激光平地機(jī)自動(dòng)調(diào)平控制系統(tǒng)的研制

楊青豐 尚業(yè)華 劉思雨

摘要 現(xiàn)有的激光平地機(jī)對平地鏟只有高程控制而沒有水平平衡控制。分析了當(dāng)前激光平地機(jī)在不平整地面上工作的缺點(diǎn)，提出了一種自調(diào)平控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)激光平地機(jī)水平方向上自調(diào)平控制，改進(jìn)與提高其平整精度和效率。當(dāng)激光平地機(jī)在斜坡上工作時(shí)，使用該系統(tǒng)可自動(dòng)保持農(nóng)具平衡。實(shí)時(shí)傾角通過固定機(jī)具中心的傾角傳感器獲得，控制器將根據(jù)實(shí)時(shí)傾角來驅(qū)動(dòng)電磁閥，控制油缸動(dòng)作，使得機(jī)具實(shí)現(xiàn)自調(diào)平控制；同時(shí)對其進(jìn)行靜態(tài)試驗(yàn)和動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，通過數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)能有效提高土地作業(yè)的穩(wěn)定性。最終得出該系統(tǒng)相對于常規(guī)的激光平地機(jī)地塊平整前后的絕對改善度提高了50.0%，相對改善度提高了18.6%，土地誤差水平小于1.0%。

關(guān)鍵詞 激光平地機(jī)；自動(dòng)調(diào)平控制；傾斜角；穩(wěn)定性

中圖分類號(hào) S129；O311.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2017）34-0218-04

Abstract The problem of attitude control of the ground shovel must be solved，that is to maintain the horizontal balance control.As the existing trailing laser graders have only height control of the ground shovel without horizontal balance control.This article analyzes the shortcomings of the current laser graders working on uneven ground，a selfleveling control system to realize the selfleveling control in the horizontal direction of the laser grader，to improve its leveling accuracy and efficiency.When the laser grader works on a slope，the system automatically maintains the balance of the farm.The real dip is obtained by means of a fixed tool center gyroscope sensor，while the controller will drive the solenoid valve according to the real angle.So that elevation and level control at the same time，and its measurement accuracy of static and dynamic test and analysis，effectively improve the stability of land operations.Making the land area before and after the absolute improvement of 50.0%，relative improvement increased by 18.6%，land error level of less than 1.0%.

Key words Laser leveling machine； Selfbalancing adjustment control； Angle of inclination； Stability

激光平地機(jī)作為農(nóng)業(yè)科技新產(chǎn)品，它融合了激光技術(shù)和液壓技術(shù)，越來越廣泛地應(yīng)用于我國的平地作業(yè)中。該技術(shù)可有效地提高土地平整度，提高用水灌溉率，是當(dāng)前主流推廣的節(jié)水技術(shù)之一。目前，大多激光平地機(jī)都基本上能夠?qū)崿F(xiàn)平地鏟高度方向上的控制即高程控制[1-5]，但水平方向上的左右平衡控制研究較少。往往實(shí)際作業(yè)中，由于土地地塊的大小不一、坡度較大、高低起伏等因素，容易導(dǎo)致拖拉機(jī)左右輪水平落差較大，使得拖拉機(jī)機(jī)身傾斜，帶動(dòng)平地機(jī)具左右搖擺，在水平方向上不能始終保持平衡，使得土地作業(yè)質(zhì)量達(dá)不到規(guī)定的要求[6]。激光平地機(jī)在水田平整作業(yè)時(shí)，水田激光平地系統(tǒng)只能控制高程，而不能保證水平平衡控制，作業(yè)后的田面平整度達(dá)不到南方水稻等作物的種植要求[7-9]。激光平地機(jī)在旱地進(jìn)行平地作業(yè)時(shí)，會(huì)遇到地面局部坡度較大的情況，在斜坡上平地鏟不能保持水平平衡狀態(tài)，從而鏟出各種斜坡，不符合土地精細(xì)平整作業(yè)的要求。在此情況下，筆者使用了傾角傳感器，來實(shí)時(shí)采集平地鏟作業(yè)時(shí)產(chǎn)生的傾角，并通過調(diào)節(jié)油缸來使平地鏟始終保持水平，大大提高了土地的平整情況[10]。

