中耕期玉米田間避苗除草裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

賈洪雷，李森森，王 剛，劉慧力

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中耕期玉米田間避苗除草裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

賈洪雷1,2，李森森1,2，王 剛1,3※，劉慧力1

（1. 吉林大學(xué)生物與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，長春 130022； 2. 吉林大學(xué)工程仿生教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長春 130022； 3. 吉林大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，長春 130012）

針對現(xiàn)有旱田避苗除草裝置多依賴于智能導(dǎo)航平臺，機(jī)械式避苗除草裝置無法確定秧苗位置的問題，該文基于除草執(zhí)行部件間歇式旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的思想，設(shè)計(jì)了一種針對中耕期玉米田間使用的避苗除草裝置，該裝置由軟軸、行程開關(guān)、步進(jìn)電機(jī)、除草梳齒和測控系統(tǒng)等組成。當(dāng)該裝置需要執(zhí)行避苗除草動作時，除草梳齒會旋轉(zhuǎn)120°以躲避秧苗。在吉林大學(xué)的土槽實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)行了三因素四水平的正交試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果顯示，在秧苗株距為26 cm，梳齒入土深度為20 mm，前進(jìn)速度為5 km/h時，該裝置的平均傷苗率為5.9%，平均除草率為94.7%，方差分析結(jié)果顯示，玉米的種植株距對于傷苗率的影響最顯著(<0.05)，梳齒的入土深度對于傷苗率和除草率均有顯著影響(<0.05)，但是作業(yè)速度對于傷苗率和除草率無顯著影響(>0.05)。該裝置可以滿足玉米田間“避苗除草”作業(yè)的要求，研究結(jié)果可為農(nóng)田機(jī)械除草的優(yōu)化和設(shè)計(jì)提供參考。

農(nóng)業(yè)機(jī)械；設(shè)計(jì)；試驗(yàn)；避苗除草；傷苗率；除草率；除草梳齒；顯著性檢驗(yàn)

0 引 言

有機(jī)農(nóng)業(yè)要求盡量減少、甚至杜絕除草劑與農(nóng)藥的施用[1]。因此，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者越來越重視機(jī)械除草，提高除草率、降低傷苗率一直是機(jī)械除草的核心研究內(nèi)容[2]。株間除草比行間除草更容易傷苗[3]，作為株間除草部件，主要有指狀鋤草刀（finger weeder）、彈性鋤草齒（torsion weeder）、垂直軸刷式鋤草刀、瓜齒式[4-7]等等。這些除草部件均具有躲避作物秧苗的功能，以降低傷苗率，但是過度的避苗，又會導(dǎo)致除草率的降低[8]。為了提高除草率，同時降低傷苗率，需要準(zhǔn)確地區(qū)分雜草和玉米苗。目前，光譜、光譜成像[9]和機(jī)器視覺等方法[10-12]是機(jī)械除草或者智能除草領(lǐng)域中苗、草識別的主要技術(shù)方法。其中，光譜法主要依據(jù)光合色素和結(jié)構(gòu)差異導(dǎo)致作物、雜草的光譜反射率不同，進(jìn)而區(qū)分作物和雜草；陳樹人等[13]利用3個特征波長，從棉花中識別出了刺兒菜，其識別率為100%。機(jī)器視覺方法主要依據(jù)作物和雜草的顏色、形態(tài)等差異來區(qū)分作物和雜草，并且需要硬件與算法的融合[14]，關(guān)于雜草和作物苗的機(jī)器視覺識別算法是機(jī)械除草領(lǐng)域的研究重點(diǎn)之一[15-18]。胡煉等[17]利用2--的方法，經(jīng)過一系列處理后獲得了綠色植物連通域的質(zhì)心，從而可以確定綠色植物的位置。徐艷蕾等[15]基于模糊順序形態(tài)學(xué)，提取了植物葉片的脈絡(luò)，從而為辨別苗、草提供了基礎(chǔ)。王璨等[14]利用融合高度與單目圖像特征的支持向量機(jī)模型識別出了雜草。除了上述苗、草識別方法之外，也有諸多學(xué)者在株間除草研究領(lǐng)域擺脫了對智能導(dǎo)航平臺和農(nóng)業(yè)機(jī)器人的依賴，周福君等[19]使用凸輪搖桿式擺動型除草裝置鏟除玉米株間的雜草，通過接近開關(guān)確定玉米苗的位置，從而實(shí)現(xiàn)避苗除草。牛春亮等[20]利用輪條式除草裝置的運(yùn)行軌跡進(jìn)行株間除草。胡煉等[7]設(shè)計(jì)了一種除草爪齒，爪齒的運(yùn)動軌跡為余擺線，余擺線環(huán)扣部分在株間區(qū)域內(nèi)時除去株間區(qū)域雜草，減小一根或幾根除草爪齒的旋轉(zhuǎn)半徑可以實(shí)現(xiàn)避苗作業(yè)。

