多模擺幅型牽引式棉花打頂機的設計

王維鵬

（新疆新研牧神科技有限公司，新疆 烏魯木齊 830026）

1 棉花打頂的意義

1.1 棉花打頂的分類及優缺點

棉花打頂是在棉花生產過程中摘除棉花頂心，促進棉株結鈴、結桃，增加棉花產量的關鍵環節之一[1]。及時打頂可抑制棉株向上生長，調節養分集中供應棉鈴，有利于伏前桃、伏桃的充分發育成熟及纖維品質提高。目前棉花打頂技術主要包括人工打頂、機械打頂與化學打頂3種，化學打頂作業效率高、適應性較強，但化學試劑對棉花品質及作物生長等方面會造成一定影響且會污染土壤和水源；機械打頂作業效率高，采用專用設備，維護成本低，但前期投資購置成本較高，因此應合理選擇打頂方式，根據棉花種植的規模及不同打頂方式對棉花產量和品質方面的影響進行綜合考慮[2-3]。

1.2 合理選擇打頂機械的意義

棉花打頂機械的選用需要與生產規模相適應。經濟效益是棉花生產的最終考核指標，而棉花打頂作為棉花生產的重要環節之一，是影響棉花生產效益的重要因素。應根據生產規模合理選擇打頂機械，提高打頂效率，降低打頂環節的生產成本，進而提高棉花生產收益[4]。

1.3 棉花打頂的評價方式

目前棉花打頂機械的作業質量暫無統一的評價標準，各種打頂方式的質量評價標準仍在研究中。機械打頂多沿用人工打頂的評價方式，主要考慮的是打頂的長度，評價核心是漏打率和過打率；化學打頂則考慮打頂后棉株生長高度、棉鈴數和單鈴重等[5]。

2 新型棉花打頂機原理介紹

目前，在棉花打頂機上用于測量棉株頂尖高度的主要方式有接觸式和非接觸式兩種。接觸式測量棉株頂尖高度的關鍵部件是仿形板，但由于仿形板在測量時會受較大機械振動擾動且會對棉花植株造成一定的損害，將會增加棉花收獲時的損失率，因此現在研制的大部分棉花打頂機均采用非接觸式[6-7]。

激光測距以其高方向性、高亮度、高單色性等眾多優點而成為應用最多的方法之一，但其易受煙霧、灰塵和雨滴等外界因素影響，激光測距不適合廣泛應用在田間農業機械上。在實際研究中應用最多的非接觸式測量方法是超聲波測距和紅外測距。

超聲波測距是一種非接觸式測量方法，是一種在空氣中測距常用的方式，具有性能可靠、結構簡單、頻率高、不受光線及被測對象顏色影響等特點，能量和方向都比較集中。研究表明利用非接觸式超聲波測量棉花植株高度，得出超聲波測距可為棉花打頂自動化控制提供技術支持；紅外測距是以紅外線為介質，利用三角測量原理的測量方法。紅外測距傳感器具有體積小、功耗低、速度快和抗干擾等特點，相比超聲波傳感器，它能提供更快的響應時間，可被研究用作棉花打頂機高度識別裝置中。依據低成本、高精度和適應性強的原則，本研究選擇紅外和超聲波測距傳感器來測量棉株頂尖高度，具有精確測量棉株頂尖的功能，提高了機械化打頂的精準性[8-9]。激光傳感器可以有效識別棉頂高度，進而控制執行部件起伏切割打頂，有學者研究通過電液控制閥或電機驅動打頂機進行高度調節[10-12]。

根據超聲波與紅外測距原理應用相對應的傳感器，設計了一種新型的棉花打頂機，超聲波傳感器與紅外傳感器相對互補，對模擬信號的響應由中央處理器進行分辨，可提高棉花頂部空間坐標的識別準確性，該新型棉花打頂機具有識別準確性高、切削頂部精準及對棉花植株傷害較小的特點。

3 多模擺幅型牽引式棉花打頂機

3.1 設計思路

針對棉花植株頂部分散混亂、打頂精確性要求高的特點，使用基于單片機的智能控制單元對其進行集中控制[13-15]，提前將棉頂多方位圖像錄入STM32H743VI的處理器，打頂機工作時，前端的超聲波測距傳感器與紅外傳感器識別棉頂，按順序將棉頂數據上傳至中央處理器，中央處理器確定棉頂空間坐標并傳遞步進數據，將數據信號分配至各個擺幅電機和伸縮電機驅動板，各個擺幅電機和伸縮電機提前調整電機切削位置以完成打頂作業。