在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的要求中，提高土地平整作業(yè)質(zhì)量是不可或缺的。李慶等[9]設(shè)計(jì)了一種配置阻尼油結(jié)構(gòu)的傾角傳感器的水田激光平地機(jī)；趙祚喜等[8，11-14]設(shè)計(jì)了基于MEMS慣性傳感器融合算法的水田激光平地機(jī)控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)在南方水田平地作業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，同時(shí)也取得了良好的效益。但MEMS慣性傳感器融合算法[8]仍然不是很準(zhǔn)確，并且容易受到高程控制系統(tǒng)和水平液壓油缸調(diào)節(jié)的影響[14]，使得二者不能同時(shí)進(jìn)行。傳感器系統(tǒng)往往直接安裝在平地鏟上，安裝較困難，振動(dòng)性大，實(shí)際操作還是不理想。因此，為了提高平地作業(yè)質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)激光平地機(jī)水平方向上自調(diào)平控制，筆者采用了主流的現(xiàn)代自動(dòng)化控制技術(shù)和傳感器技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種通用型激光平地機(jī)自動(dòng)調(diào)平控制系統(tǒng)。節(jié)流閥的使用和雙缸控制代替三點(diǎn)懸掛的新液壓結(jié)構(gòu)大大提高了其穩(wěn)定性，滿足土地精準(zhǔn)作業(yè)的要求。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該研究設(shè)計(jì)的帶自調(diào)平控制系統(tǒng)的激光平地機(jī)主要由激光發(fā)射器、激光接收器、控制器、傾角傳感器、液壓系統(tǒng)和平地鏟等組成。主要工作原理是：激光發(fā)射器、激光接收器將平地機(jī)鏟位置與地面高程的狀態(tài)信息傳遞給控制器（高程控制）；與此同時(shí)姿態(tài)傳感器會(huì)將平地鏟的水平姿態(tài)程度和它自身的傾斜程度實(shí)時(shí)反饋給控制器（水平控制）；控制器接收到這兩路信號(hào)，通過三位四通電磁閥直接控制液壓系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)平地鏟的水平和高程升降同時(shí)控制。該高程控制和水平控制合二為一的控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖如圖1所示。

1.1 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該研究采用液壓雙缸直連機(jī)具結(jié)構(gòu)替代了傳統(tǒng)的懸掛提升桿結(jié)構(gòu)，使得平地機(jī)具平地范圍更大，平地效果更加明顯。同時(shí)使用了節(jié)流閥控制油液流量，使得平地鏟升降調(diào)節(jié)速度可控，避免了平地過程中機(jī)具驟升驟降的情形，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和土地的作業(yè)質(zhì)量。該液壓系統(tǒng)主要是通過控制閥來改變油液的流向和流量，從而驅(qū)動(dòng)油缸的伸縮。由于該研究的油缸與平地鏟是直接相連的，所以能直接控制平地鏟的提升和下降。故設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)能夠滿足平地鏟機(jī)械左右提升和下降的動(dòng)作需求，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)田土地的精細(xì)平整。該研究設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)包括泵源、溢流閥、節(jié)流閥、壓力表、液壓缸、電磁閥組和液壓管路等其他液壓原件構(gòu)成，該液壓系統(tǒng)的原理圖如圖2所示。

液壓系統(tǒng)的工作原理是：在平整土地的過程中，當(dāng)平地鏟比水平基準(zhǔn)平面高時(shí)，三位四通電磁閥的左邊電磁鐵通電，泵源流出的油液從活塞式液壓缸右邊進(jìn)入有桿腔，使得平地鏟執(zhí)行下降操作；當(dāng)平地鏟比水平基準(zhǔn)平面低時(shí)，換向閥的右邊電磁鐵加電，泵源輸出的油液從左邊進(jìn)入液壓缸的無桿腔，使得平地鏟執(zhí)行抬升操作；當(dāng)平地鏟和水平基準(zhǔn)平面相持平時(shí)，電磁換向閥將處于中位，平地鏟則保持原高度繼續(xù)平地。在此過程中節(jié)流閥的使用使得平地鏟的上升下降快慢速度可調(diào)，大大提高了其平穩(wěn)性。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，該設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)能滿足平地鏟自動(dòng)調(diào)平時(shí)各種姿態(tài)的要求，能夠滿足農(nóng)田土地精細(xì)平整的作業(yè)要求。液壓雙缸直連機(jī)具結(jié)構(gòu)實(shí)物圖如圖3所示。

