小型农田原状土样采集机器人系统研发与测试

doi:10.12398/j.issn.2096-7217.2024.01.002

智能化农业装备学报（中英文） ›› 2024, Vol. 5 ›› Issue (1): 12-22.DOI: 10.12398/j.issn.2096-7217.2024.01.002

小型农田原状土样采集机器人系统研发与测试

闫全涛¹^,²^,³^,⁴(), 李丽霞², 邱权¹(), 丛岳³

^1.北京农学院智能科学与工程学院，北京市，100096
^2.昆明理工大学现代农业工程学院，云南昆明，650500
^3.北京市农林科学院智能装备技术研究中心，北京市，100097
^4.江苏丰尚智能科技有限公司，江苏扬州，225100

收稿日期:2023-10-20 修回日期:2024-01-04 出版日期:2024-02-15 发布日期:2024-02-07
通讯作者: 邱权
作者简介:闫全涛，男，1992年生，河南商丘人，硕士，工程师；研究方向为农业移动机器人系统集成。E-mail： 1510257922@qq.com
基金资助:
国家自然科学基金项目(61973040)

Development and test of a small robotic system for in-field undisturbed soil sampling

YAN Quantao¹^,²^,³^,⁴(), LI Lixia², QIU Quan¹(), CONG Yue³

^1.College of Intelligent Science and Engineering，Beijing University of Agriculture，Beijing 100096，China
^2.Faclty of Modern Agricultural Engineering，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650500，China
^3.Research Center of Intelligent Equipment，Beijing Academy of Agriculture and Forestry Sciences，Beijing 100097，China
^4.Famsun Co. ，Ltd. ，Yangzhou 225100，China

Received:2023-10-20 Revised:2024-01-04 Online:2024-02-15 Published:2024-02-07
Contact: QIU Quan

摘要/Abstract

摘要：

农业机器人是农业机械领域的研究热点之一。国内外对温室/农田/果园作业（除草、施肥、喷药、采摘等）机器人移动平台的研究已取得初步成果，但对农田土样采集机器人移动平台的研究鲜有出现。在土壤的物理力学特性研究过程中，原状土壤样品的采集是一个重要前提。如果土样的原状度无法保障，后期实验室物理力学测试分析难以得出准确的研究结果。本研究针对这一问题，研发了一台结构紧凑、通过性强、取土质量好、取土效率高的农田土壤采集机器人移动平台，给出了机械系统、控制系统设计方案，并开展了初步的田间试验研究。本研究的主要内容如下：（1）机器人移动平台本体设计方面，确定了差速转向的转向方式；进行了机械系统设计，完成了相关硬件选型分析和控制系统设计以及软件编写。移动平台轴距为960 mm、轮距为600 mm，轮毂电机功率1 000 W，实现了基于调速转把和遥控手柄的移动平台协调运动控制，满足试验要求。（2）土样采集装置方面，对分段原状取土装置进行了设计。通过对比分析选用液压传动作为动力源和直压旋入式入土方式。通过理论分析确定了取土器主要技术参数，并对其入土关键部件进行有限元分析，验证了其结构参数设计的合理性。（3）通过田间试验，考察整机的移动性能和取土质量。移动性能测试试验结果表明：最大垂直越障高度80 mm，最大爬坡坡度35°。土样抗剪强度检测试验结果表明：在获取0~200 mm深度土样时，环刀法和新系统所取土样的内摩擦角方差在0.05的置信水平下，P值等于0.866；在获取0~100 mm和100~200 mm深度土样时，环刀法和取土装置所取土样的凝聚力方差在0.05的置信水平下，P值分别为0.145和0.717。取土效率对比试验结果表明：该取土装置完成一次取土仅需3~5 min。

关键词: 农业机器人, 移动平台, 农田, 原状土样, 取土器

Abstract:

