摘要：为探求中国农业机械装备在新能源大背景下的清洁绿色、电气化、智能化发展之路，提出一种电气化、高度智能化、可以自动采收莲藕的小型机器设计，能够解决莲藕采收的诸多难题。该莲藕采收机器人针对莲藕的复杂且人工介入困难的自然生长环境，以双螺旋滚筒作为推进结构，采用基于超级电容器的电动莲藕收获机器人复合能量系统，依靠物联网技术和定位技术实现自动规划路径，综合利用了传统的喷流式和铲掘式两种采收方式，设计了喷淋清洗传送装置，能够实现集采挖、涤荡和收集于一体的自动化采收过程。通过实验对比分析，莲藕采收机器人可以有效提高莲藕的采收效率和成品的完整率，大大降低能源消耗，大幅减少人力成本投入，实现节能环保，降本增效的有效统一。

　　关键词：莲藕采收；农机装备；螺旋推进；智能控制

　　0引言

　　基于我国“碳达峰、碳中和”的承诺，发展并利用新的、绿色、清洁能源成为现代生产战略的核心。而农业机械长期以来多采用柴油内燃机作为能源动力，存在噪音高、排放高、振动大等缺陷，加之作业环境复杂，排放技术水平相对较低，存在耗能高、污染环境、无法高度智能化等问题[1]。新能源电气化的农业机械具备控制灵便精准、构造简洁紧凑、无尾气排放、低噪音、高效低碳等优点[2]，已成为未来农业机械发展的主要选择。

　　随着“双碳”战略的持续推进，对环境保护的逐步加强，电气传动系统和电子控制系统的研发投资和科技进步促进了农业相关行业的技术突破，特别是智能控制系统和信息技术的不断嵌入。与传统的汽油和柴油农业机械相比，电动农业机械操作更精确，已成为实现智能系统和自动控制系统的主要发展方向。发展纯电动设备，已成为农业机械行业大势所趋，乃至逐渐成为世界各国在农业机械行业降低环境污染、解决能源短缺的首选途径[3]。

　　传统莲藕采收环境复杂恶劣、人工工序繁琐且高度依赖人工。一般藕塘水深0.3～0.7 m，藕塘底部积有厚厚的淤泥，人工采藕行走不便[4]。一次人工采藕工作常需要3～5人的协同作业，人力资源消耗大、人工成本昂贵。传统莲藕采收机械采用柴油发动机，常常噪声轰鸣、漏油污染环境、仅能完成分离莲藕与淤泥一项工作，仍需4～7人的塘内塘外协作[5]。且仍需要人工下水机械牵引作业，北方秋冬季节的作业环境寒冷刺骨，对人体健康也造成一定影响。

　　本文选取这一领域，探求中国农业机械装备在新能源大背景下的清洁绿色、电气化、智能化发展之路，提出一种采用电源动力、自动化的自走式智能莲藕采收机器人设计，力求解决莲藕采收中面临的一系列难题。

　　1、总体设计方案及工作原理

　　新能源背景下基于双螺旋推进的莲藕采收机器人设计的系统总体框架如图1所示，其主要的工作流程如下。

　　（1）采用IEEE无线协议，由机器人搭载的实感摄像头采集图像，结合树莓派4B+实现可视化人机交互。

　　（2）采用folium库获取卫星图像，以GPS与北斗双定位模块联合定位，二值化种植区域的轮廓后获得全局路径规划路线。Intel实感深度相机采集实时图像，经Fast RCNN算法图像处理后由蚁群算法组合优化路线，完成视觉局部路径调整。

　　（3）启动采收程序，摆动冲刷系统开启，经过水射流冲散，莲藕上部覆盖的泥土将无法再束缚莲藕，莲藕失去泥土束缚后将浮出水面[6]。控制电机带动双螺旋滚筒行走结构行进。

