自走式果園植保機(jī)關(guān)鍵技術(shù)分析及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

摘 要：隨著智能化與自動(dòng)化技術(shù)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用，智能識(shí)別植保機(jī)在復(fù)雜農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中的重要性日益凸顯?，F(xiàn)有植保機(jī)器人雖能在地形復(fù)雜的小型果園中作業(yè)，但其功能與效率仍有待提升。設(shè)計(jì)一款適用于壟行式葡萄園的自走式果園植保機(jī)，可以提高植保作業(yè)的效率和精準(zhǔn)度，同時(shí)降低果農(nóng)的勞動(dòng)強(qiáng)度和成本。對(duì)現(xiàn)有植保機(jī)進(jìn)行技術(shù)分析，并結(jié)合膠東地區(qū)葡萄園的具體需求，研究提出了涵蓋農(nóng)作物狀態(tài)及環(huán)境感知、攝像機(jī)與傳感器規(guī)劃決策、模糊控制實(shí)現(xiàn)機(jī)器運(yùn)動(dòng)平滑性、多方面共同控制實(shí)現(xiàn)噴灑作業(yè)、系統(tǒng)云平臺(tái)架構(gòu)管控機(jī)器人自主作業(yè)等5個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域的技術(shù)分析與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：自走式果園植保機(jī)；自動(dòng)化；小型果園

中圖分類號(hào)：S224.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-7909（2025）6-154-4

DOI：10.19345/j.cnki.1674-7909.2025.06.030

0 引言

智能化、自動(dòng)化是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的總體方向。在復(fù)雜的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中，智能識(shí)別植保機(jī)備受青睞。

意大利、法國(guó)等葡萄種植大國(guó)利用激光雷達(dá)、機(jī)械視覺(jué)、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)載波相位差分全球定位系統(tǒng)及慣性測(cè)量裝置感知植保機(jī)周圍的環(huán)境信息，通過(guò)改進(jìn)的卡爾曼濾波算法融合多種傳感器信息，使植保機(jī)完成對(duì)葡萄園周圍環(huán)境的感知、決策和執(zhí)行三方面的任務(wù)，為解決葡萄植株病蟲(chóng)害的問(wèn)題提供了支持。目前，國(guó)內(nèi)應(yīng)用于壟行式果園植保機(jī)的相對(duì)成熟的識(shí)別算法是Hough變換法，其可以通過(guò)任意形狀信息來(lái)找出它們?cè)趫D像中的位置和方向。這種方式具有較高的實(shí)時(shí)性及精確度，但存在數(shù)據(jù)處理時(shí)間較長(zhǎng)、在環(huán)境復(fù)雜的情況下路徑導(dǎo)航失敗等缺點(diǎn)，從而增加了果農(nóng)的勞作成本，難以得到有效推廣。通用的植保機(jī)多采用視覺(jué)網(wǎng)絡(luò)反饋技術(shù)，對(duì)設(shè)備性能要求較高，采集數(shù)據(jù)時(shí)易受果園中復(fù)雜環(huán)境（光照、雜草等）的影響，存在時(shí)滯性等問(wèn)題。另外，圖像處理對(duì)復(fù)雜環(huán)境中光的變化比較敏感，存在不適合全天工作的缺點(diǎn)［1］?；诖?，研究設(shè)計(jì)了一款適用于壟行式葡萄園的自走式植保機(jī)，可實(shí)現(xiàn)基于特征匹配的精準(zhǔn)識(shí)別等功能，以滿足果農(nóng)高效噴灑農(nóng)藥的需求。

1 關(guān)鍵技術(shù)分析

1.1 農(nóng)作物狀態(tài)及環(huán)境感知

壟行式葡萄植株的葉片表面可以體現(xiàn)出植株的蟲(chóng)害程度、生長(zhǎng)情況等完整的環(huán)境信息。研究采用雙目攝像機(jī)分割葉片表面并進(jìn)行特征點(diǎn)提取與匹配，構(gòu)建點(diǎn)云數(shù)據(jù)交匯線包絡(luò)擬合模型。

使用雙目攝像機(jī)對(duì)葡萄植株的葉片表面信息進(jìn)行提取，具體效果如圖1。該模型通過(guò)對(duì)雙目攝像機(jī)捕獲的連續(xù)的、系列化的包絡(luò)線進(jìn)行融合，便可以實(shí)現(xiàn)更加真實(shí)的三維視覺(jué)效果，從而避免點(diǎn)云數(shù)據(jù)集中于單面造成的數(shù)據(jù)重合現(xiàn)象，并能多層、完整、全面地反映壟行信息，最終實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化植保效果。

