葡萄株間除草機精準避障控制系統(tǒng)優(yōu)化設計與試驗

徐麗明，趙詩建，馬 帥，牛 叢，閆成功，盧彩云

葡萄株間除草機精準避障控制系統(tǒng)優(yōu)化設計與試驗

徐麗明，趙詩建，馬 帥，牛 叢，閆成功，盧彩云

（中國農(nóng)業(yè)大學工學院，北京 100083）

現(xiàn)有籬架式栽培葡萄雙邊作業(yè)株間自動避障除草機避障系統(tǒng)采用開關控制避障動作，由于避障行程固定，無法根據(jù)障礙物位置精確控制避障動作行程，導致除草效果不佳。針對上述問題，該研究在先前研究的基礎上，依據(jù)仿形控制原理對避障控制系統(tǒng)進行優(yōu)化，設計一種由避障信號采集部分、程序控制部分、液壓執(zhí)行部分、避障監(jiān)測反饋部分等組成的精準避障控制系統(tǒng)。基于精準避障工作要求，確定避障動作閉環(huán)控制方案；優(yōu)化液壓回路結構，液壓與電控結合實現(xiàn)精準避障控制；對精準避障控制程序進行靜態(tài)標定和PID參數(shù)整定；利用Recurdyn對障礙物呈直線排列狀態(tài)下除草機的精準避障作業(yè)進行模擬仿真，并通過分析除草刀盤運動軌跡選取較優(yōu)除草刀盤轉速；以機器作業(yè)速度為試驗因素，除草作業(yè)覆蓋率和果樹損傷率為評價指標進行田間試驗。試驗結果表明，當機器作業(yè)速度為380 mm/s時，除草作業(yè)覆蓋率與作業(yè)效率綜合效果最佳，試驗得到平均除草作業(yè)覆蓋率為93.97%，較先前研究提高4.39%，果樹損傷率為1.92%，除草機可良好實現(xiàn)避障除草作業(yè)。該研究可為果園株間除草機的進一步優(yōu)化提供參考。

農(nóng)業(yè)機械；機械化；精準避障；PID控制；株間除草機；優(yōu)化設計

0 引 言

在葡萄種植過程中，雜草生長與葡萄搶奪資源，導致植株病蟲害問題加劇，品質降低，產(chǎn)量減少可達10%～20%[1]。為保證葡萄有較高的品質，葡萄園雜草清除是至關重要的環(huán)節(jié)[2-3]?，F(xiàn)存除草技術可分為兩大類：化學除草與非化學除草[4]。施用除草劑是化學除草的主要形式，具有高效方便、除草效果較好等優(yōu)點。但長期使用除草劑會對作物產(chǎn)生藥害，對環(huán)境造成污染，并且會使雜草產(chǎn)生抗藥性[5-8]。非化學除草技術中的機械除草能夠實現(xiàn)綠色除草，提高作物質量，同時對作物、環(huán)境無污染[9]。行間除草發(fā)展較為成熟，由于株間除草作業(yè)為非連續(xù)區(qū)域，識別和定位難度較大，作業(yè)時容易誤傷植株，株間除草研究進展緩慢[10-11]。因此，根據(jù)葡萄樹干和籬架的位置信息，在避免損傷葡萄植株的前提下，實現(xiàn)除草部件精準仿形避障是發(fā)展株間除草的關鍵。

