多模摆幅型牵引式棉花打顶机的设计

王维鹏

（新疆新研牧神科技有限公司，新疆 乌鲁木齐 830026）

1 棉花打顶的意义

1.1 棉花打顶的分类及优缺点

棉花打顶是在棉花生产过程中摘除棉花顶心，促进棉株结铃、结桃，增加棉花产量的关键环节之一[1]。及时打顶可抑制棉株向上生长，调节养分集中供应棉铃，有利于伏前桃、伏桃的充分发育成熟及纤维品质提高。目前棉花打顶技术主要包括人工打顶、机械打顶与化学打顶3种，化学打顶作业效率高、适应性较强，但化学试剂对棉花品质及作物生长等方面会造成一定影响且会污染土壤和水源；机械打顶作业效率高，采用专用设备，维护成本低，但前期投资购置成本较高，因此应合理选择打顶方式，根据棉花种植的规模及不同打顶方式对棉花产量和品质方面的影响进行综合考虑[2-3]。

1.2 合理选择打顶机械的意义

棉花打顶机械的选用需要与生产规模相适应。经济效益是棉花生产的最终考核指标，而棉花打顶作为棉花生产的重要环节之一，是影响棉花生产效益的重要因素。应根据生产规模合理选择打顶机械，提高打顶效率，降低打顶环节的生产成本，进而提高棉花生产收益[4]。

1.3 棉花打顶的评价方式

目前棉花打顶机械的作业质量暂无统一的评价标准，各种打顶方式的质量评价标准仍在研究中。机械打顶多沿用人工打顶的评价方式，主要考虑的是打顶的长度，评价核心是漏打率和过打率；化学打顶则考虑打顶后棉株生长高度、棉铃数和单铃重等[5]。

2 新型棉花打顶机原理介绍

目前，在棉花打顶机上用于测量棉株顶尖高度的主要方式有接触式和非接触式两种。接触式测量棉株顶尖高度的关键部件是仿形板，但由于仿形板在测量时会受较大机械振动扰动且会对棉花植株造成一定的损害，将会增加棉花收获时的损失率，因此现在研制的大部分棉花打顶机均采用非接触式[6-7]。

激光测距以其高方向性、高亮度、高单色性等众多优点而成为应用最多的方法之一，但其易受烟雾、灰尘和雨滴等外界因素影响，激光测距不适合广泛应用在田间农业机械上。在实际研究中应用最多的非接触式测量方法是超声波测距和红外测距。

超声波测距是一种非接触式测量方法，是一种在空气中测距常用的方式，具有性能可靠、结构简单、频率高、不受光线及被测对象颜色影响等特点，能量和方向都比较集中。研究表明利用非接触式超声波测量棉花植株高度，得出超声波测距可为棉花打顶自动化控制提供技术支持；红外测距是以红外线为介质，利用三角测量原理的测量方法。红外测距传感器具有体积小、功耗低、速度快和抗干扰等特点，相比超声波传感器，它能提供更快的响应时间，可被研究用作棉花打顶机高度识别装置中。依据低成本、高精度和适应性强的原则，本研究选择红外和超声波测距传感器来测量棉株顶尖高度，具有精确测量棉株顶尖的功能，提高了机械化打顶的精准性[8-9]。激光传感器可以有效识别棉顶高度，进而控制执行部件起伏切割打顶，有学者研究通过电液控制阀或电机驱动打顶机进行高度调节[10-12]。

根据超声波与红外测距原理应用相对应的传感器，设计了一种新型的棉花打顶机，超声波传感器与红外传感器相对互补，对模拟信号的响应由中央处理器进行分辨，可提高棉花顶部空间坐标的识别准确性，该新型棉花打顶机具有识别准确性高、切削顶部精准及对棉花植株伤害较小的特点。

3 多模摆幅型牵引式棉花打顶机

3.1 设计思路

针对棉花植株顶部分散混乱、打顶精确性要求高的特点，使用基于单片机的智能控制单元对其进行集中控制[13-15]，提前将棉顶多方位图像录入STM32H743VI的处理器，打顶机工作时，前端的超声波测距传感器与红外传感器识别棉顶，按顺序将棉顶数据上传至中央处理器，中央处理器确定棉顶空间坐标并传递步进数据，将数据信号分配至各个摆幅电机和伸缩电机驱动板，各个摆幅电机和伸缩电机提前调整电机切削位置以完成打顶作业。

