小型无人插秧机关键部件动力学分析与实验研究-硕士论文

浙江理工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，是本人在导师 的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注明和引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰 写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者繇鞠赭 日期：2 0 1 2 年0 6 月1 1 日 浙江理工大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权浙江理工 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 学位论文作者签名： 日期：2 0 1 2 年0 6 月 保密口，在 不保密团 。 鹏啦 年解密后使用本版权书。 指导教师签名： 日期：2 0 1 2 年0 6 月1 1 日 浙江理工大学硕士学位论文 摘要 日本在8 0 年代就发明了乘坐式无人驾驶插秧机，中国在本世纪跟进该项技术，同样 把研究重点放在乘坐式无人驾驶插秧机上，但是由于乘坐式插秧机无人驾驶市场需求不大 且所采用的控制系统，其中包括G P S 技术，成本过高，一直未能进入市场。本论文把无人 驾驶插秧机开发重点放在步行插秧机上，采用遥控技术，其研制装备成本仅需3 0 0 0 元， 且解除了春天农民田间作业的劳苦，其市场前景良好。本论文针对步行无人驾驶插秧机的 核心工作部件后插旋转式偏心非圆行星轮系分插机构进行理论分析和试验研究，以及针对 前期研究所遇到的地头1 8 0 。转向难题进行了田间试验和分析。论文的内容主要有以下几 点： 1 ) 国际上通用的步行机分插机构是曲柄摇杆式，后插旋转式偏心非圆齿轮行星轮系 分插机构是导师发明的新一代分插机构，已报国际发明专利，与四家企业合作开发。该分 插机构适合配置在小型无人驾驶插秧机上。论文建立了该分插机构的动力学模型；依据该 模型，采用阳与尬妇6 混编技术，编制了动力学分析软件，利用该软件对该分插机构进 行动力学分析，证明机构工作平稳，适合小型无人插秧机。 2 ) 基于、么D ，4 么S 环境建立了后插旋转式偏心非圆齿轮行星轮系分插机构的虚拟 样机，添加取秧力进行了动力学仿真和分析，并与理论计算结果比较，证明了理论模型的 正确性，进一步说明了该分插机构的工作平稳性。 3 ) 为进一步证明该该分插机构的工作平稳性，进行了后插旋转式分插机构与曲柄摇 杆式分插机构动在同种插秧机上的手柄处的振动测试，测试结果表明，同等转速条件下， 曲柄摇杆式的振幅是旋转式的2 倍。 4 ) 为解决小型无人插秧机无人助力转向的问题，进行了一系列田间实验，实验表明： a 、机器在水田土壤和旱田松软土壤直行工况下，驱动力随轮子驱动叶片面积的增大而 增大；水田土壤与旱田松软土壤工况比较，在增大同样的叶片面积情况下，其驱动力增大 的比值为2 7 5 倍，表明在水田作业工况下，叶片增大后驱动力增大的效果比旱田明显； b 、硬路直行工况下，驱动力与叶片面积呈非线性递增关系； c 、机器在水田土壤和旱田松软土壤转弯工况下，驱动力随轮子驱动叶片面积的增大而 增大，呈非线性递增关系；转弯工况与直行工况相比，在增大同样的叶片面积的情况下， 其驱动力变大；硬路转弯工况下，驱动力随叶片面积成几何增长，驱动叶轮叶片面积增大 至1 4 倍后，驱动力变化变得不明显。 浙江理工大学硕士学位论文 实验表明，驱动叶轮叶片面积的大小对驱动力有较大影响，水田工况与旱田松软土壤、 硬路工况相比，在增大相同叶片面积的情况下，水田工况下驱动力比其他工况下的驱动力 大，但驱动叶轮叶片几何尺寸的增大受到机器其他部件尺寸的限制。通过对实验所得图表 进行分析，综合考虑机器其他部件尺寸，最终选取1 5 倍面积的驱动叶片作为小型无人插 秧机的驱动叶片比较合适。 