本發(fā)明涉及一種基于作業(yè)功耗模型的麥田鋤草執(zhí)行器設(shè)計方法及裝置，屬于智慧農(nóng)業(yè)裝備。

背景技術(shù)：

1、智慧農(nóng)業(yè)是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的一種高級形式，雜草治理是智慧農(nóng)業(yè)中的最重要任務(wù)之一。據(jù)統(tǒng)計，雜草不受控制會使小麥產(chǎn)量減少約40～50％。麥田雜草發(fā)生的高峰期在小麥分蘗期，這一時期的小麥植株較小，雜草干擾小麥正常分蘗，導(dǎo)致小麥減產(chǎn)。目前，麥田除草技術(shù)主要包括化學(xué)方法和機械方法?；瘜W(xué)方法由于其除草效率高得到了廣泛的應(yīng)用，但是除草劑大規(guī)模噴撒造成了嚴重的環(huán)境污染，并且影響了小麥的安全生產(chǎn)。近年來，機械鋤草方法因其對環(huán)境友好、增加土壤透氣性、改善土壤墑情等優(yōu)點，越來越受到重視。

2、鋤草執(zhí)行器是鋤草機器人最核心、最重要的結(jié)構(gòu)部件，其選用原則是在保證鋤草率及不傷害作物的前提下，盡量減少作業(yè)成本。據(jù)統(tǒng)計，用于匹配鋤草機械功耗的動力系統(tǒng)約占作業(yè)總成本的60％，因此，應(yīng)盡量減少鋤草執(zhí)行器作業(yè)功耗，控制鋤草成本。最常用于麥田鋤草的執(zhí)行器機構(gòu)是耙齒式執(zhí)行器，主要由支撐裝置和彈性尖齒構(gòu)成，工作時可以通過調(diào)整彈齒張力改變鋤草力度及工作深度，能夠在出苗前期到分蘗早期去除行間雜草。這種執(zhí)行器結(jié)構(gòu)簡單，且在野外惡劣環(huán)境中不易損壞，但是耙齒式執(zhí)行器拖動的作業(yè)形式導(dǎo)致行進阻力大、功耗高，通常采用大型農(nóng)機牽引作業(yè)，且這種執(zhí)行器作業(yè)時小麥會受到與雜草相同的耙耕強度，可能導(dǎo)致小麥作物受損。為降低鋤草功耗，rueda-ayala?v等人在農(nóng)機上搭載光譜相機監(jiān)測作物行間雜草密度，只對行間區(qū)域雜草進行針對性耙除，有效避免“盲耙”而產(chǎn)生的功耗浪費現(xiàn)象。peteinatos?g?g等人提出一種基于超聲波傳感器的決策系統(tǒng)，根據(jù)雜草及作物信息實時調(diào)整耙耕強度，減少了耙齒式執(zhí)行器作業(yè)時傷苗率。但由于耙齒式執(zhí)行器耙齒間存在一定距離，作業(yè)時漏鋤現(xiàn)象嚴重，鋤草率較低。旋耕式執(zhí)行器采用滾動前進的方式去除行間雜草，這種作業(yè)形式入土簡單，能夠適應(yīng)不同壓實度土壤中，但是旋耕式執(zhí)行器作業(yè)時拋撒土壤多，導(dǎo)致功耗大，且由于土壤擾動范圍較大，要求行距為40cm-75cm，小麥常用行距為20cm，因此旋耕式執(zhí)行器應(yīng)用于小麥行間極易傷苗。刷式執(zhí)行器也能用于麥田行間鋤草，執(zhí)行部件是安裝在軸上的聚丙烯刷，通過轉(zhuǎn)動的方式撕裂或拔起雜草。這種執(zhí)行器優(yōu)點在于不易黏附土壤，能夠應(yīng)用于更為潮濕的土壤環(huán)境中。rabcewicz?j等人對比分析了刷式執(zhí)行器與耙齒式執(zhí)行器在作業(yè)深度為2-4cm時的淺耕鋤草效果，結(jié)果顯示，刷式執(zhí)行器僅能去除一年生雜草(白芥菜(sinapis?alba?l.))，且鋤草率僅為44％。為提高鋤草率，需要提升刷式執(zhí)行器的工作強度(機器人前進速度和刷頭旋轉(zhuǎn)速度之間的比率)，但由于刷頭與作物接觸，也會導(dǎo)致更高的傷苗率，且更高的工作強度也需要更大的功耗。因此，當前的麥田鋤草機械存在功耗、鋤草率、傷苗率無法兼顧的問題，需開發(fā)一種功耗低、鋤草率高、傷苗率小的智能鋤草機器人執(zhí)行器，保證作業(yè)穩(wěn)定性與機具可靠性。