20世紀(jì)80年代初，荷蘭的瓦格寧根農(nóng)業(yè)大學(xué)開始研究行間除草和株間除草[21]，但是直到目前為止，國內(nèi)外的相關(guān)研究主要針對苗、草識別理論，國外雖然有諸如WeedSeeker、 Weed-IT等雜草傳感器[10]，但仍然沒有系統(tǒng)地將科研產(chǎn)品與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合[4]。走出實(shí)驗(yàn)室的智能除草產(chǎn)品并不多見，即使試驗(yàn)階段的產(chǎn)品也往往需要人工干預(yù)才能完成工作。例如，西班牙塞維利亞大學(xué)的科研人員設(shè)計(jì)了一款協(xié)作株間除草機(jī)器人（Co-robot），需要人工不斷糾正機(jī)器人在進(jìn)行株間除草時所產(chǎn)生的偏差[22]。對于株間除草裝置，相關(guān)研究學(xué)者往往將其視為智能除草機(jī)器人，但實(shí)際上，目前的株間除草裝置的智能化程度并不高[23]，丹麥學(xué)者M(jìn)elander等[24]在移栽的洋蔥和白菜田間進(jìn)行了相應(yīng)的研究，試驗(yàn)結(jié)果顯示，與簡單的機(jī)械除草工具相比，智能除草裝備的傷苗率較高、除草率較低、除草效率也較低，所以智能除草裝備并沒有顯現(xiàn)出優(yōu)勢。因此，本文設(shè)計(jì)了一種擺脫智能導(dǎo)航平臺依賴的避苗除草裝置，同時相比較于純機(jī)械式的避苗除草裝置，該裝置可以識別出玉米植株的具體位置，本研究主要采用機(jī)械設(shè)計(jì)與電控技術(shù)，針對中耕期玉米植株和雜草的高度特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種基于間歇性旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的梳齒式田間避苗除草裝置，分析了該裝置的除草與避苗工作原理，并進(jìn)行了土槽試驗(yàn)，以期為該除草裝置的進(jìn)一步優(yōu)化和精準(zhǔn)控制提供依據(jù)。

1 基于間歇性旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的避苗除草裝置

1.1 除草裝置

1.1.1 裝置部件選型

該裝置的設(shè)計(jì)圖和實(shí)物圖分別如圖1所示，該裝置主要由除草梳齒板、主軸、軟軸、行程開關(guān)和步進(jìn)電機(jī)等組成，該裝置安裝于除草機(jī)上，主要應(yīng)用于中耕期的玉米田，一般玉米與雜草高度相差較多，使軟軸的安裝高度可以與玉米植株接觸，而不會與雜草接觸，除草梳齒扎入地表一定的深度，在除草機(jī)的帶動下，除草梳齒將雜草梳刷出地表，當(dāng)遇到玉米秧苗時，軟軸與玉米植株作用，傳遞扭矩給行程開關(guān)，當(dāng)超過扭矩閾值時（正泰YBLX-ME/8166，操作方式為萬向式，動作行程35°，觸發(fā)力矩≥0.12 N·m），行程開關(guān)即被觸發(fā)，控制除草梳齒板即運(yùn)轉(zhuǎn)一定的角度（步進(jìn)電機(jī)提供驅(qū)動力，型號為86HS85，額定電壓12 V，額定電流6 A，額定扭矩12.5 N·m，步距角精度0.09°，電機(jī)軸徑向跳動為0.025 mm，軸向跳動為0.075 mm，深圳市雷賽智能控制股份有限公司生產(chǎn)），以躲避秧苗。

1. 軟軸 2. 行程開關(guān)3. 基板 4. 步進(jìn)電機(jī)支座 5. 步進(jìn)電機(jī) 6. 套筒 7. 主軸 8. 梳齒板 9. 梳齒