3.2 整體結構及關鍵部件設計

如圖1，拖拉機后牽引裝置三點懸掛打頂機，打頂機后行走輪作為支撐穩定系統，不作為驅動使用，后行走輪裝有避震懸掛系統，避震器和拉桿使打頂機運行過程中不因高矮地隙的顛簸產生較大誤差，打頂刀總成安裝在機架的橫梁上，安裝數目和安裝間距由棉田平均棉株高度和株距或其他因素決定。機架尾部連接有電池倉，整機的重量分布于打頂機的后側，電池倉和機架尾部共同支撐行走輪拉桿和避震裝置總成，行走輪延伸出的三根拉桿呈三角形分布，懸掛拉桿承受拉力，四根避震裝置承受彎曲應力，所以避震裝置的設計要符合整車質量的載荷，提供電力的電池被安放在電池倉中。

如圖2，上端擺幅步進電機通過上端擺幅步進電機連軸器與換向器相連接，換向器下端輸出軸連接有主動錐齒輪，刀筒通過從動錐齒輪與外殼相連接，打頂刀筒可相對于外殼做擺幅運動，下端升降步進電機與螺紋絲桿通過升降端連軸器連接，工作時升降步進電機轉動使刀頭向下移動，實現不同高度的棉株打頂。主動錐齒輪與從動錐齒輪相接觸，當上端擺幅步進電機收到擺幅信號時，主動錐齒輪牽引從動錐齒輪相對于刀筒左右擺動，實現不同方位的棉株定位，末端刀片通過銷與刀頭電機相連接，刀頭電機旋轉帶動刀片旋轉實現棉頂的切削，防護裝置圍繞在刀片的周圍，防止刀片卡住，步進電機支撐座和上端擺幅步進電機相連接，打頂刀緊固裝置與外殼相連接，達到固定于機架的目的。

3.3 工作原理及參數

當高度識別裝置和圖像識別裝置識別到棉株高度和頂尖位置時，由中央處理器接收該系列模塊的信號，轉換后輸入至各擺幅步進電機和升降步進電機，其中擺幅步進電機由支撐座通過螺栓連接至機架，用于穩定精確地提供動力，而升降步進電機內置于打頂刀筒中，通過連接螺桿來控制打頂刀的升降。擺幅步進電機連接換向器，換向器連接錐齒輪，一對錐齒輪相互嚙合，通過打頂刀外殼的轉動控制刀筒在打頂刀外殼的擺幅，步進電機驅動錐齒輪能夠最大限度地精確其步進數據，使其精準的切掉棉花頂尖。多個該系統的打頂刀總成裝置同步運動，往復切割，田地中的棉株能夠被依次有序地切除棉花頂尖，打頂刀頭安裝的刀頭電機不局限于兩個步進電機，可以穩定輸出，帶動頂部打頂刀旋轉以切除棉花頂部，單膜擺幅型牽引式棉花打頂機參數如下：

3.4 光電控制擺幅機構設計

通過光電智能控制系統進行棉花打頂機的單體仿形是常見的設計方法[16-18]，通過前端的傳感器輸出信號，將實時機器的移速增加到傳感器的響應時間中，或通過智能算法精確預測前方切割棉花頂部信號傳遞給后方的時間，更精確地切割不同地形棉花頂部[19-22]。設計的光電控制擺幅機構是將棉花種植的行數所對應的打頂頭安裝在相同行距的機架主梁上，從高到低依次排列以適應不同高度的棉花植株，其中每個單體打頂機都可以左右擺動，階梯式分布和左右擺幅的打頂刀構成一個斜向下的作業平面，任何處于該作業平面的棉花植株都可被打頂刀切削。

4 后續研究思路

（1）研究地面仿形與植株仿形棉花打頂機。新型棉花打頂機不僅能夠實現對不同棉田地形的仿形，還能夠對棉花株型進行仿形，這樣可大大提高棉花打頂的準確率，降低對棉株的傷害。

（2）研究自走式棉花打頂機。新型自走式棉花打頂機具有自走、高地隙底盤和輪距可調等特點，避免了牽引式機械自身對地塊的碾壓，可適應不同種植模式下的棉花打頂要求，從而降低打頂機對棉株的損傷。但自走式機械成本高、控制難度大等問題有待考量。

（3）研究具有消毒裝置和棉芽回收裝置的打頂機。具有消毒裝置的新型打頂機可以降低棉花病毒的傳播，棉芽回收裝置可以有效避免棉花病蟲害的傳播。

（4）應用目前較先進的激光多目點云成像技術，將工業多目相機應用在棉花打頂機的前部，提前識別并構建目標路徑上的棉花頂部三維圖像，使用深度學習算法的控制器進行識別，使用深度學習算法提前訓練識別棉頂，可以有效提高棉花頂部的識別準確性。由點云重構技術導入至高性能處理器中進行圖像識別運算可有效提高棉頂識別準確性，激光多目相機常被應用于智能化水果采摘機器人，具有較高識別準確度。需要注意的是，棉花打頂作業一般處于夏季陽光較強時間，使用三維點云重構相機需注意避光，采用可在強光條件下作業的工業相機可提高模型重建能力。