3、除草輪(籃式執(zhí)行器)是一種由多個刀輥構(gòu)成的鋤草工具，這種執(zhí)行器可以在不將土壤轉(zhuǎn)移到作物行的情況下，清除生長在淺層土壤的雜草，因此應(yīng)用于行距為20cm左右的作物行間時，能夠在減少傷苗率的同時增大作業(yè)寬度，保證鋤草穩(wěn)定性，但由于刀輥觸土面積大，除草輪在工作過程中容易產(chǎn)生過度阻力而導(dǎo)致打滑及“怠工”現(xiàn)象，造成作業(yè)時鋤草率低。han?tang等人將除草輪刀輥替換為耙齒，并通過改變鋤草深度、前進速度及作業(yè)轉(zhuǎn)速，將鋤草率提升至80％以上。zhang?y等人研究了除草輪刀具安裝角度與切削阻力間的關(guān)系，并進行了除草輪性能試驗，分析發(fā)現(xiàn)，刀片垂直于土壤安裝時作業(yè)阻力最小，且能將傷苗率控制在4.4％以內(nèi)。但當前研究主要針對除草輪安裝及工作參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計，而忽視了執(zhí)行器結(jié)構(gòu)參數(shù)本身對作業(yè)質(zhì)量及功耗情況的影響，導(dǎo)致當前除草輪作業(yè)功耗大，主要應(yīng)用于含少量粘土的潮濕土壤環(huán)境中。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種基于作業(yè)功耗模型的麥田鋤草執(zhí)行器設(shè)計方法及裝置，通過分析麥田鋤草過程中機器人-土壤-雜草互作關(guān)系，構(gòu)建滾刀式鋤草機器人執(zhí)行器功耗模型，確定作業(yè)中功耗最低的結(jié)構(gòu)參數(shù)，不僅工作幅面寬，作業(yè)阻力小，鋤草效率高，而且有效解決在小行距作物鋤草時傷苗率高的問題。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案如下：

3、一方面，本發(fā)明提供一種基于作業(yè)功耗模型的麥田鋤草執(zhí)行器設(shè)計方法，所述鋤草執(zhí)行器包括滾刀與滾輪，多把滾刀連接于滾輪上，將關(guān)系作業(yè)質(zhì)量的滾刀與滾輪結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)定為：滾輪半徑r、滾刀刃角α、滾刀寬度l、滾刀厚度b、滾刀數(shù)量i；并且以執(zhí)行器滾刀部分刀刃端點接觸土壤為初始位置，將整個鋤草過程分為四個工況：觸土、切土、碎草、揚土，然后滾刀式除草執(zhí)行器在作業(yè)時采用如下功耗模型：

