微耕機(jī)耕深顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙　進(jìn)，何培祥，李慶東，蔣　猛，康　杰，劉宏博，朱康熹

(西南大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，重慶　400715)

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微耕機(jī)耕深顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙進(jìn)，何培祥，李慶東，蔣猛，康杰，劉宏博，朱康熹

(西南大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，重慶400715)

摘要：耕作深度的穩(wěn)定性在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)起重要的作用。為微耕機(jī)耕作深度穩(wěn)定的問題，設(shè)計(jì)了微耕機(jī)的耕深顯示系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)顯示耕作深度的值，為操作者提供參考。該系統(tǒng)主要由探測(cè)器、控制器和顯示界面組成，通過耕深顯示系統(tǒng)顯示深度的穩(wěn)定系數(shù)的變化。其田間測(cè)試穩(wěn)定系數(shù)可從11.6%下降到5.8%，證明了耕深顯示系統(tǒng)對(duì)未來微型耕耘設(shè)計(jì)的重要意義。

關(guān)鍵詞：微耕機(jī)；耕深顯示；耕作質(zhì)量；角度傳感器

0引言

在我國(guó)的西南地區(qū)，土地主要以丘陵山地為主，種植面積小而分散，隨著農(nóng)機(jī)化水平的逐漸提高，微耕機(jī)已廣泛用于我國(guó)西南部的丘陵山地地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。在工作過程中，可靠的耕作深度在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)起到重要的作用。目前，操作者不能夠?qū)崟r(shí)知道耕作深度，控制耕作深度完全取決于經(jīng)驗(yàn)，這種方法很不科學(xué)，結(jié)果導(dǎo)致耕作深度不穩(wěn)定，通常不能達(dá)到在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中所需要的耕深。因此，微耕機(jī)上應(yīng)有耕作深度的實(shí)時(shí)顯示，以提高耕作深度的穩(wěn)定性。

耕作深度實(shí)時(shí)顯示在拖拉機(jī)的應(yīng)用可以找到豐富的研究?jī)?nèi)容。2013年，謝斌等提出了基于傾角傳感器的拖拉機(jī)懸掛機(jī)組耕深自動(dòng)測(cè)量方法，通過提升臂的水平傾角變化，由懸掛機(jī)構(gòu)幾何關(guān)系和傾角傳感器輸出特性推出耕深值與測(cè)量電壓值之間的線性關(guān)系，并換算得到實(shí)際耕深[1]。2001年，國(guó)外Duraira在懸掛式農(nóng)具耕作深度進(jìn)行了相關(guān)的研究。但國(guó)內(nèi)外很少有專家與學(xué)者對(duì)微耕機(jī)做相應(yīng)的研究，有作者提出微耕機(jī)深度輔助控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[2]。2015年，李博等在微耕機(jī)耕深控制方面進(jìn)行相關(guān)研究，檢測(cè)了微耕機(jī)的角度傳感器角度變化，通過相應(yīng)的算法自動(dòng)控制微耕機(jī)的耕作深度[3]，但沒有在耕作深度顯示方面做深入研究。目前，國(guó)內(nèi)外較少有集中于研究微耕機(jī)耕深顯示的文獻(xiàn)。考慮到實(shí)際應(yīng)用和科學(xué)研究的空白，耕深顯示系統(tǒng)是一種很有前途的研究方向。耕深顯示系統(tǒng)的主要特點(diǎn)：一是實(shí)時(shí)顯示耕作深度為操作者參考；二是耕深顯示系統(tǒng)可以安裝在各種微耕機(jī)上。

1材料與方法

1.1　裝置結(jié)構(gòu)

耕深顯示系統(tǒng)在微耕機(jī)上的安裝示意圖如圖1所示。

圖1　微耕機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)圖

其主要由檢測(cè)模塊和顯示模塊兩部分組成，包括探測(cè)器、電池及顯示接口控制器。探測(cè)器包括滑動(dòng)板、框架和角度傳感器，安裝在阻力桿的一側(cè)。角度傳感器固定在微耕機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)軸與支架連接，滑動(dòng)板有足夠的厚度和寬度可靠地密切接觸土壤表面，如圖2所示。

