弧齿往复式稻田株间自动避苗除草装置设计与试验

2021-06-29周文琪马骁驰王金武

农业机械学报 2021年6期

王奇周文琪唐汉马骁驰王金武佟童

(1.东北农业大学工程学院，哈尔滨 150030；2.黑龙江省农业机械工程科学研究院佳木斯农业机械化研究所，佳木斯 154000)

0 引言

有机农业要求种植业在生产中完全或基本不施用人工合成的肥料、农药和除草剂，具有提高土壤肥力、增加土壤微生物种类和数量、降低资源浪费和环境污染等优点[1-7]，这也对农田除草作业提出了更高要求[8]。机械除草是实现有机农业的有效技术措施，近年来水稻行间除草技术与装备得到广泛研究和应用，并取得了较好的效果[9-14]。由于水稻植株特性及水田环境的复杂性，使稻田株间杂草难以采用机械方式去除[15]，因此影响了水稻植株生长，降低了水稻产量和品质[16-18]。

按照结构形式，水稻株间被动机械除草装置可分为对转式、固定弹齿式和弹性耙齿式[19-22]。除草装置根据除草期水稻和杂草根系物理特性差异，合理配置关键部件作业深度，被动去除株间杂草，但在苗带范围内均存在漏除现象，通常漏除区域为稻苗两侧6～10 cm。吴崇友等[14]研究的主动摆动除草刀齿和王金武等[23-24]研究的主动式螺旋弹齿株间除草盘，通过关键部件的主动往复摆动和回转能够实现株间全幅除草，但是均不具备对植株的识别和定位功能，存在伤苗现象。为了降低机械除草造成的伤苗率，机械视觉和自动控制等技术和方法已应用于中耕除草装备中[25-27]，但相关研究主要集中在基于作物行的视觉导航方面，单一的自动控制需要较理想的作业环境才能实现精准避障，目前鲜见根据稻株位置精确控制除草工作部件而进行株间除草作业的研究。文献[28]研制了一种基于机械视觉的气动式除草装置，具有较好的作业效果，但该装置依赖视觉智能导航平台，其结构较为复杂，作业效率有待提高。

本文设计一种不依托于智能导航平台的稻田株间避苗除草装置，根据中耕期水稻植株和杂草物理特性，结合机械结构设计与电控技术，通过理论分析和虚拟仿真试验设计一种基于往复式开合运动的对置弧齿式稻田株间避苗除草装置，通过田间试验验证其作业性能，以期为该装置的进一步优化提供依据。

1 整体结构与工作原理

弧齿式稻田株间自动避苗除草装置的结构如图1所示，由安装架、株间除草弧齿、株侧除草弧齿、除草齿固定架、弧齿控制连接板和避苗自动控制系统组成，其中避苗自动控制系统包括光电传感器、传感器固定架、电动直线推杆和避苗控制器等。光电传感器通过传感器固定架安装在安装架前侧，为植株定位检测元件。电动直线推杆通过螺栓固装在除草齿固定架上，并由除草齿固定架安装在安装架后侧，为控制除草弧齿开闭的执行元件。株间除草弧齿与除草齿固定架铰接，弧齿控制连接板的两端分别与电动直线推杆伸缩端和两对置株间除草弧齿铰接。光电传感器和电动直线推杆沿机组前进方向前后排布，避苗控制器固定安装在机架上。

该装置由插秧机机头提供动力，通过机架挂接在三点悬挂架上，沿插秧机前进方向运动。作业前，通过调节机架上限深装置使除草弧齿在设定的入土深度下运行，启动避苗除草控制系统，并通过避苗控制器按键模块设置系统的控制精度和株间除草齿张开最大间距等信息。作业时，该装置随着插秧机头的前进方向运动，避苗控制器中的GPS模块监测机具的作业速度，光电传感器处于常开状态监测水稻植株位置，当行进方向上出现秧苗遮挡光电传感器接收端接收光线时，微控制器结合机具当前作业速度实时调控电动直线推杆运行速度，并依次做出相应伸长和收缩动作，通过弧齿控制连接板传递动力使株间除草齿末端间歇性张开一定间距，以躲避秧苗和恢复株间除草状态，完成株间避苗除草作业。除草弧齿在机具的拉力作用下在杂草根系生长层内向前被动移动，利用波纹段弧齿末端增加其对土壤的扫掠面积和扰动量，将杂草剥离土壤，并使之漂浮于水面。株间除草齿和株侧除草齿共同形成封闭除草区域，去除常规行间除草漏除区域杂草，实现株间避苗除草。

