作者：王瑞 龙昊 赖皓雨 唐文轩
摘要：随着农业现代化进程的不断深入推进，加强农业机械化生产已经成为提高农业生产效率、加快实现农业现代化的重要手段。近年来，微型耕地机以较低的价格优势和灵活的操作实用性在我国得到广泛的推广和应用。一方面，微型耕地机一定程度上减轻了农牧民的劳动作业负担，提高了生产效率；但另一方面，由于微耕机操作不当而导致的安全事故频发。本文将以市场现有的微型耕地机作为研究对象，针对目前市场上现有微耕机稳定性差易侧翻、未安装刀具保护罩安全隐患大、适应复杂地形条件能力差等问题进行深入研究分析,改进了目前微耕机的部分设计，力求提升农机的使用安全性。
关键词： 微型耕地机；农机使用安全；农业机械化；农业现代化
Research on Construction of Safety System for Two-Wheel Drive Micro tiller
WANG Rui LONGHao LAI HaoYu TANG WenXuan
（Southwest Petroleum University,Nanchong， 637001)
Abstract：With the advancement of agricultural modernization,Strengthening theagricultural mechanization production has become the most important ways to help to improve the agricultural production efficiency and accelerate the agricultural modernization speed.In recent years, The Micro tiller has been promoted and applied widely in China with its lowcost and practicality of flexible operation advantages.Onone side, the use of Micro tiller alleviates the workloads for farmers and herdsmen, improves the agricultural production efficiency,On the other side, safetyaccidents caused by manual operation failures happen regularly.This paper observed the micro tiller on the market at present, researching the micro tiller’s problems of inferior stability,great potential safety hazard,andbad terrain adaptability,and improved some part of designations for micro tiller, aims to improve the use safety.
Keywords：micro tiller；safe use of agricultural machinery；agricultural mechanization；agricultural modernization
引 言
微型耕地机也被称为“万能管理机”。该机器的配套机具数量众多，可达二十余种，能够完成四十余种的农田作业。微型耕地机可分为独轮、双轮两种，主要由机架、可调节高低扶手、动力驱动装置（主要以柴油机和汽油机为主）、变速箱、齿轮、链轨、挡板等器械部分组成。由于组装微耕机应用的器械自重较轻，所以微耕机具有自重轻、相对功率大、耗能低、机动性强、操作灵活便捷、便携等特点。
我国山区地形面积广大，地势崎岖不平，交通不便，一定程度上限制了农业现代化技术的发展与应用。近年来，微型耕作机以其低廉的使用成本、灵活的操作实用性、自重轻便于携带等优势在地势起伏较为平缓的山地和丘陵地区得到了广泛的推广和应用。但与此同时，因微型耕地机操作不当，而导致的伤人事件也层出不穷。如何增强微耕机使用的稳定性、安全性，保护使用者的生命安全一直是国内外农机制造领域需要解决的重要问题。