國內(nèi)外對于株間機械除草技術展開了深入的研究，現(xiàn)已將自動化、智能化以及現(xiàn)代信息技術運用到現(xiàn)代農(nóng)業(yè)果園除草機上[12]。波蘭JAGODAJPS生產(chǎn)了一款人工操縱手柄調整除草裝置與果樹的相對位置，實現(xiàn)避障除草作業(yè)的除草機，但其對工人技術要求較高，且工作效率較低[13]。意大利AEDES與ARRIZZA公司生產(chǎn)的果園株間自動避障除草機，其除草裝置多樣，可實現(xiàn)一機多用，但其機具較大且株間除草作業(yè)覆蓋率較低[14]。Norremark[15-16]研究了一款采用GPS定位技術實現(xiàn)障礙物識別、避障路徑規(guī)劃的株間除草機，除草作業(yè)覆蓋率、避障率良好，但總體受限于GPS精度和使用成本。Cordill等[17]研究了一種采用光電傳感器檢測玉米植株的自動避障玉米株間除草機，但傳感器檢測準確度會受作業(yè)環(huán)境、植株外形的影響，進而導致株間除草作業(yè)覆蓋率降低。國外針對株間除草機械的研究較為成熟，但無法針對障礙物位置進行仿形避障，且機具較大，并不適用于中國傳統(tǒng)果園株間除草作業(yè)[18]。張斌[19]研制了一種果園自動讓樹除草機，通過機械感應觸桿受力變化控制壓力控制閥響應，實現(xiàn)避障除草作業(yè)，可同時除去行間、株間的雜草，但其株間除草作業(yè)覆蓋率有待提高。劉玉潔等[20]將物聯(lián)網(wǎng)技術、無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點定位技術應用到除草機智能化設計中，避障效果良好，但避障準確率受限于自主定位和導航精確性。張朋舉等[21-22]研究了八爪式機械株間除草裝置，基于LabVIEW設計了控制系統(tǒng)，但控制系統(tǒng)存在響應緩慢、理論與實際動作行程不一致等問題，除草效果較差，并容易對植株造成傷害。何義川等[23]研究了葡萄園避障除草機，通過避障傳感器感應障礙物信號，控制株間避障除草作業(yè)，可使行間、株間雜草得到有效清除，但其避障行程固定導致株間除草作業(yè)覆蓋率較低。朱站偉等[24]設計了果園株間除草自動避障裝置，避障桿觸碰障礙物受力轉動過程中觸碰電磁換向閥響應，進而觸發(fā)避障動作。一次作業(yè)即可完成疏松行間表層土壤，清除行間雜草、株間雜草等多道工序，功率消耗大且株間除草效果不佳。本團隊先前研究了一種籬架式栽培葡萄雙邊作業(yè)株間自動避障除草機，避障控制系統(tǒng)通過位移傳感器采集障礙物信號，并采用開關控制液壓缸動作，具有一定除草效果，但由于避障行程固定，無法根據(jù)障礙物位置精準控制避障動作行程，導致植株周圍存在的未除雜草面積較大，株間除草作業(yè)覆蓋率可進一步提高[25]。

針對上述問題，該文在先前研究籬架式栽培葡萄雙邊作業(yè)株間自動避障除草機整體結構的基礎上，擬設計一種葡萄株間除草機精準避障控制系統(tǒng)，依據(jù)仿形控制原理，確定由避障信號采集部分、程序控制部分、液壓執(zhí)行部分、避障監(jiān)測反饋部分等組成的閉環(huán)控制方案，優(yōu)化設計液壓系統(tǒng)回路結構。擬通過靜態(tài)程序標定試驗和PID參數(shù)整定，實現(xiàn)精準避障控制系統(tǒng)根據(jù)障礙物位置精確控制避障動作行程，使除草刀盤圍繞障礙物快速、穩(wěn)定的避障作業(yè)，并在最優(yōu)PID參數(shù)組合下，以機器作業(yè)速度為試驗因素，除草作業(yè)覆蓋率和果樹損傷率為評價指標進行田間試驗，在實現(xiàn)自動避障功能的同時提高除草作業(yè)覆蓋率、避免果樹損傷。以期為果園株間機械除草技術的發(fā)展提供參考。

1 精準避障控制系統(tǒng)設計

1.1 葡萄株間避障除草機整體結構

葡萄株間避障除草機整體結構如圖1所示，主要包括機架、液壓系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、上下仿形機構、行寬調節(jié)機構、仿形地輪和避障除草機構。避障除草機構由避障信號采集部分、液壓執(zhí)行部分、避障監(jiān)測反饋部分和除草刀盤等組成。

1.2 精準避障控制系統(tǒng)設計原理

本團隊先前研究的避障控制程序采用開關控制避障動作，避障動作行程固定在液壓缸最大行程，當作物植株位置不呈直線排列時，無法實時根據(jù)障礙物位置精準控制避障動作行程，除草機避障作業(yè)時存在空行程（實際動作行程—理論動作行程）作業(yè)，導致植株周圍存在的未除雜草面積較大，株間除草作業(yè)覆蓋率可進一步提高。

本文提出一種由避障信號采集部分、程序控制部分、液壓執(zhí)行部分、避障監(jiān)測反饋部分等組成的精準避障控制系統(tǒng)，通過避障信號采集部分實時采集作物的精確位置，并將位置信號傳遞給程序控制部分，經(jīng)程序計算得出理論動作行程信號，進而控制液壓執(zhí)行部分的動作行程大小與動作速度，同時避障監(jiān)測反饋部分實時監(jiān)測液壓執(zhí)行部分實際動作行程，反饋至程序控制部分與理論動作行程對比做差，進而對實際避障動作進行精確調整，形成閉環(huán)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)避障除草作業(yè)的精準控制。避障信號采集部分、液壓執(zhí)行部分、避障監(jiān)測反饋部分之間對應關聯(lián)式的具體設計內(nèi)容見下文。