2 关键部件及参数设计

2.1 稻田株间除草作业条件

综合文献[11]和实际测定数据，得黑龙江省常规种植稻苗株距为100～150 mm，行距D为300 mm，插秧深度h1为15～20 mm，中耕除草期稻苗地上茎秆穴直径d1为35～40 mm、高度h为200～250 mm、茎叶最大围度d2为80～100 mm、根部分布深度h2为地表以下20～100 mm。行间除草装置作业幅宽Dr为180～200 mm[9-14]。稻田株间除草作业条件如图2所示。

2.2 除草齿参数确定

除草齿是该装置的关键工作部件，其设计要求是入土部分应尽量避免或减小漏除区域，形成完整株间除草区域，同时其地上部分应避免在作业过程中碰触损坏秧苗茎叶，降低伤苗率。为了减小除草齿行程，提高自动避苗控制系统响应速度，将除草齿设计为株间弧齿和株侧弧齿，通过控制系统调控株间弧齿张开或闭合实现植株根部区域杂草清除，通过株侧弧齿去除行间除草轮与株间弧齿作业后所遗留部分杂草，主要结构如图3所示。

株间除草齿由入土和地上两部分组成。根据滑切原理，当农业机械工作部件滑切角超过金属对土壤的摩擦角(23°～45°)时，可降低作业阻力[29-30]，基于此设计除草齿部分结构参数。由于杂草根系在泥土层主要分布在0～40 mm范围内，为使除草齿作业过程中具有更大的扫掠面积，将入土部分除草齿设计为波纹形态。为了避免两对置株间除草齿在未避苗作业状态下出现漏除区域，将其末端进行交错重叠设计。地表以上部分除草齿主要用于连接机架和入土部分除草齿，其在作业过程中应避免对秧苗造成接触损伤，并且应使装置结构紧凑，便于加工。株侧除草齿设计原则与株间除草齿相同。特别地，株间除草齿在避苗过程中其末端需张开40 mm，则株间除草齿由图3中位置Ⅰ移动到位置Ⅱ，株侧除草齿应避免干扰株间除草齿往复运动。

综合上述分析，确定株间除草齿主要参数：作业区间为稻株两侧0～30 mm，幅宽B1为60 mm、重叠区间C为6 mm，入土部分滑切角τ1为50°，地上部分滑切角τ2为40°，入土部分波纹幅值A1为10 mm、周期T1为20 mm，地上部分顶端离地距离H2为250 mm、顶端间距E1为60 mm、最大间距L1为125 mm；株侧除草齿主要参数：作业区间为稻株两侧25～60 mm，幅宽B2为120 mm，入土部分滑切角τ3为50°、地上部分滑切角τ4为35°，入土部分波纹幅值A2为12.5 mm、周期T2为20 mm，地上部分顶端离地距离H2为250 mm、顶端间距E2为75 mm、最大间距L2为155 mm。将各部分关键点进行圆滑过渡形成除草弧齿，则株间除草装置作业总幅宽为120 mm。

3 自动避苗控制系统设计

该装置主要应用于中耕期的水稻，系统利用植株和杂草高度差检测植株位置，传感器的安装高度可以检测到水稻植株，而不会检测杂草，再通过控制器根据机组前进速度实时控制电动直线推杆伸缩量，进而调控除草弧齿开合，实现避苗作业。系统硬件由光电传感器、电动直线推杆和控制器等组成，自动避苗控制系统结构如图4所示。

