智能控制薯類收獲機(jī)的研究進(jìn)展*

徐志鵬 ，羅志豪 ，劉 玉 ，吳利明 ，李月琪

（江蘇師范大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

薯類是主要糧食作物之一，產(chǎn)量高，增產(chǎn)潛力大，且適應(yīng)性強(qiáng)，在惡劣環(huán)境下也能穩(wěn)定高產(chǎn)。薯類具有較高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，也是發(fā)展畜牧業(yè)的好飼料，更是重要的輕工業(yè)原料。世界上薯類主要種植在北緯40°以南，以亞洲種植最多，亞洲種植面積占世界種植總面積的90%。據(jù)估計(jì)，2020年全球薯類市場(chǎng)價(jià)值達(dá)到32 020億美元，可見(jiàn)薯類具有巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。然而國(guó)內(nèi)外薯類收獲機(jī)械發(fā)展水平參差不齊，薯類收獲效率低下。

1 聯(lián)合收獲機(jī)

1.1 具有莖處理功能的收獲機(jī)

羅德遠(yuǎn)等[1]公開(kāi)了一種薯類收獲機(jī)，通過(guò)切割機(jī)構(gòu)和挖掘犁的設(shè)置，能將薯類秧的切割以及薯類的挖掘通過(guò)此工具實(shí)現(xiàn)機(jī)械化，提高薯類收獲的工作效率。???[2]公開(kāi)了一種薯類收獲機(jī)，能夠同時(shí)粉碎莖并收獲作物，且通過(guò)挖掘部左右移動(dòng)來(lái)根據(jù)田間的犁溝環(huán)境有效地收獲農(nóng)作物。孫星釗等[3]公開(kāi)了一種能有效減少薯土分離功耗，降低破皮率，完成薯秧分離和薯塊收獲的薯類收獲機(jī)。???等[4]公開(kāi)了一種薯類聯(lián)合收獲機(jī)，收割部分和莖粉碎部分一體化設(shè)置，在挖掘農(nóng)作物的同時(shí)去除作物的莖，防止堵塞，并且可以在挖掘之后快速地進(jìn)行作物收集。劉錚[5]公開(kāi)了一種薯類聯(lián)合收獲機(jī)，能一次性完成挖掘、輸送、薯莖分離、薯土分離等工序，具有生產(chǎn)效率高、勞動(dòng)強(qiáng)度小、結(jié)構(gòu)緊湊、移動(dòng)方便等特點(diǎn)。村并昌實(shí)等[6]公開(kāi)了一種薯類聯(lián)合收獲機(jī)，在高速收獲的情況下收割和運(yùn)輸農(nóng)作物的同時(shí)，使葉片不會(huì)殘留在農(nóng)作物中。

1.2 具有莖處理和清潔功能的收獲機(jī)