4、

5、其中，w1為觸土工況下的功率消耗，w2為切土工況下的功率消耗，w3為碎草工況下的功率消耗，w4為揚土工況下的功率消耗；

6、將滾輪半徑r、滾刀刃角α、滾刀厚度b、滾刀數(shù)量i，按如下約束條件進行優(yōu)化：

7、滾輪半徑r滿足：

8、2r2≥(r+35)2

9、滾刀刃角α滿足：

10、20°≤α≤90°

11、滾刀厚度b滿足：

12、2≤b≤6

13、滾刀數(shù)量i：

14、

15、進一步的，在觸土工況下，功率消耗w1為0w。

16、進一步的，在切土工況下，功率消耗w2為滾刀克服來自土壤的刀身所受摩擦力f1及法向壓力f2，刀刃所受法向壓力f3及摩擦力f4做功，即：

17、

18、其中，r—滾刀式執(zhí)行器滾輪半徑，m；d—滾刀式執(zhí)行器作業(yè)深度，m；ω—滾刀轉(zhuǎn)動角速度，rad/s；α—滾刀刃角，°；t1—滾刀接觸土壤時間，s；t2—滾刀離開土壤時間，s。

19、進一步的，在碎草工況下，功率消耗w3為刀刃部分克服來自雜草莖稈的法向阻力f3及摩擦力f4做功，即：

20、

21、其中，δs—雜草剪切強度，mpa；ρ—單位面積雜草密度，株/m2。

22、更進一步的，在碎草工況下，滾刀轉(zhuǎn)動角速度ω滿足關(guān)系式：

23、

24、其中，ma—滾刀質(zhì)量，kg；a—雜草根系橫截面積，mm2；τ—根系強度極限，mpa。

25、進一步的，在揚土工況下，功率消耗w4為克服拋撒土壤及雜草的阻力做功，設(shè)拋撒結(jié)束時間為t3，拋撒土塊及雜草質(zhì)量為m，則滾刀功率消耗為：

26、

27、這里將t3視為單個作業(yè)周期結(jié)束時刻，即：

28、進一步的，滾刀式除草執(zhí)行器在作業(yè)時功耗模型為：

29、

30、另一方面，本發(fā)明提供一種基于作業(yè)功耗模型的麥田鋤草裝置，所述麥田鋤草裝置的鋤草執(zhí)行器采用上述方案的方法進行設(shè)計。

31、進一步的，所述麥田鋤草裝置還包括動力裝置，懸掛裝置，連接支撐，驅(qū)動電機和控制器，所述動力裝置牽引懸掛裝置，所述懸掛裝置末端設(shè)置連接支撐，所述鋤草執(zhí)行器安裝在連接支撐上，并由所述驅(qū)動電機通過鏈條進行驅(qū)動。

32、進一步的，所述鋤草執(zhí)行器中的滾刀垂直安裝于滾輪上，并且滾刀和滾輪的結(jié)構(gòu)參數(shù)為：滾輪半徑85mm，滾刀刃角20°，滾刀厚度2mm，滾刀數(shù)量8。

33、本發(fā)明的有益效果如下：

34、本發(fā)明的執(zhí)行器選用除草輪式結(jié)構(gòu)，通過分析麥田鋤草過程中機器人-土壤-雜草互作關(guān)系，構(gòu)建滾刀式鋤草機器人執(zhí)行器功耗模型，確定作業(yè)中功耗最低的結(jié)構(gòu)參數(shù)，不僅工作幅面寬，作業(yè)阻力小，鋤草效率高，而且有效解決在小行距作物鋤草時傷苗率高的問題。

35、本發(fā)明的鋤草裝置執(zhí)行器更趨向于擾動表層作業(yè)空間土壤，形成倒梯形的工作區(qū)域截面形狀。由于土壤壓實度與深度呈正比，切碎表層土壤時所需功耗相對較小，因此執(zhí)行器相較于同工況下的淺松直型旋耕刀，有效降低了功耗并提高了工作寬度，且作業(yè)后滾刀式鋤草機器人造成的堆積厚度不超過20mm，遠小于小麥植株高度，不會影響作物正常光合作用；通過圖像處理的方法統(tǒng)計作業(yè)前后綠色像素點比值計算鋤草率，結(jié)果顯示，本發(fā)明滾刀式鋤草裝置能夠有效去除麥田行間區(qū)域雜草。