1.2 攝像機(jī)與傳感器規(guī)劃決策

利用雙目攝像機(jī)與各種傳感器感知周圍環(huán)境、獲取壟行中心線的同時(shí)，對(duì)采集的信息進(jìn)行分析，然后保存提取的環(huán)境信息［2］，隨時(shí)進(jìn)行合理的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，并與前一時(shí)刻的環(huán)境特征進(jìn)行比較，再通過(guò)預(yù)秒追蹤獲得下一步動(dòng)作的期望值。

完成合理的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，首先要獲取當(dāng)前植保機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及所處位置，將SLAM理論進(jìn)行改進(jìn)并運(yùn)用到壟行式植保機(jī)的定位與導(dǎo)航中。采用最小二乘法來(lái)簡(jiǎn)化植保機(jī)與以壟行、籬架架面為種植特點(diǎn)的葡萄園進(jìn)行信息交互的空間地圖，進(jìn)而建立計(jì)算量小、效率高、滿足精度要求的空間地圖模型。

確定植保機(jī)與葡萄園壟行中心線之間的位姿關(guān)系后，根據(jù)建立的空間地圖模型規(guī)劃植保機(jī)的目標(biāo)路徑。然后根據(jù)已生成的理想目標(biāo)路徑確定植保機(jī)與該路徑的偏距、偏角，建立路徑追蹤控制模型，以此得到葡萄園植保機(jī)下一步的運(yùn)動(dòng)期望值［3］。使用Dijkstra算法完成路徑規(guī)劃和軌跡規(guī)劃。

1.3 模糊控制實(shí)現(xiàn)機(jī)器運(yùn)動(dòng)平滑性

基于Dijkstra算法的理論分析，計(jì)算植保機(jī)下一步動(dòng)作的期望值。通過(guò)傳感器輔助，將期望值傳遞給運(yùn)動(dòng)控制器，控制電機(jī)完成預(yù)定動(dòng)作。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)作為植保機(jī)執(zhí)行各種動(dòng)作的基礎(chǔ)，采用模糊控制方法，實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速、車體角度、車體角速度及車體轉(zhuǎn)速的精準(zhǔn)控制等功能。

轉(zhuǎn)速控制作為運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的核心組成部分，其精準(zhǔn)度對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的性能表現(xiàn)起著決定性作用。調(diào)速過(guò)程采用脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)，通過(guò)高頻開(kāi)關(guān)器件的快速切換，將恒定的直流電壓轉(zhuǎn)換為大小和極性均可變的脈沖電壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的精確調(diào)控。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器采用PID控制，對(duì)負(fù)載起到抗干擾的作用。測(cè)速元件選用位移傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，組成閉環(huán)速度控制系統(tǒng)［4］。

1.4 多方面共同控制實(shí)現(xiàn)噴灑作業(yè)

從感知、決策、執(zhí)行3個(gè)方面完成移動(dòng)平臺(tái)的自走式運(yùn)動(dòng)后，針對(duì)壟行葡萄園復(fù)雜的噴灑環(huán)境，設(shè)計(jì)智能變量噴灑分散控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)各類傳感器采集的車速、振動(dòng)頻率等信息，自動(dòng)調(diào)節(jié)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥來(lái)控制噴灑速度和流速，提高農(nóng)藥的利用率。

1.5 系統(tǒng)云平臺(tái)架構(gòu)管控機(jī)器人自主作業(yè)

在實(shí)現(xiàn)植保機(jī)自主作業(yè)的同時(shí)，為滿足高效、精準(zhǔn)作業(yè)，該產(chǎn)品以智能車載終端為基礎(chǔ)建立植保作業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，構(gòu)建模塊化智能集成系統(tǒng)云服務(wù)平臺(tái)。通過(guò)局域網(wǎng)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控及復(fù)雜情況下的控制，真正實(shí)現(xiàn)基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的智慧農(nóng)業(yè)管控一體化。