关键词：无人驾驶插秧机动力学分插机构偏心非圆齿轮船五D 与尬f 肠6 混编田 间测试 I I I 浙江理工大学硕士学位论文 D y n a m i c sA n a l y s i sa n dE x p e r i m e n t a lS t u d yo f t h eK e yC o m p o n e n t so fS m a U U n m a n n e dI U c e1 1 r a n s p l a n t e r A b s t r a c t J a p a ni n v e n t e dt h er i d 试gt y p eu I l m a n n e dr i c et r a I l s p l a I l t e ri I lm e 19 8 0 s C 1 1 i n af 0 1 l o w e du p t l l i st e c l l l l o l o g yi n 衄sc e n t u a n df o c u s e dt h er e s e a r c ho nt h er i d i n g 啪eu I n 锄e dr i c e 仃a n S p l a I l t e re i t h e r B u tt h j sk i n do f r i c et r a n S p l a n t e rw a S n ta b l et oe n t e r 也em 冰e tb e c a u s eo f t h em a r k e td e m a n do ft h er i d i n gt y p eu n m a n n e dr i c et r a n s p l a n t e rw a sn o tl a r g ea so t l l e r Sa n di t s c o r l 仃o ls y s t e mi n c l u d i I l gG P Sc o s tt o om u c h T h i sp 印e rf o c u s e d 也ed e V e l o p m e n to fu m n a n I l e d r i c e 仃a n s p l a I l t e ro nt h ew a l k i n gt y p er i c et r a n s p l a n t e r ，u s i n gr e m o t ec o l l 廿0 1 t e c l m 0 1 0 9 y ，i t s d e v e l o p m e n ta n de q u i p m e n tc o s to n l y ￥3 ，0 0 0 ，a n dl i R i n gt h et o i lo f 向姐e r s f i e l dw o r k i nt 1 1 e s p 血g ，t h e9 0 0 dm 破e tp r o s p e c t s T h ep a p e rd i ds o m em e o r e t i c a la n a l y s i sa n de X p 池e n t a l r e s e a r c ho nm eb a c k w a r dr o t a r ys 印a r a t i n g - p 1 锄t i n gm e c h a J l i s mw i t l le c c e n t r i cg e a r sa I l d n o n c i r c u l a rg e a r sw h i c hw a st h ec o r ep a r to fm er i d i I l gt y p e 啪a 1 1 n e dr i c et r a n S p l a n t e r A tm e s a m et i m e ，t 1 1 ep 印e ra l s od i ds o m ef i e l dt e s ta n da n a l y s i st ot h e18 0 。s t e e r i n gp r o b l e mo nt h e e d g eo ft h e w h i c hm e t i np r e l i n l i n a r ys t u d y T b j sa n i c l er e a d sa sf o l l o w s ： 1 ) T h em e m a t i o n 址g e n e r a l t r a l l s p l a n t i n gm e c h a n i s mo nw a 瞄n gt ) ，p er i c e 仃a n s p l a n t e ri s c r a n k r o c k e rm e c h a I l i s m T h eb a c k w a r dr o t a r ys e p a r a t i n g p l a n t i n gm e c h a I l i s mw i m e c c e n t r i c g e a r sa n dn o n c i r c u l a rg e a r si sa n e wg e n e r a t i o no fs 印a r a t i n g - p l a n t i n gm e c h a n i s mw h i c hi s i n v e n t e db