如圖2a所示，觸桿旋轉中心與避障信號采集位移傳感器安裝點、組成一個三角形，為觸桿未觸碰障礙物時避障信號采集位移傳感器所在邊對應角的初始值。除草機進行避障作業(yè)時，觸桿與障礙物接觸受力轉動的同時帶動避障信號采集位移傳感器所在邊變化，也隨之變化，避障信號采集位移傳感器產(chǎn)生電壓信號傳遞給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)將信號轉換成理想動作行程信號輸出。避障信號采集部分幾何關系對應公式如下

式中為觸桿旋轉中心與避障信號采集位移傳感器安裝點的距離，mm；觸桿旋轉中心與避障信號采集位移傳感器安裝點的距離，mm；為避障信號采集位移傳感器器安裝點與的距離，mm；為觸桿未觸碰障礙物時避障信號采集位移傳感器所在邊對應角的初始值，(°)。

如圖2b所示，液壓執(zhí)行部分中除草刀盤旋轉中心與避障液壓缸安裝點、組成一個三角形，為除草部件未進行避障作業(yè)、株間除草狀態(tài)時避障液壓缸所在邊對應角的初始值?？刂葡到y(tǒng)轉換輸出理想動作行程信號到液壓執(zhí)行部分，避障液壓缸執(zhí)行避障動作，避障液壓缸所在邊變化，也隨之變化。避障液壓缸動作的同時，同步動作的避障監(jiān)測位移傳感器將實際動作行程信號實時監(jiān)測反饋到控制系統(tǒng)，與理想動作行程相比較，實現(xiàn)精準避障。液壓執(zhí)行部分幾何對應公式如下

式中為除草刀盤旋轉中心與避障液壓缸安裝點的距離，mm；為除草刀盤旋轉中心與避障液壓缸安裝點的距離，mm；為避障液壓缸安裝點與的距離，mm；為除草部件未進行避障作業(yè)、株間除草狀態(tài)時避障液壓缸所在邊對應角的初始值，(°)；為觸桿與障礙物接觸受力轉動時避障信號采集位移傳感器所在邊對應角的變化量。

1.觸桿 2.避障信號采集位移傳感器 3.氣彈簧 4.避障液壓缸 5.避障信號監(jiān)測位移傳感器

1. Contact rod 2. Obstacle avoidance signal acquisition displacement sensor 3. Gas spring 4. Obstacle avoidance hydraulic cylinder 5. Obstacle avoidance signal monitoring displacement sensor

注：為觸桿旋轉中心；、為避障信號采集位移傳感器安裝點；為觸桿未觸碰障礙物時避障信號采集位移傳感器所在邊對應角的初始值，(°)；為除草刀盤旋轉中心；、為避障液壓缸安裝點；為除草部件未進行避障作業(yè)、株間除草狀態(tài)時避障液壓缸所在邊對應角的初始值，(°)。

Note:is the rotation center of the contact rod;andare the installation points of the displacement sensor for obstacle avoidance signal acquisition;is the initial value of the angle corresponding to the sidewhere the displacement sensor for obstacle avoidance signal acquisition is located when the contact rod does not touch the obstacle, (°);is the rotation center of the weeding cutter;andare the installation points of the obstacle avoidance hydraulic cylinders;is the initial value of the angle corresponding to the sidewhere the obstacle avoidance hydraulic cylinder is located when the weeding component does not perform obstacle avoidance operations and when weeding between plants, (°).

圖2 閉環(huán)控制系統(tǒng)結構示意圖

Fig.2 Structure of obstacle avoidance closed loop control system

當除草刀盤運動至接近障礙物位置時，避障信號采集部分中觸桿與障礙物接觸轉動，同時帶動避障信號采集位移傳感器所在邊和邊所對應角發(fā)生變化，通過避障信號采集位移傳感器將角度變化信號轉換成電壓信號傳遞給控制系統(tǒng)，通過控制系統(tǒng)計算液壓執(zhí)行部分理論動作行程，并將信號轉換輸出到液壓執(zhí)行部分，控制液壓執(zhí)行部分中角變化大小，實現(xiàn)除草刀盤圍繞障礙物避障作業(yè)，同時避障監(jiān)測反饋位移傳感器反饋實際動作行程到控制系統(tǒng)，對實際避障動作進行精確調整，使除草機根據(jù)障礙物具體位置快速、準確的實現(xiàn)避障作業(yè)，減小避障空行程作業(yè)造成的未除雜草面積，實現(xiàn)避障除草作業(yè)的精確控制，提高除草作業(yè)覆蓋率，避免果樹損傷。

