我國蘋果種植面積、產(chǎn)量和消費(fèi)量均占世界總量的40%以上。隨著蘋果種植面積的逐年增加、規(guī)模化的發(fā)展以及我國人口老齡化的趨勢,果園除草面積增加與直接參加農(nóng)事勞動(dòng)力不足之間的矛盾日益突出。目前,我國蘋果種植向矮砧密植模式發(fā)展,果園地面生草栽培技術(shù)逐漸推廣但仍以清耕模式為主。國內(nèi)外現(xiàn)有的大結(jié)構(gòu)大功率的除草機(jī)械不適用,人工除草方式效率低。基于以上狀況,設(shè)計(jì)新型果園除草機(jī)器人,以滿足果園不同栽培模式的除草要求,對促進(jìn)果園規(guī)�；l(fā)展、提升綜合管理水平具有重要意義。根據(jù)園藝技術(shù)要求,提出了具有割草和斷根除草兩種功能的機(jī)器人方案。完成除草機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì),在Pro/E中建立機(jī)器人各零部件的三維模型并完成整體裝配,主要包括三輪結(jié)構(gòu)的機(jī)器人本體、割茬高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、割刀角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和除草機(jī)構(gòu)。為了使機(jī)器人能更好的適應(yīng)果園不平整地形,在兩前輪與車架連接處加入了獨(dú)立懸架結(jié)構(gòu),后輪與車架連接處設(shè)計(jì)減震彈簧。設(shè)計(jì)了碟式結(jié)構(gòu)的除草刀盤和三種不同刃線形狀的除草刀片,分析了機(jī)器人作業(yè)過程的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,并使用ADAMS軟件對虛擬樣機(jī)進(jìn)行了作業(yè)路徑的仿真模擬,驗(yàn)證了理論分析的正確性,得到了作業(yè)軌跡疏密程度與機(jī)器人前進(jìn)速度和刀盤旋轉(zhuǎn)速度的對應(yīng)關(guān)系。模擬了除草機(jī)器人在果園常見的凸起、凹坑、坡面三種地形越障性能及不同參數(shù)的障礙物對機(jī)器人運(yùn)行平穩(wěn)性的影響,結(jié)果顯示懸架機(jī)構(gòu)對保持機(jī)器人平穩(wěn)性有明顯效果。對除草刀盤進(jìn)行模態(tài)分析,結(jié)果顯示機(jī)器人工作過程中不會(huì)因外界激振引發(fā)共振。使用非線性顯式動(dòng)力學(xué)分析軟件LS_DYNA對三種不同刃線形狀刀具除草切削土壤過程進(jìn)行了模擬仿真,通過對切削過程、刀具應(yīng)力變化、刀具功耗和所受阻力分析,得出圓弧型除草刀平均功耗和切削阻力最小。通過平面圓弧刀和立體曲面圓弧刀仿真分析對比,立體圓弧刀平均功耗和阻力分別比平面圓弧刀高出27.5%和51.9%,在滿足除草要求的前提下,平面圓弧刀結(jié)構(gòu)為設(shè)計(jì)的最佳選擇。采用Arduino開發(fā)平臺(tái),通過控制系統(tǒng)硬件和軟件程序設(shè)計(jì),開發(fā)了除草機(jī)器人控制系統(tǒng)的核心Arduino主控板、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、超聲波避障模塊、無線電通信模塊,使機(jī)器人障礙物檢測、報(bào)警,遠(yuǎn)程操控行走、轉(zhuǎn)向等功能有了實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)。在MATLAB/Simulink中建立控制系統(tǒng)電機(jī)的仿真模型并完成仿真,驗(yàn)證了系統(tǒng)模型的正確性。
【學(xué)位單位】：蘭州理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：S224.15;TP242
【部分圖文】：