3.1 系统硬件

系统主要硬件原理如图5所示，微控制器采用STM32F103ZET6单片机，其工作频率可达72 MHz，I/O口及内部资源丰富，满足设计需求；标号U1和U3是电源转换模块，分别采用LM7805和LM1117-3.3芯片，用以将作业机具电瓶提供的12 V电源转换为系统中各模块需要的5 V或3.3 V电源；标号P2为光电传感器，其信号输出端通过串联两个电阻实现分压后与单片机PA1引脚连接，确保输入单片机的电压信号在规定范围内；标号SD CARD是SD卡存储模块，利用SD卡作为存储媒介存储作业信息，其为SPI通信模式，该模块的1、2、5、7引脚分别与单片机支持SPI模式的4个引脚连接；标号U5B为PWM功率放大模块，可将单片机输出的PWM信号放大，驱动12 V规格的电动直线推杆，其输出端OUT为继电器模块K1和K2的信号输入端。单片机通过控制PA7口和PA8口输出不同高低电平，使继电器模块K1和K2分别动作，实现电动推杆的伸缩变换。电动直线推杆的运行速度通过PWM信号调制予以控制。标号P4为GPS模块，其TX、RX接口与单片机相应串口相连；标号P1为LCD显示模块，标号KEY0～KEY3为按键模块，二者共同实现人机交互功能。

采用的光电传感器为激光对射型，型号为M12JG-30N1，由乐清贝福电器有限公司生产，640～650 nm红色可见激光，工作电压为6～36 V DC，工作电流为100～200 mA；采用的电动直线推杆为上海达铁机电科技有限公司生产的TA2-B通用型直流电动推杆，工作电压为12 V DC，行程为100 mm，运行速度为60 mm/s，推力可达100 N。自动避苗控制系统实物如图6所示。

3.2 系统程序

系统软件设计流程如图7所示。首先，初始化系统I/O端口、定时器和PWM等寄存器，并利用按键模块设置系统的控制精度和株间除草弧齿张开间距等信息。随后系统开始作业，GPS模块监测机具的作业速度，光电传感器监测水稻植株位置。当传感器监测到植株位置信号时，单片机根据机具作业速度得出电动直线推杆延时时长和运行速度，利用PWM信号调制实时调节电动直线推杆运行速度，再控制继电器模块1动作，使电动推杆伸长，弧齿展开；随后，单片机控制继电器模块2动作，使电动推杆收缩，弧齿闭合，从而实现株间避苗除草。LCD显示器实时显示系统的作业速度、稻株穴数等相关作业状态，存储模块在每次作业完成后存储作业数据。

3.3 避苗运动过程分析

光电传感器和GPS模块首先检测秧苗位置和实时前进速度，随后由控制器控制电动直线推杆驱动株间除草弧齿进行开闭运动，执行避苗动作。如图8所示，光电传感器与株间除草齿末端间距与水稻株距相等，当传感器未检测到前方新秧苗时，电动直线推杆驱动株间除草齿在位置Ⅰ处执行上一命令逐渐张开；当传感器到达并检测到前方新植株时，单片机将电动直线推杆延时信号发出，同时电动直线推杆驱动株间除草齿经过植株穴径最大位置Ⅱ处；随后电动直线推杆驱动株间除草齿株间闭合到达位置Ⅲ处，并根据收到的延时信号开始下一周期动作；在一个完整避苗运动周期内，单片机向电动直线推杆发送一次延时和动作信号，以消除田间干扰信息对除草齿动作影响。因此，根据水稻种植株距和所选用光电传感器参数，确定单片机通过PWM模块和继电器模块控制电动直线推杆延时运行时间应满足

(1)

式中 Δt——电动直线推杆延时运行时间，s

S1——理论株距，m

S2——理论稻株穴径，m

v——机组瞬时速度，m/s

电动直线推杆伸缩控制株间除草齿在避苗过程中的开闭运动，在实际作业过程中应根据前进速度的变化实时调整电动直线推杆的伸缩速度，从而避免两株间除草齿开闭时间过早或过晚，造成接触损伤稻株或增加漏除面积等现象。因此，根据除草作业要求和选用的电动直线推杆参数，设定电动直线推杆最大伸缩量为5 mm，连接杆长度为40 mm，且电动直线推杆运行速度与机组前进速度之间满足

vE=0.01v+0.02

(2)