李學(xué)強(qiáng)等[7]公開(kāi)了一種薯類聯(lián)合收獲機(jī)，通過(guò)可調(diào)挖掘鏟、薯土分離機(jī)構(gòu)、薯秧分離機(jī)構(gòu)、薯塊集放裝置，實(shí)現(xiàn)薯土分離、薯秧分離、薯塊集條鋪放?？商岣呙魇砺?，降低傷薯率。孫宏義等[8]公開(kāi)了一種雙層錯(cuò)位風(fēng)選薯秧薯土分離的薯類聯(lián)合收獲機(jī)，可進(jìn)行薯土薯秧分離，分離后薯塊落入內(nèi)層篩網(wǎng)，薯秧被外層篩網(wǎng)拋出，后根據(jù)薯塊比土塊比重小的特點(diǎn)通過(guò)風(fēng)選機(jī)后將薯塊送入集薯箱。陶建臣[9]公開(kāi)了一種薯類聯(lián)合收獲機(jī)，可一次性完成挖掘、輸送、薯秧分離、薯土分離、收集等工序，生產(chǎn)效率高。姜丹寧[10]公開(kāi)了一種薯類聯(lián)合收獲機(jī)，能一次完成馬鈴薯挖掘、薯土分離、莖干雜草和地膜分離、薯塊收獲等工序，該機(jī)生產(chǎn)效率高，勞動(dòng)強(qiáng)度小。馬力軍[11]公開(kāi)了一種薯類聯(lián)合收獲機(jī)，能清理馬鈴薯上的泥土，使收獲的馬鈴薯干凈地落入運(yùn)輸車中。運(yùn)輸或者不作業(yè)時(shí)還可折疊起來(lái)，比較方便。李連生等[12]公開(kāi)了一種薯類聯(lián)合收獲機(jī)，具有碎蔓功能，鼠籠式薯土分離器在完成薯土分離后將薯塊升運(yùn)至集薯箱中，提高了作業(yè)效率。李維家[13]公開(kāi)了一種牽引式薯類聯(lián)合收獲機(jī)，可一次完成挖掘、分選雜質(zhì)、雜質(zhì)收集、馬鈴薯分級(jí)、裝袋等作業(yè)，人工勞動(dòng)需求小，效率高。閆小麗等[14]公開(kāi)了一種薯類聯(lián)合收獲機(jī)，該機(jī)操作簡(jiǎn)單，挖掘角度和深度可調(diào)節(jié)，可完成馬鈴薯的挖掘、薯土分離、撿拾、分離、裝袋收集等作業(yè)，且破皮率低。???[15]公開(kāi)了一種薯類聯(lián)合收獲機(jī)。收獲機(jī)存在兩個(gè)異物去除裝置，以更好地分離異物和作物，同時(shí)附帶有箱裝載臺(tái)，用于收集作物。李維家[16]還公開(kāi)了一種牽引式薯類聯(lián)合收獲機(jī)。該收獲機(jī)能在收獲薯類的同時(shí)把耕地表層絕大部分石塊雜質(zhì)清理出來(lái)，且可一次性完成挖掘、分選雜質(zhì)、雜質(zhì)收集、薯類分級(jí)、裝袋、裝車、放堆等作業(yè)，還可單獨(dú)進(jìn)行土壤凈化作業(yè)。崔祥連等[17]公開(kāi)了一種薯類聯(lián)合收獲機(jī)，該發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，防秧蔓纏繞，破皮率低，可收獲薯塊并在一側(cè)放置，工作效率高。

總結(jié)：上述兩種收獲機(jī)均屬于聯(lián)合收獲機(jī)范疇，依據(jù)完成工序數(shù)量不同而分類。但其主要結(jié)構(gòu)大多是傳統(tǒng)的薯類收獲機(jī)。

2 切蔓機(jī)

吳騰等[18]公開(kāi)了一種步行式薯類切蔓機(jī)，并在分析整機(jī)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上具體闡述了薯類碎蔓還田機(jī)工作原理，闡明了碎蔓裝置、刀座防磨損設(shè)計(jì)、導(dǎo)向輪調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)系統(tǒng)等關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)。賀立恒等[19]公開(kāi)了一種可以快速清除纏繞在鉤藤桿上的藤蔓的薯類切蔓機(jī)，有利于保證薯類收獲效率。姜鴻鑫等[20]公開(kāi)了一種清蔓效果好的薯類切蔓機(jī)，通過(guò)V形清蔓鏟進(jìn)行初步清理，再利用刀具對(duì)薯蔓再次清理，可以將薯塊與薯蔓分開(kāi)，不易造成堵塞，提高收獲效率。NAM等[21]公開(kāi)了一種能以恒定的速率切割和壓碎塊根作物的莖，并且將切碎和壓碎的塊根作物排入犁溝的薯類切蔓機(jī)，防止了在莖粉碎和收獲過(guò)程中對(duì)塊根作物的損害。王立國(guó)等[22]公開(kāi)了一種易于清理的薯類切蔓機(jī)，通過(guò)挖掘鏟、切刀、挑秧?xiàng)U的配合，使薯秧分離，提高明薯率。并且將土通過(guò)導(dǎo)薯柵的柵條間隙與薯塊分離，得到清潔的薯塊。魏訓(xùn)成等[23]公開(kāi)了一種懸掛式薯類秧收獲機(jī)，可一次性完成挑秧、割秧、粉碎和收集作業(yè)。???等[24]公開(kāi)了一種薯類切蔓機(jī)，該裝置具有修剪器裝置，在最接近薯類的位置切割薯蔓以排除未切割狀態(tài)，從而消除了必須再次組織收割農(nóng)作物的不便，并防止排出的壓碎莖干影響壟。鄭文秀等[25]公開(kāi)了一種薯類切蔓機(jī)，通過(guò)增加仿形挑秧鏟的方式，進(jìn)行秧蔓的輸送、粉碎等一系列動(dòng)作。切割刀采用橫切刀和縱切刀的安裝方式，保證秧蔓被及時(shí)粉碎，并通過(guò)刮板將其送到集秧箱。房增國(guó)[26]公開(kāi)了一種新型薯類秧蔓切割粉碎刀組，根據(jù)不同壟體規(guī)格安裝不同刀片，并調(diào)整兩個(gè)抄秧刀間距離，實(shí)現(xiàn)秧蔓粉碎。