實(shí)際工作時無需繼續(xù)細(xì)分步進(jìn)角，選用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器（輸入電壓18～80 V，輸入電流<6 A，功率80 W，型號為DMA860H，深圳市雷賽智能控制股份有限公司生產(chǎn)）驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動，采用測控系統(tǒng)（Arduino UNO R3開發(fā)板，深圳市明佳達(dá)電子有限公司生產(chǎn)），控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器，并且通過超聲波速度傳感器（工作電壓：3～5.5 V，工作電流<8 mA，射程：600 cm，精度：±1 cm，型號NJ1.5-8GM-N，上海KAISEEN電子有限公司生產(chǎn)）實(shí)時監(jiān)測除草機(jī)的前進(jìn)速度，以使除草梳齒板的轉(zhuǎn)速與除草機(jī)的前進(jìn)速度相匹配。除草裝置由320 W直流穩(wěn)壓電源（型號KXN-645D，深圳市兆信電子儀器設(shè)備有限公司生產(chǎn)）供電。

1.1.2 執(zhí)行部件參數(shù)確定

根據(jù)韓豹等[25]的研究結(jié)果，玉米和大豆作物株間作業(yè)的最佳梳齒間距為50 mm，考慮到其入土深度為15～30 mm，由于梳齒入土深度越大、梳齒間距越小，所消耗的能耗越高，所需要除草機(jī)的配套動力越大，而本研究的避苗除草裝置與其相似，可適用于旱田玉米和大豆，但本文擬定的梳齒入土深度為5～20 mm，以使本文研究的避苗除草裝置可以搭載于多種除草機(jī)，則本研究成比例地減小了梳齒間距，將梳齒間距定為10 mm。由于東北地區(qū)的實(shí)際壟距約為60 cm，該裝置的工作范圍為半倍壟距，即30 cm，該裝置的工作范圍是除草梳齒板旋轉(zhuǎn)工作的幅寬，該幅寬減去主軸直徑（4 cm）再除以2，則為梳齒板的長度，故梳齒板的長度為13 cm，為了在梳齒板上排布2排除草梳齒，且保證除草梳齒板的安裝孔上有足夠的扳手空間，故將除草梳齒板的寬度定為3 cm，如此的設(shè)定，輸出板上可安排18根除草梳齒，為了取材方便，除草梳齒選用30 mm長的螺釘，如圖1c所示。

由于梳齒板的布置會影響到除草周期、作業(yè)功耗、執(zhí)行效率等因素，考慮到玉米株距較小，為了保證機(jī)具的前進(jìn)速度，每1個除草周期內(nèi)，都要求在盡可能短的時間完成除草動作，梳齒板的排布必須能夠滿足除草周期性特點(diǎn)，因此梳齒板呈一定角度均布。除此之外，不同的角度設(shè)計(jì)需要不同數(shù)量的梳齒板來完成除草動作，但梳齒板越多，梳齒與土壤的接觸面積就越大，相應(yīng)的工作阻力就越大。梳齒板90°均布，則需要4條梳齒板，相同的梳齒排布密度的情況下，所造成的功耗相較于120°的均布，就會增加至少30%。梳齒板180°均布，在一定程度上可以減少作業(yè)功耗，但是相比于120°均布，其梳刷區(qū)域覆蓋范圍偏小，且所需執(zhí)行時間更長。從除草執(zhí)行效率方面考慮，參考周福君等[19]的“凸輪搖桿式擺動型玉米株間除草裝置”，1個避苗除草周期需要除草執(zhí)行部件“逆時針擺動-順時針回位”2次動作，基于其避苗除草思想，并提高工作效率，本研究設(shè)計(jì)了1次動作即可完成避苗除草作業(yè)的除草執(zhí)行部件，即除草梳齒板單向間歇性旋轉(zhuǎn)。綜合考慮除草執(zhí)行部件的除草阻力、除草功耗等因素，設(shè)定3條互成120°的除草梳齒板，如圖1a所示。