本文以市场现有的微型耕地机类型作为研究对象，发现微耕机存在旋耕防护罩不牢固、覆盖宽度不够、旋耕刀等旋转部件旁未有永久性警告标识、易缠绕操作手衣裤造成安全事故、倒挡齿轮设计不合理、倒车速度太快、操作手被推倒造成安全事故；微耕机扶手尺寸设计不合理，未能有效隔离操作手或保证操作手与旋转部件的安全距离，操作手的脚易误入刀辊，造成伤害；未设计紧急停机保护装置或设计不合理。目前市面上的大部分微耕机都设计有紧急停车保护装置，发生事故时操作手的手离开扶手就能马上停机，有效保护操作手安全。但还有部分厂家未设计保护装置，甚至有的微耕机虽有保护装置但发生事故时却不能弹开停机，容易对操作手及周边人员造成伤害。鉴于以上情况，我们提出了构建微耕机使用安全系统（Micro -Tiller Protective System，简称 “MTPS”。）以减少微型耕地机的使用安全隐患的创新性构想。
一、绪 论
1.1微型耕地机发展概况
1.1.1 传统微型耕地机应用背景
目前，我国的农业发展主要是以家庭为主，耕织地较小，因地方区域的多样性，有各种起伏不平的山丘和山区的耕地面积较多，不适用大型的耕地机 ，相比之下，微耕机就是实现这类地域的重要手段。
微耕机主要以小型柴油机或机油机为动力，现如今市面上也出现了以新能源为动力的微耕机。传统动力和以新能源为动力的微耕机，都具有质量小、易携带、结构简单等特点，广泛用于平原、丘陵等地区。由于微耕机可以灵活地在田间自由行驶，便于使用者操作和存放，有效地解决了大型农耕机械不能用于颠簸土地的烦恼，成为广大农民的首要选择。
1.1.2 传统微型耕地机分类
传统耕地机按照功率的大小不同分为小型、中型、大型三类类型的微耕机。
小型微耕机是指功率在4.5KW以下的机型。小型的微耕机相比其它两种的优点在于，整机质量轻、体型小，操作灵活。主要作用于低矮作物的开沟、种植作业等。
中型微耕机是指功率在4.5-6.0KW之间的机型。中型的微耕机相比其它两种，它的变速档位比较多，设有一档、二挡、三挡和倒退一档，再加上控制发动机油门速度，可得到不同的速度。主要适用于较大面积的菜地、果林等。
大型微耕机是指功率在6.0-7.5KW之间的机型。大型的微耕机只有一个档位，前进二挡和倒退一档。大型微耕机一般适用于在中型地块（如山丘）耕作，可进行深土就业。
1.1.3 微耕机现存问题
目前，微耕机缺陷仍在，虽然当今市面上的品牌较多，但其结构都比较相似，没有太大的区别。结合近几年的耕地机使用发生的安全事故案例，可以发现安全因素在微耕机缺陷中占有较大部分。其中有以下几个方面：
①微耕机的稳定性差，易侧翻
因微耕机的体型小、质量小、结构设计等方面，在较为颠簸耕地上运作时，容易被刨出来的土壤、机耕后的土地地形和操作员的操作失误所影响。微耕机扶手尺寸设计不合理，未能够有效地保证操作手与工作零件的安全距离，容易造成操作手把握不稳而造成侧翻。
②未安装刀具保护罩安全隐患大
因微耕机的结构设计和操作者的安全意识淡薄，在操作过程中，容易造成缠绕操作手和其他人员人身的安全事故。操作者在斜坡、石头较多的田地，无视周围环境及在发动机运行时强行转移，容易造成刨物飞溅、人员受伤的安全事故。同时，操作人员在未观察耕机的前提下直接更换刀具，也会造成安全事故。
③地形适应能力条件差
部分微耕机有后轮设计和无后轮设计两种。笔者认为，无后轮设计的微耕机应当添加后轮。有后轮设计的微耕机，应在此基础上，配套适用于不同地形型号的后轮，依次更好地适应不同地形。
1.2耕地机安全系统研究
1.2.1耕地机使用安全性概述
近年来，微型耕地机已成为农民开展农事活动必不可少的工具之一。现如今，微耕机的使用遍布全国，尤其是对于小块种植区、山区丘陵种植地带、密集作物种植环境等，轻便型的微耕机无疑是最适合的选择。传统微耕机的基本使用原理与手扶拖拉机的旋耕机类似，但在作业稳定性上却远远不及手扶式拖拉机。微耕机在市场受到广泛欢迎的主要原因是：自重轻，体积量小，结构简单，操作相对便捷，易维修，工作稳定性高，使用寿命长。
传统微耕机的使用具有一定的操作隐患。一旦微耕机使用不当，会造成严重的操作人员伤亡。因此，提高微耕机使用的稳定性、保障使用者的生命安全是目前传统微耕机面临的主要挑战
1.2.2微型耕地机安全隐患分析
目前，市面上售卖的微耕机虽然品牌较多，但其设计结构与设计原理都大体一致。从近几年的微耕机事故分析来看，其主要的安全隐患具备有以下共性特征。
微耕机的旋耕防护罩不牢固、覆盖宽度不够、旋耕刀等旋转部件旁未标明永久警告标识。如图1-1所示，由于市场监管标准不够严格，零售微耕机往往以裸机形式出售，缺少必要的安全警示标志。
图1-1传统微耕机裸机未安装警示标志
2.如图1-2所示，微耕机扶手尺寸设计不合理，未能有效隔离操作手或保证操作手与旋转部件有一定的安全距离，操作手的脚容易误入刀辊，造成伤害。