1.3 液壓系統(tǒng)設計

根據(jù)精準避障控制系統(tǒng)的工作原理優(yōu)化設計液壓系統(tǒng)，主要由油箱、液壓增速箱、三聯(lián)泵、比例換向閥、電磁換向閥、溢流閥、液壓馬達、液壓缸、管式過濾器、風冷卻器等組成。液壓系統(tǒng)原理圖如圖3所示，機器工作時，拖拉機PTO輸出的轉速經(jīng)液壓增速箱增速后，將動力傳遞給三聯(lián)泵，為液壓系統(tǒng)提供動力；雙邊液壓馬達采用2個相同排量的液壓泵進行單獨流量供應，電磁換向閥通電時，液壓馬達驅動除草刀盤以穩(wěn)定轉速轉動，除草作業(yè)時雙邊除草刀盤轉速相同，且不會相互干渉；液壓泵流出的油液經(jīng)管式過濾器過濾后，再對行寬調節(jié)液壓缸、避障液壓缸進行流量供應，行寬調節(jié)是在機器進行除草作業(yè)之前，根據(jù)葡萄園種植行距，手動調節(jié)液壓閥進行作業(yè)行寬的調節(jié)，避障與行寬調節(jié)動作不同步進行，故使用同一液壓泵不會產(chǎn)生相互影響。機器進行除草作業(yè)過程中，比例換向閥始終得電，根據(jù)電控系統(tǒng)傳遞的信號，控制比例換向閥的開口大小和方向，進而控制避障液壓缸的伸縮行程和動作速度，實現(xiàn)除草機準確、快速的避障動作。

1.4 控制系統(tǒng)硬件設計

精準避障控制系統(tǒng)主要由直流電源、電控開關、電壓轉換模塊、避障信號采集部分、程序控制部分、液壓執(zhí)行部分和避障監(jiān)測反饋部分組成，如圖4所示。電源部分采用拖拉機12V直流電源，增設12V-5V、12V-24V電壓轉換模塊分別用于單片機、BFWN-02-3C2-7-20-G24K31F1比例換向閥的電壓供應；避障信號采集部分中的觸桿為避障系統(tǒng)的感知部分，用于識別障礙物；避障信號采集位移傳感器與避障監(jiān)測反饋位移傳感器分別選用KPM-75、KPM-150，用于避障過程中信號采集與反饋。選用ESP32開發(fā)板作為主控制器，用于避障信號采集位移傳感器、比例換向閥、避障液壓缸三者之間的信號處理與傳遞；避障信號采集位移傳感器隨觸桿動作產(chǎn)生信號并輸出到主控制器，避障監(jiān)測反饋位移傳感器與避障液壓缸平行安裝，隨著避障液壓缸的伸縮而伸縮，產(chǎn)生的信號反饋給主控制器。液壓執(zhí)行部分主要由液壓閥組、液壓油箱和避障液壓缸組成，其根據(jù)主控制器的輸出信號進行避障機械動作。

1.12V-5V降壓模塊 2.12V直流電源 3.12V-24V升壓模塊 4.比例換向閥 5.避障信號采集位移傳感器 6.ESP32開發(fā)板 7.避障監(jiān)測反饋位移傳感器 8.避障液壓缸

1.5 控制系統(tǒng)軟件設計

精準避障控制系統(tǒng)軟件流程如圖5所示，程序開始運行，首先初始化單片機內(nèi)部寄存器資源，當除草部件遇到障礙物時，觸桿轉動帶動避障信號采集位移傳感器在0～70 mm范圍內(nèi)動作，對應輸出0～5 V電壓信號，主控制器根據(jù)該電壓信號變化值?進行數(shù)值判斷。當?>0，主控制器將電壓信號轉換為12～20 mA電流信號，控制比例換向閥的開口方向和大小，進而控制避障液壓缸縮回行程與速度大小，避障液壓缸縮回0～140 mm距離。當?<0，主控制器將電壓信號轉換為4～12 mA電流信號，控制比例換向閥的開口方向和大小，進而控制避障液壓缸伸出行程與速度大小，避障液壓缸伸出0～140 mm距離。避障監(jiān)測反饋位移傳感器與避障液壓缸同步動作，監(jiān)測液壓缸實際動作行程，并實時反饋到主控制器，主控制器通過計算實際動作行程與理論動作行程的差值?，對避障液壓缸的動作進行精確調整，實現(xiàn)精確、快速的避障動作。

2 精準避障程序調試試驗

2.1 有效避障行程標定

為保證安全避障，液壓缸伸縮動作都應留出5 mm剩余行程，防止液壓缸完全伸縮狀態(tài)時，因動作速度較快產(chǎn)生沖擊震蕩，對液壓缸和避障監(jiān)測反饋位移傳感器造成損壞。即標定避障信號采集位移傳感器的有效行程范圍為0～70 mm，避障液壓缸、避障監(jiān)測反饋位移傳感器的有效行程范圍均為5～145 mm。有效避障行程標定曲線如圖6所示。