Agricultural robot is one of the hottest topics in the field of agricultural machineries. Domestic and foreign research on robot mobile platforms for greenhouse/farmland/orchard operations （weeding， fertilization， spraying， picking， etc.） has achieved preliminary results， but mobile robotic system for soil sampling is still seldom found in literatures. Undisturbed soil sampling is an important basis for analyzing soil mechanical properties. If the original state of the soil sample cannot be guaranteed， it will be difficult to obtain accurate research results through subsequent laboratory physical and mechanical testing and analysis. To address this issue， we developed a farmland soil collection robot mobile platform with compact structure， strong pass ability， good soil extraction quality， and high soil extraction efficiency， put forward the design scheme of the mechanical system and control system and carried out preliminary field trial research. The main contents of this research are as follows： First， the design of robotic mobile platform was conducted， by determining differential steering mode， fulfilling mechanical design， selecting hardware components， and building control software framework. The wheelbase and track width of the platform were 960 mm and 600 mm， respectively. The power of the in-wheel motor was 1 000 W. The movement of the platform could be controlled through both speed control knob and remote-control handle. Second， an on-board layer soil sampling equipment was developed， which worked in a hydraulic screw-in mode. The main structure parameters of the sampler were determined based on theoretical analysis， which were validated with a finite element analysis software-ANSYS. Third， field tests were also conducted to test the mobility and soil sampling performances of the robot system. The maximum obstacle crossing height and climbing slope of the robot were 80 mm and 35°， respectively. Based on the shear strength testing results of soil samples in depth 0 to 200 mm， we knew that the internal friction angle of the soil samples， which came from the proposed new system， had no significant differences compared to those coming from cutting ring sampling， with a P-value of 0.866 at the confidence level of 0.05. Similarly， for the soil samples in depth 0 to 100 mm and 100 to 200 mm， the variances of soil cohesion from our new system also had no significant differences compared to those from cutting ring sampling， with P-values of 0.145 and 0.717 at the confidence level of 0.05， respectively. The soil extraction efficiency comparison test results showed that the soil extraction device only took 3 to 5 minutes to complete one soil extraction.

Key words: agricultural robot, mobile platform, in-field, undisturbed soil, soil sampler

中图分类号:

闫全涛, 李丽霞, 邱权, 丛岳. 小型农田原状土样采集机器人系统研发与测试[J]. 智能化农业装备学报（中英文）, 2024, 5(1): 12-22.

YAN Quantao, LI Lixia, QIU Quan, CONG Yue. Development and test of a small robotic system for in-field undisturbed soil sampling[J]. Journal of Intelligent Agricultural Mechanization, 2024, 5(1): 12-22.

图/表 19

图1 整机机构设计图1.移动平台2.支撑腿　3.电脑终端4.液压动力模块5.液压分段原状取土装置

Figure 1 Mechanical design of the proposed system

图2 移动平台各部件分布图1.后轮2.把手　3.控制单元　4.电池　5.箱体　6.前轮7.轮毂电机　8.底盘

Figure 2 Unit distribution diagram of the mobile platform

图3 支撑转向机构和支撑腿设计示意图（a）前轮结构设计（b）后轮结构设计（c）支撑腿设计1.前轮叉2.前轮　3.连接板　4.滚珠　5.后轮叉　6.后轮　7.支腿圆盘　8.连接耳　9.支腿油缸

Figure 3 Mechanical design for the supporting steering mechanism and supporting rod

图4 移动平台电控系统简图

Figure 4 Diagram of the electronic control system for the mobile platform

图5 电控系统关键部件

Figure 5 Key components of the electrical control system

表1 取土器入土方式比较

Table 1 Comparison of different soil sampler insertion mode

入土方式	优点	缺点
直压式	操作简单，不易造成土体压实变形，利于原状土柱的获取及保持	不利于克服土体阻力
重力锤击式	可有效克服土体阻力，能够使用在土质较硬的场合	取土过程中取土器震动较大、运动无规律，易造成土体结构破坏，不利于原状土的获取
直压旋入式	原状土样的质量较高，管靴刃口的旋转切割作用能够有效降低入土阻力	操作方式相对复杂

图6 分段原状土样采集装置三维设计图1.减速齿轮2.取土滑块　3.升降油缸　4.导向框架　5.液压电机6.取土器（取土管、环刀、管靴）

Figure 6 3D design of the layered undisturbed soil sampling device

表2 原状土样采集装置主要技术参数

Table 2 Key parameters of the layered undisturbed soil sampling device

技术参数名称	技术参数数值
外观尺寸/（mm×mm×mm）	340×160×1 100
液压电机功率/kW	1.2
减速机构减速比	1:3
升降油缸行程/mm	250
取土深度/mm	0~200
所取土样直径/mm	61.8
整机质量/kg	50

图7 取土器关键单元剖面图

Figure 7 Sectional views of the key units of the soil sampler

图8 取土管靴有限元分析结果

Figure 8 Finite element analysis results of the soil sampling pipe shoe

图9 取土器取土作业过程

Figure 9 Operation process of the soil sampler

图10 平台移动性能测试

Figure 10 Mobility test of the platform

表3 不同深度土样在不同加载下的平均抗剪强度

Table 3 The average shear strength of soil samples at different depths under different loads