1.2 避苗過程分析

1.2.1 避苗除草原理

該裝置主要應(yīng)用于中耕期的玉米田，按照玉米的生育時期，此時的玉米植株處于拔節(jié)期，雄穗伸長，基部莖節(jié)總長度達(dá)2～3 cm，葉齡指數(shù)30左右[26]，高度介于70～130 cm之間，雜草的高度通常低于20 cm。軟軸的安裝高度可以與玉米植株接觸，而不會與雜草接觸，當(dāng)軟軸傳遞給行程開關(guān)的扭矩≥0.12 N·m時，行程開關(guān)即被觸發(fā)，但是該扭矩又不會碰傷或碰倒屆時的玉米植株。圖1a中的軟軸和主軸的垂直距離可調(diào)，范圍為10～15 cm，保留適當(dāng)?shù)母堪踩珔^(qū)（如圖2所示），即當(dāng)軟軸觸碰到玉米秸稈時，梳齒板并未觸碰到玉米植株的根部。工作時，該裝置整體安裝于具有行走功能的機(jī)架上，其梳齒的底部尖端進(jìn)入到土壤中，當(dāng)軟軸未觸碰到玉米秸稈時，該裝置按圖1a中所示方向運(yùn)動，在行走機(jī)架的帶動下，梳齒會梳刷雜草的根部與雜草莖稈部分，將雜草的根土復(fù)合體與土壤剝離，從而實(shí)現(xiàn)除草的目的。當(dāng)軟軸觸碰到玉米秸稈時，該裝置的3條梳齒板進(jìn)行間歇性旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，開始執(zhí)行避苗動作。如圖2中的位置所示，當(dāng)軟軸未觸碰玉米秸稈時，梳齒Ⅰ與該裝置的前進(jìn)方向垂直平動，當(dāng)軟軸觸碰到玉米秸稈時，梳齒Ⅰ剛好到達(dá)根部安全區(qū)，此時，步進(jìn)電機(jī)通過傳動軸帶動梳齒板旋轉(zhuǎn)，梳齒板經(jīng)過120°的逆時針旋轉(zhuǎn)之后，到達(dá)位置。在此過程中，梳齒Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ梳刷過的區(qū)域分別如圖3所示，將3個不同的梳刷區(qū)域組合到一起形成1個完整的除草周期；以除草裝置的前進(jìn)軸線為基準(zhǔn)，將除草區(qū)域分為左右2部分，左半邊代表作物株間區(qū)域，右半邊代表作物行間區(qū)域，除草范圍可同時涵蓋株間和行間區(qū)域。因此，該裝置可以同時鏟除行間與株間雜草。

圖2 避苗除草原理圖

圖3 梳齒梳刷區(qū)域圖

1.2.2 動作響應(yīng)時間

除草裝置工作的響應(yīng)時間，以軟軸接觸莖稈起至梳齒板開始轉(zhuǎn)動，包括軟軸的觸發(fā)時間及程序的執(zhí)行時間。以4 km/h的前進(jìn)速度為例，除草梳齒板平動狀態(tài)下，始終有一條除草梳齒板與軟軸處于空間平行狀態(tài)，本文中定義二者之間的距離為軟軸與梳齒板在地面上的投影距離，根據(jù)上文中安全區(qū)的設(shè)定范圍，初步設(shè)定其距離為13 cm，經(jīng)計(jì)算，機(jī)具前進(jìn)13 cm的距離所需的時間為0.13/1.11= 0.117 s，即117 ms；軟軸30°形變（即相當(dāng)于施加于軟軸上的力矩≥0.12 N·m）即可被觸發(fā)，此形變需要2 cm左右的間距，即0.02/1.11=0.018 s，即18 ms；經(jīng)測試，程序的執(zhí)行時間約為50 ms。即前進(jìn)速度為4 km/h時，該裝置的實(shí)際響應(yīng)時間約為68 ms<117 ms，因此，該避苗動作的響應(yīng)時間可以滿足避苗除草的工作要求。實(shí)際上，除草機(jī)前進(jìn)速度越慢，所允許的響應(yīng)時間越長，通過計(jì)算可得，當(dāng)除草機(jī)的前進(jìn)速度<7 km/h時，本文設(shè)計(jì)的避苗除草裝置的響應(yīng)時間均滿足要求。