3.2 整体结构及关键部件设计

如图1，拖拉机后牵引装置三点悬挂打顶机，打顶机后行走轮作为支撑稳定系统，不作为驱动使用，后行走轮装有避震悬挂系统，避震器和拉杆使打顶机运行过程中不因高矮地隙的颠簸产生较大误差，打顶刀总成安装在机架的横梁上，安装数目和安装间距由棉田平均棉株高度和株距或其他因素决定。机架尾部连接有电池仓，整机的重量分布于打顶机的后侧，电池仓和机架尾部共同支撑行走轮拉杆和避震装置总成，行走轮延伸出的三根拉杆呈三角形分布，悬挂拉杆承受拉力，四根避震装置承受弯曲应力，所以避震装置的设计要符合整车质量的载荷，提供电力的电池被安放在电池仓中。

如图2，上端摆幅步进电机通过上端摆幅步进电机连轴器与换向器相连接，换向器下端输出轴连接有主动锥齿轮，刀筒通过从动锥齿轮与外壳相连接，打顶刀筒可相对于外壳做摆幅运动，下端升降步进电机与螺纹丝杆通过升降端连轴器连接，工作时升降步进电机转动使刀头向下移动，实现不同高度的棉株打顶。主动锥齿轮与从动锥齿轮相接触，当上端摆幅步进电机收到摆幅信号时，主动锥齿轮牵引从动锥齿轮相对于刀筒左右摆动，实现不同方位的棉株定位，末端刀片通过销与刀头电机相连接，刀头电机旋转带动刀片旋转实现棉顶的切削，防护装置围绕在刀片的周围，防止刀片卡住，步进电机支撑座和上端摆幅步进电机相连接，打顶刀紧固装置与外壳相连接，达到固定于机架的目的。

3.3 工作原理及参数

当高度识别装置和图像识别装置识别到棉株高度和顶尖位置时，由中央处理器接收该系列模块的信号，转换后输入至各摆幅步进电机和升降步进电机，其中摆幅步进电机由支撑座通过螺栓连接至机架，用于稳定精确地提供动力，而升降步进电机内置于打顶刀筒中，通过连接螺杆来控制打顶刀的升降。摆幅步进电机连接换向器，换向器连接锥齿轮，一对锥齿轮相互啮合，通过打顶刀外壳的转动控制刀筒在打顶刀外壳的摆幅，步进电机驱动锥齿轮能够最大限度地精确其步进数据，使其精准的切掉棉花顶尖。多个该系统的打顶刀总成装置同步运动，往复切割，田地中的棉株能够被依次有序地切除棉花顶尖，打顶刀头安装的刀头电机不局限于两个步进电机，可以稳定输出，带动顶部打顶刀旋转以切除棉花顶部，单膜摆幅型牵引式棉花打顶机参数如下：

3.4 光电控制摆幅机构设计

通过光电智能控制系统进行棉花打顶机的单体仿形是常见的设计方法[16-18]，通过前端的传感器输出信号，将实时机器的移速增加到传感器的响应时间中，或通过智能算法精确预测前方切割棉花顶部信号传递给后方的时间，更精确地切割不同地形棉花顶部[19-22]。设计的光电控制摆幅机构是将棉花种植的行数所对应的打顶头安装在相同行距的机架主梁上，从高到低依次排列以适应不同高度的棉花植株，其中每个单体打顶机都可以左右摆动，阶梯式分布和左右摆幅的打顶刀构成一个斜向下的作业平面，任何处于该作业平面的棉花植株都可被打顶刀切削。

4 后续研究思路

（1）研究地面仿形与植株仿形棉花打顶机。新型棉花打顶机不仅能够实现对不同棉田地形的仿形，还能够对棉花株型进行仿形，这样可大大提高棉花打顶的准确率，降低对棉株的伤害。

（2）研究自走式棉花打顶机。新型自走式棉花打顶机具有自走、高地隙底盘和轮距可调等特点，避免了牵引式机械自身对地块的碾压，可适应不同种植模式下的棉花打顶要求，从而降低打顶机对棉株的损伤。但自走式机械成本高、控制难度大等问题有待考量。

（3）研究具有消毒装置和棉芽回收装置的打顶机。具有消毒装置的新型打顶机可以降低棉花病毒的传播，棉芽回收装置可以有效避免棉花病虫害的传播。

（4）应用目前较先进的激光多目点云成像技术，将工业多目相机应用在棉花打顶机的前部，提前识别并构建目标路径上的棉花顶部三维图像，使用深度学习算法的控制器进行识别，使用深度学习算法提前训练识别棉顶，可以有效提高棉花顶部的识别准确性。由点云重构技术导入至高性能处理器中进行图像识别运算可有效提高棉顶识别准确性，激光多目相机常被应用于智能化水果采摘机器人，具有较高识别准确度。需要注意的是，棉花打顶作业一般处于夏季阳光较强时间，使用三维点云重构相机需注意避光，采用可在强光条件下作业的工业相机可提高模型重建能力。