圖6 有效避障行程標定曲線

2.2 PID參數(shù)整定

PID控制策略已經(jīng)廣泛應用于電液比例控制技術中，使控制系統(tǒng)具有穩(wěn)態(tài)精度高、動態(tài)響應快、超調量小、抗負載干擾能力強等性能[26]。為了提高系統(tǒng)的精準避障能力，根據(jù)系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)，按照系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求，采用PID控制算法對避障液壓缸的動作速度、行程大小進行調節(jié)，以實現(xiàn)精準避障。

PID算法參數(shù)整定主要包括對比例、積分、微分系數(shù)及采樣時間等參數(shù)的整定，實時分析避障動作響應曲線，從超調量、響應時間和穩(wěn)定性等方面評價控制性能[27-28]。主控制器的輸入量是避障液壓缸實際動作行程與理論動作行程的偏差信號，輸出量是控制比例換向閥開口大小和方向的電流信號。

經(jīng)理論分析可得，機器作業(yè)速度與避障動作的響應速度、動作頻率緊密相關，參考文獻[25]，將機器作業(yè)速度分為4個水平：260、320、380 和440 mm/s。當機器在最快作業(yè)速度水平下，避障作業(yè)能良好實現(xiàn)時，在其他機器作業(yè)速度水平下也可良好實現(xiàn)避障作業(yè)。設置機器作業(yè)速度為最大值440 mm/s，采用“先比例后積分，最后再微分”的調整順序，進行PID參數(shù)整定，最終確定最優(yōu)PID參數(shù)組合為：比例系數(shù)=0.0343；積分系數(shù)=127.78；微分系數(shù)=0。最優(yōu)PID參數(shù)組合下避障動作響應曲線如圖7所示，除草機在4個機器作業(yè)速度水平下，避障液壓缸目標中心距曲線與實際中心距曲線擬合效果較好，避障過程可精準、快速、穩(wěn)定的實現(xiàn)。

3 除草刀盤轉速優(yōu)化仿真試驗

為了模擬除草機在精準避障狀態(tài)下進行除草作業(yè)時除草刀盤的運動軌跡，探究不同除草刀盤轉速對除草作業(yè)覆蓋率的影響，進而選取較優(yōu)除草刀盤轉速，利用多體動力學軟件RecurDyn建立除草機虛擬樣機仿真模型，設置各障礙物位置呈直線排列，并通過設置各運動參數(shù)使除草機實現(xiàn)精準避障作業(yè)，對精準避障除草作業(yè)過程中除草刀盤的運動軌跡進行仿真試驗與分析。

3.1 仿真模型

首先將除草單體三維模型在SolidWorks進行簡化，簡化后的模型主要包括機架、避障液壓缸、觸桿、氣彈簧和除草刀盤等，然后將簡化后的模型保存為 .igs 格式并導入RecurDyn軟件中，同時添加相應的材料屬性參數(shù)，根據(jù)避障過程中除草單體的實際運動形式，在各部件之間添加固定副、移動副和旋轉副等約束，使除草機在仿真模型中實現(xiàn)精準避障除草作業(yè)。在RecurDyn建立3個直徑為30 mm、高為1 m的圓柱體模擬葡萄樹干，材質設為木質，根據(jù)葡萄株距設置各圓柱體間距為1 m，為模擬觸桿與葡萄樹干的碰撞關系，在觸桿與葡萄樹干之間添加接觸力，同時為使觸桿避開葡萄樹干后自動復位，在觸桿與機架之間添加線性彈簧阻尼器。模型建立完畢后，設置仿真時間步為500，總時間為8 s，進行模擬仿真。除草刀盤前進過程中，觸桿與障礙物接觸受力產(chǎn)生轉動，當觸桿相對于旋轉中心的轉角大于15° 時，避障液壓缸縮回100 mm，進而帶動除草刀盤實現(xiàn)精準避障作業(yè)，避過障礙物后，觸桿在彈簧力作用下向反方向轉動，當觸桿相對于旋轉中心的轉角小于15° 時，避障液壓缸伸出100 mm，除草刀盤重回株間進行除草作業(yè)。

3.2 試驗方法

根據(jù)理論分析可得，當機器以最快機器作業(yè)速度進行作業(yè)時得到的最優(yōu)除草刀盤轉速可良好適用于其他理論機器作業(yè)速度水平，故設置機器作業(yè)速度為最大值440 mm/s，除草刀盤轉速選定100、200、300和400 r/min四個水平分別進行仿真試驗[25]。為獲得除草刀盤的運動軌跡，在除草刀盤邊緣呈30°均勻建立12個Maker點，用Maker點的軌跡線近似作為除草刀盤的運動軌跡。葡萄株間除草機除草刀盤運動軌跡如圖8所示。