ym yt u t o r I th a da p p l i e df o ri n t 锄a t i o n a li n V e n t i o np a t e n ta n dd e V e l o p e dw i mf o u r e n t e 印r i s e s T h ep a p e rw a s f i tf o rt 1 1 es m a Uu 衄1 a n n e dr i c e 仃a n s p l a n t e r T h ep a p e re s t a b l i s h e dt h e d y n 锄i cm o d e lo ft h es e p a r a t i I l g - p l a n t i n gm e c h a n j s m A c c o r d i I l g t ot l l em o d e l ，o n es o f 时a r e w a sp r o 铲a 皿e dw i t hV B 6 Oa 1 1 dM a t l a b T h es o 脚a r ew a su s e dt om a k ed ) ，n 锄i ca n a l y s i so f t h es 印a r a t i n g p l a n t i I l gm e c h a n i s m ，w h i c ht h er e s u l t sp r o V e dm a ti tc o u l dw o r ks t e a d i l ya n d b e f i tf o rs m a l h m m 锄e dr i c e 仃a n s p l a n t e r 2 ) T h ev i r c u a lp r o t 0 勺y ，p eo f 也es 印a r a t i n g p l a n t i n gm e c h a n i s m w i t he c c e n t r i cg e a u r sa n d n o n c i r c u l a rg e a r sw a se s t a b l i s h e db a s e do nU G a n dA D A M S T h ef o r c et os e p a r a t i n gs e e d l i I l g s w a sa d d e dt ot h ev i n u a lp r o t o t y p ea n dt l l es i I l m l a t i o na n da 1 1 a l y s i sw a s c a r r i e do n C o m p a r e d 浙江理工大学硕士学位论文 w i t h 也er e s u l t sg o t 丘o m 血e o 巧c a l c u l a t i o n ，i tp r o V e dt l l a tt h ec o r r e c t l l e s so ft h et 1 1 e o 巧m o d e l ，a t t h es a m et i m e ，i tc o u l dp r o V em a tt l l es 印a r a t i n g - p l a n t i n gm e c h a n i s mc o u l dw o r ks t e a d i l y 3 ) I no r d e rt om r 山e rp r 0 V et h ep r o p e n y ，o n eV i b r a t i o nt e s tw a s c a r r i e do nt h eh a n d l eo ft h e r i c e 栅l s p l a n t e r b e 似e e nc r a I l l 【一r o c k e r 仃a n s p l a n t i n gm e c h a n i s m a n db a c k w a r dr o t a U t r a I l s p l a n t i l l gm e c h a n - i s mw i m e c c e n t r i cg e a r sa n dn o n c i r c u l a u rg e a r s ；t h et e s tr e s u l t ss h o w e dt h a t t h ev i b r a t i o nf o r c eo nt h eb a c k w a r dr o t a 巧t r a n s p l a n t i l l gm e c h a I l i s mc a I lb es m a l l e rt