基于視覺輔助的大蒜幼苗破膜機的研制與試驗

施國英，王化琴，李天華，李玉華，吳彥強

（1.山東農業大學機械與電子工程學院，山東 泰安 271018；2.山東省創新發展研究院，山東 濟南 250000）

0 引 言

大蒜是廚房中很好的調味品，是天然的植物廣譜抗生素，因此市場需求極大。目前，大蒜在播種、收獲等方面的機械化研究已進入快速發展階段[1-2]。然而，大蒜播種后為了保持地溫、防止土壤水肥流失、抑制雜草生長，需覆蓋一層地膜，蒜芽破膜現在仍以人工為主，相關破膜機器的研究仍處在空白階段[3]。

覆膜大蒜在出苗后，要想正常生長，首先要頂破覆蓋的地膜，傳統方法主要是人工鉤膜、人工拍膜、人工拉膜。人工鉤膜是用鐵鉤鉤破薄膜，并將蒜芽掏出，工作量大，強度高，且薄膜破口較大，影響保溫保濕效果；人工拍膜是用掃帚在薄膜上拍打，幫助蒜芽破膜，蒜芽損傷率較高；人工拉膜是將麻袋、鏈條平鋪在薄膜上，然后人工拉動達到蒜芽破膜的目的。這些破膜方式雖然效率高，但對蒜芽都有一定破壞。

本文提出了一種基于視覺輔助的鏈條拖曳式大蒜幼苗破膜機，操作簡單，實用性強，可以很好地減輕蒜農的工作強度，提高作業效率，增加大蒜破膜質量，很大程度上減輕了勞作對地膜的破壞。

1 結構及工作原理

1.1 整機結構

大蒜幼苗破膜機主要由履帶式底盤、可折疊破膜裝置、視覺輔助裝置、遠程遙控裝置及控制系統組成，如圖1 所示。

圖1 大蒜幼苗破膜機結構圖

1.2 工作原理

覆膜蒜栽種以后，一般在蒜苗芽尖長到1～2 cm時，堅硬度完全能夠頂破地膜。但這個時候，如果地膜鋪得太松，或者田里一些泥土顆粒太大，導致剛出芽的大蒜沒能夠及時頂破地膜，就應該幫助蒜苗破膜了。首先將固定在底盤上的破膜裝置折疊部分展開，控制步進電機連接的滾動軸轉動，緩緩放下紗網與包裹棉布的鏈條，直至平鋪在塑料薄膜上。履帶式底盤沿著相鄰兩片薄膜之間的間隙運行，鏈條在薄膜上拖動，薄膜向下的壓力隨著鏈條的靠近而增大，蒜芽向上的支撐力也隨之增大。當支撐力大于塑料薄膜的強度極限，蒜芽沖破薄膜。當鏈條通過蒜芽與薄膜的接觸點時，蒜芽周圍的薄膜也在鏈條作用下向下滑動至蒜芽的基部，固定在與土壤接觸的位置。攝像頭實時獲取車況信息并傳輸到手機APP。通過手機可靈活調整機器運行方向，避免壓到蒜芽；破膜工作完成后，控制滾動軸反向轉動，慢慢將紗網卷起，最后將折疊架收起，機器恢復到開始的狀態。用戶根據種植幅度的不同，還可通過折疊架滿足1～3 畦蒜芽的破膜需求。

2 關鍵部件設計

2.1 履帶式底盤

大蒜播種后的土壤經過灌溉和充分滲透后變的泥濘和松軟，普通輪式底盤在田間行走下陷嚴重。為提高整機的通過性，采用了履帶式底盤，如圖2 所示，主要由拖帶輪、導向輪、支重輪、履帶、行走直流電機等組成[4-6]。

圖2 履帶式底盤

2.2 可調式破膜裝置

可調式破膜裝置主要由滾動軸、折疊架、支撐架、萬向節、萬向心、滾動步進電機、傳動鏈、破膜鏈條、紗網等組成。折疊架和滾動軸之間的連接如圖3所示。滾動軸和折疊架均分為3 段，每段長2 m，3 段滾動軸通過萬向節和萬向心連接在一起，并與軸承結合固定在上下兩層折疊架中間。滾動軸的轉動可實現破膜機構的上卷和下放，通過折疊架的收放，提高了機器適用范圍。紗網的一端包裹鏈條，外面包裹棉布；另一端固定在滾動軸上，可滿足高效破膜及減少薄膜與蒜芽損傷的要求。

圖3 可調式破膜裝置

2.3 可調式車架

為了適應不同的畦田，設計可調式車架。車架平臺與履帶架通過限位螺栓連接，可以通過調節限位螺栓，改變兩側履帶架的中心距以滿足不同農藝要求，如圖4 所示。

圖4 可調式車架三維結構示意圖

3 控制系統

如圖5 所示，大蒜破膜機控制系統主要由電源模塊、Wi-Fi 模塊、視覺輔助裝置、遠程遙控裝置、STM32F103 處理器、電機驅動器、步進電機和直流電機組成[7-8]。視覺輔助裝置中的攝像頭固定安裝在云臺上，通過Wi-Fi 模塊完成數據通信。手機APP 可以實現對攝像頭的水平和垂直方向調節，從而實現對作業狀況的立體式監控；通過遙控裝置可向處理器發送轉向、調頭、紗網收放等指令，完成破膜作業。

