薯類收獲機挖掘深度自動控制系統(tǒng)設計與試驗

李 濤 李 娜 劉存根 朱正波 周 進 張 華

(1.山東省農業(yè)機械科學研究院， 濟南 250100； 2.山東建筑大學信息與電氣工程學院， 濟南 250101)

0 引言

薯類作物是土下果實非常重要的一類，主要包括馬鈴薯、甘薯、木薯、芋和薯蕷等[1-2]。其中，種植面積最大的是馬鈴薯和甘薯，它們既是重要的糧食作物，又是重要的工業(yè)原料、蔬菜和飼料。我國雖是薯類作物生產大國，但其機械化作業(yè)程度卻不高，尤其是勞動強度大、需要人工多的收獲作業(yè)，機械發(fā)展嚴重滯后，嚴重制約著我國薯類產業(yè)的發(fā)展[3-4]。

薯類作物機械化收獲主要分為分段收獲和聯合收獲2種方式。挖掘鏟是收獲機的關鍵部件，其挖掘深度的精確控制不僅可以提升收獲性能指標，還可以減阻降耗、降低生產成本。挖掘深度控制技術有3種：機械式、液壓式和自動控制式。目前國外的薯類機械化收獲以聯合收獲為主，機具大型化，其對薯類作物挖掘深度自動控制系統(tǒng)研究較早，運用了大量高新技術，目前已開發(fā)出多種先進的機電液一體化挖掘限深技術，并朝著集成化、自動化和智能化的方向發(fā)展[5-7]。德國Grimme 公司生產的GT170型馬鈴薯聯合收獲機，采用自動控制限深技術，控制系統(tǒng)由仿形輪、位移傳感器、液壓系統(tǒng)和控制器等組成，具有精準度和自動化程度高、穩(wěn)定性好等特點。

目前國內薯類作物機械化收獲方式以分段收獲為主，收獲機械多為中小型。薯類收獲機挖掘深度控制技術以機械式為主，即采用限深輪和挖掘鏟入土角度調整機構控制挖掘深度。機械式限深輪實時仿形精度低，挖掘鏟深度控制穩(wěn)定性差，調整不方便。液壓式和自動控制式大都處于研發(fā)試驗階段，如熊佳等[8]采用液壓限深設計了一種木薯收獲機挖深液壓控制系統(tǒng)，實時仿形性有待提高，同時由于駕駛員需要經常觀察地面狀況做出調整，造成操作誤差和勞動強度大；南春磊等[9]基于單片機和紅外測距傳感器，設計了一種挖掘深度自動控制系統(tǒng)，其非接觸式探測機構采集信息速度快，但容易受到地面狀況擾動，受溫度、水分等因素影響；李濤等[10]以壟行截面走向為研究對象，采用基于PID的速度控制模式實現收獲機的自動對行功能，但如果壟行截面尺寸變化較大，會影響其工作穩(wěn)定性，同時由于系統(tǒng)輸出慣性會造成超調或振蕩。當前，我國薯類收獲機械采用的這些自動控制技術大多較為落后，已成為制約收獲作業(yè)性能提高的主要瓶頸之一。

本文以自主研制的4UGS2型雙行薯類收獲機為載體，設計一種挖掘深度自動控制裝置，采用接觸式深度探測系統(tǒng)，設計仿形裝置和挖掘機構，采用雙閾值死區(qū)控制算法，以期實現地面高低狀況自動仿形，保證實時準確地控制調整挖掘深度，提高薯類收獲機作業(yè)性能指標。

1 挖掘深度控制系統(tǒng)總體結構與工作原理

1.1 總體結構

4UGS2型雙行薯類收獲機挖掘深度自動控制系統(tǒng)由前仿形裝置、挖掘機構、液壓裝置和電子控制器組成[11-14]，總體結構如圖1所示。

1.2 主要工作原理

如圖2所示，挖掘深度自動控制系統(tǒng)開始工作時，前仿形裝置探測壟溝起伏變化，通過其上角度傳感器采集地面信息并傳遞給控制器，控制器通過控制算法輸出液壓電磁閥控制信號，液壓油缸帶動挖掘機構繞固定軸旋轉，改變挖掘鏟齒的離地高度，保證掘起土垡高度一致。同時油缸活塞桿伸縮量信息通過其位移傳感器傳遞給控制器，控制器獲取信息并根據算法實時調整挖掘鏟挖掘深度，構成挖深閉環(huán)控制系統(tǒng)，保證挖掘深度的精確控制。