取样层数（对应取样深度）	平均抗剪强度/kPa
	100 kPa加载		200 kPa加载		300 kPa加载		400 kPa加载
	环刀法	新系统	环刀法	新系统	环刀法	新系统	环刀法	新系统
一（0~2 cm）	73.6	75.2	121.2	125.9	185.4	171.4	224.6	227.5
二（2~4 cm）	69.0	72.1	111.9	119.4	163.6	167.8	205.7	209.8
三（4~6 cm）	66.0	78.2	101.2	119.7	155.3	187.0	197.8	230.6
四（6~8 cm）	75.9	76.0	129.0	116.3	190.1	182.3	232.1	227.5
五（8~10 cm）	79.8	81.3	130.5	130.5	191.6	190.1	245.7	231.2
六（10~12 cm）	76.7	78.2	123.7	125.7	194.8	186.4	215.0	206.6
七（12~14 cm）	75.3	92.6	136.8	121.2	189.2	187.0	208.7	224.4
八（14~16 cm）	101.2	87.0	135.2	135.4	163.6	183.8	247.7	233.7
九（16~18 cm）	98.3	91.5	132.1	139.9	187.1	183.5	239.8	239.9
十（18~20 cm）	89.0	92.0	139.0	132.1	177.6	179.2	225.9	231.7

图11 环刀法所取不同深度土样的剪切特性

Figure 11 Shear properties of soil samples collected by cutting rings at different depths

图12 新系统所取不同深度土样的剪切特性

Figure 12 Shear properties of soil samples collected by the proposed new system at different depths

表4 两种取土方式所取土样剪切特性拟合方程和拟合精度

Table 4 Fitting functions and accuracies of the shear properties of soil samples collected with two sampling methods

取样层数（取样深度）	环刀法		新系统
取样层数（取样深度）	拟合方程	拟合精度	拟合方程	拟合精度
一（0~2 cm）	τ=σtan27.34°+21.90	0.98	τ=σtan26.67°+24.40	0.99
二（2~4 cm）	τ=σtan24.75°+22.10	0.99	τ=σtan24.77°+26.90	0.99
三（4~6 cm）	τ=σtan24.18°+17.10	0.99	τ=σtan27.68°+22.75	0.98
四（6~8 cm）	τ=σtan27.91°+24.50	0.99	τ=σtan27.50°+20.40	0.98
五（8~10 cm）	τ=σtan29.16°+22.20	0.99	τ=σtan26.98°+30.95	0.97
六（10~12 cm）	τ=σtan25.92°+31.50	0.94	τ=σtan24.03°+37.75	0.95
七（12~14 cm）	τ=σtan24.37°+39.35	0.93	τ=σtan24.76°+41.00	0.96
八（14~16 cm）	τ=σtan25.03°+44.95	0.90	τ=σtan26.04°+37.85	0.99
九（16~18 cm）	τ=σtan25.73°+44.45	0.98	τ=σtan23.93°+41.50	0.99
十（18~20 cm）	τ=σtan24.18°+45.55	0.99	τ=σtan24.99°+42.40	0.99

表5 两种取土方式所取土样的内摩擦角方差分析

Table 5 Variance analysis for the internal friction angle of soil samples collected with two sampling methods

方差来源	平方和SS	自由度df	均方MS	F	P-value	Fcrit
组间	0.073	1	0.073	0.029	0.866	4.413
组内	45.091	18	2.505
总和	45.164	19

表6 两种取土方式所取0~100 mm深度土样的凝聚力方差分析

Table 6 Variance analysis for the cohesion of soil samples at depth 0-100 mm collected with two sampling methods

方差来源	平方和SS	自由度df	均方MS	F	P-value	Fcrit
组间	30.976	1	30.976	2.611	0.145	5.317
组内	94.915	18	11.864
总和	125.891	19

表7 两种取土方式所取100~200 mm深度土样的凝聚力方差分析

Table 7 Variance analysis for the cohesion of soil samples at depth 100-200 mm collected with two sampling methods

方差来源	平方和SS	自由度df	均方MS	F	P-value	Fcrit
组间	2.809	1	2.809	0.141	0.717	5.317
组内	159.697	18	19.962
总和	162.506	19

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