圖5 控制系統結構

4 田間試驗

4.1 試驗關鍵因素

鏈條拖拽式破膜受整機行進速度、鏈條質量、鏈條類型等因素影響，本實驗主要研究以上不同因素對破膜效果的影響，以獲得最優的破膜評價指標參數。

實驗選擇不同參數的鏈條進行對比試驗，如表1 所示，其中10 mm-L 代表直徑為10 mm 的不銹鋼長環鏈條，10 mm-S 代表直徑為10 mm 的不銹鋼短環鏈條。依據人工破膜速度（1.0～1.5 m/s）將機器前進試驗速度分別設置為1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 m/s。

表1 試驗鏈條型號

4.2 試驗方法

試驗選用8 種不同類型的鏈條，每條鏈條長2 m，每3 根鏈條組成一組，分別固定在紗網的末端。蒜田每一畦的長度為50 m，分為5 段對應5 種不同的前進速度，依次進行破膜試驗，統計不同鏈條和速度下的破膜情況。每次統計不同鏈條在相同條件下的蒜芽200 顆，計算蒜芽破膜數和彎曲、折斷等損傷數，得到蒜芽破膜率、損傷率、相對損傷率和完好率。在不同試驗畦里重復試驗3 次，取平均值得到最終結果。圖6 所示圓圈標注為在破膜過程中受損的蒜芽，其余為正常破膜的蒜芽。

圖6 蒜芽破膜效果統計樣本圖

4.3 試驗結果分析

蒜芽破膜數記為m，蒜芽損傷數記為n，Q1為大蒜破膜率，Q2為蒜芽損傷率。計算公式如下：

4.3.1 最佳破膜條件分析

（1）分析不同鏈條參數和不同速度下蒜芽的破膜率和破損率，如圖7 所示。由圖7（a）可知同一鏈條速度在2.5 m/s 和3 m/s 時蒜芽破膜率最高，在1 m/s 時最低，且隨著鏈條質量的增加破膜率也逐漸上升。圖7（b）說明在同一速度時，8 mm-L、8 mm-S、10 mm-L 和10 mm-S 鏈條下的蒜芽破膜率相對較高，且隨著速度的增加而逐漸增加，但增速較慢。圖7（c）說明相同的鏈條在3 m/s 的速度下，蒜芽損傷率最高。圖7（d）說明在相同的速度下，采用10 mm-S、10 mm-L 鏈條時蒜芽的損傷率高于其他鏈條。由以上分析可知，破膜最佳鏈條為8 mm-S，最佳作業速度為2.5 m/s。

圖7 不同參數下的破膜結果分析

4.3.2 人機破膜效果對比

人工破膜多選用6 mm 不銹鋼長環鏈條和1.5 m/s 的前進速度，機器選用8 mm 不銹鋼短環鏈條和2.5 m/s 前進速度。人機田間破膜實際操作對比如圖8 所示，對應的數據分析如圖9 所示。

圖8 人機田間破膜試驗

圖9 機器破膜與人工破膜對應的數據比較

因每畦大蒜出芽時間不一致，所以需要進行多次作業。由圖9（a）可知，8 mm-S 鏈條作業速度為2.5 m/s 條件下的蒜芽破膜率始終大于6 mm-L 鏈條作業速度為1.5 m/s 時，最終蒜芽破膜率比人工高10.5%。從圖9（b）可知，在6 mm-L 鏈條作業速度為1.5 m/s 條件下的蒜芽損傷率始終比8 mm-S 鏈條作業速度為2.5 m/s 的低，但隨著破膜天數的增加，兩者之間的損傷率差距越來越小?？紤]破膜幅度與速度，機器破膜作業效率為5.4 hm2/h，人工破膜效率為2.16 hm2/h，機器破膜效率約為人工的2.5 倍。

5 結 語

針對大蒜種植破膜環節無機可用的現狀，研制了一種基于視覺輔助的鏈條拖拽履帶式大蒜幼苗破膜機，履帶式底盤解決了機器田間行走時的下陷和打滑問題；折疊式的支架可滿足1～3 畦蒜芽的破膜作業需求；視覺輔助裝置和遠程遙控的結合，降低了勞動強度，提高了工作效率。

通過對破膜數據的整體分析、關鍵設備的選型及工作參數的優化，確定最佳破膜鏈條為8 mm 不銹鋼短環鏈條、最佳作業速度為2.5 m/s，對應蒜芽破膜率為98%，蒜芽損傷率為9%。機器破膜的破膜率比人工破膜提高10.5%，蒜芽損傷率基本相同，整體破膜效果優于人工破膜；機器破膜作業效率為5.4 hm2/h，約為人工的2.5 倍。