果園植保機(jī)管控一體化系統(tǒng)主要包括監(jiān)測(cè)層、控制層和執(zhí)行層三部分。該系統(tǒng)集成了高精度定位系統(tǒng)技術(shù)（Real-Time Kinematic，RTK），可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)規(guī)劃作業(yè)并生成自動(dòng)作業(yè)順序，支持輔助和控制駕駛雙策略，以及面積自動(dòng)測(cè)量和記錄。該系統(tǒng)還深度融合通信、計(jì)算與控制功能，利用STM32單片機(jī)實(shí)現(xiàn)控制層功能，具有藍(lán)牙、語(yǔ)音控制和紅外等模塊，可實(shí)現(xiàn)植保機(jī)環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測(cè)、監(jiān)控指導(dǎo)、反饋運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)、作業(yè)效果評(píng)估，促進(jìn)植保管控一體化，推進(jìn)智慧農(nóng)業(yè)的信息化發(fā)展。

2 整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

2.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

該自走式植保機(jī)主要用于葡萄種植旋耕、噴藥除草作業(yè)環(huán)節(jié)，整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示。整機(jī)主要由行走部分、旋耕部分、噴藥系統(tǒng)、動(dòng)力與控制部分、噴霧部分、檢測(cè)與輔助部分組成。行走部分主要由車體搭載2個(gè)電機(jī)和履帶鏈；為了實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用，植保機(jī)增加了可拆卸的旋耕部分；噴藥系統(tǒng)由電機(jī)、液壓泵和藥箱等主要部件構(gòu)成；動(dòng)力與控制部分由多個(gè)電機(jī)為不同部位提供動(dòng)力，通過(guò)齒輪齒條、蝸輪蝸桿等傳遞動(dòng)力，操作箱用于控制整個(gè)機(jī)械的運(yùn)行；噴霧部分主要由電機(jī)、鏈條、蝸輪蝸桿及噴霧桿組成。

2.2 工作原理

該植保機(jī)還可以用于耕地，在植保機(jī)的后端安裝旋耕刀，旋耕部分可以實(shí)現(xiàn)快速拆卸。噴藥系統(tǒng)采用200 L容量藥箱，液壓泵將藥液通過(guò)管道輸送到噴霧桿。根據(jù)植株的不同高度和寬度，噴霧結(jié)構(gòu)采用升降架、鋼纜和齒輪齒條等結(jié)構(gòu)，使噴霧桿結(jié)構(gòu)可以上下和左右移動(dòng)，提高農(nóng)藥噴灑效果。

2.3 技術(shù)參數(shù)

整機(jī)技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

3 履帶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 履帶底盤結(jié)構(gòu)

履帶底盤作為移動(dòng)機(jī)器人的重要組成部分，其結(jié)構(gòu)對(duì)于機(jī)器人的機(jī)動(dòng)性和適應(yīng)性具有決定性影響。該底盤主要由蓄電池、車體框架、電機(jī)及其支架、履帶、支撐軸和傳動(dòng)帶等關(guān)鍵部件構(gòu)成。履帶底盤的結(jié)構(gòu)布局如圖3所示。各部件之間的合理配置和緊密配合，能夠滿足多種復(fù)雜環(huán)境下的作業(yè)需求。

采用兩側(cè)獨(dú)立電機(jī)驅(qū)動(dòng)及差速轉(zhuǎn)向技術(shù)，提高了狹小空間內(nèi)的機(jī)動(dòng)性，增強(qiáng)了復(fù)雜環(huán)境中的作業(yè)靈活性。綜合考量葡萄種植的行距、整機(jī)布局、作業(yè)需求及人機(jī)工程學(xué)等關(guān)鍵因素，對(duì)植保機(jī)的結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。履帶底盤的外形尺寸（長(zhǎng)×寬×高）確定為1 500 mm×800 mm×366 mm。

3.2 行走系統(tǒng)計(jì)算與分析

自走式果園植保機(jī)主要應(yīng)用在規(guī)?；苤补麍@，果園地面雖然復(fù)雜，但無(wú)較大坡度。履帶式底盤在行進(jìn)時(shí)的阻力主要來(lái)源于直線行駛和轉(zhuǎn)向。由于轉(zhuǎn)向阻力較大，植保機(jī)在轉(zhuǎn)向時(shí)消耗的功率較多［5］。在電機(jī)選擇時(shí)，主要依據(jù)底盤轉(zhuǎn)向時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力與功率。履帶受力分析示意圖如圖4所示。