h a l lt h a to n t h ec r a n kr o c k e r 仃a 1 1 s p l a n t i n gm e c h a n i s ma tap r o p o n i o no f5 0 ，w h i c hi sm o r ef i tt l l ew o r k d e m a I l da n dc h a r a c t e ro fs m a Uu l u 】a a I l l l e dr i c e 仃a n s p l a n t e r 4 ) I no r d e rt os o l v et h et I l n l i n gp r o b l e mo f t h eu I l I I l a n n e dr i c e 仃a n s p l a n t e r ，as e r i e so ff i e l d t e S tw e r ec a m e do n 也et e s tr e s u l t ss h o w e dt 1 1 a t ： a M o v i n gs 仃a i g h ti nt l l ep a d d y f i e l da n d s o Rf i e l d ，嘶V i l l gf o r c ei I l c r e a s e sw i t ht h ea r e ao f t h e 洫p e l l e i ；C o m p a r i n gp a d d y f i e l dw i t hs o Rf i e l dc o n d i t i o n ，t h e 血V i l l gf o r c eo fm o V i n g s t r a i g h ti s2 7 5t h e sl a r g e ri nc o n d i 石o no f t l l es a m ea r e ao f t h ei l n p e l l e r T h i ss h o w s t 1 1 a tt h e e 骶c to fi n c r e a s i n g ( 1 r i v i n gf o r c ei np a d d yf i e l di sm o r eo b V i o u st h a nt h a ti ns o Rf i e l d b M o v i n gs 心a i g h ti nh a r dr o a d ，t h er e l a t i o nb e t w e e nd r i V i n gf o r c ea I l d 也ea r e ao fi m p e l l e r i sn o n l i I l e a r ： c T u m i n gi 1 1t h ep a d d yf i e l da n ds o Rf i e l d ，t h er e l a t i o nb e t w e e n 缸V i n gf o r c ea J l dt h e a r e a o fi m p e l l e ri sn o I l l i n e a r ；C o m p a r i n gt u m i n gc o n d i t i o nw i t l lm o V i n gs t r a i g h tc o n d i t i o n ，吐1 e d r i v i l l gf o r c eo ft u ：m i n gc o n d i t i o ni sm u c hl a 玛e ri nc o n d i t i o no f t 1 1 es 锄ea r e ao fm eh p e l l e r T u m i n go nh a r dr o a d ，也e “v i l l gf o r c ei n c r e a s e s w i t ht h ea r e ao ft h ei m p e l le r T h eg r o w t ho f d r i v i I l gf o r c ei sn o to b V i o u sw h e n t 1 1 ea r e ao f 血ei m p e U e rr e a c h e st o1 4t 血e s T h et e s ts h o w st h a t ，t h ea r e ao ft h ei I I l p e l l e ra a e c t st h ed r i V i n gf o r c eg r e a t l y ；C o m p a r i n gt h e p a d d y f i e l dc o n d i t i o nw