2 前仿形裝置和挖掘機構設計

2.1 前仿形裝置

前仿形裝置主要功能是通過其機械裝置仿形壟溝地面，同時其控制裝置通過角度傳感器采集地面高低狀況，前仿形裝置結構如圖3所示。

前仿形機構后端通過螺栓與收獲機機架連接，其位置可根據壟行位置左右調整。機架安裝座前端由回位彈簧與擺動臂相連接，回位彈簧的預緊拉力保證前仿形輪緊貼地面，擺動臂在框板的矩形框中擺動，起到限位作用，使擺動臂在一定范圍內運動，滿足前仿形輪根據地面高低狀況仿形的要求[15]。

安裝座橫梁通過快速掛接銷外套在左右調節(jié)架橫梁上，安裝座橫梁上左右等距分布有豎直孔，可與左右調節(jié)架的單個孔配合，通過橫梁上不同孔的連接，可以改變左右前仿形輪輪距，滿足不同壟作植物壟距變化的需要。安裝座支撐橫軸軸端安裝有角度傳感器，角度傳感器將地面高低變化信息傳遞給控制器。

左右調節(jié)架豎梁通過快速掛接銷外套在左右軸支架豎梁上，左右調節(jié)架豎梁上下等距分布有水平孔，可與左右軸支架的單個孔配合，通過豎梁上不同孔的連接，可以調整左右前仿形輪的高低位置，滿足不同地面收獲要求，保證左右前仿形輪緊貼地面。

圖4為前仿形機構工作示意圖，仿形機構以速度v前進，前仿形輪沿壟底由點A運動到點B，左右軸支架可繞鉸接點O旋轉，其擺動桿與垂直面的夾角相應從δ0變?yōu)棣?，則壟底高度變化量H2和角度變化量δ2計算式為

(1)

式中H0——點A擺動中心高度

L——擺動桿長度

δ0——仿形機構工作初始角度，即點A擺動桿與垂直面的夾角

δ1——點B擺動桿與垂直面的夾角

H1——點B擺動中心高度

設計取L=700 mm，則式(1)可簡化為

H2=700(cosδ0-cosδ1)

(2)

當δ2>0，δ0<δ1，即H2>0時，表明從點A到點B，壟底位置升高，則需要減小挖掘深度；當δ2<0，δ0>δ1，即H2<0時，表明從點A到點B，壟底位置降低，則需要增加挖掘深度。

2.2 挖掘機構

挖掘機構的主要功能是根據控制器傳遞的挖掘深度信息，以最少的鏟土量挖掘薯壟、撿拾薯塊、松碎土壤，在克服阻力的基礎上消耗最少的能量，并將鏟起物傳送到分離機構上。挖掘機構結構如圖5所示[16]。

挖掘機構中部有連接在收獲機上的固定軸，鏟齒架上的軸套外套在固定軸上，鏟齒架可繞固定軸做旋轉運動，其前端安裝有挖掘鏟齒，后端安裝有連接臂，從而可以帶動挖掘鏟齒和連接臂繞固定軸做旋轉運動。液壓油缸缸體端連接機架安裝座，活塞桿端與連接臂相連，控制器發(fā)出指令，使活塞桿伸長和縮短，從而可以實時調節(jié)連接臂的偏擺角度，保證快速準確地調整挖掘深度[17-18]。

挖掘機構工作過程如圖6所示，O1、O2和O3分別為液壓缸缸體端鉸接點、固定軸鉸接點和液壓缸活塞桿端鉸接點。當前仿形機構探測到壟底高度變化時，控制器根據式(1)計算得出壟底高度變化量H2，通過液壓缸活塞桿端驅動連接臂以固定軸為中心進行旋轉，使連接臂上下擺動相應的距離，挖掘機構工作角度，即點O2與點O1的連線和點O2與點O3的連線之間夾角β變化量βp1(與前仿形機構相關)與壟底高度變化量H2可表示為

(3)

(4)

式中N5——點O2與挖掘鏟齒前端面的距離

如圖6所示，在三角形O1O2O3中，根據余弦定理可得到油缸活塞桿的伸出長度N3與β的計算公式，即

(5)

對式(5)移項、變換后可得

(6)

其中，連接臂長度N1、固定軸鉸接點與油缸缸體端鉸接點距離N2和油缸缸體端長度N4為已知尺寸，油缸活塞桿長度N3由安裝在油缸上的位移傳感器實時獲取并傳送給控制器。定義當初始挖掘深度W0為260 mm時，β為初始角β0(取56°)，則β變化量可表示為

(7)

式中β1——實時測量角

βp2——β變化量(與挖掘機構相關)，正值和負值分別表示挖掘深度相對初始挖掘深度W0減小和增大

βp為挖掘深度調控重要指標，控制器比較βp2和βp1的數值，根據算法確定油缸伸縮量，實現自動挖深功能。

同時挖掘深度W可表示為

(8)

