基于視覺輔助的大蒜幼苗破膜機(jī)的研制與試驗(yàn)

施國(guó)英，王化琴，李天華，李玉華，吳彥強(qiáng)

（1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院，山東 泰安 271018；2.山東省創(chuàng)新發(fā)展研究院，山東 濟(jì)南 250000）

0 引 言

大蒜是廚房中很好的調(diào)味品，是天然的植物廣譜抗生素，因此市場(chǎng)需求極大。目前，大蒜在播種、收獲等方面的機(jī)械化研究已進(jìn)入快速發(fā)展階段[1-2]。然而，大蒜播種后為了保持地溫、防止土壤水肥流失、抑制雜草生長(zhǎng)，需覆蓋一層地膜，蒜芽破膜現(xiàn)在仍以人工為主，相關(guān)破膜機(jī)器的研究仍處在空白階段[3]。

覆膜大蒜在出苗后，要想正常生長(zhǎng)，首先要頂破覆蓋的地膜，傳統(tǒng)方法主要是人工鉤膜、人工拍膜、人工拉膜。人工鉤膜是用鐵鉤鉤破薄膜，并將蒜芽掏出，工作量大，強(qiáng)度高，且薄膜破口較大，影響保溫保濕效果；人工拍膜是用掃帚在薄膜上拍打，幫助蒜芽破膜，蒜芽損傷率較高；人工拉膜是將麻袋、鏈條平鋪在薄膜上，然后人工拉動(dòng)達(dá)到蒜芽破膜的目的。這些破膜方式雖然效率高，但對(duì)蒜芽都有一定破壞。

本文提出了一種基于視覺輔助的鏈條拖曳式大蒜幼苗破膜機(jī)，操作簡(jiǎn)單，實(shí)用性強(qiáng)，可以很好地減輕蒜農(nóng)的工作強(qiáng)度，提高作業(yè)效率，增加大蒜破膜質(zhì)量，很大程度上減輕了勞作對(duì)地膜的破壞。

1 結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

大蒜幼苗破膜機(jī)主要由履帶式底盤、可折疊破膜裝置、視覺輔助裝置、遠(yuǎn)程遙控裝置及控制系統(tǒng)組成，如圖1 所示。

圖1 大蒜幼苗破膜機(jī)結(jié)構(gòu)圖

1.2 工作原理

覆膜蒜栽種以后，一般在蒜苗芽尖長(zhǎng)到1～2 cm時(shí)，堅(jiān)硬度完全能夠頂破地膜。但這個(gè)時(shí)候，如果地膜鋪得太松，或者田里一些泥土顆粒太大，導(dǎo)致剛出芽的大蒜沒能夠及時(shí)頂破地膜，就應(yīng)該幫助蒜苗破膜了。首先將固定在底盤上的破膜裝置折疊部分展開，控制步進(jìn)電機(jī)連接的滾動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，緩緩放下紗網(wǎng)與包裹棉布的鏈條，直至平鋪在塑料薄膜上。履帶式底盤沿著相鄰兩片薄膜之間的間隙運(yùn)行，鏈條在薄膜上拖動(dòng)，薄膜向下的壓力隨著鏈條的靠近而增大，蒜芽向上的支撐力也隨之增大。當(dāng)支撐力大于塑料薄膜的強(qiáng)度極限，蒜芽沖破薄膜。當(dāng)鏈條通過蒜芽與薄膜的接觸點(diǎn)時(shí)，蒜芽周圍的薄膜也在鏈條作用下向下滑動(dòng)至蒜芽的基部，固定在與土壤接觸的位置。攝像頭實(shí)時(shí)獲取車況信息并傳輸?shù)绞謾C(jī)APP。通過手機(jī)可靈活調(diào)整機(jī)器運(yùn)行方向，避免壓到蒜芽；破膜工作完成后，控制滾動(dòng)軸反向轉(zhuǎn)動(dòng)，慢慢將紗網(wǎng)卷起，最后將折疊架收起，機(jī)器恢復(fù)到開始的狀態(tài)。用戶根據(jù)種植幅度的不同，還可通過折疊架滿足1～3 畦蒜芽的破膜需求。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 履帶式底盤

