基于遥控转向的稻田行间除草机设计与试验

王金峰 翁武雄 鞠金艳 陈鑫胜 王金武 王汉龙

(1.东北农业大学工程学院， 哈尔滨 150030； 2.黑龙江科技大学机械工程学院， 哈尔滨 150022)

0 引言

稻田间生长的杂草是造成水稻产量下降和品质降低的主要原因之一，有效清除稻田杂草可为水稻提供良好的生长条件。施用化学除草剂会带来作物药害、杂草抗药性和环境污染等诸多负面问题，机械除草作为一种环境友好型的绿色除草方式，可有效替代化学除草，缓解施用化学除草剂带来的危害[1-4]。

日本早在20世纪50年代就开始对机械除草技术进行研究，经过长期的发展，技术已非常成熟，形成的系列水田除草机大致可分为步进式与乘坐式两种，基本能满足水田除草作业要求[5-8]。相较于日本，中国水田边缘处不设有供除草机转向的区域，转向半径大的乘坐式除草机并不适合在国内使用，并且中国丘陵、山地稻区的田块面积较小，地况复杂，也不利于乘坐式大中型除草机作业和转运，因此，结构紧凑、质量轻的单行和双行除草机更适合在中国推广使用。但中国的水田机械特别是水田除草机械的研究尚处在理论和试验研究阶段，未能在生产中广泛应用[9-15]。东北农业大学研制的3SCJ-2型水田行间除草机利用主动与被动除草轮配合除去行间杂草[16]，华南农业大学研制了靠耙齿式除草轮的高速旋转除掉行间杂草的除草机[17]，此类水田除草机多为步进式，需要人工手握机具扶手在田间行走，配合机具前进进行除草作业，存在自动化程度低、劳动强度大、伤苗率高等问题。

本文旨在设计一种结构紧凑、质量轻、可以在田间遥控转向的稻田行间除草机，机身搭载稳定的人机交互系统，可通过机具前方的摄像头实时观察田间作业情况，配合转向控制系统在稻田间行走并进行除草，满足除草机在不同情况下正常工作的要求。

1 整机结构与工作原理

水田行间除草机采用传统的四轮结构，由前轮进行驱动，后轮辅助转向，整机结构紧凑，质量轻。主要由电源、电源支架、电机、摄像头、主传动箱、侧传动箱、转向舵机、主动除草轮、转向轮、机架、梯形转向机构以及控制系统等组成。其中主动除草轮、转向轮以及梯形转向机构为主要工作部件，结构如图1所示。

电机和主传动箱连接，电源支架通过底部设置的小滑槽可前后调节地安装在主传动箱上，摄像头与调节支架固接，可调节地安装在电源前方，主传动箱左右两侧分别安装侧传动箱，侧传动箱由同步带、同步轮以及张紧装置构成，限位板、直角架固定安装在侧板两侧，与侧板共同构成整机的机架，主动除草轮轮轴一端与侧传动箱输出轴通过销连接，另一端通过轴承座与机架铰接，转向舵机通过支撑板固定安装在机架上并与梯形转向机构连接，梯形转向机构由3个连杆与固定安装在机架上的三角板铰连组成，呈等腰梯形状，支架、支撑杆以及U形支架皆固定安装在梯形转向机构左右两端底部，转向轮与U形支架铰连，电控箱以及控制系统各部件依次安装在机架上。整机机身材料选用5052铝合金板材，质量23.3 kg，摄像头高度角可调，可减小光照对图像获取模块的干涉。通过改变电源以及电源支架的位置，可实现机具重心位置的调节，以适应复杂的水田环境。

工作时，电机输出的动力经主传动箱减速增扭后传递至侧传动箱内的同步带，同步带驱动同步轮带动主动除草轮旋转，驱使机具前进并进行除草作业，此时转向轮在机具的惯性力以及土壤的反作用力下前进运转，进一步除去行间杂草。通过控制终端人机交互界面上的调速按键可实时调节机具的前进速度，搭载在机具前端的摄像头对苗带信息进行获取，并将图像信息传递至人机交互界面上，经过操作人员判断后通过遥控装置对除草机下达转向指令，由下位机将电平信号传递给转向舵机，转向舵机将输出的扭矩传递至梯形转向机构改变转向轮的转向角度，实现机具航向的改变。作业原理如图2所示。

