聯(lián)合收割機(jī)割臺(tái)地面仿形控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)

偉利國(guó)，車 宇，汪鳳珠，李 偉

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院，北京 100083；2.土壤植物機(jī)器系統(tǒng)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

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聯(lián)合收割機(jī)割臺(tái)地面仿形控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)

偉利國(guó)1,2，車 宇1，汪鳳珠1,2，李 偉1

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院，北京 100083；2.土壤植物機(jī)器系統(tǒng)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

為了提高聯(lián)合收割機(jī)自動(dòng)化水平、降低勞動(dòng)強(qiáng)度，研發(fā)了割臺(tái)地面仿形控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了割臺(tái)地面仿形機(jī)構(gòu)，采用角度傳感器獲取其隨地面的浮動(dòng)情況，并結(jié)合位移傳感器檢測(cè)割臺(tái)油缸伸縮量，來(lái)推算得到割臺(tái)高度信息，并進(jìn)行了田間試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，割臺(tái)高度控制誤差不大于12mm，滿足聯(lián)合收割機(jī)田間作業(yè)要求。

免耕播種機(jī)；分體式；條帶旋耕；保護(hù)性耕作；一年兩熟

0 引言

隨著稻麥聯(lián)合收割機(jī)(簡(jiǎn)稱聯(lián)合收割機(jī))日益向大型化、高速化發(fā)展，田間作業(yè)環(huán)境惡劣，勞動(dòng)強(qiáng)度大，同時(shí)農(nóng)村勞動(dòng)力日益減少，熟練駕駛?cè)藛T短缺，這就迫切需要研究相應(yīng)的自動(dòng)控制技術(shù)與方法。如何提高田間谷物收獲自動(dòng)化作業(yè)水平，減輕駕駛員的勞動(dòng)強(qiáng)度，充分發(fā)揮現(xiàn)代收獲機(jī)械在保證國(guó)家糧食安全中的作用，是當(dāng)前國(guó)內(nèi)農(nóng)機(jī)收獲領(lǐng)域一個(gè)新的研究課題[1-5]。聯(lián)合收割機(jī)割臺(tái)是利用機(jī)械仿形機(jī)構(gòu)或人工方法控制液壓閥門(mén)操縱液壓缸來(lái)調(diào)整工作高度的，割臺(tái)高度自動(dòng)控制系統(tǒng)就是在此基礎(chǔ)上再增設(shè)傳感機(jī)構(gòu)、電磁閥門(mén)和電氣控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。為了實(shí)時(shí)獲取割臺(tái)高度數(shù)據(jù)、降低聯(lián)合收割機(jī)作業(yè)故障率，本文采用角度傳感器獲取地面仿形機(jī)構(gòu)浮動(dòng)及位移傳感器檢測(cè)割臺(tái)油缸伸縮量來(lái)得到割臺(tái)高度，并設(shè)計(jì)了割臺(tái)高度手/自動(dòng)控制系統(tǒng)，為提高聯(lián)合收割機(jī)割臺(tái)高度控制的自動(dòng)化水平提供依據(jù)。

1 割臺(tái)仿形機(jī)構(gòu)

割臺(tái)地面仿形可以采用接觸式機(jī)械方式、非接觸傳感器探測(cè)及機(jī)器視覺(jué)等方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。非接觸傳感器探測(cè)直接測(cè)量割臺(tái)離地高度，一般采用超聲波、紅外傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)；但該探測(cè)方式易受田間草桿、土塊等雜物的影響，并存在一定探測(cè)盲區(qū)，傳感器容易損壞。機(jī)器視覺(jué)方法通過(guò)圖像處理?yè)Q算得到割臺(tái)離地高度，主要通過(guò)攝像頭采集收割機(jī)前方未收割作物圖像，自動(dòng)識(shí)別作物的高度信息，以此調(diào)節(jié)割臺(tái)高度；該方法適合于倒伏作物，但測(cè)量成本較高，易受灰塵影響[6-9]。本文設(shè)計(jì)了一種接觸式機(jī)械仿形機(jī)構(gòu)，通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)接觸地面，隨著地形變化而起伏，將機(jī)械形變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出，從而控制割臺(tái)進(jìn)行地面仿形動(dòng)作。割臺(tái)仿形結(jié)構(gòu)主要由角度傳感器、地面仿形壓板、限位鉸鏈及鉸接連桿等組成，如圖1所示。地面仿形壓板安裝在割臺(tái)底部，與地面接觸，可隨地面的起伏而動(dòng)作，從而改變地面仿形壓板打開(kāi)的角度，壓板角度的變化通過(guò)機(jī)械連桿結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為擺桿擺角的變化；角度傳感器與擺桿連接，通過(guò)測(cè)量擺桿角度值，推算得到地面起伏變化。