图1-2传统微耕机扶手尺寸设计不合理
3.在斜坡区域作业，斜坡坡度过大时，不注意控制机器平衡，机器侧翻会造成人员伤亡。
图1-3 传统微耕机侧翻事故
4.安全意识淡薄，操作不规范。从近年报道处理的微耕机安全事故来看，大多数都是由于操作手缺乏安全意识、违规操作引发。
1.3.3 传统微耕机设计升级改进建议
1.将传统微耕机的雷达升级为红外测距装置。红外测距装置通过由信号处理器处理的红外光反射信号来计算微耕机距地距离，并检测安全信号。当距离超过一定数值，微耕机倾斜角度就过大，导致微耕机有侧翻的危险。
2.增添新型信息传递平台。在红外测距装置检测距离后，利用新型信息平台传输、处理信号，通过语音播报警告操作手有侧翻危险。
3.建设信息处理机构。信号反馈装置能感知外部传输的信号、判断和筛选传输的信号、根据处理结果进行运动反馈。如果感应装置检测到操作手的命令没有被正确执行，就通过语音通知，并且在达到一定程度后紧急停止。
二、新型微型耕地机安全系统结构组成
2.1新型信息传输平台
常见的信息传输方式有基带传输、频带传输、载波传输、异步传输模式。。
基带传输是最基本的数据传输方式，即直接在数字通信信道上传输数据，不包括任何调制。语言、图像等信息不适合基带传输。传输基带时，通常对数字信号进行一定的编码。数据编码有三种常用方法：非归零码nrz、曼彻斯特编码和差动曼彻斯特编码。后两种编码不含直流分量，包括时钟脉冲，便于双方自同步，因此得到了广泛的应用。
频带传输是一种调制解调技术的传输形式。在发送端，采用调制手段对数字信号进行表数据的二进制“1”和“0”转换为具有一定频带范围的模拟信号，以适应模拟信道上的传输；在接收端，模拟调制信号复原为“1”或“0”。常用的调制方法有：频率调制、振幅调制和相位调制。具有调制解调功能的装置称为调制解调器。频带传输复杂，传输距离长。
载波传输使数字信号在有限带宽的高频通道中传输，并调制数字信号。就像传输模拟信号一样，传输数字信号有三种基本的调制方法：范围键控制、频移键控制和相移键控制。它们对应于载波（正弦波）的幅度、频率和相位来传输数字基带信号，可以看作是模拟线性调制和角度调制的特殊情况。
异步传输模式支持多媒体通信，包括数据、语音、视频信号等数字信息的传输和交换，按需分配带宽，具有低延迟特性，速率可达数g/s，是集时间交换与统计复用于一体、面向连接，分组长度固定的高速传输模式。异步传输首先将信息切割成块，并在块前添加信头（包括地址、丢失优先级等控制信息），形成信元（cell）固定长度的信元定期出现，结合了线路传输模式和分组传输模式的优点，因此可以用硬件高速识别和交换信头。
信息传输是微型耕地机安全系统的核心组成部分。对比以上多种信息传输方式，？种信息传输方式是微型耕地机信息传输方式的最佳选择。
2.2信息处理机构建设
耕地机安全系统需要数字信号处理器作为反馈装置。反馈装置的第一步是感知外部传输的信息，第二步是判断和筛选传输的信息，第三步是根据处理结果进行运动反馈。目前，数字处理器主要分为定点数字信号处理器和浮点数字信号处理器。在定点数字信号处理器中，每个数字至少可以用16位指定，即使可以用不同的长度，也可以用不同的模式表示。浮点数字信号处理器主要使用至少32位存储每个值，浮点信号处理器的显著特点是符号间距不均匀。浮点数字信号处理器可以简单地处理固定点数，这是实现从模数转换器接收和传输到数模转换器的计数器和信号的要求。
2.3 驱动器与动力源创新
系统安全做出相关反馈动作的动力机制称为驱动力。根据能量转换方式，驱动可分为电驱动、气动驱动、液压驱动和新型驱动。储能是移动机械技术的一大难点，续航能力是农业机械急需解决的问题。
2.4 感知设备
微型耕地机安全系统检测目标安全信号的主要方式是通过摄像头采集图像。相机可分为单目、双目、多目、RGB-D深度相机等。激光雷达借助电磁波探测目标，抗干扰性好，分辨率高，应用广泛。典型的激光雷达是美国的Velodyne雷达。红外距离测量装置通过由信号处理器处理的红外光的反射信号来计算物体的距离，并检测安全信号。
三、总结与展望
微耕机是现代农业生产过程中的一种重要机械，将能有效提高现代农业生产效率。当前，微型耕地机的推广虽然取得了一定成效但在维稳和保障安全性等方面还存在有不足。
团队通过对传统耕地机的设计结构进行创新，在传统的耕地机设备上搭载全新的 “MTPS”安全使用系统以提高传统耕地机的使用稳定性和使用安全性。
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