履帶轉(zhuǎn)向阻力矩相關(guān)計(jì)算公式見(jiàn)式（1）、式（2）。

[M1=μGL81+2CB1-2eL22M2=μGL81-2CB1-2eL22] （1）

[Mμ=M1+M2=μGL41-2eL22] （2）

式中：Mμ為履帶底盤轉(zhuǎn)向阻力矩，N·m；M1為左側(cè)履帶轉(zhuǎn)向阻力矩，N·m；M2為右側(cè)履帶轉(zhuǎn)向阻力矩，N·m；B為履帶中心距，m；C為橫向偏心距，m；e為縱向偏心距，m；L為履帶接地長(zhǎng)度，m；G為履帶質(zhì)心位置總重力，N；μ為轉(zhuǎn)向阻力系數(shù)。

履帶轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)力計(jì)算公式見(jiàn)式（3）至式（5）。

[F1=fG21+2CB+μGL4B1-2eL22F2=fG21-2CB-μGL4B1-2eL22] （3）

[Mmax=（F1max+F2max）r] （4）

[Wmax=（F1max+F2max）v] （5）

式中：f為滾動(dòng)阻力系數(shù)，f=0.11；F1為左側(cè)履帶轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)力，N；F2為右側(cè)履帶轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)力，N；Mmax為履帶驅(qū)動(dòng)輪最大驅(qū)動(dòng)力矩，N·m；Wmax為履帶驅(qū)動(dòng)輪最大驅(qū)動(dòng)功率，kW；r為履帶輪節(jié)圓半徑，m；[v]為履帶輪線速度，m/s。

在自走式果園植保機(jī)設(shè)計(jì)中，綜合考量多項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)，以確保其在復(fù)雜果園環(huán)境中的穩(wěn)定性和作業(yè)效率?；谡麢C(jī)參數(shù)，通過(guò)相關(guān)公式計(jì)算自走式果園植保機(jī)在轉(zhuǎn)向時(shí)所需的最大扭矩為219 N·m，最大功率為2.62 kW。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)現(xiàn)有果園植保機(jī)圖像數(shù)據(jù)處理時(shí)間長(zhǎng)、數(shù)據(jù)采集時(shí)段受限的問(wèn)題，研究從農(nóng)作物狀態(tài)及環(huán)境感知、攝像機(jī)與傳感器規(guī)劃決策、模糊控制實(shí)現(xiàn)機(jī)器運(yùn)動(dòng)平滑性、多方面共同控制實(shí)現(xiàn)噴灑作業(yè)、系統(tǒng)云平臺(tái)架構(gòu)管控機(jī)器人自主作業(yè)等5個(gè)方面對(duì)植保機(jī)進(jìn)行技術(shù)分析。根據(jù)膠東地區(qū)葡萄園的情況，設(shè)計(jì)了一款自走式自動(dòng)升降和伸展噴霧桿的植保機(jī)。該果園植保機(jī)具有噴灑高效、施藥精準(zhǔn)、勞動(dòng)強(qiáng)度低、安全性高等特點(diǎn)。整機(jī)可完成1～4 m寬度及0.4～1.5 m高度的噴灑工作，適合大多數(shù)矮化果園的作業(yè)需求。

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Key Technologies Analysis and Structural Design of Self-Propelled Orchard Plant Protection Machine

LIU Yanping1 ZHAO Liuyang1 LIN Fangjun2 SUN Yusheng1 WANG Muzheng1 ZHOU Yanan1

1. Yantai Institute of Science and Technology， Yantai 265600， China;

2. Shandong Pengxiang Automobile Co.，Ltd.，Yantai 265600， China

Abstract： With the wide application of agricultural intelligence and automation technology in modern agricultural production， the importance of intelligent operation of plant protection machines in complex agricultural production environments has become increasingly prominent. Although the existing plant protection robots can work in small orchards with complex terrain， their functions and efficiency still need to be improved. This study designs a self-propelled orchard plant protection machine suitable for ridge-type vineyards， which can improve the efficiency and accuracy of plant protection operations， while reducing the labor intensity and cost for fruit farmers. Based on an in-depth analysis of the existing plant protection machine technology， combined with the specific needs of vineyards in the Jiaodong area， the technical analysis and structural design of five key aspects were proposed， including crop status and environmental perception， camera and sensor planning and decision-making， fuzzy control for achieve machine motion smoothness， multi-faceted joint control to achieve spraying operations， and system cloud platform architecture to control robot autonomous operations.

Key words： self-propelled orchard plant protection machine; automation; small orchards

（欄目編輯：董清芝）