　　（4）视觉识别前方是否有浮起的莲藕，识别到则启动收集程序，收集装置启动，清洗传送带启动，未识别到则停止。

　　（5）重复进行上述程序，将莲藕收集入机器人后端的柔性收集网兜，至拖曳网兜的拉力传感器达到预设阈值，程序判断为收集装置集满。

　　（6）自动返航至目标点位，卸下柔性收集网兜内的莲藕。

　　2机械结构设计
　　2.1整体机械结构

　　整体机械结构如图2所示，以双螺旋滚筒传动底盘为行走部件，搭载水力冲刷系统，配合摆动冲刷调节机构完成莲藕采挖。基于平衡性分析完成底盘结构参数设计和各部件结构布局；基于水射流理论，确定了冲刷系统的摆动方案及尺寸，对水泵进行选型与核验。

　　2.2双螺旋滚筒推进式行走结构

　　如图3，通过螺旋滚筒驱动原理分析影响双螺旋滚筒传动底盘行走的主要因素，得出了双螺旋滚筒传动底盘的最佳结构。参照文献[5]的结论以螺旋叶片的螺旋升角、叶片的高径比、浮筒的长径比等为测试因子，考虑小型化轻量化设计，设计螺旋叶升角为20度、螺旋桨桨叶的高径比为0.2、桨叶的长径比为4时，车架的推进性能达到理想效果。

　　实际制作后样机整机质量为143.86 kg，进行浮力实验核算，结果见表1。该底盘设计能够为机器人提供足够的浮力，使机器人在复杂的田间种植环境有一定的两栖行走能力，具有良好的通过性和稳定性，能够支持该机器人在种植莲藕的塘区和湖区进行浮起式作业。

　　通过对螺旋滚轮进行基于UG NX的有限元分析，探究在淤泥条件下经轻量化设计的螺旋滚轮是否满足刚度条件，如图4，通过对螺旋滚轮的材料属性进行指派，并对其进行提升体处理后3D四面体网络格划分。以及施加位移约束，并施加非均布载荷。在对螺旋驱动底盘不同运动状态下行走螺旋滚筒转速和不同淤泥密度条件下，产生的最大位移量均远小于1 mm，满足刚度条件，能够在复杂的环境下依然保持理想的螺旋推进速率和推进滑转率，双螺旋驱动底盘拥有良好的的推进性能。

　　2.3摆动冲刷结构

　　如图5~6所示，通过采用平行双曲柄机构，进行实现冲刷机构的往复摆动，避免了冲刷区域死角的出现，能够反复来回地对同一点进行多次冲刷，提高莲藕的采挖率。对传统圆锥性喷管出口段进行改进，通过添加一段短距离的圆柱段管口，提升射流的聚集特性，使该锥柱形喷嘴具有缓慢的流速衰减和良好的冲刷性能。

　　式中：z为选定渐变断流面上任一点相对于选定基准面的高程；P为相应断面同一选定点的压强；v为相应断面的平均流速；α为相应断面的动能修正系数；hl1-2为断面间的平均单位水头损失。

　　以喷嘴口所在水平面为选定基准面，设定喷嘴口所处水深为0.4 m，实际测定其环境压力为4 000 Pa，系统总流体平均单位水头损失为15.715 m，多次实验后发现，达理想冲刷效果时，喷嘴口流速为23.816 m/s，取动修正系数α=1.05，则由式（1）可得出该设计的水力系统单位质量流体所需最小总水头为46.509 m。综合分析比较，结合挖藕工作中需要较高的冲击力破损土壤和足够流量的水流冲散泥土的要求。选取了江苏威乐泵业的QW65-35-60-15潜水式离心泵，其额定流量为35 m3/h，额定扬程为60 m。

　　2.4传送带及清洗结构

　　传送带及清洗结构主要由传送网带、传动轴及喷淋管组成。如图7所示，传送网带为耐磨轻便的尼龙材质，与传动轴之间采用啮合型带传动，与摩擦型带传动相比，能够保证严格的传动比的同时简化结构、缓冲吸震[7]。