總結(jié)：該部分總結(jié)了國(guó)內(nèi)外關(guān)于切蔓機(jī)的專利，大部分具有切蔓和碎蔓一體化功能，而這些切蔓機(jī)大多是通過(guò)刀具更新或者切蔓方法優(yōu)化來(lái)提高切蔓效率的。

3 收獲機(jī)

王濤等[27]公開(kāi)了一種具有防纏裝置的薯類收獲機(jī)，解決了現(xiàn)有薯類收獲機(jī)作業(yè)時(shí)未被粉碎的薯類秧蔓極易阻擋或懸掛在收獲機(jī)前端兩側(cè)輻板上，造成機(jī)具壅土阻塞的問(wèn)題。楊建飛等[28]公開(kāi)了一種自走式薯類收獲機(jī)，完成收獲機(jī)與牽引機(jī)一體化，實(shí)現(xiàn)機(jī)械化收獲薯類作物，同時(shí)提出液壓馬達(dá)與主動(dòng)軸相連的方式替代原有薯類收獲機(jī)齒輪與鏈條的連接方式，減少零件的損壞，提高收獲效率。王海山等[29]公開(kāi)了一種薯類收獲機(jī)，安裝了將薯類集聚一側(cè)并落于地面的傾斜網(wǎng)板以及用于薯類表面泥土刮離的清土輥和可調(diào)節(jié)挖掘深度的挖掘機(jī)構(gòu)，該發(fā)明在保證作物完整性的同時(shí)又可將作物翻出并集聚于一側(cè)，以便后續(xù)裝袋。趙萍等[30]公開(kāi)了一種具有輸送分離裝置的薯類收獲機(jī)，其輸送分離裝置安裝傾角及轉(zhuǎn)速可調(diào)節(jié)，保證在不同土壤環(huán)境下土薯混合物的有效分離及輸送，提高收獲質(zhì)量及生產(chǎn)效率。Christoph Niehues等[31]公開(kāi)了一種薯類收獲機(jī)，在其篩分帶上可以通過(guò)改進(jìn)的分離裝置對(duì)揀選參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，從而可以對(duì)不同的收獲條件以及不同土壤結(jié)構(gòu)作出更好的反應(yīng)，進(jìn)而獲得最佳收獲效率。Фpaнц-Йoзeф Дeттмep等[32]公開(kāi)了一種具有分離裝置的薯類收獲機(jī)，通過(guò)氣流完成作物與異物的相互分離，進(jìn)而從石塊和類似固體的混合物中收獲馬鈴薯。CLAAS FRANCE SAS[33]公開(kāi)了一種薯類收獲機(jī)，其拾取裝置具有適應(yīng)地形拾取農(nóng)作物的功能，通過(guò)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)和可選擇的輸送機(jī)部分，可以輕松地適應(yīng)不同的作物和不同的作業(yè)條件。戴文育[34]公開(kāi)了一種薯類收獲機(jī)，該收獲機(jī)具有轉(zhuǎn)盤分離機(jī)構(gòu)，可分離土壤和薯類，優(yōu)點(diǎn)是不容易造成機(jī)械損壞，不易造成土壤粘黏，馬鈴薯破皮率降低，使用安全。程林潤(rùn)等[35]公開(kāi)了一種薯類收獲機(jī)，解決了現(xiàn)有的薯類通過(guò)人力挖掘效率低下的問(wèn)題，該薯類收獲機(jī)能自動(dòng)鏟出地里的薯類，使薯類收獲變得輕松高效，且挖掘鏟的高度位置可調(diào)，挖掘鏟的適應(yīng)性更強(qiáng)。高國(guó)華等[36]公開(kāi)了一種附帶輸送系統(tǒng)的薯類收獲機(jī)，薯土分離裝置傾斜角度可調(diào)節(jié)，該發(fā)明可根據(jù)不同土壤環(huán)境調(diào)節(jié)薯土分離裝置傾斜角度，實(shí)用性強(qiáng)，環(huán)境適應(yīng)性高，極大地優(yōu)化收獲效果。張競(jìng)博[37]公開(kāi)了一種薯類收獲機(jī)，其可以直接挖入壟嶺，并將吞進(jìn)的壟土和塊根作物完成分離，達(dá)到土在下方、薯在上方成堆的效果，該收獲機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易、操作方便、收獲效率高。胡良龍等[38]公開(kāi)了一種壟頂自清理折疊式多行薯類收獲機(jī)。該收獲機(jī)可同時(shí)收獲多壟薯類，且當(dāng)需要收獲機(jī)在田間轉(zhuǎn)移或運(yùn)輸時(shí)，可通過(guò)操縱升降螺桿將兩側(cè)挖掘犁收起折疊。