式中vE——电动直线推杆运行速度，m/s

此时株间除草齿末端张开最大间距为40 mm，该装置在植株两侧各60 mm株间除草范围内，理论除草覆盖率为86.94%，配合行间除草装置作业后全幅除草覆盖率为94.47%。当除草装置的前进速度小于0.9 m/s时，该系统均满足株间除草要求。株间除草齿运动掠过一个作业周期的区域如图9所示。

4 试验与结果分析

4.1 虚拟仿真试验

为了验证株间除草装置设计的合理性，采用显式动力学软件LS-DYNA建立株间除草齿-水-土壤流固耦合模型，模拟田间作业环境，对装置土壤扰动情况进行考察。

4.1.1模型建立

运用Creo软件对株间除草齿进行三维建模和仿真简化处理，并以.stp格式导入hypermesh软件中，采用六面体网格单元形式进行网格划分，如图10所示，再将生成的k文件导入LS-DYNA前后处理软件LS-PrePost中。株间除草齿材料定义为MAT_RIGID，相关参数设置为：密度0.007 82 g/mm3，弹性模量2.11×105MPa，泊松比0.288[31]。

为模拟株间除草装置实际水土耦合田间作业状态，运用LS-DYNA前后处理软件LS-PrePost分别建立水层模型和土层模型，并将水层模型建立在土层模型正上方，通过节点重合命令将2层模型的节点重合，形成水上土下的水-土耦合模型，如图11所示。根据农艺要求建立水层模型尺寸(长×宽×高)为650 mm×300 mm×30 mm，土层模型尺寸(长×宽×高)为650 mm×300 mm×60 mm。土层材料定义为MAT_FHWA_SOIL，相关参数设置为：土壤密度0.001 61 g/mm3，土粒密度0.002 73 g/mm3，体积模量5.6 MPa，剪切模量1.9 MPa，黏聚力0.015 5 MPa，内摩擦角15°，含水率40%[32]，其他参数的选取参考MAT147试验值[33]。水层材料定义为MAT_NULL，相关参数设置为：密度为0.001 g/mm3，截止压力为-1×105MPa，并定义EOS状态方程用以设定土层和空气的材料参数。采用多物质ALE单元算法SOLID网格单元定义水层网格和土层网格单元类型。采用多物质耦合关键字ALE_MULTI_MATERIAL_GROUP设定模型，以实现水-土在模型中相互混合。对水-土耦合模型施加重力约束，采用BOUNDARY_NON_REFLECTING关键字对水土表面进行约束，并对土壤底层施加SPC全约束。最后采用CONTROL_ALE关键字对ALE网格进行光滑化激活。

仿真过程如图12所示。将除草弧齿运动简化为匀速直线运动和周期性匀速圆周运动，采用CONSTRAINED_JOINT_REVOLUTE关键字对株间除草弧齿和除草齿固定架创建铰链约束，运用DEFINE_CURVE和BOUNDARY_PRESCRIBED_MOTION_RIGID关键字定义和调用上述运动速度曲线。设置CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID流固耦合关键字命令，并将ALE单元体(水-土耦合模型)和拉格朗日单元体(株间除草装置模型)分别定义为主结构MASTER和从结构SLAVE，采用罚耦合算法进行流固耦合仿真。

4.1.2试验方案

除草齿入土深度是影响该装置除草效果的主要因素，因此，为了获得合理的入土深度进行单因素虚拟仿真试验，考察该装置在其作业幅宽内不同土层土壤扰动率变化情况，土壤扰动率为规定体积内受破坏导致密度下降的土壤单元数与土壤复合模型总单元数的比值[34]。试验中，根据株间除草装置实际作业情况，设前进速度为0.8 m/s，入土深度分别设置为8、16、24、32、40 mm。每组试验后，利用后处理软件LS-PrePost获取土壤单元密度分布和数据导出，如图13所示，再通过Excel软件进行数据处理。每个入土深度水平重复3次试验，处理结果取平均值记为试验结果。

