智能控制薯类收获机的研究进展*

徐志鹏 ，罗志豪 ，刘 玉 ，吴利明 ，李月琪

（江苏师范大学机电工程学院，江苏 徐州 221116）

薯类是主要粮食作物之一，产量高，增产潜力大，且适应性强，在恶劣环境下也能稳定高产。薯类具有较高的营养价值，也是发展畜牧业的好饲料，更是重要的轻工业原料。世界上薯类主要种植在北纬40°以南，以亚洲种植最多，亚洲种植面积占世界种植总面积的90%。据估计，2020年全球薯类市场价值达到32 020亿美元，可见薯类具有巨大的经济价值。然而国内外薯类收获机械发展水平参差不齐，薯类收获效率低下。

1 联合收获机

1.1 具有茎处理功能的收获机

罗德远等[1]公开了一种薯类收获机，通过切割机构和挖掘犁的设置，能将薯类秧的切割以及薯类的挖掘通过此工具实现机械化，提高薯类收获的工作效率。이현봉[2]公开了一种薯类收获机，能够同时粉碎茎并收获作物，且通过挖掘部左右移动来根据田间的犁沟环境有效地收获农作物。孙星钊等[3]公开了一种能有效减少薯土分离功耗，降低破皮率，完成薯秧分离和薯块收获的薯类收获机。이권재等[4]公开了一种薯类联合收获机，收割部分和茎粉碎部分一体化设置，在挖掘农作物的同时去除作物的茎，防止堵塞，并且可以在挖掘之后快速地进行作物收集。刘铮[5]公开了一种薯类联合收获机，能一次性完成挖掘、输送、薯茎分离、薯土分离等工序，具有生产效率高、劳动强度小、结构紧凑、移动方便等特点。村并昌实等[6]公开了一种薯类联合收获机，在高速收获的情况下收割和运输农作物的同时，使叶片不会残留在农作物中。

1.2 具有茎处理和清洁功能的收获机

李学强等[7]公开了一种薯类联合收获机，通过可调挖掘铲、薯土分离机构、薯秧分离机构、薯块集放装置，实现薯土分离、薯秧分离、薯块集条铺放。可提高明薯率，降低伤薯率。孙宏义等[8]公开了一种双层错位风选薯秧薯土分离的薯类联合收获机，可进行薯土薯秧分离，分离后薯块落入内层筛网，薯秧被外层筛网抛出，后根据薯块比土块比重小的特点通过风选机后将薯块送入集薯箱。陶建臣[9]公开了一种薯类联合收获机，可一次性完成挖掘、输送、薯秧分离、薯土分离、收集等工序，生产效率高。姜丹宁[10]公开了一种薯类联合收获机，能一次完成马铃薯挖掘、薯土分离、茎干杂草和地膜分离、薯块收获等工序，该机生产效率高，劳动强度小。马力军[11]公开了一种薯类联合收获机，能清理马铃薯上的泥土，使收获的马铃薯干净地落入运输车中。运输或者不作业时还可折叠起来，比较方便。李连生等[12]公开了一种薯类联合收获机，具有碎蔓功能，鼠笼式薯土分离器在完成薯土分离后将薯块升运至集薯箱中，提高了作业效率。李维家[13]公开了一种牵引式薯类联合收获机，可一次完成挖掘、分选杂质、杂质收集、马铃薯分级、装袋等作业，人工劳动需求小，效率高。闫小丽等[14]公开了一种薯类联合收获机，该机操作简单，挖掘角度和深度可调节，可完成马铃薯的挖掘、薯土分离、捡拾、分离、装袋收集等作业，且破皮率低。이학남[15]公开了一种薯类联合收获机。收获机存在两个异物去除装置，以更好地分离异物和作物，同时附带有箱装载台，用于收集作物。李维家[16]还公开了一种牵引式薯类联合收获机。该收获机能在收获薯类的同时把耕地表层绝大部分石块杂质清理出来，且可一次性完成挖掘、分选杂质、杂质收集、薯类分级、装袋、装车、放堆等作业，还可单独进行土壤净化作业。崔祥连等[17]公开了一种薯类联合收获机，该发明结构简单，防秧蔓缠绕，破皮率低，可收获薯块并在一侧放置，工作效率高。

