丘陵山地小型牧草收获机械设计与试验

肖连军，杨光龙

(贵州农业职业学院，贵阳 551400)

0 引言

我国南方以丘陵山地为主发展牧草产业的地区以贵州、广西等省份为代表，由于机械作业环境不成熟，自然地块狭小、土地形状不规则，成套的大型机械无法进场收获牧草，大部分工作依靠人工完成，劳动强度大、功效低，严重制约农业产业发展[1]。因此研制小型轻便、性能稳定、可靠性好、适用性强的牧草收割机，为南方丘陵山地农业优质、高产、高效的农业提供硬件支撑，具有一定的现实意义。

1 系统设计方案

该牧草收割机械主要由收割系统、电机传动系统、蓄电池动力系统、行走系统和手机终端应用系统等基本模块组成[2]，拓展模块为云平台服务系统、植株识别视觉系统、牧草智能打包系统，其结构如图1所示。

图1 牧草收割机结构框图

2 硬件设计

牧草收获机械设计指标见表1。

表1 牧草收割机械设计指标参数

2.1 机身设计

机身设计采用Siemens PLM Software的一款应用软件(Unigraphics NX)进行设计制作，如图2所示。

图2 机身三维设计

2.2 主控芯片选型

主控芯片选择STM32F103型控制器，该器件采用Cortex-M3内核，CPU最高速度达72 MHz，实时性较好，能够满足系统的实时控制需求，STM32芯片功能强大，为后期研制牧草收获功能拓展预留研发空间。

2.3 电机驱动模块选择

电机驱动模块的作用是借助电机传动驱动行走机械动作，驱动模块所选择的型号为AQMH3615NS，该模块利用两输入的高低电平逻辑关系PWM波控制牧草收割机械调速、正反转及刹车(表2)。

表2 电机驱动模块的驱动逻辑

AQMH3615NS模块可三线控制调速、正反转及刹车，可直接使用按键控制正反转，此外负载大电流12 A及以上，瞬间峰值电流110 A。

2.4 动力蓄电池选择

针对现存的燃油动力收割机械，作业时环境污染大，该牧草收割机利用蓄电池为系统供电，牧草收割作业全程无污染，清洁环保且运行使用成本低。选择的蓄电池品牌为玺霸，其主要参数如表3所示。

表3 动力蓄电池主要性能参数

2.5 WiFi模块选型

选用ESP8266无线模块，一款超低功耗的UART-WiFi 透传模块，拥有业内极富竞争力的封装尺寸和超低能耗技术，专为移动设备和物联网应用设计，可将用户的物理设备连接到WiFi无线网络上，进行互联网或局域网通信，实现联网功能。

3 基于安卓系统的应用软件设计

该牧草收割应用软件研发是基于Android系统平台进行研发设计的，应用研发成功后，手机下载该应用软件，在启动牧草收割机控制系统后，手机搜索WiFi名称为ESP8266，其WiFi密码为12345678，输入WiFi登录密码，WiFi连接成功后，点击手机的应用软件APP，即可进入登录界面输入登录密码，如图3所示，进入到牧草收割机作业远程控制界面，如图4所示。

图3 APP应用登录界面设计

在图4所示的手机控制界面中，由于牧草收割电机转速为12 000 r·min-1，为了保证作业人员的安全，牧草收割电机启动开关处设计了安全开关，在长按安全开关约3 s后，再点击启动电机，即可启动牧草收割电机进行作业。 这样的双重启动设计避免了因误操作而启动高速运转的刀片。当选择手动模式控制作业，有4个方向键可供操作人员控制，分别控制前后左右4个方向进行行走和作业。

图4 牧草收割手机控制界面设计

4 样机试验

4.1 试验条件

牧草收割机械理论前进速度0.25 m·s-1。

4.2 试验牧草品种

选择的牧草品种1为甜象草，其特点为分蘖能力极强、生长快、草茎刚强，牧草高度约40 cm；选择的牧草品种2为多年生黑麦草，特点为草茎柔软，牧草高度约15 cm。

4.3 试验方法

对两种牧草试验区域进行等面积块划分为3大块，每块再分为等面积的2小块。

4.4 割草刀具的选择

类型1为2叶刀，特点为刀刃稍钝，类型2为3叶刀，刀刃锋利。两类刀具的实试数据如表4、表5所示。

图5 牧草收割样机

表4 甜象草实验数据 单位：%

表5 牧草种类2实验数据 单位：%

4.5 实验结果分析

通过实验数据可知，对于甜象草，草茎刚强，选择刀刃锋利的刀具割草，割草率高；而对黑麦草，草茎柔软。

5 总结

基于南方丘陵山地地貌特点设计了一款小型牧草收获机，论述了丘陵山地小型化牧草收割机械的设计方案、研制及软件应用研发的过程与思路，最后进行样机试验，通过试验验证了方案的可行性，同时为多功能牧草收割机械及精准作业机械的研究提供了新思路。