1.2.3 工作效率測算

梳齒板平動時，1條梳齒板與除草機(jī)前進(jìn)方向呈90°掃略土壤，另2條梳齒板與除草機(jī)前進(jìn)方向分別呈±60°掃略土壤，由于連接3條梳齒板的圓臺直徑為4 cm，故可計(jì)算出梳齒板平動時的掃略幅寬為28.3 cm，轉(zhuǎn)動時掃略的幅寬為30 cm，以平作玉米種植行距60 cm為例，以本裝置平動時的掃略幅寬除以種植行距，可以得出本裝置單側(cè)作業(yè)面積至少能覆蓋單行的47.17%，雙側(cè)作業(yè)面積能覆蓋單行的94.34%。整機(jī)按4 km/h進(jìn)行作業(yè)，除草裝置單側(cè)布置，則作業(yè)效率可達(dá)1360～1520 m2/h。

由于梳齒板執(zhí)行避苗動作之前，以平動的方式進(jìn)行梳刷，在執(zhí)行避苗動作的過程中，梳齒在原有平動軌跡的基礎(chǔ)上進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，2種運(yùn)動方式的疊加使梳齒軌跡出現(xiàn)了梳刷重疊區(qū)，如圖3d中的、區(qū)域；同時在梳齒轉(zhuǎn)動的過程中，也出現(xiàn)交叉重疊區(qū)，如圖3d中的、區(qū)域。因此最大限度地保障了較低除草率。

若要使用該裝置除去相鄰行單側(cè)行間和株間的雜草，只需要調(diào)轉(zhuǎn)該裝置的前進(jìn)方向，使軟軸與相鄰側(cè)的玉米秸稈相碰觸即可，或者通過改變控制程序，改變步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向，即可改變梳齒板的轉(zhuǎn)動方向。在田間除草作業(yè)中，若使用可跨越玉米植株高度的高地隙除草機(jī)，每條行間可前后布置2套除草裝置，分別負(fù)責(zé)左右側(cè)玉米種植行的株間除草與行間除草，在除草機(jī)幅寬可覆蓋的范圍內(nèi)，均可布置本文設(shè)計(jì)的避苗除草裝置，即可進(jìn)行雙側(cè)多行除草。

1.2.4 梳齒板的旋轉(zhuǎn)與機(jī)具前進(jìn)速度的匹配

梳齒旋轉(zhuǎn)的過程中，除草裝置的整體繼續(xù)沿著原方向前進(jìn)，以圖2為例，為了使梳齒板Ⅲ順利地避開下一株玉米植株的根部安全區(qū)，且盡可能大范圍地除去株間的雜草，以平均玉米種植株距20 cm為例，若相鄰2株玉米植株之間各保留2 cm以內(nèi)的根部安全區(qū)，則株間被除草的區(qū)域在16 cm以上，漏除區(qū)在4 cm以內(nèi)，漏除區(qū)域<五分之一的株距，故梳齒的旋轉(zhuǎn)速度和機(jī)具的前進(jìn)速度之間應(yīng)該滿足式（1）。

實(shí)際工作時，通過超聲波速度傳感器檢測機(jī)具的實(shí)時前進(jìn)速度，通過Arduino開發(fā)板編寫的程序控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器，調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，最終控制梳齒板的角速度，整體控制流程如圖4所示。

圖4 避苗除草流程圖

2 試驗(yàn)與結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)在吉林大學(xué)南嶺校區(qū)土槽實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，試驗(yàn)土槽全長20 m，寬3 m；單次試驗(yàn)行程7 m，其中除草前準(zhǔn)備區(qū)長度2 m，玉米植株種植區(qū)域長度3 m，除草后停車區(qū)長度2 m。試驗(yàn)方案為將該除草裝置安裝于鋁合金型材制作的底盤上，底盤由土槽臺車牽引，在土槽臺車的帶動下，避苗除草裝置對單側(cè)玉米種植行的行間與株間進(jìn)行除草，每次試驗(yàn)均為單行玉米，1個行程結(jié)束之后，土槽臺車的動力系統(tǒng)可以驅(qū)動土槽臺車退回起始點(diǎn)，玉米植株和雜草需要重新移栽，每種試驗(yàn)條件下進(jìn)行5次重復(fù)試驗(yàn)，試驗(yàn)指標(biāo)為除草率和傷苗率，取5次重復(fù)試驗(yàn)的平均值，試驗(yàn)場景如圖5所示。