圖1 割臺(tái)仿形結(jié)構(gòu)示意圖

角度傳感器采用Honeywell公司的RTY系列角度傳感器，轉(zhuǎn)角檢測(cè)范圍為[-90° 90°]，電壓信號(hào)輸出范圍為[0.5 4.5]，傳感器輸出特性如圖2所示。角度傳感器線性度好、測(cè)量精度高，防護(hù)等級(jí)IP67，能夠適用于田間作業(yè)環(huán)境。

圖2 角度傳感器輸出特性

2 割臺(tái)高度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

聯(lián)合收割機(jī)割臺(tái)控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)手自動(dòng)切換，手動(dòng)優(yōu)先。割臺(tái)自動(dòng)控制系統(tǒng)具有根據(jù)仿形機(jī)構(gòu)的浮動(dòng)情況，自動(dòng)調(diào)節(jié)割臺(tái)高度的功能。

2.1 割臺(tái)高度控制系統(tǒng)原理

聯(lián)合收割機(jī)割臺(tái)的液壓控制機(jī)構(gòu)具有完成割臺(tái)提升、保持和下降等功能，一般采用手動(dòng)操作電磁換向閥來(lái)完成[10-11]。割臺(tái)液壓控制部分包括電液換向閥、溢流閥、液壓泵、液壓缸及手動(dòng)翹板開(kāi)關(guān)。液壓缸與換向閥相連接，通過(guò)對(duì)換向閥兩端電磁鐵分別通電，來(lái)實(shí)現(xiàn)割臺(tái)的升降，如圖3所示。

圖3 割臺(tái)仿形控制結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)對(duì)換向閥左側(cè)電磁鐵通電，進(jìn)入液壓缸的壓力油增多，油缸活塞向右側(cè)移動(dòng)，液壓油缸伸長(zhǎng)，控制割臺(tái)上升；反之，當(dāng)對(duì)換向閥右側(cè)電磁鐵通電，油缸活塞向左側(cè)移動(dòng)，液壓油缸縮短，控制割臺(tái)下降，從而實(shí)現(xiàn)控制割臺(tái)的升降。

在保持手動(dòng)控制割臺(tái)升降的功能基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了割臺(tái)高度自動(dòng)控制系統(tǒng)。電控部分主要包括割臺(tái)仿形控制器、電磁閥驅(qū)動(dòng)模塊、角度傳感器模塊及位移傳感器模塊等。角度傳感器模塊完成將地面仿形機(jī)構(gòu)的浮動(dòng)情況轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，傳送給控制器。位移傳感器與液壓缸活塞桿機(jī)械并聯(lián)，當(dāng)液壓缸動(dòng)作時(shí)將帶動(dòng)位移傳感器拉桿伸縮，兩者行程一致，位移傳感器模塊所反饋回的模擬電壓信號(hào)，可以反映油缸伸縮情況，從而得到割臺(tái)高度的變化信息。角度傳感器與地面仿形機(jī)構(gòu)相連接，用于感知地面起伏變化情況，作為割臺(tái)高度微控制的重要依據(jù)。電磁閥驅(qū)動(dòng)模塊可輸出驅(qū)動(dòng)電流，控制電磁閥動(dòng)作，通過(guò)二極管和手動(dòng)控制信號(hào)進(jìn)行隔離，防止相互影響。

割臺(tái)仿形控制器如圖4所示?？刂破魇轻槍?duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械智能裝備自主組裝開(kāi)發(fā)的一款多功能PC一體機(jī)，集成GPS定位模塊和CAN接口模塊，作為系統(tǒng)的人機(jī)交互接口，可進(jìn)行作業(yè)參數(shù)的設(shè)置及數(shù)據(jù)分析與保存，通過(guò)處理傳感器信息實(shí)現(xiàn)智能行為決策，輸出控制策略。割臺(tái)仿形控制器通過(guò)采集傳感器組信號(hào)，獲取割臺(tái)高度信息，并根據(jù)事先割臺(tái)高度設(shè)定值，采用PID控制算法，推算出控制策略，輸出控制量給電磁閥驅(qū)動(dòng)模塊，控制電磁閥動(dòng)作，驅(qū)動(dòng)液壓油缸伸縮，從而實(shí)現(xiàn)割臺(tái)高度的控制。其控制原理如圖5所示?？刂破魍瑫r(shí)檢測(cè)驅(qū)動(dòng)電流的大小，異常情況啟動(dòng)自動(dòng)保護(hù)功能。割臺(tái)仿形控制器具有檢測(cè)駕駛員手動(dòng)操作情況，并自動(dòng)進(jìn)行自動(dòng)到手動(dòng)切換的功能。