大蒜播種后的土壤經(jīng)過灌溉和充分滲透后變的泥濘和松軟，普通輪式底盤在田間行走下陷嚴(yán)重。為提高整機(jī)的通過性，采用了履帶式底盤，如圖2 所示，主要由拖帶輪、導(dǎo)向輪、支重輪、履帶、行走直流電機(jī)等組成[4-6]。

圖2 履帶式底盤

2.2 可調(diào)式破膜裝置

可調(diào)式破膜裝置主要由滾動(dòng)軸、折疊架、支撐架、萬向節(jié)、萬向心、滾動(dòng)步進(jìn)電機(jī)、傳動(dòng)鏈、破膜鏈條、紗網(wǎng)等組成。折疊架和滾動(dòng)軸之間的連接如圖3所示。滾動(dòng)軸和折疊架均分為3 段，每段長(zhǎng)2 m，3 段滾動(dòng)軸通過萬向節(jié)和萬向心連接在一起，并與軸承結(jié)合固定在上下兩層折疊架中間。滾動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)可實(shí)現(xiàn)破膜機(jī)構(gòu)的上卷和下放，通過折疊架的收放，提高了機(jī)器適用范圍。紗網(wǎng)的一端包裹鏈條，外面包裹棉布；另一端固定在滾動(dòng)軸上，可滿足高效破膜及減少薄膜與蒜芽損傷的要求。

圖3 可調(diào)式破膜裝置

2.3 可調(diào)式車架

為了適應(yīng)不同的畦田，設(shè)計(jì)可調(diào)式車架。車架平臺(tái)與履帶架通過限位螺栓連接，可以通過調(diào)節(jié)限位螺栓，改變兩側(cè)履帶架的中心距以滿足不同農(nóng)藝要求，如圖4 所示。

圖4 可調(diào)式車架三維結(jié)構(gòu)示意圖

3 控制系統(tǒng)

如圖5 所示，大蒜破膜機(jī)控制系統(tǒng)主要由電源模塊、Wi-Fi 模塊、視覺輔助裝置、遠(yuǎn)程遙控裝置、STM32F103 處理器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)和直流電機(jī)組成[7-8]。視覺輔助裝置中的攝像頭固定安裝在云臺(tái)上，通過Wi-Fi 模塊完成數(shù)據(jù)通信。手機(jī)APP 可以實(shí)現(xiàn)對(duì)攝像頭的水平和垂直方向調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)作業(yè)狀況的立體式監(jiān)控；通過遙控裝置可向處理器發(fā)送轉(zhuǎn)向、調(diào)頭、紗網(wǎng)收放等指令，完成破膜作業(yè)。

圖5 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4 田間試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)關(guān)鍵因素

鏈條拖拽式破膜受整機(jī)行進(jìn)速度、鏈條質(zhì)量、鏈條類型等因素影響，本實(shí)驗(yàn)主要研究以上不同因素對(duì)破膜效果的影響，以獲得最優(yōu)的破膜評(píng)價(jià)指標(biāo)參數(shù)。

實(shí)驗(yàn)選擇不同參數(shù)的鏈條進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，如表1 所示，其中10 mm-L 代表直徑為10 mm 的不銹鋼長(zhǎng)環(huán)鏈條，10 mm-S 代表直徑為10 mm 的不銹鋼短環(huán)鏈條。依據(jù)人工破膜速度（1.0～1.5 m/s）將機(jī)器前進(jìn)試驗(yàn)速度分別設(shè)置為1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 m/s。

表1 試驗(yàn)鏈條型號(hào)

4.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)選用8 種不同類型的鏈條，每條鏈條長(zhǎng)2 m，每3 根鏈條組成一組，分別固定在紗網(wǎng)的末端。蒜田每一畦的長(zhǎng)度為50 m，分為5 段對(duì)應(yīng)5 種不同的前進(jìn)速度，依次進(jìn)行破膜試驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)不同鏈條和速度下的破膜情況。每次統(tǒng)計(jì)不同鏈條在相同條件下的蒜芽200 顆，計(jì)算蒜芽破膜數(shù)和彎曲、折斷等損傷數(shù)，得到蒜芽破膜率、損傷率、相對(duì)損傷率和完好率。在不同試驗(yàn)畦里重復(fù)試驗(yàn)3 次，取平均值得到最終結(jié)果。圖6 所示圓圈標(biāo)注為在破膜過程中受損的蒜芽，其余為正常破膜的蒜芽。