2 关键部件设计与分析

2.1 机具受力分析

水田作业环境较为复杂，为使除草机能够正常进行作业，本文通过对主动除草轮、转向轮和整机进行力学分析，计算主动除草轮所需最大驱动力矩，完成电机配套选型。根据文献[16]设计主动除草轮半径为150 mm，转向轮半径为100 mm。

在除草机匀速运行过程中，主动除草轮主要受到来自土壤的反作用力与整机重力。主动除草轮上的弹齿为主要工作部件，随着弹齿位置的变化，泥土对主动除草轮的合力作用点位置也在随时发生变化，如图3所示。

假设x轴正方向与除草机前进方向相同，以回转轴心O1为基准点对主动除草轮进行受力分析，鉴于泥面与弹齿的挤压主要存在于第四象限，可以确定合力作用点位于第四象限某点，建立主动除草轮力平衡方程为

∑Fx=Ff1-FL1=0

(1)

∑Fy=W1+G1-Fn1=0

(2)

∑MO1=Md-x1Fn1-y1Ff1=0

(3)

其中

Ff1=μ1Fn1

式中Ff1——土壤对主动轮合力沿水平方向的分力，N

FL1——除草机对主动除草轮的拉力，N

W1——除草机对主动除草轮的压力，N

G1——主动除草轮自身重力，N

Fn1——土壤对主动轮合力沿竖直方向的分力，N

Md——作用于主动除草轮的驱动力矩，N·m

μ1——主动轮滚动摩擦因数，取1

x1——Fn1到主动除草轮中心沿x方向的水平距离，m

y1——Ff1到主动除草轮中心沿y方向的竖直距离，m

由式(3)可得

Md=x1Fn1+y1Ff1=(x1+μ1y1)Fn1

(4)

除草机在匀速直线运动过程中，转向轮主要受到来自土壤与除草机的作用力，土壤合力作用点位置与主动除草轮相同。如图4所示，假设x轴正方向与运动方向相同，以点O2为基准点对转向轮进行受力分析得

∑Fx=FL2-Ff2=0

(5)

∑Fy=W2+G2-Fn2=0

(6)

∑MO2=x2Fn2-y2Ff2=0

(7)

其中

Ff2=μ2Fn2

式中Ff2——土壤对转向轮合力沿水平方向的分力，N

FL2——除草机对转向轮的拉力，N

μ2——转向轮滚动摩擦因数，取1

W2——除草机对转向轮的压力，N

G2——转向轮自身重力，N

Fn2——土壤对转向轮合力沿竖直方向的分力，N

x2——Fn2到转向轮中心沿x方向的水平距离，m

y2——Ff2到转向轮中心沿y方向的竖直距离，m

除草机电源支架底部设置有直线小滑槽，电源可相对主传动箱进行前后移动，根据电源尺寸以及安装位置设计最大相对位移为8 cm，通过调节电源支架所在位置可改变除草机的重心。为减小转向轮所受阻力，整机重心应位于主动轮轴心前方。除草机在匀速运动过程中，整机受力情况如图5所示。

假设除草机前进速度方向与x轴正方向相同，以主动除草轮转动中心O为基准点建立整机力平衡方程为

∑Fy=Fn1+Fn2-G=0

(8)

∑Fx=Ff1-Ff2+Ff3=0

(9)

∑MO=(L-x2)Fn2+d2Ff2+d3Ff3+
Gx3-x1Fn1-d1Ff1=0

(10)

式中Ff3——除弹齿外，土壤对除草机其他部分的阻力，N

G——除草机整机重力，N

L——主动除草轮到转向轮的轴距，m

x3——G到主动除草轮中心沿x方向的水平距离，m

d1——Ff1到主动除草轮中心沿y方向的竖直距离，m

d2——Ff2到主动除草轮中心沿y方向的竖直距离，m

d3——Ff3到主动除草轮中心沿y方向的竖直距离，m

以转向轮所受支持力Fn2最小为设计目标，由式(10)可知，当d1Ff1-d2Ff2-d3Ff3=0时，符合设计要求。主动除草轮在运动过程中，x1在0～rw1(主动除草轮无滑转时的滚动半径)范围内波动，为保证除草机在各个时刻都能保持稳定工作，取x3=0，即除草机重心位于主动除草轮中心轴线上。

