自走式果園植保機關鍵技術分析及結構設計

摘 要：隨著智能化與自動化技術在現代農業生產中的廣泛應用，智能識別植保機在復雜農業生產環境中的重要性日益凸顯。現有植保機器人雖能在地形復雜的小型果園中作業，但其功能與效率仍有待提升。設計一款適用于壟行式葡萄園的自走式果園植保機，可以提高植保作業的效率和精準度，同時降低果農的勞動強度和成本。對現有植保機進行技術分析，并結合膠東地區葡萄園的具體需求，研究提出了涵蓋農作物狀態及環境感知、攝像機與傳感器規劃決策、模糊控制實現機器運動平滑性、多方面共同控制實現噴灑作業、系統云平臺架構管控機器人自主作業等5個關鍵領域的技術分析與結構設計。

關鍵詞：自走式果園植保機；自動化；小型果園

中圖分類號：S224.3 文獻標志碼：A 文章編號：1674-7909（2025）6-154-4

DOI：10.19345/j.cnki.1674-7909.2025.06.030

0 引言

智能化、自動化是現代農業發展的總體方向。在復雜的農業生產環境中，智能識別植保機備受青睞。

意大利、法國等葡萄種植大國利用激光雷達、機械視覺、實時動態載波相位差分全球定位系統及慣性測量裝置感知植保機周圍的環境信息，通過改進的卡爾曼濾波算法融合多種傳感器信息，使植保機完成對葡萄園周圍環境的感知、決策和執行三方面的任務，為解決葡萄植株病蟲害的問題提供了支持。目前，國內應用于壟行式果園植保機的相對成熟的識別算法是Hough變換法，其可以通過任意形狀信息來找出它們在圖像中的位置和方向。這種方式具有較高的實時性及精確度，但存在數據處理時間較長、在環境復雜的情況下路徑導航失敗等缺點，從而增加了果農的勞作成本，難以得到有效推廣。通用的植保機多采用視覺網絡反饋技術，對設備性能要求較高，采集數據時易受果園中復雜環境（光照、雜草等）的影響，存在時滯性等問題。另外，圖像處理對復雜環境中光的變化比較敏感，存在不適合全天工作的缺點［1］?；诖?，研究設計了一款適用于壟行式葡萄園的自走式植保機，可實現基于特征匹配的精準識別等功能，以滿足果農高效噴灑農藥的需求。

1 關鍵技術分析

1.1 農作物狀態及環境感知

壟行式葡萄植株的葉片表面可以體現出植株的蟲害程度、生長情況等完整的環境信息。研究采用雙目攝像機分割葉片表面并進行特征點提取與匹配，構建點云數據交匯線包絡擬合模型。

使用雙目攝像機對葡萄植株的葉片表面信息進行提取，具體效果如圖1。該模型通過對雙目攝像機捕獲的連續的、系列化的包絡線進行融合，便可以實現更加真實的三維視覺效果，從而避免點云數據集中于單面造成的數據重合現象，并能多層、完整、全面地反映壟行信息，最終實現自動化植保效果。

1.2 攝像機與傳感器規劃決策

利用雙目攝像機與各種傳感器感知周圍環境、獲取壟行中心線的同時，對采集的信息進行分析，然后保存提取的環境信息［2］，隨時進行合理的運動規劃，并與前一時刻的環境特征進行比較，再通過預秒追蹤獲得下一步動作的期望值。

完成合理的運動規劃，首先要獲取當前植保機的運動狀態及所處位置，將SLAM理論進行改進并運用到壟行式植保機的定位與導航中。采用最小二乘法來簡化植保機與以壟行、籬架架面為種植特點的葡萄園進行信息交互的空間地圖，進而建立計算量小、效率高、滿足精度要求的空間地圖模型。

確定植保機與葡萄園壟行中心線之間的位姿關系后，根據建立的空間地圖模型規劃植保機的目標路徑。然后根據已生成的理想目標路徑確定植保機與該路徑的偏距、偏角，建立路徑追蹤控制模型，以此得到葡萄園植保機下一步的運動期望值［3］。使用Dijkstra算法完成路徑規劃和軌跡規劃。