圖4 割臺(tái)仿形控制器

圖5 割臺(tái)高度控制原理圖

2.2 電磁閥驅(qū)動(dòng)模塊

圖6為電磁閥驅(qū)動(dòng)電路圖。電磁閥驅(qū)動(dòng)模塊主要包括微控器、電流驅(qū)動(dòng)芯片及CAN接口芯片等。電流驅(qū)動(dòng)芯片選用L298N，最大驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)4A，采用兩兩電橋并聯(lián)驅(qū)動(dòng)方式，具有較強(qiáng)的電流驅(qū)動(dòng)能力，芯片輸出端外圍為快速二極管D20-D23組成的整流電路，提高了電流換向速度，滿足換向閥驅(qū)動(dòng)實(shí)時(shí)性的需要。電磁閥的驅(qū)動(dòng)信號(hào)通過(guò)電壓隔離芯片U301和U302反饋到微控制器的輸入端，從而檢測(cè)出駕駛員手動(dòng)控制情況，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)手動(dòng)的切換。微控制器采用Microchip公司PIC18F25K80，該處理器采用納瓦技術(shù)，功耗低、抗干擾能力強(qiáng)、外圍接口豐富，如CCP模塊(PWM)、MSSP模塊(SPI，I2C)、EUSART模塊、ECAN模塊、AD模塊等，可滿足系統(tǒng)應(yīng)用需求。電磁閥驅(qū)動(dòng)模塊采用CAN總線通訊方式，布線簡(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng)，其CAN接口芯片選用高速收發(fā)器TJA1050，支持CAN技術(shù)規(guī)范2.0A/B, 最高傳輸速率達(dá)到1Mbps；內(nèi)部CAN協(xié)議模塊主要包括CAN協(xié)議驅(qū)動(dòng)、過(guò)濾器、屏蔽器及收發(fā)緩存器，完成與CAN總線上模塊間的數(shù)據(jù)傳輸[12-15]。

圖6 電磁閥驅(qū)動(dòng)電路圖

2.3 割臺(tái)高度檢測(cè)模塊

割臺(tái)油缸伸長(zhǎng)量檢測(cè)選用KTC-700拉桿式位移傳感器。該傳感器直接將位移變化量轉(zhuǎn)換為0～5V電壓信號(hào)輸出，測(cè)量精度較高、重復(fù)性好，通過(guò)檢測(cè)割臺(tái)驅(qū)動(dòng)油缸伸長(zhǎng)量，來(lái)推算割臺(tái)離地高度。為了保證推算結(jié)果的精確度，需要對(duì)傳感器輸出值和割臺(tái)高度進(jìn)行一個(gè)校正，找出割臺(tái)高度與傳感器輸入量的一個(gè)對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)校正試驗(yàn)來(lái)完成。圖7為位移傳感器校正試驗(yàn)曲線，橫坐標(biāo)為傳感器輸出值xs，縱坐標(biāo)為割臺(tái)高度值yg。校正試驗(yàn)分為割臺(tái)上升過(guò)程和下降過(guò)程，從圖7中可以看出：上升和下降過(guò)程重合度較高、誤差小，實(shí)際操作過(guò)程中可任選其中某一過(guò)程校正曲線。這里選用下降校正過(guò)程的線性擬合曲線，則有

yg=258.03·xs-245.03

(1)

相關(guān)系數(shù)為

R2≈0.999

(2)

圖7 傳感器校正曲線

3 試驗(yàn)分析

為了檢測(cè)割臺(tái)自動(dòng)仿形控制控制系統(tǒng)性能可靠性及控制精度，2015年10月在河南省洛陽(yáng)市孟津縣會(huì)盟鎮(zhèn)試驗(yàn)田中進(jìn)行聯(lián)合收割機(jī)割臺(tái)仿形控制田間試驗(yàn)，作業(yè)機(jī)具為4LZ-10稻麥聯(lián)合收割機(jī)，割臺(tái)寬度為5.8m，如圖8所示。