3.3 評價指標

以除草作業(yè)覆蓋率為評價指標，選取較優(yōu)除草刀盤轉速[25]。為保證與前文研究一致性，將評價指標除草作業(yè)覆蓋率定義為

式中c為除草作業(yè)覆蓋率，%；為應除雜草面積，mm2；2為未除雜草面積mm2；

1.機架 2.避障液壓缸 3.氣彈簧 4.觸桿 5.除草刀盤

1.Frame 2.Obstacle avoidance hydraulic cylinder 3.Air spring 4.Contact rod 5.Weeding cutter head

注：123為障礙物；為避障液壓缸安裝點；矩形為應除雜草面積，mm2；1、1分別為Δ、Δ的高，mm；Δ與Δ為未除雜草面積，mm2；為避障過程中除草刀盤旋轉中心的最大豎直運動距離，mm。

Note:1,2,3is the obstacle;andis obstacle avoidance hydraulic cylinder installation point; Rectangularis the theoretical weeding area, mm2;1and1are the height of Δand Δrespectively, mm; Δand Δare the unworked area, mm2;is the maximum vertical movement distance of the rotation centerof the weeding cutter head during obstacle avoidance, mm.

圖8 除草刀盤運動軌跡

Fig.8 Motion trajectory of weeding cutter head

除草刀盤直徑為40 cm，為便于結果分析，將應除雜草面積設定為：以果樹中心為參考點，向除草機作業(yè)行內(nèi)側延伸20 cm作為除草作業(yè)寬度，選用2個株距長度200 cm為除草作業(yè)長度，既應除雜草面積為4 000 cm2，如圖8矩形所示；因除草刀盤的避障運動軌跡圍繞障礙物呈弧形分布，避障除草作業(yè)后障礙物周圍的未除雜草面積無法直接計算，故將未除雜草區(qū)域近似等效為三角形，如圖8中Δ與Δ所示，將未除雜草區(qū)域中沿機器前進方向的和作為三角形的底邊，垂直與機器前進方向的1和1作為三角形的高，計算Δ與Δ面積之和作為未除雜草面積。

3.4 結果分析

除草刀盤轉速優(yōu)化仿真試驗結果分析如表1所示。

表1 除草刀盤轉速優(yōu)化仿真試驗

由仿真試驗結果分析可得，當除草刀盤轉速由100 r/min增加至200 r/min時，除草作業(yè)覆蓋率增幅較大；當?shù)侗P轉速≥200 r/min時，除草刀盤轉速增大，除草作業(yè)覆蓋率變化甚微，可忽略不計，因此綜合考慮除草作業(yè)覆蓋率與除草刀盤功率消耗，選取除草刀盤轉速為200 r/min，除草作業(yè)覆蓋率高、除草刀盤功率消耗小。

4 田間試驗

4.1 試驗條件

試驗于2021年6月在河北省涿州市中國農(nóng)業(yè)大學科研試驗基地進行，避障除草作業(yè)試驗現(xiàn)場及樣機如圖9所示。試驗現(xiàn)場包括行距3 m、株距1 m的葡萄果樹行；試驗儀器和設備包括株間自動避障除草機樣機、時風風云504拖拉機、卷尺（0～5 m，精度為1 mm）、電腦Dell G3。

1.電控箱 2.風冷卻器 3.避障執(zhí)行機構 4.除草刀盤 5.地輪 6.液壓油箱 7.機架 8.上下仿形機構 9.監(jiān)測反饋機構 10.信號采集機構

4.2 試驗方案

由于機器作業(yè)速度與避障動作的響應速度、動作頻率緊密相關，進而對除草作業(yè)覆蓋率、果樹損傷率造成影響，故以機器作業(yè)速度為試驗因素，除草作業(yè)覆蓋率、果樹損傷率為評價指標進行田間試驗，每個機器作業(yè)速度水平進行3組有效試驗，結果取平均值。為保證田間試驗與仿真試驗的一致性，除草作業(yè)覆蓋率的計算方法與仿真試驗相同；由果樹生長的生物學特性可知，當果樹樹干出現(xiàn)韌皮層裸露或斷裂時，果樹損傷，以此標準驗證除草機避障作業(yè)時除草刀盤對果樹的損傷情況，計算果樹損傷率

式中為果樹損傷率，%；為損傷果樹數(shù)；為避障除草作業(yè)總果樹數(shù)。

4.3 試驗結果分析

在除草機作業(yè)前，結合籬架式葡萄栽培模式和淺松除草的技術要求[29-30]，對除草作業(yè)行寬、入土深度進行調節(jié)。為保證相鄰行間應除雜草面積相等，防止重復除草，將應除雜草面積設定為：5個株距取值為500 cm，以雙邊葡萄樹干中心為參照點，雙邊向工作行內(nèi)側各取20 cm，應除雜草面積為20 000 cm2。將機器作業(yè)環(huán)境規(guī)劃完成后，開始進行除草作業(yè)。除草機作業(yè)后，葡萄樹干周圍只存在極小部分雜草未得到清除，除草作業(yè)覆蓋率得到大幅度提高。機器作業(yè)行外側的雜草，當機器返程作業(yè)在相鄰行時，可將其良好清除。除草機在相鄰行往返作業(yè)后，可使中間葡萄行周圍和株間雜草完美清除，達到理想除草效果。田間試驗避障除草效果如圖10所示。