由于試驗(yàn)時在東北地區(qū)已經(jīng)無法在田間獲得處于中耕期的玉米植株，而且本研究的重點(diǎn)是要驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)的避苗除草裝置的功能是否可以滿足田間作業(yè)的需求，所以本試驗(yàn)于2017年11月15日至19日從土槽實(shí)驗(yàn)室的溫室大棚將玉米植株移栽至土槽，移栽時的玉米植株處于完熟期，所使用的玉米植株品種為金玉100，高度為1.9～2.1 m，根部直徑為3～3.5 cm，移栽的密度根據(jù)正交試驗(yàn)設(shè)定的試驗(yàn)水平而異，為了使移栽的玉米植株最大程度地接近農(nóng)田中自然生長的玉米植株，以玉米植株的根部為中心，挖取半徑為20 cm的土壤半球，然后在土槽中挖取同樣半徑的半球凹槽，將移栽的玉米植株放入凹槽之后，周圍的縫隙除了土壤的自然沉降之外，另外填充土槽中的土壤，然后用腳踩實(shí)。試驗(yàn)中，所選用的雜草為狗尾草（(L.) Beauv.），為盡量保證移栽的雜草與自然生長狀態(tài)的雜草的機(jī)械性質(zhì)相似，移栽的過程中以雜草塊的形式進(jìn)行處理以保留雜草根部的土壤團(tuán)，具體地，選擇目標(biāo)雜草群，然后截取15 cm×15 cm的雜草區(qū)塊，經(jīng)過雜草區(qū)塊的任一邊建立土壤縱剖面，以自土壤表面向下10 cm的深度處（此深度已經(jīng)超過雜草根深）、且垂直于土壤縱剖面的方向截取雜草區(qū)塊，然后在土槽中挖取相同大小的土壤凹槽，再將雜草區(qū)塊放置其中，周邊的縫隙除土壤自然沉降之外，用土槽中的土壤填滿，用手指按實(shí)。雜草的移栽密度為0.03 ~ 0.04 株/cm2，如圖6a所示。土槽試驗(yàn)過程中，模擬平作農(nóng)田，不做起壟處理。試驗(yàn)前，測定0～8 cm土壤的含水率為16.5%、堅(jiān)實(shí)度為35.6 kPa，試驗(yàn)后除草效果圖如圖6b所示。

圖5 試驗(yàn)場景

a. 移栽的玉米秸稈與雜草 a. Transplanted maize plants and weedsb. 除草后效果圖 b. Weeding effect chart

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

以傷苗率和除草率為試驗(yàn)的指標(biāo)，由于試驗(yàn)條件所限，試驗(yàn)中所使用的玉米植株處于完熟期，機(jī)械強(qiáng)度較高，因此試驗(yàn)中當(dāng)梳齒板碰觸到玉米秸稈時即視為傷苗，而不以實(shí)際損傷玉米植株作為傷苗的判定依據(jù)，由人工計(jì)數(shù)被“碰傷”的玉米植株的數(shù)量并計(jì)算除草率。

使用SPSS 22.0（IBM公司）進(jìn)行三因素四水平正交試驗(yàn)，因素與水平如表1所示。軟件自動套用16（45）正交表，不考慮三個因素間的交互作用，故空2列，共進(jìn)行16次試驗(yàn)，除草率和傷苗率的正交試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表1 試驗(yàn)因素與水平

表2 除草率和傷苗率的正交試驗(yàn)結(jié)果

通過表2的極差分析可知，當(dāng)考查除草率時，梳齒入土深度的影響大于株距，當(dāng)考查傷苗率時，株距的影響大于梳齒入土深度。二者的最優(yōu)組合均為梳齒入土深度為20 mm，株距為26 cm，考慮到5 km/h較3 km/h有利于提高作業(yè)效率，故速度優(yōu)選5 km/h。最優(yōu)組合下，平均傷苗率為5.9%，平均除草率為94.7%。

本文設(shè)計(jì)的除草裝置的軟軸在未碰觸玉米秸稈時，除草梳齒并不轉(zhuǎn)動，而僅在土槽臺車的牽引下前進(jìn)（可視為平動），玉米的種植株距越大，除草梳齒在株間的平動距離越長，相比較于旋轉(zhuǎn)除草效果，平動的除草效果較好[27-28]。因此，除草率隨著玉米種植株距的增加而增加。除草梳齒的入土深度越大，梳齒對于雜草根土復(fù)合體的破壞作用越強(qiáng)烈[29]，雜草被梳齒梳刷出土壤的幾率越大，所以隨著梳齒入土深度的增加，除草率增加。