联立式(8)和式(10)可得

(11)

(12)

取μ1=1，联立式(4)和式(12)可得

(13)

(14)

当x1取最小值时，Md为最大值，将已知参数rw1=0.15 m，G=233 N等代入式(14)得主动除草轮所需最大驱动力矩Mdmax=49.42 N·m。

转向轮侧板采用镂空设计，在转向过程中，泥土对转向轮侧板的转向阻力忽略不计，转向阻力主要由机具重力与土壤产生的摩擦力引起，则转向轮最大转向阻力为

(15)

式中rw2——转向轮无滑转时的滚动半径，m

生产机械设备使用的材料影响设备的使用寿命。因此需要在选择材料时要全面考虑经济性和适用性。很多煤矿企业的生产设备在选择耐磨零件的时候倾向于低碳锰钢。相较于普通的钢来说，这种钢的耐磨性能更好，同时随着现代生产技术以及工艺的迅速发展，能够选择的材料增多，使得煤矿机械零件所具备的抗磨性以及抗腐性得到了提升，为降低磨损，应合理选择材料，提高零件耐磨性和寿命。

将rw2=0.1 m，μ2=1，L=0.294 m等已知参数代入式(15)中可得到土壤对转向轮摩擦力最大值为Ff2max=99.86 N。

2.2 梯形转向机构设计与分析

根据阿克曼转向几何原理对梯形转向机构进行设计[18-20]，梯形转向机构主要由转向舵机、转向盘、三角板、滚子、转向轴以及各连杆构成，结构如图6所示。转向盘一端与转向舵机动力输出轴固连，另一端插入配装在滚子中心孔内，滚子可前后移动地安装在滑槽内，左连杆和右连杆两端分别与驱动杆和三角板铰连形成等腰梯形状四杆机构，转向轴固定安装在左、右连杆后端底部并与三角板铰连接。作业时，由转向舵机动力输出轴提供动力，经过转向盘驱动滚子在滑槽内滑动，带动驱动杆左右偏移，通过左、右连杆的摆动改变左、右转向轮的转向角，实现除草机航向的改变。

除草机左、右转向过程运动规律一致，本文以除草机右转进行分析，除草机右转过程中，左、右转向轮均左转且右转向轮转角大于左转向轮转角，主动除草轮与转向轮绕同一个瞬时中心点作圆周滚动，梯形转向机构满足阿克曼转向几何关系，除草机转向过程如图7所示。图中O3为转向中心，a、b、c、d为梯形转向机构在初始位置时铰连点所在的位置，b′、c′为梯形转向机构偏移后各个铰连点的位置。

除草机转角θ2、左转向轮转角θ1、右转向轮转角θ3和整机转弯半径R应满足

(16)

(17)

(18)

式中lad——左右转向轮中心距离，mm

联立式(16)和式(18)可得右转向轮转角与左转向轮转角的关系为

(19)

联立式(17)和式(18)可得除草机转角与右转向轮转角的关系为

(20)

为尽量避免除草机在转弯过程中对水稻秧苗造成损伤，结合整机结构尺寸以及秧苗行间距，设计除草机最大转向角θ2max=30°，为避免除草机转弯半径R过大，设计主动除草轮到转向轮的轴距L=294 mm，为减少转向轮对秧苗的损伤，综合考虑转向轮宽度与秧苗行距，确定左、右转向轮中心距离lad=316 mm，将已知参数代入式(16)～(20)得除草机转弯半径R=509.22 mm，左转向轮最大转角θ1max=23.78°，右转向轮最大转角θ3max=39.93°。

对梯形转向机构进行设计时，需确定各杆件长度以及左、右连杆与机架的夹角θ，为了给转向舵机预留足够安装空间，设计左、右连杆长度为lab=lcd=60 mm，如图8所示。

(21)

(22)

(23)

lb′c′=lad-2lcdcosθ

(24)