　　该装置通过与电机相连的轴带动，驱动整个传送带，主要从抗扭方面校核轴的强度。选用轴的材料为3Cr13钢，许用应力[σ-1]取75 MPa，最大单位扭转角[φ]取2°/m，剪切模量G=80 GPa。按弯扭合成强度条件计算，如图8所示。

　　按第三强度理论计算应力。

　　考虑由弯矩所产生的弯曲应力σ是对称循环变应力，引入折合系数α,当扭转切应力为静应力时，取α≈0.3[8]；

　　轴的抗扭截面系数为：

　　由图8可知轴受最大弯矩Tmax=621 055.1 N·mm。

　　最大扭转角为：

　　通过采用尼龙材质，可大幅减轻机身，同时有利于关键传动轴尺寸的优化设计，使机器人在小型化的同时仍灵活可靠。

　　3控制系统设计

　　3.1电气化动力系统总体方案

　　与传统的燃料型农机相比，电气化农机无污染，工作噪声低，构造简单，操作灵便。然而，电动力机械面临着更为复杂的工作条件，以及其需要的功率波动较大，因此，如果只使用蓄电池作为单一的能量来源，不但很难在功率发生变化时进行功率补偿，同时，由于瞬间高速率放电引起的极化，也会导致电池内的温度骤然上升，从而加速电池的老化[9]，严重时还会引起安全事故。这些问题导致频繁更换动力电池组，也大大增加电动农机的使用成本。

　　本研究提出一种以蓄电池为主要能量来源，以超级电容器为辅助能量来源，构建一种基于超级电容器的电动莲藕收获机器人复合能量系统。设计了电动莲藕采收机器人的复合能源系统，如图9所示。

　　在与蓄电池串联后，再将超级电容器与双向DC/DC连接并连接到母线上。超级电容器的电压通过DC/DC调节与母线电压保持一致，电动莲藕采收机器人作业时整车控制系统计算电机需求功率，通过电压计算程序计算电机需求电流，并向能量管理系统发送电流需求信号。

　　能量管理系统在蓄电池和超级电容之间合理的分配需求电流，在保障动力能源性的基础上充分施展超级电容的“削峰”的作用[10]。

　　3.2驱动控制策略研究

　　对莲藕采收机械的驱动控制策略进行研究，以STM32F103为MCU，结合软硬件设计，需要根据驱动控制目标，制定莲藕采收机器人的驱动控制策略方案，以提高整机驱动效率。对识别层的需求转矩识别控制策略进行研究，定速作业下的控制策略采用模糊PID算法对需求转矩进行识别，如图10所示。

　　传统的机械参数匹配设计方法已无法完全适用，本文研究一种用于莲藕收获机构的优化设计方法。如图11所示，设计以莲藕采收机器人为对象，对其动力特性（牵引性能、行进性能）、运行特性（额定工作时间、能耗利用率）等进行简单分析，采用模糊PID算法对其动力系统关键部件（驱动电机、动力电池、变速器档位等）参数的匹配设计方法以进行优化，进而设计电路控制程序对其动力特性进行优化。

　　本文通过采用模糊PID算法提高以驱动功率利用率为动力性目标、以连续作业时间为经济性目标，力求优化设计方案使传递到驱动轮的动力更加充足，整车效率更高。同时还需要提高连续作业时间，并能够使两电机在各档位都能够同步达到额定转值，工作趋势较为一致，更加充分、合理地利用电机驱动力[11]。

　　3.3水泵控制变频调速系统

　　对水泵控制变频调速控制策略展开研究，设计采用STM32F407为MCU，并结合软硬件设计[12]。STM32处理器同时具备了DSP和单片机的优点，不但运算高度集成、速度快速、体积小巧，而且功耗较低，同时成本低廉，配合使用的FSB50450S模块内部含有保护电路，使系统结构更为简单[13]。