1.2 電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

目前，激光平地機(jī)電控系統(tǒng)的高程控制技術(shù)已相當(dāng)成熟，而該研究開發(fā)的控制器能夠使高程控制與水平控制同時(shí)進(jìn)行，使得無論在什么路況下，平地鏟都能夠始終保持水平。該研究開發(fā)的控制器不僅能接收兩路信號(hào)：激光接收器的信號(hào)和姿態(tài)傳感器的信號(hào)；同時(shí)還能輸出兩路用于閥控的信號(hào)；設(shè)計(jì)的應(yīng)用撥擋開關(guān)還具有實(shí)現(xiàn)2種控制功能（自動(dòng)和手動(dòng)）。根據(jù)控制器的功能需要，該研究采用了STCl2C5A60S2型單片機(jī)作為控制器的主控芯片，分別設(shè)計(jì)了控制器輸入信號(hào)的調(diào)理電路和輸出信號(hào)的控制電路，經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，該激光控制器的電路設(shè)計(jì)能切實(shí)滿足需要。

當(dāng)激光平地機(jī)的控制器開關(guān)調(diào)至自動(dòng)開關(guān)時(shí)，在此工作狀態(tài)下，角度傳感器將實(shí)時(shí)測量出平地機(jī)平地鏟的傾斜角傾斜情況，并即時(shí)上傳給控制器，控制器發(fā)出相對應(yīng)的控制信號(hào)，控制三位四通電磁閥驅(qū)動(dòng)液壓缸的活塞桿伸出或縮回，從而對平地鏟的一端進(jìn)行上升或者下降的姿態(tài)調(diào)節(jié)，使得平地鏟始終保持水平平衡狀態(tài)，向前方運(yùn)行。然后，激光接收器通過接收水平激光發(fā)射器所發(fā)出的水平基準(zhǔn)信號(hào)，檢測出平地鏟的位置是否與激光基準(zhǔn)平面有所偏差，與此同時(shí)，將該位置偏差信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，傳遞至控制器中的單片機(jī)中；單片機(jī)接收到該電信號(hào)后，會(huì)發(fā)送相應(yīng)的指令對平地鏟的高程進(jìn)行調(diào)節(jié)，使得平地鏟的整個(gè)高度能夠在低于激光基準(zhǔn)面時(shí)進(jìn)行提升操作，在高于激光基準(zhǔn)面時(shí)進(jìn)行降低操作，從而確保平地鏟的鏟刀始終能平行于標(biāo)定的基準(zhǔn)平面上。該控制器的實(shí)物圖如圖4所示。

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與分析

2.1 傳感器性能測試

為了驗(yàn)證平地鏟自調(diào)平狀態(tài)下各種姿態(tài)調(diào)節(jié)的情形，分別設(shè)計(jì)了靜態(tài)實(shí)驗(yàn)和動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)來檢驗(yàn)傳感器調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，實(shí)驗(yàn)過程中使用了德國SBG測姿傳感器實(shí)時(shí)采集姿態(tài)角。采集靜態(tài)數(shù)據(jù)，需統(tǒng)計(jì)出傾角的算術(shù)平均值、最大值和最小值。觀察姿態(tài)角隨時(shí)間的變化，偏差越小則說明其越穩(wěn)定，變化數(shù)值越低則說明該系統(tǒng)調(diào)節(jié)的性能就越好。其靜態(tài)姿態(tài)角隨時(shí)間分布圖如5所示。

