我國蘋果種植面積、產(chǎn)量和消費量均占世界總量的40%以上。隨著蘋果種植面積的逐年增加、規(guī)�；陌l(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逐漸推廣但仍以清耕模式為主。國內外現(xiàn)有的大結構大功率的除草機械不適用,人工除草方式效率低�；谝陨蠣顩r,設計新型果園除草機器人,以滿足果園不同栽培模式的除草要求,對促進果園規(guī)模化發(fā)展、提升綜合管理水平具有重要意義。根據(jù)園藝技術要求,提出了具有割草和斷根除草兩種功能的機器人方案。完成除草機器人總體結構方案設計,在Pro/E中建立機器人各零部件的三維模型并完成整體裝配,主要包括三輪結構的機器人本體、割茬高度調節(jié)機構、轉向機構、割刀角度調節(jié)機構和除草機構。為了使機器人能更好的適應果園不平整地形,在兩前輪與車架連接處加入了獨立懸架結構,后輪與車架連接處設計減震彈簧。設計了碟式結構的除草刀盤和三種不同刃線形狀的除草刀片,分析了機器人作業(yè)過程的運動規(guī)律,并使用ADAMS軟件對虛擬樣機進行了作業(yè)路徑的仿真模擬,驗證了理論分析的正確性,得到了作業(yè)軌跡疏密程度與機器人前進速度和刀盤旋轉速度的對應關系。模擬了除草機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)的障礙物對機器人運行平穩(wěn)性的影響,結果顯示懸架機構對保持機器人平穩(wěn)性有明顯效果。對除草刀盤進行模態(tài)分析,結果顯示機器人工作過程中不會因外界激振引發(fā)共振。使用非線性顯式動力學分析軟件LS_DYNA對三種不同刃線形狀刀具除草切削土壤過程進行了模擬仿真,通過對切削過程、刀具應力變化、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,平面圓弧刀結構為設計的最佳選擇。采用Arduino開發(fā)平臺,通過控制系統(tǒng)硬件和軟件程序設計,開發(fā)了除草機器人控制系統(tǒng)的核心Arduino主控板、電機驅動模塊、超聲波避障模塊、無線電通信模塊,使機器人障礙物檢測、報警,遠程操控行走、轉向等功能有了實現(xiàn)基礎。在MATLAB/Simulink中建立控制系統(tǒng)電機的仿真模型并完成仿真,驗證了系統(tǒng)模型的正確性。
【學位單位】：蘭州理工大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：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)仍然實施清耕管理。雖然清耕管理模式在短期內有利于果樹生但長期采用清耕方式會造成果園土壤有機質單一和肥力不足，嚴重破壞，且易傷到淺土層中果木的營養(yǎng)根[12,13]。更加嚴重的是我國多地果園中除草，長期化學除草不僅污染環(huán)境，還會造成土壤結構退化，除草劑滲達果樹根系會影響果樹生長，損傷果品質量，并且除草劑中多數(shù)化學成內非常難分解，長期殘留于土壤中，對果樹和土壤形成不可預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，促進果樹生長和改善果品質量。

20 世紀 60 年代已經(jīng)開始關注除草機器人相關技術的研究，隨著定位、圖像識別等機器視覺技術的發(fā)展，除草機器人技術已經(jīng)得到了深入的研究并在農(nóng)田中得到廣泛應用[14]。但果園除草機器人研究起步較晚，國內外果園除草機器人發(fā)展現(xiàn)狀也各不相同。1.3.1 除草機器人國外研究現(xiàn)狀國外除草機器人研究起步早、技術完善，但主要用于田間除草和草坪割草。美國伊利諾伊大學研究了如圖 1.2 所示的四輪行走式除草機器人[15]，除草機構包括一個 5 自由度的機器臂和末端執(zhí)行器，機械臂轉動由機器人上的控制臺將信號傳遞至電機通過 PWM 控制方式來實現(xiàn)。割草刀割斷草莖后，由施藥器將化學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行實驗，結果顯示，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。但是該除草機器人體型大，結構、控制系統(tǒng)復雜，主要用于田間單株精準除草，不適用于果園大面積批量割草作業(yè)。

20 世紀 60 年代已經(jīng)開始關注除草機器人相關技術的研究，隨著定位、圖像識別等機器視覺技術的發(fā)展，除草機器人技術已經(jīng)得到了深入的研究并在農(nóng)田中得到廣泛應用[14]。但果園除草機器人研究起步較晚，國內外果園除草機器人發(fā)展現(xiàn)狀也各不相同。1.3.1 除草機器人國外研究現(xiàn)狀國外除草機器人研究起步早、技術完善，但主要用于田間除草和草坪割草。美國伊利諾伊大學研究了如圖 1.2 所示的四輪行走式除草機器人[15]，除草機構包括一個 5 自由度的機器臂和末端執(zhí)行器，機械臂轉動由機器人上的控制臺將信號傳遞至電機通過 PWM 控制方式來實現(xiàn)。割草刀割斷草莖后，由施藥器將化學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行實驗，結果顯示，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。但是該除草機器人體型大，結構、控制系統(tǒng)復雜，主要用于田間單株精準除草，不適用于果園大面積批量割草作業(yè)。
【參考文獻】

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本文編號：2873325