i 也o t h e rc o n d i t i o n s ，t 1 1 e 血V i n gf o r c ei np a d d yf i e l di sm u c hl a 玛e rt h a I l o t l l e r sw i t l l 也es 锄ea r e ao fm ei m p e l l e r ，b u t 也eg r o w t ho f 也ei m p e l l e ri sl i m i t e db yo t h e rp a r t s g e o m e t 巧s i z eo ft h em a c h i n e 1 5t 洫e sa r e ao f t h ei l n p e l l e ri sf i tf o rs m a Uu m a I m e dr i c e 协a n s p l a n t e r 让o u g ht h ea n a l y s i so ft h ed a t ao f t h et e S ta n dt l l eg e o m e n ys 娩eo fo m e rp a I r t so ft h e m a c h i n e K e yW o r d s ：u 姗1 a n I l e dr i c et r a I l s p l a n t e r ，d ) ，n a n l i c s ，仃a I l s p l a n 血gm e c h a I l i s m ，e c c e 栅c n o n c n u l a rg e a r s ，n l i x e dp r o g r a n 吼i I l gw i t hV B 6 0a n dM a t l a b ，f i e l dt e s t V 浙江理工大学硕士学位论文 目录 摘要I A B S T R A C T 一 目录V I 第一章绪论1 1 1 课题研究的背景、目的和意义1 1 1 1 课题研究的背景1 1 1 2 课题研究的目的和意义1 1 2 国内外研究现状及趋势4 1 2 1 国外的研究现状4 1 2 2 国内的研究现状5 1 2 3 国内外现状小结6 1 3 本文的主要工作内容7 1 4 本章小结7 第二章后插式偏心一非圆齿轮行星轮系分插机构动力学模型的建立9 2 1 后插式偏心非圆齿轮行星轮系分插机构的工作原理9 2 2 后插式偏心非圆齿轮行星轮系分插机构动力学建模1 0 2 2 1 分插机构工作过程分析l O 2 2 2 推秧过程动力学模型的建立1 3 2 2 3 推秧装置碰撞过程动力学模型的建立1 6 2 2 4 分插机构传动部分动力学模型的建立1 7 2 3 本章小结2 2 第三章后插式偏心非圆齿轮行星轮分插机构动力学分析程序的编写及应用2 4 3 1 阳与尬f 肠6 混编介绍2 4 3 1 1 阳与施加6 简介2 4 3 1 2 阳与尬砌6 混编的方法2 5 3 1 3 基于么鲥v 锗技术的混编的实现2 6 V T 浙江理工大学硕士学位论文 3 2 基于阿与尬f 肠6 混编的动力学计算2 7 3 2 1 凸轮力矩的计算2 7 3 2 2 计算的程序框图2 8 3 2 3 软件的实现与功能2 8 3 3 软件的应用3 0 3 3 1 运动学分析31 3 3 2 动力学分析3 5 3 4 本章小结3 6 第四章基于么D 4 坛S 的后插式偏心非圆齿轮行星轮系分插机构仿真及分析3 7 4 1 虚拟样机的构建3 7 4 2 装配约束与力的添加3 8 4 3 仿真结果与分析3 9 4 4 仿真误差原因分析4 1 4 5 本章小结4 2 第五章小型无人插秧机试验及分析4 3 5 1 手柄振动试验及分析4 3 5 1 1 试验设备4 3 5 1 2 试验方法4 4 5 1 3 试验结果及分析4 5 5 2 田间各种工况的驱动力测试及分析4 5 5 2 1 田间测试的目的和意义一4 5 5 2 2 试验方案4 6 5 2 3 轮子受力分析4 6 5 2 4 扭矩测试原理4 7 5 2 5 实验仪器及设备4 8 5 3 田间测试的内容5 0 5 3 1 土壤测试5 0 5 3 2 不同条件下的扭矩测试5 1 5 4 测试难点及解决5 1 V I T 浙江理工大学硕士学位论文 5 4 1 应变片的粘贴5 1 5 4 2 标定坐标系的确立5 2 5 4 3 测试仪器的设置及校零5 2 5 5 标定坐标系5 2 5 6 测试数据结果及分析5 4 5 6 1 泥脚深度测试5 4 5 6 2 土壤硬度测试5 5 5 6 3 部分测试数据及可靠性分析5 7 5 7 不同工况下的田间测试结果分析5 9 5 7 1 直行工况6 0 5 7 2 转弯工况6 1 5 7 3 爬坡工况6 2 5 8 试验结论6 3 5 9 本章小结6 3 第六章总结与展望6 5 6 1 总结6 5 6 2 展望6 5 参考文献6 7 攻读硕士期间获得研究成果7 0 V I I I 浙江理工大学硕士学位论文 1 1 课题研究的背景、目的和意义 1 1 1 课题研究的背景 第一章绪论 水稻作为人类的主要粮食作物养育着世界近1 2 的人口，在人类的生存和发展中占有 举足轻重的地位n 1 。