圖2　耕深顯示系統(tǒng)安裝示意圖

采用間接測(cè)量的方法來檢測(cè)裝置的變化，從而得出耕作深度。檢測(cè)裝置以角度傳感器作為檢測(cè)元器件，框架一端通過角度傳感器與微耕機(jī)相連，另一端與滑動(dòng)板鉸鏈；通過檢測(cè)框架與微耕機(jī)之間的角度，利用幾何相關(guān)知識(shí)建立角度與耕作深度之間的數(shù)學(xué)模型，通過顯示器實(shí)時(shí)顯示耕作深度。其電路集成程度可靠，安裝和維護(hù)較方便。

當(dāng)旋轉(zhuǎn)葉片切割土壤時(shí)，框架固定在軸的角度傳感器和滑動(dòng)板的滑動(dòng)面上，以適應(yīng)可變耕作深度。同時(shí)，角度傳感器把它旋轉(zhuǎn)角度對(duì)應(yīng)的電信號(hào)傳送給控制器，操作者通過顯示器掌握耕作的深度。

1.2　檢測(cè)方法

角度傳感器依據(jù)慣性原理測(cè)量載體傾斜狀態(tài)，在重力場(chǎng)范圍內(nèi)保持其垂直向下的方向特性。BL50系列單圈絕對(duì)式角度傳感器，采用變壓器原理測(cè)角，無(wú)觸點(diǎn)、長(zhǎng)壽命，具有其它類原理測(cè)角無(wú)可比擬的可靠性和靈敏性。同時(shí)，具有高精度、高可靠性、跟蹤速度快、耐高低溫、防水、防塵及腐蝕性氣體、抗振動(dòng)、抗強(qiáng)電磁干擾等特點(diǎn)。

這項(xiàng)研究中，通過系統(tǒng)標(biāo)定校準(zhǔn)角度傳感器的輸出電壓，從而校核角度傳感器和相應(yīng)的切割深度之間

的關(guān)系。系統(tǒng)標(biāo)定是在試驗(yàn)中進(jìn)行添加校準(zhǔn)，滑塊從0～130mm耕作深度的變化，如圖3所示。該角度傳感器的標(biāo)定曲線通過擬合曲線得到，從而建立了變換方程為

(1)

其中，hDE為耕作深度(mm)；Vout為角度傳感器輸出電壓(V)。

圖3　角度傳感器校準(zhǔn)曲線

通過采樣后角度傳感器的輸出電壓值，控制器可以從式(1)計(jì)算相應(yīng)的耕作深度；然后，操作者通過顯示界面看到耕作深度的值。接口顯示有4個(gè)LED數(shù)碼管及其外圍電路，如圖4所示。顯示界面以適當(dāng)?shù)乃⑿侣?，可靠地顯示實(shí)時(shí)切割深度。

接口顯示模塊采用PIC16F877單片機(jī)，內(nèi)部集成A/D轉(zhuǎn)換模塊、CCP模塊及USART模塊等。顯示屏采用超扭曲向列型液晶顯示屏(STN)，功耗小，使野外作業(yè)省電。檢測(cè)電路主要由角度傳感器組成，在耕作過程中，耕作深度的變化通過角度傳感器輸送給單片機(jī)；單片機(jī)處理后把相應(yīng)的耕作深度顯示在顯示屏上，操作者根據(jù)顯示值調(diào)整微耕機(jī)的耕作深度，從而達(dá)到穩(wěn)定耕作深度。

圖4　接口顯示電路圖

2田間試驗(yàn)

本研究進(jìn)行了有耕深顯示系統(tǒng)輔助和無(wú)耕深顯示系統(tǒng)輔助之間的對(duì)比試驗(yàn)，耕作深度每0.5m測(cè)量1次。測(cè)量結(jié)果處理后繪制耕作深度變化趨勢(shì)折線圖，如圖5、圖6及表1所示。

在農(nóng)業(yè)機(jī)械耕作的土地，用深度穩(wěn)定性差異系數(shù)表示耕作深度沿耕作方向的差異程度。該系數(shù)指的是耕地過程中沿耕作方向作業(yè)機(jī)具對(duì)規(guī)定耕深變化的程度，通常用于描繪耕作效果。該系數(shù)計(jì)算式為

(2)

其中，V為差異系數(shù)深度穩(wěn)定性(%)；S為耕作深度的標(biāo)準(zhǔn)偏差(mm)；X為平均耕作深度(mm)；S從方程(3)得到。

(3)