根據(jù)本文設(shè)定的程序，梳齒板本應(yīng)無法碰觸玉米秸稈根部，但是由于梳齒扎進(jìn)土壤中，產(chǎn)生了旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的阻力，故在機(jī)具前進(jìn)的過程中，出現(xiàn)了梳齒旋轉(zhuǎn)不到位、不及時的現(xiàn)象，故出現(xiàn)了傷苗現(xiàn)象。除此之外，玉米的種植株距越小，梳齒板的旋轉(zhuǎn)避苗動作則越頻繁，故傷苗的概率越大。機(jī)具的前進(jìn)速度越快，對除草梳齒的避苗動作的反應(yīng)靈敏度要求就越高，因此，過快的機(jī)具前進(jìn)速度，也是高傷苗率的原因之一，這與大多數(shù)研究結(jié)果相統(tǒng)一，而與具體的除草執(zhí)行機(jī)構(gòu)無關(guān)[7,19,30-31]。對于傷苗率與株距的關(guān)系，由于本研究設(shè)計(jì)的避苗除草裝置工作時，位于秧苗行一側(cè)，故與位于秧苗行之上的株間除草裝置[7,19,30-31]不同，陳樹人等[31]的研究結(jié)果顯示，傷苗率隨著平均株距的增加而增加。相關(guān)研究顯示，水田中，除草執(zhí)行部件入土越深，傷苗率越高[30,32]。

從圖6b中除草后效果可以看出，玉米株間區(qū)域雜草清除的較為干凈，而行間區(qū)域存在遺留的雜草，按照本裝置單側(cè)作業(yè)面積至少能覆蓋單行的47.17%的面積進(jìn)行分析，圖6b中的留存雜草并不是本裝置作業(yè)時不能覆蓋的范圍所致，而是除草梳齒板雖然掃略了該范圍，但是沒有能將雜草梳刷出土壤，故造成了雜草沒有完全除凈。這與理論分析中，本文所設(shè)計(jì)的除草裝置可同時進(jìn)行行間株間除草，且重復(fù)梳刷區(qū)最大限度保障除草率等分析相吻合。

為了探究株距、作業(yè)速度、梳齒入土深度對傷苗率與除草率的影響是否顯著，使用SPSS 22.0對正交試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，結(jié)果如表3所示。

表3 試驗(yàn)因素對試驗(yàn)指標(biāo)的顯著性檢驗(yàn)

根據(jù)方差分析的結(jié)果，在顯著性水平=0.05時，玉米植株的株距對于傷苗率的影響是最顯著的（<0.001< 0.05），梳齒的入土深度對于傷苗率和除草率的影響均顯著（傷苗率=0.015<0.05，除草率=0.032<0.05）；機(jī)具前進(jìn)速度對傷苗率和除草率的影響不顯著（傷苗率=0.129>0.05，除草率= 0.545>0.05）。

3 結(jié)論與展望

本文設(shè)計(jì)的適用于中耕期玉米田間的避苗除草裝置，采用3條互成120°的梳齒板間歇性旋轉(zhuǎn)避苗，可同時鏟除行間與株間的雜草，采用彈性軟軸作為傳感器，代替了價(jià)格較為昂貴的視覺傳感器或光譜傳感器，其避苗除草原理簡單、制作成本低廉。

1）土槽試驗(yàn)結(jié)果顯示，3種試驗(yàn)因素的最優(yōu)組合為梳齒入土深度為20 mm，株距為26 cm，除草機(jī)的前進(jìn)速度為5 km/h。最優(yōu)組合下，平均傷苗率為5.9%，平均除草率為94.7%。顯著性檢驗(yàn)結(jié)果顯示，玉米植株的株距對于傷苗率的影響最顯著(<0.05)，梳齒的入土深度對于傷苗率和除草率均有顯著影響(<0.05)，試驗(yàn)結(jié)果可為該裝置的優(yōu)化升級與應(yīng)用提供基礎(chǔ)，為農(nóng)田機(jī)械除草裝置的研發(fā)提供參考。

2）由于梳齒需進(jìn)入土壤工作，阻力較大，降低該裝置的作業(yè)阻力是本研究的下一步工作；除此之外，除草部件在除草工作完成之后，梳齒間出現(xiàn)雜草纏繞現(xiàn)象，克服梳齒間雜草纏繞、增加雜草的種類，進(jìn)行田間試驗(yàn)也是本研究的下一步工作。

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Design and experiment of seedling avoidable weeding control device for intertillage maize (L.)