式中lab——左连杆长度，mm

lcd——右连杆长度，mm

lac′——铰连点a到c′的距离，mm

θ4——ac′与ad的夹角，(°)

联立式(21)～(24)可得左、右连杆与机架的夹角为

(25)

将已知参数代入式(25)可得θ=60.25°。

梯形转向机构进行转向作业时，转向舵机输出的扭矩经过转向盘以及各连杆作用于转向轮，转向过程受力杆件较多，需对梯形转向机构进行受力分析，以此为依据选配转向舵机。

转向机构运动过程杆件受力情况如图9所示，主要有转向舵机作用在滚子中心点e上的驱动力Fd；作用在左连杆与驱动杆铰连点b上的左转向轮转向阻力Fl；作用在右连杆与驱动杆铰连点c上的右转向轮转向阻力Fr。将上述作用力分别沿驱动杆方向和垂直于驱动杆方向进行分解，为使驱动杆满足平衡条件，则作用于驱动杆上的力需满足条件

Flcosα+Frcosβ-Fdcosγ=0

(26)

式中α——Fl与驱动杆的夹角，(°)

β——Fr与驱动杆的夹角，(°)

γ——Fd与驱动杆的夹角，(°)

作用在左、右转向轮上的阻力主要来自于土壤的摩擦力，根据力矩平衡方程

(27)

则转向舵机作用在滚子上的扭矩为

Md1=Fdloe

(28)

式中loe——转向盘长度，mm

由于α、β、γ与转向舵机转角之间的关系较为复杂，利用Creo 5.0对梯形转向机构进行运动仿真，得到α、β、γ与右转向轮转角θ3之间的关系，通过式(26)～(28)将其转换为转向舵机扭矩与右转向轮转角θ3之间的关系，如图10所示，分析可知，转向舵机扭矩随着右转向轮转角先增大后减小，右转向轮转角为29°时，转向舵机扭矩达到最大值，此时梯形转向机构所需最大驱动扭矩理论值为4.57 N·m。为保证梯形转向机构正常工作，所选择转向舵机的驱动扭矩理论值应大于4.57 N·m。

3 控制系统设计

3.1 硬件设计

梯形转向机构控制系统硬件组成如图11a所示。主要包括Raspberry Pi3 B+(树莓派)、转向舵机控制板和电机驱动板。Raspberry Pi3 B+内置2.4G WiFi，保证数据传输性能；转向舵机控制板采用磁编码器进行位置反馈，控制精度高；整个控制系统通过风扇降热，保证控制板工作性能。

系统控制原理框图如图11b所示，摄像头采集的图像信息经USB数据线传递到Raspberry Pi3 B+，再经WiFi无线串口通讯模块传递到移动PC端。操作者实时监控控制界面的图像显示窗口，根据需要发出控制指令，Raspberry Pi3 B+将收到的PC端控制信号从GPIO口以电平信号的形式传递到各个驱动器，控制电器元件执行预期动作。在稻田环境下WiFi传输距离最大能够达到100 m。

3.2 软件设计

梯形转向机构系统软件包括控制电气元件程序和人机交互界面程序。如图12所示，其中，“Camera=1”、“Speed_up=1”、“Speed_down=1”、“Speed=1”、“Turn_left=1”、“Turn_right=1”、“Angle=1”、“Turn=1”和“Stop=1”分别为摄像头开关控制、电机转速增加、电机转速减少、速度确认、转向舵机左转一个角度、舵机右转一个角度、角度确认、转向舵机回正和电机急停的标志变量。在上位机PC端中按下对应的按键会下达不同信号，通过WiFi传输将数据传输到树莓派，Raspberry Pi3 B+根据接收到的数据执行相应操作。

为提高控制系统的可操作性，开发了如图13所示的人机交互界面，操作界面采用Tkinter(简称Tk)模块开发，Tk是Python标准的GUI工具包接口，开发周期短。界面主要由操作控制、图像显示、工作状态显示3个模块组成。进入驾驶界面后，先滚动调速条确定除草机行驶速度，再进行整机转角的确认，之后点击“开启摄像头”按钮获取外界环境信息，最后在操作控制区域根据需要选择除草机工作状态，界面的右下角会实时显示除草机当前的控制命令。