薯類作物整體結薯深度在200～350 mm之間，變化量在150 mm左右。收獲機通過牽引機構連接在拖拉機下拉桿上，收獲機開始作業(yè)前，應根據田間狀況調整拖拉機下拉桿離地高度，同時調整好仿形機構擺動桿長度L，這樣就可以確定仿形機構工作初始角度δ0和收獲機初始挖掘深度。由于仿形機構和挖掘機構都位于收獲機的前部，縱向距離小，挖掘機構可以實時根據仿形機構的角度變化做出深度調整，同時由于收獲機長度和高度相比于挖掘深度變化范圍大很多，且挖掘機構挖掘地壟后，后面的收獲機地面刮平機構可使整機在較平整的地面上工作，所以收獲機高度變化較小，對系統(tǒng)工作影響較小。

3 液壓裝置設計

液壓裝置原理如圖7所示，自動挖掘深度控制系統(tǒng)啟動時，控制器輸出三位四通比例電磁換向閥的控制信號，根據前仿形機構獲取的壟溝地面信息，控制液壓缸活塞桿的速度和位移，驅動自動挖深油缸工作，帶動挖掘機構繞固定軸旋轉，改變挖掘鏟齒的離地高度，保證快速準確地調整挖掘深度。液壓鎖可以將油回路鎖住，以保證外界有一定載荷變化的情況下油缸活塞位置靜止不動，避免挖掘鏟齒頻繁上下動作。位移傳感器實時獲取油缸活塞桿的伸長或縮短數據并上傳控制器，控制器根據挖掘鏟偏移角算法來判斷挖掘機構挖掘深度是否符合要求[19-20]。

4 電子控制器設計

4.1 硬件

薯類作物收獲機電子控制器結構圖如圖8所示，主要由微處理器、信號處理電路、通信系統(tǒng)和監(jiān)控終端等組成。

駕駛員在監(jiān)控終端輸入自動挖深控制指令，系統(tǒng)指令通過通信系統(tǒng)發(fā)出。微處理器首先將其轉變成模擬控制信號，然后通過比例閥驅動電路驅動三位四通換向閥，使自動挖深油缸活塞桿伸長和縮短，從而控制挖掘鏟的挖掘深度；同時微處理器通過角度傳感器和位移傳感器實時獲取仿形輪支架與地面角度和挖深油缸伸縮量數據，使用壟底高度變化量算法和挖掘鏟偏移角算法判斷挖掘深度是否達到要求。監(jiān)控終端可實時顯示上傳數據并存儲，如果系統(tǒng)發(fā)生故障，可以自動聲光報警[21-24]。

4.1.1微處理器

系統(tǒng)采用8位單片機作為微處理器，芯片內部集成64 KB存儲器容量、2 KB EEPROM存儲器容量、64 KB閃存容量、4 KB RAM、最多可使用64個IO接口、7組模數轉換器輸入、3組計時器、4通道PWM，最高32 MHz時鐘頻率，工作電壓2.7～5.5 V，工作溫度-40～85℃。

4.1.2電源

微處理器主供電電源采用艾諾公司AN50系列直流穩(wěn)壓電源，其電壓輸出范圍為0～35 V，采用電壓模式PWM控制和IGBT高頻全橋變換技術，動態(tài)響應快，過流能力強，輸出紋波低。具有體積小、質量輕、噪聲低、效率高、操作簡單等優(yōu)點，可保證相關電器設備供電穩(wěn)定，滿足性能測試要求。

4.1.3角度傳感器

角度傳感器采用Robo Brain公司RB100系列產品，其內部集成了高精度的霍爾角度傳感器。內部采用先進的磁場方向檢測與轉換技術，穩(wěn)定可靠。檢測范圍0°～360°，分辨率0.022°，精度0.5%。

角度傳感器輸出信號為0～5 V模擬電壓。如圖9所示，MCP3208 A/D轉換電路可實現8路模擬信號的A/D轉換，信號由CH0端輸入并轉換為數字信號后，送入單片機進行數據處理。

4.1.4位移傳感器

位移傳感器采用Miran公司KTC系列直線位移傳感器，量程為400 mm，分辨率0.01 mm，輸出信號為0～5 V模擬電壓，輸出信號經接口電路連接到微處理器，由微處理器內部高性能 A/D 轉換模塊進行模數轉換，以便微處理器進行處理分析。

4.1.5通信系統(tǒng)

433模塊選用SX1278射頻芯片，由SEMTECH公司生產，其通信距離最大可達2～3 km，可根據實際通信距離需求調整其信號的發(fā)射功率，發(fā)射功率越大，通信距離越遠，其功耗也會相應增大。本系統(tǒng)根據試驗測試要求，選取通信距離不小于100 m，實際通信距離可達300 m以上，同時功耗較小，車載電池可連續(xù)工作12 h；該無線模塊支持RS232和USB接口，可與監(jiān)控終端和微處理器進行數據通信。