其中，xi為每個(gè)測(cè)量的耕作深度(mm)，i=1、2、3……，n；X為平均耕作深度(mm)；n為測(cè)量值。

采用SR1Z-100型微耕機(jī)在含水量在20%~30%小麥田間試驗(yàn)，其最大波動(dòng)為50～70mm。

圖5　耕作深度的測(cè)量與耕深顯示系統(tǒng)曲線

圖6　無(wú)耕深顯示系統(tǒng)耕作深度測(cè)量曲線

耕深顯示系統(tǒng)輔助操作裝置操作距離/m平均耕作深度/mm標(biāo)準(zhǔn)偏差/mm差異系數(shù)/%土壤類型Y1257.35.8Ⅰ50壤土N11212.911.6

3結(jié)果與討論

由圖5可以看出：耕深顯示系統(tǒng)顯示的值與實(shí)際測(cè)量值之間的誤差較小，測(cè)量值與顯示值之間的相對(duì)平均誤差2.8%，最高7.2%。除了人工測(cè)量的誤差，主要原因是土地變化，因?yàn)榛瑒?dòng)板直接接觸土壤表面，土地表面的平整直接影響角度傳感器的變化，微耕機(jī)耕作過程中強(qiáng)烈的振動(dòng)下測(cè)量數(shù)據(jù)變化振幅較大，本文采用的處理方法不足以完全抑制這種影響。無(wú)耕深顯示系統(tǒng)輔助的微耕機(jī)耕作的耕作深度變化相對(duì)較大，平均耕作深度比有耕深顯示系統(tǒng)輔助的耕作深度淺13mm。兩者相比，有耕深顯示系統(tǒng)輔助耕作深度控制更可靠，標(biāo)準(zhǔn)偏差從12.9mm下降到7.3mm(見表1)，差異系數(shù)深度穩(wěn)定性從11.6%下降至5.8%，可滿足農(nóng)藝要求。

4結(jié)論

介紹了提高微耕機(jī)耕作質(zhì)量耕深顯示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。操作者可以根據(jù)耕深顯示系統(tǒng)調(diào)整微耕機(jī)的耕深達(dá)到理想的耕作深度。試驗(yàn)結(jié)果表明：耕深顯示系統(tǒng)有助于提高微耕機(jī)耕作深度的穩(wěn)定性性，提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的耕作效率，在未來微耕機(jī)的設(shè)計(jì)與研究具有一定的借鑒意義。

田間試驗(yàn)表明：該方法檢測(cè)耕作深度的精度不高，不能準(zhǔn)確檢測(cè)土壤的耕作深度，需要進(jìn)一步探索和驗(yàn)證，尋求檢測(cè)耕作深度適應(yīng)力更強(qiáng)、更可靠的檢測(cè)方法。

參考文獻(xiàn)：

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Design of Depth Display System for Micro-tiller

Zhao Jin, He Peixiang, Li Qingdong, Jiang Meng, Kang Jie, Liu Hongbo, Zhu Kangxi

(College of Engineering and Technology,Southwest University,Chongqing 400715,China)

Abstract：Stability of tillage depth plays an important role in agricultural production. But in the actual production, depth of the tillage is enormously unstable. In order to improve the micro tillage plowing quality, design of depth display system for micro- tiller in this paper, by showing the real-time value of tillage depth,it could provide a reference for the operator. The system consists of a detector, controller and display interface. With assist of depth display system, variability coefficient of depth stability decreased from 11.6% to 5.8% in field tests. That could prove The significance of depth display system in future micro-cultivator design.

Key words：micro-tiller; tillage depth display; cultivation quality; angle sensor

中圖分類號(hào)：S222.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-188X(2016)10-0083-04

作者簡(jiǎn)介：趙進(jìn)(1990-)，男，貴州遵義人，碩士研究生，(E-mail)392116099@qq.com。通訊作者：何培祥(1965-)，男，四川廣安人，教授，碩士生導(dǎo)師，(E-mail)zhaojinswu@163.com。

基金項(xiàng)目：重慶市科委應(yīng)用開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(CSTC2013yykfa80003)；科技部中小企業(yè)創(chuàng)新基金項(xiàng)目(13C26215115108)

收稿日期：2015-09-11