基于视觉辅助的大蒜幼苗破膜机的研制与试验

施国英，王化琴，李天华，李玉华，吴彦强

（1.山东农业大学机械与电子工程学院，山东 泰安 271018；2.山东省创新发展研究院，山东 济南 250000）

0 引 言

大蒜是厨房中很好的调味品，是天然的植物广谱抗生素，因此市场需求极大。目前，大蒜在播种、收获等方面的机械化研究已进入快速发展阶段[1-2]。然而，大蒜播种后为了保持地温、防止土壤水肥流失、抑制杂草生长，需覆盖一层地膜，蒜芽破膜现在仍以人工为主，相关破膜机器的研究仍处在空白阶段[3]。

覆膜大蒜在出苗后，要想正常生长，首先要顶破覆盖的地膜，传统方法主要是人工钩膜、人工拍膜、人工拉膜。人工钩膜是用铁钩钩破薄膜，并将蒜芽掏出，工作量大，强度高，且薄膜破口较大，影响保温保湿效果；人工拍膜是用扫帚在薄膜上拍打，帮助蒜芽破膜，蒜芽损伤率较高；人工拉膜是将麻袋、链条平铺在薄膜上，然后人工拉动达到蒜芽破膜的目的。这些破膜方式虽然效率高，但对蒜芽都有一定破坏。

本文提出了一种基于视觉辅助的链条拖曳式大蒜幼苗破膜机，操作简单，实用性强，可以很好地减轻蒜农的工作强度，提高作业效率，增加大蒜破膜质量，很大程度上减轻了劳作对地膜的破坏。

1 结构及工作原理

1.1 整机结构

大蒜幼苗破膜机主要由履带式底盘、可折叠破膜装置、视觉辅助装置、远程遥控装置及控制系统组成，如图1 所示。

图1 大蒜幼苗破膜机结构图

1.2 工作原理

覆膜蒜栽种以后，一般在蒜苗芽尖长到1～2 cm时，坚硬度完全能够顶破地膜。但这个时候，如果地膜铺得太松，或者田里一些泥土颗粒太大，导致刚出芽的大蒜没能够及时顶破地膜，就应该帮助蒜苗破膜了。首先将固定在底盘上的破膜装置折叠部分展开，控制步进电机连接的滚动轴转动，缓缓放下纱网与包裹棉布的链条，直至平铺在塑料薄膜上。履带式底盘沿着相邻两片薄膜之间的间隙运行，链条在薄膜上拖动，薄膜向下的压力随着链条的靠近而增大，蒜芽向上的支撑力也随之增大。当支撑力大于塑料薄膜的强度极限，蒜芽冲破薄膜。当链条通过蒜芽与薄膜的接触点时，蒜芽周围的薄膜也在链条作用下向下滑动至蒜芽的基部，固定在与土壤接触的位置。摄像头实时获取车况信息并传输到手机APP。通过手机可灵活调整机器运行方向，避免压到蒜芽；破膜工作完成后，控制滚动轴反向转动，慢慢将纱网卷起，最后将折叠架收起，机器恢复到开始的状态。用户根据种植幅度的不同，还可通过折叠架满足1～3 畦蒜芽的破膜需求。

2 关键部件设计

2.1 履带式底盘

大蒜播种后的土壤经过灌溉和充分渗透后变的泥泞和松软，普通轮式底盘在田间行走下陷严重。为提高整机的通过性，采用了履带式底盘，如图2 所示，主要由拖带轮、导向轮、支重轮、履带、行走直流电机等组成[4-6]。

图2 履带式底盘

2.2 可调式破膜装置

可调式破膜装置主要由滚动轴、折叠架、支撑架、万向节、万向心、滚动步进电机、传动链、破膜链条、纱网等组成。折叠架和滚动轴之间的连接如图3所示。滚动轴和折叠架均分为3 段，每段长2 m，3 段滚动轴通过万向节和万向心连接在一起，并与轴承结合固定在上下两层折叠架中间。滚动轴的转动可实现破膜机构的上卷和下放，通过折叠架的收放，提高了机器适用范围。纱网的一端包裹链条，外面包裹棉布；另一端固定在滚动轴上，可满足高效破膜及减少薄膜与蒜芽损伤的要求。

图3 可调式破膜装置

2.3 可调式车架

为了适应不同的畦田，设计可调式车架。车架平台与履带架通过限位螺栓连接，可以通过调节限位螺栓，改变两侧履带架的中心距以满足不同农艺要求，如图4 所示。

图4 可调式车架三维结构示意图

3 控制系统

如图5 所示，大蒜破膜机控制系统主要由电源模块、Wi-Fi 模块、视觉辅助装置、远程遥控装置、STM32F103 处理器、电机驱动器、步进电机和直流电机组成[7-8]。视觉辅助装置中的摄像头固定安装在云台上，通过Wi-Fi 模块完成数据通信。手机APP 可以实现对摄像头的水平和垂直方向调节，从而实现对作业状况的立体式监控；通过遥控装置可向处理器发送转向、调头、纱网收放等指令，完成破膜作业。