對除草作業(yè)后葡萄樹干周圍的未除雜草面積進行測量，并計算除草作業(yè)覆蓋率、果樹損傷率，結果取平均值，具體計算結果如表2所示。

表2 葡萄株間除草機精準避障控制系統(tǒng)田間試驗

由表2試驗結果分析可得，機器作業(yè)速度為260 、320、380、440 mm/s的平均除草作業(yè)覆蓋率分別可達94.82%、94.36%、93.97%、92.60%。葡萄園中果樹生長彎曲角度不同，葡萄樹干彎曲至接近地表狀態(tài)時，避障信號采集部分對其識別準確率下降，除草刀與樹干發(fā)生碰撞，使葡萄樹干出現(xiàn)韌皮層裸露，造成果樹損傷。除草機以各機器作業(yè)速度均進行兩行葡萄的除草作業(yè)，通過統(tǒng)計葡萄樹干總數(shù)和損傷葡萄樹干數(shù)目，計算果樹損傷率；機器作業(yè)速度為260、320 、380、440 mm/s的果樹損傷率分別為1.67%、1.78%、1.92%、2.08%；機器作業(yè)速度對果樹損傷率的影響甚微，除草機在各機器作業(yè)速度下均可實現(xiàn)精確避障除草作業(yè)，有效避免對果樹的損傷。

由試驗結果分析可得，隨著機器作業(yè)速度增加，除草作業(yè)覆蓋率逐漸降低。機器作業(yè)速度在260 、320 和380 mm/s 3個水平下，除草作業(yè)覆蓋率相差甚微，但機器作業(yè)速度為380 mm/s時，除草作業(yè)效率顯著提高；當機器作業(yè)速度為440 mm/s時，雖然除草作業(yè)效率提高，但除草刀盤避障動作頻繁，導致株間未除雜草面積增加，除草作業(yè)覆蓋率下降幅度較大；綜合分析可得，機器作業(yè)速度取380 mm/s時，除草作業(yè)覆蓋率與機器作業(yè)效率綜合效果最佳，試驗得到平均除草作業(yè)覆蓋率為93.97%，原避障控制系統(tǒng)下機器除草作業(yè)覆蓋率約為90.02%[25]，機器作業(yè)速度相同情況下，除草作業(yè)覆蓋率較先前研究提高4.39%。

5 結 論

1）本文優(yōu)化設計了一種精準避障控制系統(tǒng)，主要由避障信號采集部分、程序控制部分、液壓執(zhí)行部分、避障監(jiān)測反饋部分等組成?；诜滦慰刂圃砼c避障的工作要求，建立避障信號采集部分、液壓執(zhí)行部分、避障監(jiān)測反饋部分三者之間的關聯(lián)式，確定精準避障閉環(huán)控制方案；進行液壓系統(tǒng)、電控系統(tǒng)等關鍵部件的優(yōu)化設計與型號選取。

2）在機器靜態(tài)調試時，標定避障信號采集位移傳感器的有效行程范圍為0～70 mm，避障液壓缸、避障監(jiān)測反饋位移傳感器的有效行程范圍均為5～145 mm；并對PID參數(shù)進行整定，確定最優(yōu)PID參數(shù)組合為比例系數(shù)=0.034 3；積分系數(shù)=127.78；微分系數(shù)=0。實現(xiàn)避障動作準確、快速、穩(wěn)定的運行。

3）利用Recurdyn對障礙物呈直線排列狀態(tài)下除草機的精準避障作業(yè)進行模擬仿真，并通過分析除草刀盤運動軌跡對除草作業(yè)覆蓋率進行計算，選取較優(yōu)除草刀盤轉速為200 r/min。

4）加工物理樣機并進行田間試驗，以機器作業(yè)速度為試驗因素，除草作業(yè)覆蓋率和果樹損傷率為評價指標進行田間作業(yè)性能測試。除草作業(yè)完成后，根據(jù)除草前后葡萄樹干周圍雜草覆蓋面積和果樹損傷情況，測量計算除草作業(yè)覆蓋率與果樹損傷率的大小，最終確定最優(yōu)機器作業(yè)速度為380 mm/s，平均除草作業(yè)覆蓋率可達93.97%，與先前研究相比，除草作業(yè)覆蓋率提高4.39%；果樹損傷率為1.92%，除草機可良好實現(xiàn)避障除草作業(yè)。