圖6 蒜芽破膜效果統(tǒng)計(jì)樣本圖

4.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

蒜芽破膜數(shù)記為m，蒜芽損傷數(shù)記為n，Q1為大蒜破膜率，Q2為蒜芽損傷率。計(jì)算公式如下：

4.3.1 最佳破膜條件分析

（1）分析不同鏈條參數(shù)和不同速度下蒜芽的破膜率和破損率，如圖7 所示。由圖7（a）可知同一鏈條速度在2.5 m/s 和3 m/s 時(shí)蒜芽破膜率最高，在1 m/s 時(shí)最低，且隨著鏈條質(zhì)量的增加破膜率也逐漸上升。圖7（b）說明在同一速度時(shí)，8 mm-L、8 mm-S、10 mm-L 和10 mm-S 鏈條下的蒜芽破膜率相對(duì)較高，且隨著速度的增加而逐漸增加，但增速較慢。圖7（c）說明相同的鏈條在3 m/s 的速度下，蒜芽損傷率最高。圖7（d）說明在相同的速度下，采用10 mm-S、10 mm-L 鏈條時(shí)蒜芽的損傷率高于其他鏈條。由以上分析可知，破膜最佳鏈條為8 mm-S，最佳作業(yè)速度為2.5 m/s。

圖7 不同參數(shù)下的破膜結(jié)果分析

4.3.2 人機(jī)破膜效果對(duì)比

人工破膜多選用6 mm 不銹鋼長(zhǎng)環(huán)鏈條和1.5 m/s 的前進(jìn)速度，機(jī)器選用8 mm 不銹鋼短環(huán)鏈條和2.5 m/s 前進(jìn)速度。人機(jī)田間破膜實(shí)際操作對(duì)比如圖8 所示，對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)分析如圖9 所示。

圖8 人機(jī)田間破膜試驗(yàn)

圖9 機(jī)器破膜與人工破膜對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)比較

因每畦大蒜出芽時(shí)間不一致，所以需要進(jìn)行多次作業(yè)。由圖9（a）可知，8 mm-S 鏈條作業(yè)速度為2.5 m/s 條件下的蒜芽破膜率始終大于6 mm-L 鏈條作業(yè)速度為1.5 m/s 時(shí)，最終蒜芽破膜率比人工高10.5%。從圖9（b）可知，在6 mm-L 鏈條作業(yè)速度為1.5 m/s 條件下的蒜芽損傷率始終比8 mm-S 鏈條作業(yè)速度為2.5 m/s 的低，但隨著破膜天數(shù)的增加，兩者之間的損傷率差距越來越小?？紤]破膜幅度與速度，機(jī)器破膜作業(yè)效率為5.4 hm2/h，人工破膜效率為2.16 hm2/h，機(jī)器破膜效率約為人工的2.5 倍。

5 結(jié) 語

針對(duì)大蒜種植破膜環(huán)節(jié)無機(jī)可用的現(xiàn)狀，研制了一種基于視覺輔助的鏈條拖拽履帶式大蒜幼苗破膜機(jī)，履帶式底盤解決了機(jī)器田間行走時(shí)的下陷和打滑問題；折疊式的支架可滿足1～3 畦蒜芽的破膜作業(yè)需求；視覺輔助裝置和遠(yuǎn)程遙控的結(jié)合，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了工作效率。

通過對(duì)破膜數(shù)據(jù)的整體分析、關(guān)鍵設(shè)備的選型及工作參數(shù)的優(yōu)化，確定最佳破膜鏈條為8 mm 不銹鋼短環(huán)鏈條、最佳作業(yè)速度為2.5 m/s，對(duì)應(yīng)蒜芽破膜率為98%，蒜芽損傷率為9%。機(jī)器破膜的破膜率比人工破膜提高10.5%，蒜芽損傷率基本相同，整體破膜效果優(yōu)于人工破膜；機(jī)器破膜作業(yè)效率為5.4 hm2/h，約為人工的2.5 倍。