土壤作为农作物生产中重要的基础环境,能够快速、准确地获取其机械物理特性及微地貌参数对于土壤耕整部件设计,评价耕整机具作业效果具有重要的意义。本文针对传统原位土壤测量仪器使用复杂,人工测量劳动强度大,缺乏集成多种土壤机械物理特性及微地貌参数测量功能的装置等现实问题,开展了农田土壤机械物理特性及微地貌测量装置设计与试验。设计了一种适用于农田土壤行驶的四轮驱动-差速转向底盘作为移动平台,在此平台上搭载了组合式土壤参数测量系统和地表微地貌测量系统,对两个测量系统基本结构及其工作原理进行了设计与分析,开发设计了与移动平台及两测量系统相配套的电控系统,并通过开展田间试验,对农田土壤机械物理特性及微地貌测量装置实际作业效果进行了验证,具体研究结论如下:（1）确定了农田土壤机械物理特性及微地貌测量装置总体结构及其工作原理。基于土壤机械物理特性以及装置设计要求,确定了装置总体结构组成、工作原理及主要技术参数。装置主要包括农田移动平台、组合式土壤参数测量系统、地表微地貌测量系统及电控系统。测量作业时,农田移动平台用于搭载组合式土壤参数测量系统和地表微地貌测量系统,在电控系统控制下,行走至目标位置。组合式土壤参数测量系统用于测量土壤坚实度、土壤含水率、土壤内摩擦角与土壤粘聚力等土壤剪切强度相关参数;地表微地貌测量系统用于测量耕整后地表平整度、畦沟沟形及垄面轮廓等几何特征参数。组合式土壤参数测量系统最大测量深度为150mm,地表微地貌测量系统标准扫描面积为1m~2。（2）设计确定了农田移动平台及其关键部件结构与关键参数。农田移动平台主要包括车身、悬挂避振部件、驱动系统和车轮。确定了四轮独立驱动-差速转向的驱动转向方式并对移动平台总体结构进行了设计,主要技术参数中外形尺寸为780×500×350mm,车体重量为35kg,爬坡角度为20°。设计了一种平行四边形悬挂避震部件,根据避震模型计算选取弹性系数为100lbs/in的弹簧避震器。利用离散元仿真手段,对车轮关键参数进行分析,以车轮直径、车轮宽度、轮齿高度为试验因素,以车轮阻力矩为试验指标开展BBD仿真试验,得出车轮最优参数组合为车轮直径350mm、车轮宽度120mm、轮齿高度10mm。对移动平台驱动力进行分析计算,得出电机所需扭矩为14.54N·m。（3）开展了组合式土壤参数测量系统结构设计。组合式土壤参数测量系统主要包括圆锥渗透部件和土壤含水率测量部件及连接部件。分析了土壤坚实度测量原理,开展了圆锥渗透部件结构设计,对其中拉压力传感器与薄膜压力传感器进行了选型及标定,垂直加载力与拉压力传感器输出信号的拟合系数达0.999,水平加载力与薄膜压力传感器输出信号的拟合系数为0.971。开展了土壤含水率测量部件结构设计,对土壤含水率传感器进行选型及标定工作,土壤含水率传感器与土壤质量含水率的关系拟合系数达到0.950。开展了关于土壤内摩擦角及粘聚力的土壤剪切强度相关参数建模研究,以垂直阻力、水平阻力和土壤含水率为输入层变量,以内摩擦角和粘聚力为输出层变量,采用BP神经网络算法进行了预测模型构建,分别对于内摩擦角与粘聚力构建预测模型,验证集预测结果分别为~2=0.96与~2=0.89。（4）研制了地表微地貌测量系统。该系统结构主要由激光雷达、电动推杆和滚珠丝杆滑台组成,工作原理为调节激光雷达至适宜高度后电动推杆驱动激光雷达以线扫描方式开始对待测地表进行采样。激光雷达扫描视野范围设置为90°,扫描角度分辨率设定为0.25°,扫描频率设定为50Hz;为消除系统误差,在11种测量高度下通过均值滤波进行了系统误差补偿处理并开展了补偿后精度验证,各个高度下最大绝对误差为2.85mm,最大平均绝对误差为1.21mm,为消除车体前后倾斜导致的倾斜误差,构建了倾斜误差补偿模型。（5）设计了农田土壤机械物理特性及微地貌测量装置电控系统。主要有行驶电控系统与测量电控系统两部分组成。对行驶电控系统总体控制方案进行了分析,设计了其硬件电路原理图及软件系统程序。确定了微控制器、电机驱动模块以及遥控模块型号。对四轮驱动运动学逆解函数与PID速度闭环控制函数进行了设计,确定了6)为0.2、6)4)为0.42、6)(（9）为0.008;对测量电控系统总体控制方案进行了分析,设计了其硬件电路原理图及软件系统程序。确定了微控制器模块、蓝牙模块型号。对两测量系统中三路步进电机驱动模块、组合式土壤参数测量系统测量函数、激光雷达扫描函数等重要模块进行了设计,并开展了微信小程序上位机软件设计。（6）开展了田间试验研究,验证农田土壤机械物理特性及微地貌测量装置作业效果。通过田间试验检验装置行驶性能与测量性能。行驶性能试验结果表明:装置行驶偏移率约为0.882%,通过在四种实际工况进行移动性能测试,装置能够在多种复杂环境下顺利行驶,最大爬坡角度约为20°,能够跨越最大垄沟深度为120mm;测量性能试验结果表明:组合式土壤参数测量系统能够有效测量土壤坚实度和土壤含水率,平均相对误差分别为5.84%和3.99%,结合土壤剪切强度参数数学模型,能够对土壤内摩擦角和粘聚力进行有效计算,平均相对误差分别为8.20%和10.40%。地表微地貌测量系统能够有效检测厢面平整度、畦沟沟形等地表几何特征,对厢面平整度相关参数的平均相对误差为4.41%,对沟形特征参数的平均相对误差为2.51%。