圖8 田間試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)步驟

首先，查看安裝在聯(lián)合收割機(jī)上的地面仿形機(jī)構(gòu)、割臺(tái)高度傳感器及驅(qū)動(dòng)控制器等位置是否固定好，并對(duì)割臺(tái)仿形控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試；然后，選取一段比較平坦的田塊，啟動(dòng)聯(lián)合收割機(jī)開(kāi)始收割作業(yè)，通過(guò)軟件系統(tǒng)界面設(shè)定割臺(tái)作業(yè)高度，該值與割茬高度相對(duì)應(yīng)。聯(lián)合收割機(jī)進(jìn)行正常收割作業(yè)后，按下割臺(tái)自動(dòng)控制按鍵，割臺(tái)高度由自動(dòng)控制系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行調(diào)控，同時(shí)軟件系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集并保存割臺(tái)高度信息，以便于后續(xù)分析處理；最后，用米尺對(duì)收割作業(yè)后的割茬高度進(jìn)行測(cè)量，得到割臺(tái)高度測(cè)量值，與割臺(tái)設(shè)定高度進(jìn)行比較，以此對(duì)割臺(tái)高度自動(dòng)控制系統(tǒng)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

圖9為割臺(tái)高度控制試驗(yàn)曲線，進(jìn)行了兩段控制試驗(yàn)，割臺(tái)高度分別設(shè)定為300mm和200mm。其中，圖9(a)顯示為割臺(tái)高度設(shè)定為300mm控制試驗(yàn)結(jié)果，圖9(b)顯示為割臺(tái)高度設(shè)定為200mm控制試驗(yàn)結(jié)果。從圖9中可以看出：割臺(tái)高度自動(dòng)控制系統(tǒng)性能相對(duì)穩(wěn)定，割臺(tái)高度控制相對(duì)比較平滑，達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。

(a) 割臺(tái)高度300mm

(b) 割臺(tái)高度200mm

對(duì)每段收割作業(yè)完成后的留茬高度進(jìn)行測(cè)量。沿著收割作業(yè)方向，每5m選一個(gè)測(cè)量位置，取6個(gè)測(cè)量位置；然后在測(cè)量位置處，再垂直收割作業(yè)方向上取3個(gè)割茬測(cè)量值，并進(jìn)行平均處理，作為收割作業(yè)方向上的一個(gè)割茬測(cè)量值，即為割臺(tái)高度測(cè)量值，與設(shè)定的割臺(tái)高度標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，如表1所示。經(jīng)數(shù)據(jù)分析，割臺(tái)高度自動(dòng)控制系統(tǒng)控制誤差不大于12mm，可以滿足聯(lián)合收割機(jī)田間作業(yè)要求。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

通過(guò)地面仿形機(jī)構(gòu)獲取地面起伏情況，采集連接仿形壓板的角度傳感器信息，實(shí)現(xiàn)微地貌仿形控制。結(jié)合檢測(cè)油缸伸縮長(zhǎng)度的方法，準(zhǔn)確推算出割臺(tái)高度，設(shè)計(jì)了割臺(tái)高度自動(dòng)控制系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)聯(lián)合收割機(jī)割臺(tái)工作高度調(diào)整實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性較差，且不能進(jìn)行割臺(tái)高度數(shù)據(jù)獲取和分析等問(wèn)題。試驗(yàn)結(jié)果表明：割臺(tái)高度自動(dòng)控制系統(tǒng)性能相對(duì)穩(wěn)定，割臺(tái)高度控制誤差不大于12mm，可以滿足聯(lián)合收割機(jī)田間作業(yè)要求。由于聯(lián)合收割機(jī)田間作業(yè)情況復(fù)雜，對(duì)于起伏較大的田塊，達(dá)到理論的控制性能，還需要進(jìn)一步進(jìn)行試驗(yàn)研究。

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Design and Experiment of the Ground Profiling Control System of Combine Header

Wei Liguo1,2，Che Yu1，Wang Fengzhu1,2，Li Wei1

(1.Chinese Academy of Agricultural Mechanization Sciences，Beijing 100083，China; 2.State Key Laboratories in areas of Soil-Plant-Machine System Technology, Beijing 100083，China)

In order to improve the automation level of combine harvester and reduce labor intensity, the ground profiling control system of combine header was developed. The header ground profiling mechanism was designed. It can vary with the terrain. The ground floating is acquired by angle sensor. The header height information is calculated by the displacement sensor detecting header cylinder expansion amount and ground profiling angle sensor. The hand-automatic control system of the header height was developed, and control experiment carried out in field. The test results show that the system has the advantages of simple structure, stable performance, header height control error is less than 12mm, which meet the requirements of field operations combine harvester.

no-tillage seeding machine; separated type; strip rotary; conservation tillage; unnual double-crop rotation

2016-04-13

國(guó)家國(guó)際科技合作專項(xiàng)(2015DFA71560)

偉利國(guó)(1978-),男，黑龍江雞西人，研究員，博士，(E-mail)weilg78@126.com。

S225.3

A

1003-188X(2017)05-0150-05