Jia Honglei1,2, Li Sensen1,2, Wang Gang1,3※, Liu Huili1

(1.130022,;130022,; 3.130012,)

The organic farming requires reducing the application of chemical fertilizer and herbicide, and the weeds play a critical role in confronting the world food security which requires high yield crops. In order to solve the problem mentioned above, the mechanical weeding control device is being highlighted nowadays. In terms of the mechanical weeding components, there are finger weeding device, torsion weeding device, brush weeding device with vertical axis, spring tine harrow, and so on. Separating the crop seedlings and the weeds is the key procedure during the weeding control process, and the spectrum, and spectrum pictures, as well as the machine vision are major technologies, but one thing should be mentioned that these sensors are relatively expensive and robotic weeding device equipped with these sensors seldom can be found in agricultural field yet. Thus based on the design concept of not relying on the intelligent guide platform or agricultural robot, this manuscript developed a mechanical weeding device equipped with a flexible shaft, a travel switch, a stepper motor, an MCU (microcontroller unit), 3 brush plates, and so on. This device was designed to serve the inter-tillage maize (L.) field, owing to that the maize plants in this growing period are high and vigorous enough to block the flexible shaft so as to turn on the travel switch. According to the division of maize breeding period, the maize plant at that time was in the stage of elongation, at which the male ear was elongated, the total length of the base stem node should be between 2 and 3 cm, and the leaf age index was about 30. In normal working status, one of the 3 brush plates is perpendicular to the moving direction, the bottom of the brush teeth will stab into the soil so as to pull the weeds out, and the device moves along with the tractor equipment. If there is a connection between the maize stalk and the flexible shaft, the flexible shaft will bend, and thus the travel switch will be turned on. Subsequently, the stepper motor will start working and the brush plate which would damage the maize stalk will rotate by 120°anticlockwise, so as to avoid the nearest maize stalk. If the forward speed of the device and the rotation speed of the brushes don’t match, maize seedlings will be damaged, and thus a program was written in the MCU to achieve an appropriate relationship between the forward speed and the rotation speed. The software SPSS 22.0 was applied to conduct an orthogonal test, the soil bin laboratory in Jilin University provided the essential equipment, and the test indices were seedling damage rate and weed removal rate, and the test factors were seedling distances (17, 20, 23, and 26 cm), forward speeds (3, 4, 5, and 6 km/h), as well as the stabbing depths of the brush teeth (5, 10, 15 and 20 mm). There was no interaction between any 2 test factors, and 16 experiments were conducted. The maize plants and green bristlegrass ((L.) Beauv.) were transplanted into the soil bin. The experimental results showed that under the most optimized test levels, the average seedling damage rate was 5.9%, and the average weed removal rate was 94.7%. The ANOVA (analysis of variance) results showed the seedling distance had significant (<0.05) influence on seedling damage rate, and the brush stabbing depth had significant (<0.05) influence on both seedling damage rate and weed removal rate, but the forward speed didn’t have significant (>0.05) influence on either seedling damage rate or weed removal rate. This device can meet the requirement of intra-row weeding control in maize field, and it is easy to manufacture and cost-effective, and thus it can become a reference for farming mechanical weeding device.

agricultural machinery; design; experiments;seedling avoidable weeding control; seedling damage rate; weed removal rate; weed removal brush teeth; significant test

賈洪雷，李森森，王 剛，劉慧力. 中耕期玉米田間避苗除草裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2018，34(7)：15－22. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.07.002 http://www.tcsae.org

Jia Honglei, Li Sensen, Wang Gang, Liu Huili. Design and experiment of seedling avoidable weeding control device for intertillage maize (L.)[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(7): 15－22. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.07.002 http://www.tcsae.org

2017-12-11

2018-03-08

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2017YFD0700904）；博士后科學(xué)基金面上資助（801171030419）；博士后科研啟動經(jīng)費(fèi)（801171050419）；吉林省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（20160309001NY）

賈洪雷，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事仿生智能農(nóng)業(yè)機(jī)械與保護(hù)性耕作理論與技術(shù)研究。Email：jiahl@vip.163.com

王 剛，男（滿族），助理研究員，博士，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械研究與設(shè)計(jì)。Email：gw1988@jlu.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.07.002

S224.1+5

A

1002-6819(2018)-07-0015-08