踩踏式除草机器人结构优化与除草性能评价

发布时间：2020-07-18 14:36

【摘要】：除草是水稻生产中一个必不可少的作业环节。针对我国农业人口老龄化、农村空心化的现状,机器人除草方法相对于化学除草方法更利于农业的可持续发展,是未来除草技术发展的趋势。踩踏式除草利用机器人在行间往复运动对杂草进行踩踏、切割、掩埋,同时机器人行走时产生的浑浊泥,抑制水中杂草的光合作用,且沉积后覆盖株间的杂草上,破坏杂草的生长环境,达到消除行间和株间杂草的目的。机器人的参数对除草效果有很大的影响,优化踩踏式除草机器人结构,评价其除草效果可以为机器人的设计提供依据,有着重要的应用意义。本文在分析国内外除草机器人研究现状的基础上,首先针对第一代踩踏式除草机器人存在的问题,对结构进行优化设计;然后建立了除草过程的有限元模型,包括机器人的有限元模型,水田土壤的有限元模型;研究了踩踏过程中土壤-水之间的动态行为,流固耦合特性;分析了水田除草性能的评价方法,仿真分析了机器人移动速度,前倾角,水层深度对除草性能的影响;在以上研究的基础上,并通过实验证明了分析结果的正确性。研究结果表明:增大接地面积,减轻重量和降低重心能够解决水田机器人打滑,沉陷和侧翻问题;机器人运动速度和水层厚度与除草效果呈正相关,运动速度和水层厚度增大,除草效果更好,前倾角与除草效果呈负相关,前倾角减小,除草效果更好。本研究对水田机器人的设计提供有效的依据。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：S224.1;TP242
【图文】：

变化图,乡村人口,变化图,水田

中央高度关注我国的粮食安全，指出粮食安全的极端重要性[6]。粮食生产是解决“问题”的助推剂[7]，为提高粮食生产能力必须开展相关科学研究和技术推广。杂草对水稻生产的危害巨大，是导致水稻减产的主要因素。就水稻而言，我国每杂草影响而造成的损失约为水稻总产量的 15%，损失产量超过 200 亿斤[8]。水田杂伴随水稻而生的并影响水稻生长的植物[9]。我国水田杂草种类繁多，其数量超过五[10]；禾本科最多，占 29%；莎草科次之，占 24%[11]。水田除草作业在水稻生产中占据重要地位。在 20 世纪 50 年代之前，水田除草基只能靠人工除草[12]，农民也会制作一些简易的除草辅助工具，从而提高除草效率。除草的成本主要来自于人力成本，从结果来看，人工除草能够准确地除去水田里的。人工除草最大的缺点在于工作效率低[13]，即便是一个精壮劳动力，进行一天的除作，除草面积也十分有限。随着我国城镇化的推进，大量青壮年劳动力已经或正在农村，国家统计局数据显示：自 1996 年以来，我国人口持续增长，但乡村人口持少，如图 1-1 所示[14]。

变化图,抚养比,变化图,老龄化问题

华南理工大学硕士学位论文自 1990 年有完整统计数据以来，我国人口老龄化趋势已经非常明显[15-17]，如图 1-2示。随着年轻人口不断向城市转移，人口老龄化在农村更为严重。由于农村人口减少老龄化问题，人工除草方法过于依赖劳动力数量的特点致使其已经不能满足现代农业草的要求。

生物型,化学除草剂,慢性伤害,农药中毒

图 1-3 抗药性杂草生物型数量增长图用化学除草剂会对人体造成一定程度的伤害，我国每年由化学除万例。针对农药中毒状况的研究表明：除草剂是仅次于杀虫剂的毒农药[26]，病死率约为 16%。此外，化学除草剂中的有毒物质将，对人的消化系统、免疫系统、神经系统造成长期慢性伤害[27]。致畜禽中毒的主要原因[28]，中毒后致死率接近 40%。

【参考文献】