新型果园除草机器人机械结构与控制系统设计

发布时间：2020-11-06 15:40

　　我国苹果种植面积、产量和消费量均占世界总量的40%以上。随着苹果种植面积的逐年增加、规模化的发展以及我国人口老龄化的趋势,果园除草面积增加与直接参加农事劳动力不足之间的矛盾日益突出。目前,我国苹果种植向矮砧密植模式发展,果园地面生草栽培技术逐渐推广但仍以清耕模式为主。国内外现有的大结构大功率的除草机械不适用,人工除草方式效率低。基于以上状况,设计新型果园除草机器人,以满足果园不同栽培模式的除草要求,对促进果园规模化发展、提升综合管理水平具有重要意义。根据园艺技术要求,提出了具有割草和断根除草两种功能的机器人方案。完成除草机器人总体结构方案设计,在Pro/E中建立机器人各零部件的三维模型并完成整体装配,主要包括三轮结构的机器人本体、割茬高度调节机构、转向机构、割刀角度调节机构和除草机构。为了使机器人能更好的适应果园不平整地形,在两前轮与车架连接处加入了独立悬架结构,后轮与车架连接处设计减震弹簧。设计了碟式结构的除草刀盘和三种不同刃线形状的除草刀片,分析了机器人作业过程的运动规律,并使用ADAMS软件对虚拟样机进行了作业路径的仿真模拟,验证了理论分析的正确性,得到了作业轨迹疏密程度与机器人前进速度和刀盘旋转速度的对应关系。模拟了除草机器人在果园常见的凸起、凹坑、坡面三种地形越障性能及不同参数的障碍物对机器人运行平稳性的影响,结果显示悬架机构对保持机器人平稳性有明显效果。对除草刀盘进行模态分析,结果显示机器人工作过程中不会因外界激振引发共振。使用非线性显式动力学分析软件LS_DYNA对三种不同刃线形状刀具除草切削土壤过程进行了模拟仿真,通过对切削过程、刀具应力变化、刀具功耗和所受阻力分析,得出圆弧型除草刀平均功耗和切削阻力最小。通过平面圆弧刀和立体曲面圆弧刀仿真分析对比,立体圆弧刀平均功耗和阻力分别比平面圆弧刀高出27.5%和51.9%,在满足除草要求的前提下,平面圆弧刀结构为设计的最佳选择。采用Arduino开发平台,通过控制系统硬件和软件程序设计,开发了除草机器人控制系统的核心Arduino主控板、电机驱动模块、超声波避障模块、无线电通信模块,使机器人障碍物检测、报警,远程操控行走、转向等功能有了实现基础。在MATLAB/Simulink中建立控制系统电机的仿真模型并完成仿真,验证了系统模型的正确性。
【学位单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：S224.15;TP242
【部分图文】：

果园,果品质量,清耕

图 1.1 矮化密植果园课题的研究意义果园生草对果树生长和果品质量都有诸多益处，但是受传统观念的影响园中越干净就管理的越好，所以，目前我国生草果园面积非常有限且增多数地区仍然实施清耕管理。虽然清耕管理模式在短期内有利于果树生但长期采用清耕方式会造成果园土壤有机质单一和肥力不足，严重破坏，且易伤到浅土层中果木的营养根[12,13]。更加严重的是我国多地果园中除草，长期化学除草不仅污染环境，还会造成土壤结构退化，除草剂渗达果树根系会影响果树生长，损伤果品质量，并且除草剂中多数化学成内非常难分解，长期残留于土壤中，对果树和土壤形成不可预估的伤害针对不同种植模式下合理有效的割除草作业成为果园种植管理的必要环的绿叶杂草可直接覆盖于树盘或洼地，也可堆沤制肥，能丰富果园肥料节地面湿度、温度，促进果树生长和改善果品质量。

伊利诺伊大学,美国

20 世纪 60 年代已经开始关注除草机器人相关技术的研究，随着定位、图像识别等机器视觉技术的发展，除草机器人技术已经得到了深入的研究并在农田中得到广泛应用[14]。但果园除草机器人研究起步较晚，国内外果园除草机器人发展现状也各不相同。1.3.1 除草机器人国外研究现状国外除草机器人研究起步早、技术完善，但主要用于田间除草和草坪割草。美国伊利诺伊大学研究了如图 1.2 所示的四轮行走式除草机器人[15]，除草机构包括一个 5 自由度的机器臂和末端执行器，机械臂转动由机器人上的控制台将信号传递至电机通过 PWM 控制方式来实现。割草刀割断草茎后，由施药器将化学除草剂喷涂到杂草切口处杀死杂草。通过对禾本科和阔叶两种杂草进行实验，结果显示，每株杂草除草剂的使用量可以减少约 70%，减少了农田中的化学品使用以及产生的污染, 降低了生产成本。但是该除草机器人体型大，结构、控制系统复杂，主要用于田间单株精准除草，不适用于果园大面积批量割草作业。

杂草,割草,机器人发展,农田