通過節(jié)流閥的開口度的大小影響油缸速度的關(guān)系，并對(duì)液壓回路的液壓缸、節(jié)流閥和電磁換向閥進(jìn)行了理論計(jì)算和選型，設(shè)計(jì)出了智能避障系統(tǒng)的執(zhí)行部分。

本研究結(jié)果表明，智能避障系統(tǒng)以0.52 m·s-1的旋耕機(jī)橫向移動(dòng)速度伸縮移動(dòng)和識(shí)別距離為0.41 m，機(jī)具前進(jìn)速度以3.69 km·h-1的速度前進(jìn)時(shí)，智能避障系統(tǒng)的避障率達(dá)到97.91%。通過對(duì)試驗(yàn)結(jié)論的驗(yàn)證，在最優(yōu)的參數(shù)組合下，避障率的平均值達(dá)到97.24%，滿足果園避障旋耕作業(yè)的相關(guān)技術(shù)要求，可以為果園智能避障旋耕機(jī)的設(shè)計(jì)及參數(shù)優(yōu)化提供一定的理論參考。