总结：上述两种收获机均属于联合收获机范畴，依据完成工序数量不同而分类。但其主要结构大多是传统的薯类收获机。

2 切蔓机

吴腾等[18]公开了一种步行式薯类切蔓机，并在分析整机结构的基础上具体阐述了薯类碎蔓还田机工作原理，阐明了碎蔓装置、刀座防磨损设计、导向轮调节机构和传动系统等关键部件的设计。贺立恒等[19]公开了一种可以快速清除缠绕在钩藤杆上的藤蔓的薯类切蔓机，有利于保证薯类收获效率。姜鸿鑫等[20]公开了一种清蔓效果好的薯类切蔓机，通过V形清蔓铲进行初步清理，再利用刀具对薯蔓再次清理，可以将薯块与薯蔓分开，不易造成堵塞，提高收获效率。NAM等[21]公开了一种能以恒定的速率切割和压碎块根作物的茎，并且将切碎和压碎的块根作物排入犁沟的薯类切蔓机，防止了在茎粉碎和收获过程中对块根作物的损害。王立国等[22]公开了一种易于清理的薯类切蔓机，通过挖掘铲、切刀、挑秧杆的配合，使薯秧分离，提高明薯率。并且将土通过导薯栅的栅条间隙与薯块分离，得到清洁的薯块。魏训成等[23]公开了一种悬挂式薯类秧收获机，可一次性完成挑秧、割秧、粉碎和收集作业。남상호等[24]公开了一种薯类切蔓机，该装置具有修剪器装置，在最接近薯类的位置切割薯蔓以排除未切割状态，从而消除了必须再次组织收割农作物的不便，并防止排出的压碎茎干影响垄。郑文秀等[25]公开了一种薯类切蔓机，通过增加仿形挑秧铲的方式，进行秧蔓的输送、粉碎等一系列动作。切割刀采用横切刀和纵切刀的安装方式，保证秧蔓被及时粉碎，并通过刮板将其送到集秧箱。房增国[26]公开了一种新型薯类秧蔓切割粉碎刀组，根据不同垄体规格安装不同刀片，并调整两个抄秧刀间距离，实现秧蔓粉碎。

总结：该部分总结了国内外关于切蔓机的专利，大部分具有切蔓和碎蔓一体化功能，而这些切蔓机大多是通过刀具更新或者切蔓方法优化来提高切蔓效率的。

3 收获机

王涛等[27]公开了一种具有防缠装置的薯类收获机，解决了现有薯类收获机作业时未被粉碎的薯类秧蔓极易阻挡或悬挂在收获机前端两侧辐板上，造成机具壅土阻塞的问题。杨建飞等[28]公开了一种自走式薯类收获机，完成收获机与牵引机一体化，实现机械化收获薯类作物，同时提出液压马达与主动轴相连的方式替代原有薯类收获机齿轮与链条的连接方式，减少零件的损坏，提高收获效率。王海山等[29]公开了一种薯类收获机，安装了将薯类集聚一侧并落于地面的倾斜网板以及用于薯类表面泥土刮离的清土辊和可调节挖掘深度的挖掘机构，该发明在保证作物完整性的同时又可将作物翻出并集聚于一侧，以便后续装袋。赵萍等[30]公开了一种具有输送分离装置的薯类收获机，其输送分离装置安装倾角及转速可调节，保证在不同土壤环境下土薯混合物的有效分离及输送，提高收获质量及生产效率。Christoph Niehues等[31]公开了一种薯类收获机，在其筛分带上可以通过改进的分离装置对拣选参数进行调整，从而可以对不同的收获条件以及不同土壤结构作出更好的反应，进而获得最佳收获效率。Фpaнц-Йoзeф Дeттмep等[32]公开了一种具有分离装置的薯类收获机，通过气流完成作物与异物的相互分离，进而从石块和类似固体的混合物中收获马铃薯。CLAAS FRANCE SAS[33]公开了一种薯类收获机，其拾取装置具有适应地形拾取农作物的功能，通过独立驱动和可选择的输送机部分，可以轻松地适应不同的作物和不同的作业条件。戴文育[34]公开了一种薯类收获机，该收获机具有转盘分离机构，可分离土壤和薯类，优点是不容易造成机械损坏，不易造成土壤粘黏，马铃薯破皮率降低，使用安全。程林润等[35]公开了一种薯类收获机，解决了现有的薯类通过人力挖掘效率低下的问题，该薯类收获机能自动铲出地里的薯类，使薯类收获变得轻松高效，且挖掘铲的高度位置可调，挖掘铲的适应性更强。高国华等[36]公开了一种附带输送系统的薯类收获机，薯土分离装置倾斜角度可调节，该发明可根据不同土壤环境调节薯土分离装置倾斜角度，实用性强，环境适应性高，极大地优化收获效果。张竞博[37]公开了一种薯类收获机，其可以直接挖入垄岭，并将吞进的垄土和块根作物完成分离，达到土在下方、薯在上方成堆的效果，该收获机结构简单、制造容易、操作方便、收获效率高。胡良龙等[38]公开了一种垄顶自清理折叠式多行薯类收获机。该收获机可同时收获多垄薯类，且当需要收获机在田间转移或运输时，可通过操纵升降螺杆将两侧挖掘犁收起折叠。优点是生产效率高，方便转移运输。贾峥嵘等[39]公开了一种可调式薯类收获机，其最大特点是能根据垄的宽度、高度来调节不同的薯类垄作模式，适合不同垄作栽培模式的薯类收获，很好地解决了劳动力紧张、生产效率低下、破损率高的问题。Christoph Niehues等[40]公开了一种带有筛分机的薯类收获机，在该筛分机的分选区域中，可以借助改进的分离装置来最佳地设置改变分选参数，从而使收获机能够更好地对不同的收获条件作出反应。Kim[41]公开了一种薯类收获机，通过在中间的收集机，有效防止拖拉机在不同的山脊上进行连续挖掘作业时无法适应地形而对作物造成损害，同时保证作物收获率。Lee[42]公开了一种薯类收获机，犁装置长度可随垄的宽度改变，以调节适合于垄宽度的犁的面积，从而提供了工作上的便利，也可调节主机架的长度，目的是使其安装在拖拉机的后部时容易通过复杂地形。此外，可以根据要进行收获的数量来选择性地限制使用犁的数量，使装配更加简易便捷。盛德兰等[43]公开了一种薯类收获机，该机可减轻分离排链的承载负荷，避免泥土在分离排链上堆积，还可清除马铃薯表面的泥土，提高收获质量。于振宣等[44]公开了一种薯类收获机，可将收获后的马铃薯自动升运、输送到收集箱，并卸放成一堆，无需人工捡拾，减少人工工作量。戴文育[45]公开了一种改进型转盘式薯类收获机，该机可充分分离土壤及筛选薯类，并且能延长机器的使用寿命，减少马铃薯的破皮率，使用安全。魏学庆等[46]公开了一种薯类收获机，解决了破皮率高、清泥效果差的问题，该机结构紧凑，可在有限空间内清除马铃薯上的土块，且能将干净的马铃薯成堆收集，保证不破皮，提高了收获机的作业效率和收获效率。李亚清等[47]公开了一种薯类收获机，通过特殊设计的装置，可以在作物运输的过程中，将土壤与石头等外来物分离，大大提高作物收集率。王冰等[48]公开了一种小型杆条升运链式薯类收获机，可提升薯土分离效果，提高明薯率，调节挖掘深度，保证了作业顺畅性。董晓宁[49]公开了一种薯类收获机，能将薯块与土壤分离，并自动收集和运送到田边或路上，明薯率高，方便装袋。李鸿雁等[50]公开了一种四轮拖拉机配套使用的薯类收获机，薯土分离彻底、明薯率高、破皮率低，且落到地面的马铃薯比较集中，操作方便，结构简单。刘富萍等[51]公开了一种薯类收获机，该设备通过摩擦的方式进行薯土分离，既降低了破皮率，又有良好的薯土分离效果。输送杆组下的滚刀组可以有效清理薯根，无需人工拾捡。高波等[52]公开了一种可实现侧向输送的马铃薯收获机，该收获机可完成挖掘、输送分离和马铃薯侧向输送等作业。刘玉等[53]公开了一种三维振动的薯类收获机，提高薯土分离效果，且降低破皮率，薯土分离的筛分效率高。