1.3 模糊控制實現機器運動平滑性

基于Dijkstra算法的理論分析，計算植保機下一步動作的期望值。通過傳感器輔助，將期望值傳遞給運動控制器，控制電機完成預定動作。運動控制系統作為植保機執行各種動作的基礎，采用模糊控制方法，實現電機轉速、車體角度、車體角速度及車體轉速的精準控制等功能。

轉速控制作為運動控制系統的核心組成部分，其精準度對整個系統的性能表現起著決定性作用。調速過程采用脈寬調制（PWM）技術，通過高頻開關器件的快速切換，將恒定的直流電壓轉換為大小和極性均可變的脈沖電壓，實現對電機轉速的精確調控。轉速調節器采用PID控制，對負載起到抗干擾的作用。測速元件選用位移傳感器，實時監測電機的轉速，組成閉環速度控制系統［4］。

1.4 多方面共同控制實現噴灑作業

從感知、決策、執行3個方面完成移動平臺的自走式運動后，針對壟行葡萄園復雜的噴灑環境，設計智能變量噴灑分散控制系統。該系統通過各類傳感器采集的車速、振動頻率等信息，自動調節電動調節閥來控制噴灑速度和流速，提高農藥的利用率。

1.5 系統云平臺架構管控機器人自主作業

在實現植保機自主作業的同時，為滿足高效、精準作業，該產品以智能車載終端為基礎建立植保作業物聯網，構建模塊化智能集成系統云服務平臺。通過局域網可實現遠程監控及復雜情況下的控制，真正實現基于物聯網架構的智慧農業管控一體化。

果園植保機管控一體化系統主要包括監測層、控制層和執行層三部分。該系統集成了高精度定位系統技術（Real-Time Kinematic，RTK），可實現自動規劃作業并生成自動作業順序，支持輔助和控制駕駛雙策略，以及面積自動測量和記錄。該系統還深度融合通信、計算與控制功能，利用STM32單片機實現控制層功能，具有藍牙、語音控制和紅外等模塊，可實現植保機環境狀態監測、監控指導、反饋運動調節、作業效果評估，促進植保管控一體化，推進智慧農業的信息化發展。

2 整機結構及工作原理

2.1 整機結構

該自走式植保機主要用于葡萄種植旋耕、噴藥除草作業環節，整機結構如圖2所示。整機主要由行走部分、旋耕部分、噴藥系統、動力與控制部分、噴霧部分、檢測與輔助部分組成。行走部分主要由車體搭載2個電機和履帶鏈；為了實現一機多用，植保機增加了可拆卸的旋耕部分；噴藥系統由電機、液壓泵和藥箱等主要部件構成；動力與控制部分由多個電機為不同部位提供動力，通過齒輪齒條、蝸輪蝸桿等傳遞動力，操作箱用于控制整個機械的運行；噴霧部分主要由電機、鏈條、蝸輪蝸桿及噴霧桿組成。

2.2 工作原理

該植保機還可以用于耕地，在植保機的后端安裝旋耕刀，旋耕部分可以實現快速拆卸。噴藥系統采用200 L容量藥箱，液壓泵將藥液通過管道輸送到噴霧桿。根據植株的不同高度和寬度，噴霧結構采用升降架、鋼纜和齒輪齒條等結構，使噴霧桿結構可以上下和左右移動，提高農藥噴灑效果。

2.3 技術參數

整機技術參數見表1。

3 履帶結構設計

3.1 履帶底盤結構

履帶底盤作為移動機器人的重要組成部分，其結構對于機器人的機動性和適應性具有決定性影響。該底盤主要由蓄電池、車體框架、電機及其支架、履帶、支撐軸和傳動帶等關鍵部件構成。履帶底盤的結構布局如圖3所示。各部件之間的合理配置和緊密配合，能夠滿足多種復雜環境下的作業需求。

采用兩側獨立電機驅動及差速轉向技術，提高了狹小空間內的機動性，增強了復雜環境中的作業靈活性。綜合考量葡萄種植的行距、整機布局、作業需求及人機工程學等關鍵因素，對植保機的結構和功能進行優化設計。履帶底盤的外形尺寸（長×寬×高）確定為1 500 mm×800 mm×366 mm。