然而，“米荒”正在危急全球粮食供应，直接导致粮食价格上涨。亚洲 和部分非洲国家主食大米的国际价格一年内急速上涨了6 0 以上1 。主要大米生产国实施 的限制出口措施导致大米供应不足，再加上企图哄抬米价的投机资金的涌入，米价的上升 压力进一步增大。这使得继续增加水稻种植面积，增加水稻产量，提高粮食安全阈值上限， 平抑物价成为一件比较紧迫的事。 据统计，全球稻谷收获面积约1 4 5 亿2 ，约1 2 2 个国家和地区种植水稻，9 0 的种 植面积和产量集中在亚洲阳3 。我国是世界上最大的稻米生产国和消费国，水稻种植面积约 为0 3 亿1 1 I n 2 ，约占世界水稻种植总面积的2 0 ，总产量居世界第一。作为基本的粮食作物 和稳定农业基础与农民收入的基本手段，水稻种植面积将会进一步趋于稳定并会有所增加。 众所周知，我国的农业现代化的程度还远没有达到发达国家的水平，对于大多数的农 村种地的劳动人民来说，他们依然是“面朝黄土背朝天”地辛苦地在田间劳作，劳动强度 之大，劳动时间之长远没有跟上时代发展的步伐1 。对于惜时如金的现代社会来说，这也 是不合时代要求的。 农业机械是发展现代农业的重要物质基础，农业机械化是农业现代化的重要标志旧1 。 进入2 1 世纪，“弯腰弓背手插秧”的生产方式已经不适合时代发展的要求。水稻生产机械 化是历史发展的必然，也必将在现代农业中占据重要地位。水稻插秧机作为水稻生产机械 化重要组成部分，也必将符合机械发展的趋势，即从有人驾驶的低速插秧机，发展为无人 驾驶的高速插秧机。 农业机械化是一个必然的趋势，为此政府也推出了相关的政策法规，大力扶持农业机 械化。2 0 1 0 年国家继续加大对农机购置补贴的力度，据统计，单插秧机一项，政府补贴最 低每台2 5 0 0 元，最高可达每台1 5 0 0 0 元1 。补贴力度之大前所未有，插秧机的研究也遇到 了前所未有的机遇。 1 1 2 课题研究的目的和意义 浙江理工大学硕士学位论文 水稻机插秧较人工插秧有着明显的优势口1 。首先，高产稳产。机插秧带来的是育苗的 标准化，标准化的育秧使苗群的质量可控，可以克服水稻直播稻种植区域受限生育期短， 以及抛秧种植模式的无序性和群体质量控制困难的弊端。因此，采用机插秧技术，容易保 证高产稳产。据调查，相对于普通插秧方式，机插秧平均可增产9 1 以上，且产量稳定。 第二，节省地块。机插秧采用标准化的毯状式育秧，具有播种密度较大，坏苗率低，育 秧效率高的特点。育苗用田与种植用田比例达1 ：( 8 0 1 0 0 ) ，秧田利用率比常规旱育秧和水 育秧提高了5 1 0 倍，育苗用田面积仅为常规育秧的1 0 哺1 。做一个假设，假定浙江省稻田 1 0 0 万h m 2 ，常规育秧需秧田8 万一1 0 万h m 2 ，若全部改用毯状标准化育秧，则仅需秧田0 8 万1 万h m 2 ，节约秧田约7 万9 万h m 2 ，按水稻平均产量6 0 0 0 蚝h m 2 计算，增产4 亿5 亿蚝。 第三，节本省工。与传统种植方式相比，机械化作业可大幅度降低劳动强度，节本省 工优势明显阳3 。人工插秧的效率为每人1 5 亩天，一台高速插秧机一天可插1 0 0 亩，是人 工插秧的6 6 倍。机械化插秧的作业成本包括燃料费、折旧费、人工费等，合计插秧一亩 需要4 5 元钱，人工插秧每亩要9 0 元，费用是机械化插秧的2 倍。如此一来，水稻机械化 育插秧要比人工节省2 0 0 元亩。 第四，符合农业机械化的趋势。水稻全程机械化作业从根本上解放了劳动力，改变了 农民“面朝黄土背朝天，弯腰曲背几千年”的传统耕作方式，满足了农民对农业机械的需 求，促进了农村劳动力的转移，确保了农业增产、农民增收，推进了新农村建设。 第五，节约水肥。机插秧的育秧由于采用统一集中育苗方式，管理变得简单，用种量少， 水肥的利用率高。大田生长期管理，采用薄水缓苗、浅水分蘖、间歇灌溉的方式，可节省大 量水资源。有序栽植，则便于通风，充分利用光照，方便管理，减少病虫害发生。实践证明，机 械插秧节水、节肥效果明显，能有效减少污染，减少化肥、农药用量，减少有害物质残留， 提高稻米安全生产水平。 第六，符合水稻生长规律。机插秧的秧苗行列整齐规律，秧苗群体质量易于调控且适 应性广，易于通风、接受光照，有利于光合作用，符合水稻生长规律，增产优势明显，抗 倒伏能力优于其他栽培方式0 。 