優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)效率高，方便轉(zhuǎn)移運(yùn)輸。賈崢嶸等[39]公開(kāi)了一種可調(diào)式薯類收獲機(jī)，其最大特點(diǎn)是能根據(jù)壟的寬度、高度來(lái)調(diào)節(jié)不同的薯類壟作模式，適合不同壟作栽培模式的薯類收獲，很好地解決了勞動(dòng)力緊張、生產(chǎn)效率低下、破損率高的問(wèn)題。Christoph Niehues等[40]公開(kāi)了一種帶有篩分機(jī)的薯類收獲機(jī)，在該篩分機(jī)的分選區(qū)域中，可以借助改進(jìn)的分離裝置來(lái)最佳地設(shè)置改變分選參數(shù)，從而使收獲機(jī)能夠更好地對(duì)不同的收獲條件作出反應(yīng)。Kim[41]公開(kāi)了一種薯類收獲機(jī)，通過(guò)在中間的收集機(jī)，有效防止拖拉機(jī)在不同的山脊上進(jìn)行連續(xù)挖掘作業(yè)時(shí)無(wú)法適應(yīng)地形而對(duì)作物造成損害，同時(shí)保證作物收獲率。Lee[42]公開(kāi)了一種薯類收獲機(jī)，犁裝置長(zhǎng)度可隨壟的寬度改變，以調(diào)節(jié)適合于壟寬度的犁的面積，從而提供了工作上的便利，也可調(diào)節(jié)主機(jī)架的長(zhǎng)度，目的是使其安裝在拖拉機(jī)的后部時(shí)容易通過(guò)復(fù)雜地形。此外，可以根據(jù)要進(jìn)行收獲的數(shù)量來(lái)選擇性地限制使用犁的數(shù)量，使裝配更加簡(jiǎn)易便捷。盛德蘭等[43]公開(kāi)了一種薯類收獲機(jī)，該機(jī)可減輕分離排鏈的承載負(fù)荷，避免泥土在分離排鏈上堆積，還可清除馬鈴薯表面的泥土，提高收獲質(zhì)量。于振宣等[44]公開(kāi)了一種薯類收獲機(jī)，可將收獲后的馬鈴薯自動(dòng)升運(yùn)、輸送到收集箱，并卸放成一堆，無(wú)需人工撿拾，減少人工工作量。戴文育[45]公開(kāi)了一種改進(jìn)型轉(zhuǎn)盤式薯類收獲機(jī)，該機(jī)可充分分離土壤及篩選薯類，并且能延長(zhǎng)機(jī)器的使用壽命，減少馬鈴薯的破皮率，使用安全。魏學(xué)慶等[46]公開(kāi)了一種薯類收獲機(jī)，解決了破皮率高、清泥效果差的問(wèn)題，該機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，可在有限空間內(nèi)清除馬鈴薯上的土塊，且能將干凈的馬鈴薯成堆收集，保證不破皮，提高了收獲機(jī)的作業(yè)效率和收獲效率。李亞清等[47]公開(kāi)了一種薯類收獲機(jī)，通過(guò)特殊設(shè)計(jì)的裝置，可以在作物運(yùn)輸?shù)倪^(guò)程中，將土壤與石頭等外來(lái)物分離，大大提高作物收集率。王冰等[48]公開(kāi)了一種小型桿條升運(yùn)鏈?zhǔn)绞眍愂斋@機(jī)，可提升薯土分離效果，提高明薯率，調(diào)節(jié)挖掘深度，保證了作業(yè)順暢性。董曉寧[49]公開(kāi)了一種薯類收獲機(jī)，能將薯塊與土壤分離，并自動(dòng)收集和運(yùn)送到田邊或路上，明薯率高，方便裝袋。李鴻雁等[50]公開(kāi)了一種四輪拖拉機(jī)配套使用的薯類收獲機(jī)，薯土分離徹底、明薯率高、破皮率低，且落到地面的馬鈴薯比較集中，操作方便，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。劉富萍等[51]公開(kāi)了一種薯類收獲機(jī)，該設(shè)備通過(guò)摩擦的方式進(jìn)行薯土分離，既降低了破皮率，又有良好的薯土分離效果。輸送桿組下的滾刀組可以有效清理薯根，無(wú)需人工拾撿。高波等[52]公開(kāi)了一種可實(shí)現(xiàn)側(cè)向輸送的馬鈴薯收獲機(jī)，該收獲機(jī)可完成挖掘、輸送分離和馬鈴薯側(cè)向輸送等作業(yè)。劉玉等[53]公開(kāi)了一種三維振動(dòng)的薯類收獲機(jī)，提高薯土分離效果，且降低破皮率，薯土分離的篩分效率高。