圖5中的橫軸為采樣時(shí)間，采樣時(shí)間間隔為0.1 s，縱軸為姿態(tài)角的測量值。統(tǒng)計(jì)的靜態(tài)姿態(tài)角數(shù)據(jù)最大值、最小值以及算數(shù)平均值分別為0.125°、-0.101°、0.003°。

動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)也是通過姿態(tài)角數(shù)據(jù)的改變情況來實(shí)時(shí)反映系統(tǒng)的調(diào)節(jié)性能。動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)在北京小湯山實(shí)驗(yàn)基地進(jìn)行。

在自制土坡上分別進(jìn)行南向和北向激光平地機(jī)平地實(shí)驗(yàn)，共進(jìn)行了16次。表1記錄了姿態(tài)傳感器輸出頻率為10 Hz、濾波系數(shù)為0.1的姿態(tài)角數(shù)據(jù)和角速度的情況，表2記錄了姿態(tài)傳感器輸出頻率20 Hz、濾波系數(shù)0.1的姿態(tài)角數(shù)據(jù)和角速度的情況。

通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄和分析，得出了不同頻率下動(dòng)態(tài)試驗(yàn)傾角瞬時(shí)調(diào)節(jié)最大度數(shù)可達(dá)8.65°（10 Hz））和10.33°（20 Hz）。因此可得出結(jié)論：頻率越高，調(diào)節(jié)越快，調(diào)節(jié)度數(shù)的曲線越平緩。

2.2 平地情況分析

農(nóng)田平整度可作為衡量田里地形起伏程度變化狀況的指標(biāo)之一，通過它可以很直觀地反映出農(nóng)田地面的平整情況。通常用農(nóng)田內(nèi)各處地面的相對高程到標(biāo)定的擬合面垂直距離的標(biāo)準(zhǔn)偏差值（Sd）來表示[15]。Sd的值越小，表明農(nóng)田地塊表面的平整度就越好，地面的起伏則越不明顯；Sd的值越大，說明農(nóng)田地塊表面則越不平整，地面的起伏則越明顯。設(shè)擬合的平面方程為Z=PX+QY+D，那么各插值到擬合面的垂直距離計(jì)算公式如下：

表3通過對比常規(guī)激光平地機(jī)和帶自調(diào)平控制系統(tǒng)的激光平地機(jī)整地情況，分別比較記錄它們各自在田間平整地塊時(shí)標(biāo)準(zhǔn)偏差值Sd，計(jì)算出土地平整的絕對改善度和相對改善度。其中 ，絕對改善度的值是平地前后地塊Sd的差值，它是用來衡量地面平整狀況改善的絕對幅度； 相對改善度的值則是絕對改善度與平地前地塊Sd的比值 ，它反映了地面平整狀況改善的相對程度。該研究選取的實(shí)驗(yàn)基地為北京小湯山實(shí)驗(yàn)基地，此次作業(yè)地塊面積為2 hm2。

根據(jù)實(shí)際測試情況，從記錄的數(shù)據(jù)中可以得出該系統(tǒng)相對于常規(guī)的激光平地機(jī)地塊平整前后的絕對改善度提高了50.0%，相對改善度提高了18.6%，土地誤差水平小于1.0%。

3 結(jié)論

（1）該系統(tǒng)不但具有高程調(diào)節(jié)控制且能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)具水平自動(dòng)調(diào)平控制，使得激光平地作業(yè)的精度提高，實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)高精準(zhǔn)高效率的要求。

（2）該研究采用液壓雙缸直連機(jī)具結(jié)構(gòu)替代了傳統(tǒng)的懸掛提升桿結(jié)構(gòu)，擴(kuò)大了平地范圍，提高了平地質(zhì)量。節(jié)流閥的使用提高了平地鏟升降的穩(wěn)定性，而穩(wěn)定性的研究則為平地效果指標(biāo)開創(chuàng)了一個(gè)新的方向。

（3）根據(jù)實(shí)際測試情況，該系統(tǒng)相對于常規(guī)的激光平地機(jī)地塊平整前后的絕對改善度提高了50.0%，相對改善度提高了18.6%，土地誤差水平小于1.0%。

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