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Optimized design and experiment of the precise obstacle avoidance control system for a grape interplant weeding machine

Xu Liming, Zhao Shijian, Ma Shuai, Niu Cong, Yan Chenggong, Lu Caiyun

(,,100083,)

Weeds have generally seized the growth resources of grapes, resulting in the aggravation of plant diseases and insect pests for the reduced grape quality, particularly the yield reduced by 10% to 20%. Therefore, weed removal is one of the most important steps in the vineyard. The current obstacle avoidance system in an automatic obstacle avoidance weeder can be operated bilaterally in the hedge-frame grape cultivation. Most obstacle avoidance action was controlled by the switches, where the obstacle avoidance stroke was fixed. However, a relatively low effect of weeding often occurred, due mainly to the obstacle avoidance action stroke cannot be accurately controlled, according to the position of obstacles. In this study, a highly precise control system of obstacle avoidance was optimized to design in an interplant weeding machine, according to the principle of copying control. The specific system consisted of the signal acquisition of obstacle avoidance, program control, hydraulic actuator, and the obstacle avoidance monitoring feedback part. A closed-loop control system was also composed of signal acquisition, hydraulic actuator, and monitoring feedback part, according to the requirements of precise obstacle avoidance. The signal acquisition of obstacle avoidance was run to collect the angle change of signals ?in real time when the weeding cutter moved to the position close to the obstacle. A voltage signal was then converted to transmit for the control system. The theoretical action stroke of the hydraulic actuator was calculated by the control system, where the signal was converted and output to the hydraulic actuator in theAngular variation ?size. At the same time, the displacement sensor of obstacle avoidance monitoring feedback transmitted the actual action stroke to the control system for the precise adjustment of the action stroke of the hydraulic cylinder. The structure of the hydraulic circuit was optimized to realize the precise control of obstacle avoidance under the combination of hydraulic and electronic control. Static calibration was carried out for the precise control program of obstacle avoidance. Specifically, the effective stroke range was 5-145 mm for the calibration hydraulic cylinder and the feedback displacement sensor, and the effective stroke of the signal acquisition displacement sensor was 0-70 mm. PID parameters were set in the control program at the speed of 440 mm/s, where the optimal PID parameters were finally determined as=0.034 3;=127.78;=0. The target center distance curve of the hydraulic cylinder was well fitted to the actual center distance curve, indicating an accurate, quick and stable implementation of the obstacle avoidance process. Recurdyn was used to simulate the precise obstacle avoidance operation in a weeding machine under the condition of straight obstacles. The coverage rate of the weeding operation was calculated to analyze the movement track of the weeding cutter disc. An optimal speed of the weeding cutter disc was selected as 200 r/min. Taking the operation speed of the machine as the experimental factor, the weeding coverage rate, and the damage rate of the fruit tree as evaluation indexes, field tests were carried out in the Scientific Research Test Base of China Agricultural University Zhuozhou, Hebei Province in June 2021. The results were as follows: The average coverage rate of weeding was 94.82%, 94.36%, 93.97%, and 92.60% at the machine speed of 260, 320, 380, and 440 mm/s, and the fruit tree damage rate was 1.67%, 1.78%, 1.92%, and 2.08%, respectively. The best comprehensive effect of weeding coverage rate and the highest operational efficiency was achieved at the operation speed of 380 mm/s. The average weeding operation coverage rate was 93.97% in the test, and the machine weeding operation coverage rate under the original obstacle avoidance control system was about 90.02%. The coverage rate of weeding operation increased by 4.39% at the same machine operation speed. Consequently, there was an excellent performance obstacle avoidance weeding in the highly precise control system of obstacle avoidance. This finding can provide a sound reference for further optimization of the interplant weeding machines in the modern orchards.

agricultural machinery; mechanization; precise obstacle avoidance; PID control; interplant weeding machine; optimization design

徐麗明，趙詩建，馬帥，等. 葡萄株間除草機精準避障控制系統(tǒng)優(yōu)化設計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2021，37(15)：31-39.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.15.004 http://www.tcsae.org

Xu Liming, Zhao Shijian, Ma Shuai, et al. Optimized design and experiment of the precise obstacle avoidance control system for a grape interplant weeding machine[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(15): 31-39. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.15.004 http://www.tcsae.org

2021-06-09

2021-07-09

財政部和農(nóng)業(yè)農(nóng)村部：國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術體系資助

徐麗明，教授，博士生導師，研究方向為生物生產(chǎn)自動化技術與裝備。Email：xlmoffice@126.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.15.004

S224.1+5

A

1002-6819(2021)-15-0031-09