總結(jié)：這一部分主要總結(jié)了國(guó)內(nèi)外各種形式的收獲機(jī)，主要是在薯類秧蔓已經(jīng)去除的情況下進(jìn)行的土薯分離和輸送堆放，而這也是大多數(shù)薯類收獲機(jī)所具有的功能。此類收獲機(jī)基本上只能完成單一的工作，自動(dòng)化程度較低。

4 智能收獲機(jī)

Lee Kamp Redden等[54]公開(kāi)了一種智能控制收獲機(jī)，由控制系統(tǒng)產(chǎn)生動(dòng)作進(jìn)而使機(jī)器在田間收獲作物，該控制系統(tǒng)以一個(gè)屬于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的執(zhí)行模型為主體，該模型的作用是提高聯(lián)合收割機(jī)的收割性能。Wilken Andreas等[55]公開(kāi)了一種自走式智能控制收獲機(jī)，其具有多個(gè)用于處理田間收割農(nóng)作物的工作構(gòu)件以及駕駛員輔助系統(tǒng)，其中駕駛員輔助系統(tǒng)可以存儲(chǔ)和處理收獲數(shù)據(jù)進(jìn)而提高工作效率。董敬波[56]公開(kāi)了一種自走式智能控制收獲機(jī)，可完成馬鈴薯的切蔓除秧、去土、堆置以及分類等作業(yè)，該機(jī)自動(dòng)化程度高，所需人工勞動(dòng)力小，使用方便。

總結(jié)：該部分總結(jié)了國(guó)內(nèi)外有關(guān)智能化方向的收獲機(jī)，其最大特點(diǎn)是將收獲機(jī)與人工智能和大數(shù)據(jù)聯(lián)系到一起，使得薯類收獲機(jī)收獲效率更高、人工工作量更小、操作起來(lái)也更方便和快捷。根據(jù)上述研究結(jié)果，可見(jiàn)如今薯類收獲機(jī)的發(fā)展已經(jīng)趨向于智能化，但完全脫離人工完成工作還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到的。當(dāng)下，在智能化薯類收獲研究領(lǐng)域，仍然有一大堆空白等著研究者填補(bǔ)，希望不遠(yuǎn)的將來(lái)，研究者可以突破更多的智能化難題，從而更好地節(jié)省人力物力財(cái)力，推動(dòng)世界農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

5 當(dāng)前和未來(lái)的發(fā)展

通過(guò)對(duì)各種薯類收獲機(jī)的分類比較可以得到，要想使收獲效率更高、工作量更小且操作更方便，就必須使薯類收獲機(jī)朝著智能化的方向發(fā)展，將其與人工智能、互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)聯(lián)系到一起，這是目前薯類收獲機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)。普通的收獲機(jī)已經(jīng)無(wú)法滿足如今快速發(fā)展的時(shí)代的需要，而智能控制薯類收獲機(jī)才是未來(lái)薯類收獲中應(yīng)用的主要機(jī)械。