　　利用无位置传感器的无刷直流电动机驱动水泵，减小了水泵的体积，进一步提升电动机在运转过程中的抗干扰能力和稳定性[14]。无刷直流电机调速系统原理如图12所示，改变原来的水泵工作方式从而得到一种简单、稳定、可靠的控制方法，改变水泵总是满功率运转的状态，减少能耗，从而达到水泵系统的节能效果。

　　4智能化程序设计

　　4.1可视化人机交互方案

　　设计机器核心采用了WiFi协议模块、树莓派4B+作为控制系统核心，通过树莓派4B+结合WiFi协议模块实现机器的远程控制，通过搭建一个直观的可视化人机交互平台实现和机器控制系统的对接，实现远程操控功能。
　　4.2基于YOLO v8算法结合深度相机的目标检测方案
　　智能识别系统由Intel RealSense D435i深度相机搭配基于ARM Cortex-A72内核的Broadcom BCM2711芯片搭载的微型电脑：树莓派4B+模块主要担任数据处理中心，以Intel RealSense D435i深度相机结合Intel的Movidius神经计算棒进行图像的处理，以树莓派4B+实现机器的智能化识别[15]。

　　4.3基于深度学习的路径规划算法

　　图像采集使用OpenCV库进行，并利用高斯滤波、中值滤波等方法进行去噪[16]。使用现有的物体检测模型——YOLOv8模型，如图13所示，对农田中的植物或其他障碍物进行检测。标记检测到的目标用于后续目标定位和路径规划。通过计算出目标在图像中的像素坐标，摄像头传感器和GPS定位系统进行高精度的定位，将其图像目标转换为实际世界坐标系中的位置。使用基于深度学习的路径规划算法——蚁群算法进行路径规划。

　　5测试验证与结果分析

　　为综合评价莲藕采收机器人水利冲刷系统及掘铲的采挖效果，进行了模拟采挖实验。依据湛江市坡头区乾塘莲藕专业合作社的实际种植条件。如图14所示，设定实验在水深0.4 m、预埋4节莲藕10段，深度为泥下0.25 m条件下进行。实验控制喷嘴出口压力均为0.35 MPa，不加入掘铲辅助，实验结果如表2所示。

　　由实验结果分析得，在喷嘴距泥面高度小于等于200 mm时，均能完整、高效地采挖所有的预埋莲藕，达到理想的采挖效果，冲刷角度在60°~70°之间，采挖效果理想。考虑实际作业环境下，喷嘴距泥面较难以控制，进行了补充实验，即在上述实验各组条件不变的情况下，加入辅助掘铲。

　　实验结果表明，在加入掘铲辅助采挖后，各组条件下，均能达到100%的采净率。采用以喷流式采挖为主，掘铲式采挖为辅的采挖方案，适用于本研究小型化的设计，并能达到优秀的采挖效果。

　　6结束语

　　本文着重于解决莲藕收获困难和机械化、自动化水平不高的问题，通过机械结构、电路控制、机器视觉三大系统研制基于双螺旋推进的莲藕采收机器人，并重点研究了水力冲刷系统和双螺旋驱动底盘2个关键部件以及电驱动小型农机的控制策略。

　　本文通过提出一种电气化，高度智能化，可以自动采收莲藕的小型机器设计。该莲藕采收机器针对莲藕的自然生长环境，以双螺旋滚筒作为推进结构，采用基于超级电容器的电动莲藕收获机器人复合能量系统，依靠物联网技术和定位技术实现自动规划路径，通过综合利用传统的喷流式和铲掘式两种采收方式，实现了集采挖、涤荡和收集于一体的自动化采收过程。该莲藕采收机器人基本满足作业要求，但仍有大量优化工作亟须研究，例如：（1）轻量化研究：优化设计机器人的整机轻量化，提高机械的灵活性，以改善机器人的工作性能。（2）底盘多介质推进性能研究[17]：通过仿真试验和模型试验相结合，深入探究双螺旋推进底盘在不同介质中的推进效果，如水面、沼泽、粉末和种子等[18]。（3）组合型的喷嘴优化，研究电液控制的自动往复式摆动冲刷机构，同时将喷嘴组件由单排、单类型变为多排、多类型组合，以满足不同冲刷需求[19]。（4）创新收获模式：探索“农机-农艺”相结合的方式，如泥底铺膜、底层硬化等，以使莲藕生长更规律，更有利于机械化收获[20]。