3.2 行走系統計算與分析

自走式果園植保機主要應用在規?；?、矮化密植果園，果園地面雖然復雜，但無較大坡度。履帶式底盤在行進時的阻力主要來源于直線行駛和轉向。由于轉向阻力較大，植保機在轉向時消耗的功率較多［5］。在電機選擇時，主要依據底盤轉向時所需的驅動力與功率。履帶受力分析示意圖如圖4所示。

履帶轉向阻力矩相關計算公式見式（1）、式（2）。

[M1=μGL81+2CB1-2eL22M2=μGL81-2CB1-2eL22] （1）

[Mμ=M1+M2=μGL41-2eL22] （2）

式中：Mμ為履帶底盤轉向阻力矩，N·m；M1為左側履帶轉向阻力矩，N·m；M2為右側履帶轉向阻力矩，N·m；B為履帶中心距，m；C為橫向偏心距，m；e為縱向偏心距，m；L為履帶接地長度，m；G為履帶質心位置總重力，N；μ為轉向阻力系數。

履帶轉向驅動力計算公式見式（3）至式（5）。

[F1=fG21+2CB+μGL4B1-2eL22F2=fG21-2CB-μGL4B1-2eL22] （3）

[Mmax=（F1max+F2max）r] （4）

[Wmax=（F1max+F2max）v] （5）

式中：f為滾動阻力系數，f=0.11；F1為左側履帶轉向驅動力，N；F2為右側履帶轉向驅動力，N；Mmax為履帶驅動輪最大驅動力矩，N·m；Wmax為履帶驅動輪最大驅動功率，kW；r為履帶輪節圓半徑，m；[v]為履帶輪線速度，m/s。

在自走式果園植保機設計中，綜合考量多項關鍵參數，以確保其在復雜果園環境中的穩定性和作業效率?；谡麢C參數，通過相關公式計算自走式果園植保機在轉向時所需的最大扭矩為219 N·m，最大功率為2.62 kW。

4 結束語

針對現有果園植保機圖像數據處理時間長、數據采集時段受限的問題，研究從農作物狀態及環境感知、攝像機與傳感器規劃決策、模糊控制實現機器運動平滑性、多方面共同控制實現噴灑作業、系統云平臺架構管控機器人自主作業等5個方面對植保機進行技術分析。根據膠東地區葡萄園的情況，設計了一款自走式自動升降和伸展噴霧桿的植保機。該果園植保機具有噴灑高效、施藥精準、勞動強度低、安全性高等特點。整機可完成1～4 m寬度及0.4～1.5 m高度的噴灑工作，適合大多數矮化果園的作業需求。

參考文獻：

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［4］杜永程.基于VSLAM的移動機器人控制系統研究［D］.濟南：濟南大學，2020.

［5］梁俊鵬，王賢斐，李景彬，等.自走式果園噴霧機設計與試驗［J］.農機化研究，2024，46（8）：85-93，150.

Key Technologies Analysis and Structural Design of Self-Propelled Orchard Plant Protection Machine

LIU Yanping1 ZHAO Liuyang1 LIN Fangjun2 SUN Yusheng1 WANG Muzheng1 ZHOU Yanan1

1. Yantai Institute of Science and Technology， Yantai 265600， China;

2. Shandong Pengxiang Automobile Co.，Ltd.，Yantai 265600， China

Abstract： With the wide application of agricultural intelligence and automation technology in modern agricultural production， the importance of intelligent operation of plant protection machines in complex agricultural production environments has become increasingly prominent. Although the existing plant protection robots can work in small orchards with complex terrain， their functions and efficiency still need to be improved. This study designs a self-propelled orchard plant protection machine suitable for ridge-type vineyards， which can improve the efficiency and accuracy of plant protection operations， while reducing the labor intensity and cost for fruit farmers. Based on an in-depth analysis of the existing plant protection machine technology， combined with the specific needs of vineyards in the Jiaodong area， the technical analysis and structural design of five key aspects were proposed， including crop status and environmental perception， camera and sensor planning and decision-making， fuzzy control for achieve machine motion smoothness， multi-faceted joint control to achieve spraying operations， and system cloud platform architecture to control robot autonomous operations.

Key words： self-propelled orchard plant protection machine; automation; small orchards

（欄目編輯：董清芝）