然而，有人驾驶的插秧机的插植效果也受诸多因素的影响。目前的插秧机无论是步行 式还是乘坐式都是由人工控制行走作业，人工操作浪费人力资源，容易踩蹋秧苗，而且其 作业行走路线因为受到人工控制因素的影响致使秧苗排列产生偏差，插秧效果的好坏直接 影响到秧苗的生长情况。图1 1 ( a ) 为步行式插秧机作业，图1 1 ( b ) 由于人工操作技术的原因， 使得机插秧苗的排列不是很整齐，图1 1 ( c ) 为人工插秧，秧苗排列整齐，但耗费大量人力 ， 浙江理工大学硕士学位论文 和时间。 a ) 步行式插秧机作业 ? 、 ， - 一 “ J 1 ， ?。 ：一 。+ ：j o。 ， 、。 ， i 。 一 b ) 插秧机插秧的效果c ) 人工插秧的效果 图1 1 插秧机插秧和人工插秧对比效果 综上所述，开发小型无人驾驶插秧机可：1 ) 大大减轻了机械负载( 无人乘坐) ；2 ) 可 多载秧苗，提高生产率；3 ) 即保证机插秧的优势，同时又避免了有人驾驶的一系列缺点； 4 ) 可使我国现有的很大面积的插秧机无法进入的深泥脚田或枢田实现机械化插秧。 目前，水稻机械化种植在水稻机械化生产过程中仍是薄弱环节，个别地区依旧是人工 插秧，种植机械是一片空白。为了促进农业机械化，政府也推出了中华人民共和国农业 机械化促进法、为农民提供农机购置补贴等相关法律、政策，但农业机械化进程依旧缓 慢，主要原因在于：1 ) 、我国地域辽阔，农村情况复杂；2 ) 、农村人多地少，土地由个人 承包，且山地丘陵型水田较多，地块狭小，不适宜大型农机工作；3 ) 、经济基础薄弱，农 机价格依然超出普通小户种田人的承受范围：4 ) 、水稻生产环节多、作业工时长，农机与 农艺配合不协调等。 针对以上束缚水稻种植机械化的诸多原因，研究发展小型无人插秧机械就显得尤为重 要。小型无人插秧机较大型插秧机有以下优点： 小型无人插秧机重量轻，操作轻便灵活，可更好地适应各种复杂的地理环境，有效降 低人的操作强度； 小型无人插秧机体积小，结构简单，这使得小型无人驾驶插秧机的维护、保养、维修、 浙江理工大学硕士学位论文 储藏、运输等相关管理更为容易，极大地扩大了农机可使用的范围； 小型无人插秧机价格低，农户可以承担的起。这样一方面有利于提高水稻种植作业效 率，有利于提高我国农业机械化水平，另一方面又适应了个体农业户的使用要求。 小型无人插秧机可以解决一般插秧机因需人工下田操作而造成的踩秧，秧苗排列不直 等问题。 由此可见，本文以小型无人插秧机为研究对象，围绕实现无人插秧机的基础问题进行 研究是有现实意义的。 1 2 国内外研究现状及趋势 1 2 1 国外的研究现状 国外对插秧机的研究以日本、韩国为代表，其中尤以日本的技术最为先进和发展最快。 据资料统计，第一个插秧机专利出现与1 8 9 8 年，二战后专利数量迅速增加，到1 9 6 0 年时 已超过3 0 0 件 1 1 】。 真正商品化的插秧机出现于1 9 6 4 年的日本，但最终因未能最终提高插秧作业的效率 而于1 9 7 0 年停止生产。1 9 7 0 年井关农机制造出了采用毯状苗、秧箱后倾式的手扶插秧机， 并推广上市。自此插秧机的研究与发展进入一个相对活跃的时期，到1 9 7 3 年有1 1 种机械 通过鉴定。至此，插毯状苗、浮筒滑行、曲柄摇杆式插秧机分插机构的日本型插秧机被定 型，这也标志着日本插秧机正式进入实用插秧机普及期。 弹簧拨又推秧杆 a ) b 1 a ) 、曲柄摇杆分插机构b ) 、曲柄摇杆分插机构+ 推秧装置+ 配重 图1 2 水稻秧苗移栽机构的发展过程 乘坐式插秧机最早研究始于1 9 6 7 年。到1 9 7 0 年，毯状苗乘坐式插秧机进入商品化。 此类插秧机的分插机构部分借鉴步行式插秧机，行走部分借鉴农用乘坐式机械的技术，从 4 浙江理工大学硕士学位论文 技术上保证了插秧部分和行走部分的可靠性。从而也将机插秧带入了高速时期。 由于曲柄摇杆式插秧机本身机构特点上的问题，导致其插植速度不可能过高。1 9 8 5 年， 日本农机研究所开发了具有旋转行星齿轮式分插机构的高速插秧机，该机构行星齿轮采用 偏心圆齿轮或椭圆齿轮。理论上，在同等转速下，效率为曲柄摇杆式插秧机的2 倍，这大 大提高了插秧机的工作效率。 2 0 世纪末期，日本水稻插秧机主要向着降低生产成本，节省劳动力以及多种功能( 例 如：施肥同时插秧、覆纸同时插秧、覆膜同时插秧等) 方向展开研究和推广。高速水稻插 秧机发展方向是提高使用的操作性能和自动化水平，产品规格多样化。为适应日本政府提 出的水田大区划的构想，插秧机开始向大型化方面发展。1 9 9 6 年研制出8 行折叠式插秧机， 2 0 0 1 年研制出1 0 行插秧机，作业速度O 9 1 1 州s ，平均作业效率达到每小时7 5 亩左右。 