总结：这一部分主要总结了国内外各种形式的收获机，主要是在薯类秧蔓已经去除的情况下进行的土薯分离和输送堆放，而这也是大多数薯类收获机所具有的功能。此类收获机基本上只能完成单一的工作，自动化程度较低。

4 智能收获机

Lee Kamp Redden等[54]公开了一种智能控制收获机，由控制系统产生动作进而使机器在田间收获作物，该控制系统以一个属于人工神经网络的执行模型为主体，该模型的作用是提高联合收割机的收割性能。Wilken Andreas等[55]公开了一种自走式智能控制收获机，其具有多个用于处理田间收割农作物的工作构件以及驾驶员辅助系统，其中驾驶员辅助系统可以存储和处理收获数据进而提高工作效率。董敬波[56]公开了一种自走式智能控制收获机，可完成马铃薯的切蔓除秧、去土、堆置以及分类等作业，该机自动化程度高，所需人工劳动力小，使用方便。

总结：该部分总结了国内外有关智能化方向的收获机，其最大特点是将收获机与人工智能和大数据联系到一起，使得薯类收获机收获效率更高、人工工作量更小、操作起来也更方便和快捷。根据上述研究结果，可见如今薯类收获机的发展已经趋向于智能化，但完全脱离人工完成工作还是远远达不到的。当下，在智能化薯类收获研究领域，仍然有一大堆空白等着研究者填补，希望不远的将来，研究者可以突破更多的智能化难题，从而更好地节省人力物力财力，推动世界农业经济发展。

5 当前和未来的发展

通过对各种薯类收获机的分类比较可以得到，要想使收获效率更高、工作量更小且操作更方便，就必须使薯类收获机朝着智能化的方向发展，将其与人工智能、互联网大数据联系到一起，这是目前薯类收获机的发展趋势。普通的收获机已经无法满足如今快速发展的时代的需要，而智能控制薯类收获机才是未来薯类收获中应用的主要机械。