4.1.3试验结果

运用SPSS软件处理试验数据，进行方差分析和F检验，试验结果如图14所示，各水平数据平均值后不同字母表示同一处理间差异显著(P<0.05)。

由图14可知，入土深度对土壤扰动率具有显著性影响(P<0.05)。当入土深度增加时，0～40 mm土层内土壤扰动率先升高后下降，在入土深度为32 mm时达到最大值，总扰动率为90.02%，此时在地表以下0～8 mm、8～16 mm、16～24 mm、24～32 mm和32～40 mm内土层的扰动率分别为79.05%、86.45%、91.85%、96.10%和94.15%。产生此现象的原因可能是除草齿入土部分为波纹结构，其在竖直方向有效扰动区间小于考察的杂草根系生长深度范围，使得在设置的作业深度水平下除草齿有效扰动区间内的土壤扰动率更高；靠近除草齿有效扰动区间的泥土，在相互之间粘连作用下得到扰动，但扰动能力有限，使得除草齿有效扰动区间下方土壤扰动率下降显著；波纹形除草齿在指定深度内滑动，增加了有效扰动区间上方土壤在竖直方向的相互作用和运动，但越远离除草齿有效扰动区的土层土壤扰动率越低。基于上述分析，确定除草齿入土深度为32 mm。

4.2 田间验证试验

为验证弧齿式稻田株间自动避苗除草装置在田间作业时工作性能，于2020年6月24日—7月1日在东北农业大学阿城水稻试验示范区进行田间试验。试验期间平均气温20～25℃，无降雨。试验田水层深度为20～30 mm，泥脚深度为160～180 mm。水稻秧苗平均高度为220～250 mm，行距为300 mm，株距为150 mm。试验区杂草主要种类有稗草和野慈菇，平均杂草密度为35株/m2。

该装置由南通富来威农业装备有限公司加工试制，通过三点悬挂架与插秧机机头相连。试验前，调节机器限深装置控制该装置作业深度为32 mm。试验时控制插秧机前进速度为0.5、0.6、0.7、0.8、0.9 m/s，评价指标为除草率和伤苗率。田间试验现场如图15所示。

试验时，以15 m作为一个试验区长度，设置试验区前后各5 m区域为缓冲区用于机器启停缓冲。除草率统计方法为在试验区内沿机器前进方向选取10个测试小区，测试小区大小为0.12 m(除草装置理论作业幅宽)×1 m，每个测试小区间间隔0.5 m。记录作业前后每个测试小区内杂草总数和除掉杂草数，除草率即为除掉杂草数与杂草总数之比，其中测试小区内杂草根茎被拉断、翻埋、漂起定义为已除杂草；杂草根与泥面相连接，可以继续生长定义为未除杂草。伤苗率统计方法为记录试验前后试验区测试行内总秧苗数和损伤秧苗数，伤苗率即为损伤秧苗数与总秧苗数之比，其中试验区内秧苗被压折叶片、连根拔起和倒伏定义为损伤秧苗[11-12]。每组水平试验重复3次，测试结果取平均值作为试验结果。田间试验结果如表1所示。

表1 田间试验结果

由表1可知，自动避苗株间除草装置的平均除草率为86.51%，平均伤苗率为0.20%，且前进速度对除草率具有显著影响(P<0.05)，除草率随着前进速度增加而升高。产生此现象的原因可能是随着前进速度的增大，除草齿与土壤和杂草根系间的相互作用也增加，提高了其对杂草根系在泥土中的扰动和剥离能力，从而使除草率升高；自动避苗控制系统在试验前进速度范围内均能控制株间除草弧齿有效躲避秧苗，在不同速度水平下伤苗率变化不显著，验证了程序设计的合理性。对比田间试验与仿真试验结果可知，土壤扰动率可用于表征除草率，土壤扰动率越高则除草效果越好，同时验证了仿真试验的可行性。田间试验结果表明，稻田株间自动避苗除草装置除草作业性能良好，自动避苗系统运行稳定，作业质量满足水田中耕除草农艺要求。