　　通过实验对比分析，莲藕采收机器人能够显著提高采收效率并提高成品的完整率。同时，该机器人也显著降低了能源消耗和人力成本，从而达到了节能环保和降低成本的目标。这一创新技术将有效地提升莲藕采收的效率和质量，为农业生产带来了显著的经济和环境效益。解决了现有的一些困难和不足，为莲藕机械化采挖提供了一定的改进思路和技术支持。

　　参考文献：

　　[1]罗锡文,廖娟,胡炼,等.提高农业机械化水平促进农业可持续发展[J].农业工程学报,2016,32(1):1-11.

　　[2]李中华,王国占,齐飞.我国设施农业发展现状及发展思路[J].中国农机化,2012(1):7-10.

　　[3]高辉松,朱思洪,吕宝占.电动拖拉机发展及其关键技术[J].拖拉机与农用运输车,2007(6):4-7.

　　[4]高雪峰,洪占勇,姚友丹.大功率莲藕采收机的研制[J].农机化研究,2021,43(2):94-98.

　　[5]刘沿.双螺旋推进式挖藕机关键部件设计与试验[D].武汉:华中农业大学,2022.

　　[6]冯闯闯,周勇,涂鸣,等.螺旋推进式挖藕机的设计与试验[J].甘肃农业大学学报,2020,55(4):191-199.

　　[7]陈思义.带式输送机传动滚筒轴设计中的力学问题[J].成都纺织高等专科学校学报,2009,26(3):31-33.

　　[8]冯闯闯.螺旋推进式挖藕机设计与试验[D].武汉:华中农业大学,2020.

　　[9]夏长高,杨彦祥,孙闫,等.复合电源电动拖拉机能量管理策略研究[J].中国农机化学报,2022,43(11):126-132.

　　[10]史立新,朱思洪,聂信天.基于串联混合动力系统的拖拉机传动参数设计[J].江西农业学报,2010,22(2):115-117.

　　[11]邓晓亭,朱思洪,高辉松,等.混合动力拖拉机传动系统设计理论与方法[J].农业机械学报,2012,43(8):24-31,36.

　　[12]张金玲.基于ARM的无刷直流电机水泵控制系统及其应用[D].上海:上海交通大学,2017.

　　[13]李健熙,基于PWM技术的双变频水泵等系统套件研发及产业化[Z].广州:广州奥姆特机电设备制造有限公司,2017.

　　[14]肖洪斌.试论变频调速水泵的选型设计[J].节能,1995(1).

　　[15]张海清,张生.基于Movidius神经计算棒的物体检测研究[J].计算机技术与发展,2020,30(10):31-36.

　　[16]黄萍,巫钊,张智林.AR机器视觉分拣系统的设计与实现[J].信息与电脑(理论版),2021,33(5):124-126.

　　[17]方会敏.基于离散元法的秸秆—土壤—旋耕刀相互作用机理研究[D].南京:南京农业大学,2016.

　　[18]樊启洲,邵耀坚.螺旋滚筒在粘土上推进力的研究[J].拖拉机与农用运输车,1998(4):20-24.

　　[19]郑博.锥—柱组合型喷嘴增透技术研究及应用[J].煤炭与化工,2020,43(2):112-116.

　　[20]韦明幸,黄小柳,贝丽华.加强农机农艺融合加速农机化发展[J].河北农机,2023(1):49-51.