4 试验

4.1 试验地点及条件

为检测稻田行间除草机转向性能与除草性能，于2021年5月18日在黑龙江省哈尔滨市阿城区东北农业大学农学院试验田进行田间作业性能试验。田间环境温度15℃，环境湿度46%，水稻种植采用机械插秧作业，未经化学或人工除草。试验于插秧后10 d进行，水稻品种为龙洋16，长势良好，株距0.12 m，行距0.30 m，秧苗平均高度约0.21 m，泥浆层平均深度约0.08 m，泥土平均深度约0.18 m，杂草数量约20株/m2，杂草(主要以水田稗为主)平均株高约0.06 m，根系平均深度约0.16 m，田间状况如图14所示。

4.2 转向性能试验

由于水田环境复杂，需对除草机转向机构进行性能测试，通过对比田间整机实际转角与所设计理论转角之间的误差，分析梯形转向机构控制系统的控制精度，探究除草机转向过程的稳定性。

试验前，分别对左连杆与机架铰连点a和右连杆与驱动杆铰连点c的中心进行标记，通过测量转向前后两个铰连点之间距离，利用余弦定理可得转向前后右转向轮转角θ3，再根据式(20)可求出实际整机转角θ2。试验时，将除草机放置于稻田，通过人机交互界面上的转向角度调节按钮改变除草机整机转角，由初始位置开始改变1°，再返回初始位置，每次比上次多调整1°，以此类推，共计调整30次，达到极限转向位置，在每次调整前后分别测量并记录一次铰连点a和c之间的距离，共计测量31次。再将测量的数据代入式(20)即可计算出整机田间实际转向角。测量结果如图15所示。

由图15可知，除草机整机转角在0°～20°范围内调整时，整机转向过程基本处于稳定状态；整机转角在20°～30°范围内调整时，存在一定的波动。这是由于水田泥角较深，整机转角调节角较小时，转向轮对泥土的扰动面积较小，整机转向过程能够维持平稳；调节角较大时，转向轮对泥土的扰动面积较大，整机易产生转向偏差。整机实际转角与理论转角的最大偏差为1.3°，出现在整机转角调节角为25°时。实际除草作业过程中，除草机沿着秧苗前进，整机转向调节角较小，因此梯形转向机构的控制精度可满足田间转向作业要求。

4.3 田间除草性能试验

除草机前进速度是影响水田机械除草效果的重要因素，以整机前进速度为试验因素，除草率和伤苗率为评价指标进行单因素试验，选取5块2.4 m×30 m的矩形区域作为不同前进速度下除草率和伤苗率测定的试验田块，然后在不同前进速度的试验田块内任意选取5个1 m×1 m区域为测试区，除草机田间作业情况如图16所示，除草率和伤苗率计算式为

(29)

(30)

式中Y1——除草率，%

Q1——除草前测试区杂草总数，株

Q2——除草后测试区杂草总数，株

Y2——伤苗率，%

X1——除草前测试区秧苗总数，株

X2——除草后测试区秧苗总数，株

计算后取平均值，试验结果如表1所示，除草机除草率均不低于77.9%，除草效果较优，伤苗率均不高于3%，满足水田机械除草农艺要求。

表1 田间除草作业效果Tab.1 Effect weeding in field %

5 结论

(1)设计了一种基于遥控转向的稻田行间除草机，能够实现遥控驾驶进行田间转向与除草作业，满足水田复杂环境下的机械除草要求。

(2)对主动除草轮进行运动学与动力学分析，得到主动除草轮所需最大驱动力矩为49.42 N·m；对梯形转向机构进行运动分析，得到梯形转向机构的结构参数；对梯形转向机构进行受力分析，得到梯形转向机构所需最大驱动扭矩理论值为4.57 N·m，并完成了转向控制系统的设计。

(3)进行了除草机转向性能试验，由试验结果可知，整机转角在0°～20°范围内调节，转向过程相对较为平稳，运动状态与控制系统所设定的运动情况基本吻合，调节控制系统的控制精度较高。由田间除草试验结果可知，整机前进速度为0.4～0.6 m/s时，除草率均不低于77.9%，伤苗率均不高于3%，除草效果良好，满足水田机械除草农艺要求。