圖 1.1 矮化密植果園 課題的研究意義果園生草對果樹生長和果品質(zhì)量都有諸多益處，但是受傳統(tǒng)觀念的影響園中越干凈就管理的越好，所以，目前我國生草果園面積非常有限且增多數(shù)地區(qū)仍然實(shí)施清耕管理。雖然清耕管理模式在短期內(nèi)有利于果樹生但長期采用清耕方式會(huì)造成果園土壤有機(jī)質(zhì)單一和肥力不足，嚴(yán)重破壞，且易傷到淺土層中果木的營養(yǎng)根[12,13]。更加嚴(yán)重的是我國多地果園中除草，長期化學(xué)除草不僅污染環(huán)境，還會(huì)造成土壤結(jié)構(gòu)退化，除草劑滲達(dá)果樹根系會(huì)影響果樹生長，損傷果品質(zhì)量，并且除草劑中多數(shù)化學(xué)成內(nèi)非常難分解，長期殘留于土壤中，對果樹和土壤形成不可預(yù)估的傷害針對不同種植模式下合理有效的割除草作業(yè)成為果園種植管理的必要環(huán)的綠葉雜草可直接覆蓋于樹盤或洼地，也可堆漚制肥，能豐富果園肥料節(jié)地面濕度、溫度，促進(jìn)果樹生長和改善果品質(zhì)量。

20 世紀(jì) 60 年代已經(jīng)開始關(guān)注除草機(jī)器人相關(guān)技術(shù)的研究，隨著定位、圖像識別等機(jī)器視覺技術(shù)的發(fā)展，除草機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)得到了深入的研究并在農(nóng)田中得到廣泛應(yīng)用[14]。但果園除草機(jī)器人研究起步較晚，國內(nèi)外果園除草機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀也各不相同。1.3.1 除草機(jī)器人國外研究現(xiàn)狀國外除草機(jī)器人研究起步早、技術(shù)完善，但主要用于田間除草和草坪割草。美國伊利諾伊大學(xué)研究了如圖 1.2 所示的四輪行走式除草機(jī)器人[15]，除草機(jī)構(gòu)包括一個(gè) 5 自由度的機(jī)器臂和末端執(zhí)行器，機(jī)械臂轉(zhuǎn)動(dòng)由機(jī)器人上的控制臺(tái)將信號傳遞至電機(jī)通過 PWM 控制方式來實(shí)現(xiàn)。割草刀割斷草莖后，由施藥器將化學(xué)除草劑噴涂到雜草切口處殺死雜草。通過對禾本科和闊葉兩種雜草進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示，每株雜草除草劑的使用量可以減少約 70%，減少了農(nóng)田中的化學(xué)品使用以及產(chǎn)生的污染, 降低了生產(chǎn)成本。但是該除草機(jī)器人體型大，結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)復(fù)雜，主要用于田間單株精準(zhǔn)除草，不適用于果園大面積批量割草作業(yè)。

20 世紀(jì) 60 年代已經(jīng)開始關(guān)注除草機(jī)器人相關(guān)技術(shù)的研究，隨著定位、圖像識別等機(jī)器視覺技術(shù)的發(fā)展，除草機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)得到了深入的研究并在農(nóng)田中得到廣泛應(yīng)用[14]。但果園除草機(jī)器人研究起步較晚，國內(nèi)外果園除草機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀也各不相同。1.3.1 除草機(jī)器人國外研究現(xiàn)狀國外除草機(jī)器人研究起步早、技術(shù)完善，但主要用于田間除草和草坪割草。美國伊利諾伊大學(xué)研究了如圖 1.2 所示的四輪行走式除草機(jī)器人[15]，除草機(jī)構(gòu)包括一個(gè) 5 自由度的機(jī)器臂和末端執(zhí)行器，機(jī)械臂轉(zhuǎn)動(dòng)由機(jī)器人上的控制臺(tái)將信號傳遞至電機(jī)通過 PWM 控制方式來實(shí)現(xiàn)。割草刀割斷草莖后，由施藥器將化學(xué)除草劑噴涂到雜草切口處殺死雜草。通過對禾本科和闊葉兩種雜草進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示，每株雜草除草劑的使用量可以減少約 70%，減少了農(nóng)田中的化學(xué)品使用以及產(chǎn)生的污染, 降低了生產(chǎn)成本。但是該除草機(jī)器人體型大，結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)復(fù)雜，主要用于田間單株精準(zhǔn)除草，不適用于果園大面積批量割草作業(yè)。
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2873325