另外，日本插秧机的发展也综合了液压技 术、自动控制技术向智能化方向发展。据报道， 1 9 9 9 年日本农林水产省农业研究中心研制出 一种无人驾驶插秧机，这种插秧机通过全球定 位系统( G P s ) 确定自身在水田中的位置，定 位误差在3 厘米以下2 。 这种插秧机可以根据水田的形状来决定 图1 3 日本研制的G P S 导航插秧机 如何使秧苗排列整齐，其工作效果与人工插秧相同。另外，插秧机上还安装了与飞机平衡 器相同的设备，这使插秧机在水田中工作时能够始终保持稳定的姿势。 据报道，这种插秧机重约4 0 0 公斤，一次可以插秧6 列，作业速度约为每秒1 米，与 普通插秧机基本相同。除此之外，它还可以用于喷洒农药和肥料。 1 2 2 国内的研究现状 我国水稻插秧机大致分三个阶段：2 0 世纪5 0 至7 0 年代，大苗阶段。此阶段由行政推 动，机械产品属突击生产，质量不过关，育秧技术、整体技术都不成熟、不完善，在试点 推广过程中没有能够成功运用；2 0 世纪8 0 年代，工厂化阶段。在这一时期，由于政府政 策上的支持，想要集中突破水稻插秧机械化的难题，各地农机部门大力引进国外先进插秧 机和工厂化育秧技术，但由于价格昂贵及体制问题，水稻种植机械化又一次流产；1 9 9 9 年 至今，机械、农艺和运行机制三突破阶段。此阶段在总结前面失败的经验教训的基础上， 浙江理工大学硕士学位论文 通过引进国外的先进技术，引进消化再吸收，在结合我国国情的同时，研发出一批适合国 情满足我国农民需求的插秧机【1 1 。 国内对无人驾驶插秧机的研究近些年刚刚起步，发展速度慢，研究人员比较少，而且 研究也多以模仿为主，没有形成一定的规模。由于无人驾驶插秧机是一项智能化程度较高 的技术，其他领域的无人驾驶技术的发展也反映了插秧机无人驾驶技术的现状。据报道， 华南农业大学的罗锡文院士领导的研究团队以东方红再8 舛拖拉机为研究对象，对农业 机械导航关键技术进行了深入研究，在东方红工8 舛拖拉机上设计开发了电控液压转向 系统，实现了拖拉机自动转向操纵控制，在此基础上，将拖拉机运动学模型和转向操纵控 制模型相结合，建立了拖拉机直线跟踪的导航控制模型，自主研发了基于R mD s 的自 动导航控制系统，实现了拖拉机在田间作业条件下的自动导航和地头转向控制，导航精度 接近国际先进水平3 | 。 另据报道，华南农业大学最近研制了基于DG P S 自动导航控制系统的无人驾驶插秧机。 该插秧机的具体工作性能还有待实践检验。 图1 4 华南农业大学研制的无人驾驶插秧机 本课题组以步行式水稻插秧机为蓝本研制了小型无人驾驶插秧机。该种插秧机行走部 分有三个轮子组成，两个轮子为驱动轮，机器的后部安装有导向轮。每个驱动轮分别装有 离合器，与动力相连接，离合器由油缸驱动，油缸由电磁阀控制。导向轮可以转动一定角 度，由电磁阀控制油缸驱动导向轮转向。当机器做较大转向时，依靠电磁阀联动油缸使一 侧驱动轮与动力分离。当在田间直线行驶中机器跑偏时依靠电磁阀联动的油缸使导向轮形 成一定角度，调整行驶角度，使机器回到原来的路线上。以上所有功能皆由机器自身的图 像采集系统控制电磁阀。目前该插秧机仍在研究阶段。 1 2 3 国内外现状小结 尽管国外很早就研究出了无人驾驶插秧机，但时至今日仍未见有投入商业化生产的报 浙江理工大学硕士学位论文 道。国内研制的无人驾驶插秧机时间不长，其具体工作性能未见报道，更无需提商业化生 产。总结起来，国内外研制的无人驾驶插秧机有如下特点： 国内外研究的无人驾驶插秧机，基本都是以G P S 、D S 导航控制为主要定位方式， 但以G P S 进行插秧机进行导航有其局限性： 1 ) G P S 信息的精度会受到视野中卫星的几何分布、时钟误差、星历误差、接收机噪 声、多路径误差等因素影响； 2 ) G P S 的可靠性还与高大树木、建筑物、山坡等因素有关。 国内外无人驾驶插秧机均以乘坐式高速插秧机为蓝本改造而成，此种插秧机体积、质 量大，控制技术复杂，机器维修、维护成本高，价格昂贵，不符合我国国情，尤其不适合 我国山地丘陵的小田作业。 1 3 本文的主要工作内容 本文在对国内外研究现状的分析的基础之上，本文作如下的研究工作： 1 ) 以适合小型无人插秧机的核心工作部件后插旋转式偏心非圆齿轮行星轮系分 插机构为对象，建立了该分插机构的动力学模型；依据该模型，采用阳与尬砌6 混编技 术，编制了动力学分析软件，利用该软件对该分插机构进行动力学分析，证明机构工作平 稳，适合小型无人插秧机。 2 ) 基于、么D 。4 舔环境建立了后插旋转式偏心。非圆齿轮行星轮系分插机构的虚拟 样机，添加取秧力进行了动力学仿真和分析，并与理论计算结果比较，证明理论模型的正 确性，进一步说明该分插机构的工作平稳性。