图5 控制系统结构

4 田间试验

4.1 试验关键因素

链条拖拽式破膜受整机行进速度、链条质量、链条类型等因素影响，本实验主要研究以上不同因素对破膜效果的影响，以获得最优的破膜评价指标参数。

实验选择不同参数的链条进行对比试验，如表1 所示，其中10 mm-L 代表直径为10 mm 的不锈钢长环链条，10 mm-S 代表直径为10 mm 的不锈钢短环链条。依据人工破膜速度（1.0～1.5 m/s）将机器前进试验速度分别设置为1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 m/s。

表1 试验链条型号

4.2 试验方法

试验选用8 种不同类型的链条，每条链条长2 m，每3 根链条组成一组，分别固定在纱网的末端。蒜田每一畦的长度为50 m，分为5 段对应5 种不同的前进速度，依次进行破膜试验，统计不同链条和速度下的破膜情况。每次统计不同链条在相同条件下的蒜芽200 颗，计算蒜芽破膜数和弯曲、折断等损伤数，得到蒜芽破膜率、损伤率、相对损伤率和完好率。在不同试验畦里重复试验3 次，取平均值得到最终结果。图6 所示圆圈标注为在破膜过程中受损的蒜芽，其余为正常破膜的蒜芽。

图6 蒜芽破膜效果统计样本图

4.3 试验结果分析

蒜芽破膜数记为m，蒜芽损伤数记为n，Q1为大蒜破膜率，Q2为蒜芽损伤率。计算公式如下：

4.3.1 最佳破膜条件分析

（1）分析不同链条参数和不同速度下蒜芽的破膜率和破损率，如图7 所示。由图7（a）可知同一链条速度在2.5 m/s 和3 m/s 时蒜芽破膜率最高，在1 m/s 时最低，且随着链条质量的增加破膜率也逐渐上升。图7（b）说明在同一速度时，8 mm-L、8 mm-S、10 mm-L 和10 mm-S 链条下的蒜芽破膜率相对较高，且随着速度的增加而逐渐增加，但增速较慢。图7（c）说明相同的链条在3 m/s 的速度下，蒜芽损伤率最高。图7（d）说明在相同的速度下，采用10 mm-S、10 mm-L 链条时蒜芽的损伤率高于其他链条。由以上分析可知，破膜最佳链条为8 mm-S，最佳作业速度为2.5 m/s。

图7 不同参数下的破膜结果分析

4.3.2 人机破膜效果对比

人工破膜多选用6 mm 不锈钢长环链条和1.5 m/s 的前进速度，机器选用8 mm 不锈钢短环链条和2.5 m/s 前进速度。人机田间破膜实际操作对比如图8 所示，对应的数据分析如图9 所示。

图8 人机田间破膜试验

图9 机器破膜与人工破膜对应的数据比较

因每畦大蒜出芽时间不一致，所以需要进行多次作业。由图9（a）可知，8 mm-S 链条作业速度为2.5 m/s 条件下的蒜芽破膜率始终大于6 mm-L 链条作业速度为1.5 m/s 时，最终蒜芽破膜率比人工高10.5%。从图9（b）可知，在6 mm-L 链条作业速度为1.5 m/s 条件下的蒜芽损伤率始终比8 mm-S 链条作业速度为2.5 m/s 的低，但随着破膜天数的增加，两者之间的损伤率差距越来越小。考虑破膜幅度与速度，机器破膜作业效率为5.4 hm2/h，人工破膜效率为2.16 hm2/h，机器破膜效率约为人工的2.5 倍。

5 结 语

针对大蒜种植破膜环节无机可用的现状，研制了一种基于视觉辅助的链条拖拽履带式大蒜幼苗破膜机，履带式底盘解决了机器田间行走时的下陷和打滑问题；折叠式的支架可满足1～3 畦蒜芽的破膜作业需求；视觉辅助装置和远程遥控的结合，降低了劳动强度，提高了工作效率。

通过对破膜数据的整体分析、关键设备的选型及工作参数的优化，确定最佳破膜链条为8 mm 不锈钢短环链条、最佳作业速度为2.5 m/s，对应蒜芽破膜率为98%，蒜芽损伤率为9%。机器破膜的破膜率比人工破膜提高10.5%，蒜芽损伤率基本相同，整体破膜效果优于人工破膜；机器破膜作业效率为5.4 hm2/h，约为人工的2.5 倍。