4.1.6監(jiān)控終端

監(jiān)控終端采用LCD 液晶顯示屏，自行開發(fā)上位機軟件，選用安卓平板計算機，操作方便。駕駛員登錄后可以設置挖掘深度、作業(yè)時間等工作參數；可實時監(jiān)測系統(tǒng)工作狀況，參數可實時顯示；系統(tǒng)出現故障時可以提供聲光報警。

4.2 軟件

軟件采用C和C++語言編寫，主要包括初始化程序、主程序和輸入輸出程序等。主程序包括壟底高度變化量子程序、挖深油缸控制子程序和挖掘鏟擺角計算子程序等，輸入輸出程序可實現監(jiān)控終端的初始作業(yè)參數的設定，作業(yè)過程中參數的顯示、存儲和導出。

為實現精確穩(wěn)定控制，主程序設計了雙閾值死區(qū)控制算法[25]，本軟件控制的死區(qū)閾值δ2=±2°，當|δ2|≥2°，壟底起伏量超過±10 mm，控制器才輸出液壓缸控制信號，調整挖掘深度。當|δ2|<2°時，控制器不輸出液壓缸控制信號，挖掘深度維持不變。這樣可以消除挖掘鏟由于前仿形機構微小偏移而產生的頻繁擺動，同時防止液壓缸頻繁動作，避免控制信號的頻繁跳變，有效減少超調，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和抗干擾性。

系統(tǒng)軟件流程如圖10所示。首先，系統(tǒng)進行初始化工作，包括工作標志位置零、輸入輸出模塊初始化和通信接口初始化。然后，根據監(jiān)控終端發(fā)送的控制指令進行相應操作。如果系統(tǒng)發(fā)出急停指令，則停止工作并報警。如果需要參數設置，則根據挖掘深度的要求設置調整系統(tǒng)初始工作角δ0和β0。最后，發(fā)出啟動命令，則程序置工作標志位為1，系統(tǒng)開始實時采集工作角δ1和β1。根據式(1)，當|δ2|≥2°，即挖掘深度變化超過10 mm時，系統(tǒng)開始工作，系統(tǒng)調用挖掘鏟擺角計算子程序和挖深油缸控制子程序，調整挖掘鏟入土深度。根據式(7)，當|βp|≤0.07°，即挖掘深度變化量比較值小于1 mm時，系統(tǒng)完成深度調整工作。如果仿形結構偏移過大，即|δ2|≥24°時，挖掘深度變化太大，容易造成零部件損壞，則系統(tǒng)停止工作并發(fā)出聲光報警。

5 試驗

5.1 模擬試驗

采用東方紅1504型拖拉機牽引薯類收獲機，提升懸掛裝置使挖掘機構離地。軟件模擬前仿形裝置中的角度傳感器信號輸入，監(jiān)測挖掘深度控制系統(tǒng)的動作?？刂品答佇盘杹碓从谕诰驒C構液壓油缸上的位移傳感器，經數據處理可得挖掘鏟角度變化值βp2曲線。如圖11所示，試驗模擬三角波信號輸入，監(jiān)測反饋信號對輸入信號的跟蹤。樣機設計前仿形機構角度δ變化范圍±20°，挖掘機構角度β的變化范圍±10°。適當加大輸入信號即前仿形機構角度δ變化范圍為±40°，則輸出信號挖掘機構角度β變化范圍±20°。設置信號周期為10 s，βp2理想工作曲線與輸入信號的幅值比例由前仿形機構和挖掘機構尺寸參數決定。試驗結果分析顯示，三角波輸入信號跟蹤最大延時小于0.4 s，最大誤差為1.8°，平均誤差為 0.3°。

5.2 田間試驗

5.2.1試驗條件

田間試驗于2020年10月在山東省農業(yè)機械科學研究院章丘市棗園鎮(zhèn)甘薯試驗基地進行，品種為濟薯26，土壤類型為褐土，土質較黏重。試驗地長120 m，寬60 m，面積0.72 hm2。種植模式為單壟單行，株距為210 mm，壟距為860 mm，壟高為240 mm，壟頂寬250 mm，壟底寬530 mm，甘薯秧蔓平均長度2 100 mm，結薯深度為240～290 mm。配套動力為東方紅1504型拖拉機，試驗前已經人工割除秧蔓。試驗情況如圖12所示。

5.2.2試驗方法

根據甘薯結薯深度，設置初始挖掘深度為260 mm，啟動自動挖掘深度裝置收獲6壟，關閉自動挖掘深度裝置固定深度收獲6壟，交錯進行收獲試驗，共收獲12壟進行對比試驗，收獲作業(yè)速度為1.4～1.6 m/s。每收獲一壟按照標準NY/T 1130—2006《馬鈴薯收獲機械》測定該壟明薯率、傷薯率、漏挖率指標。同時導出挖掘機構挖掘深度W曲線、仿形機構工作角δ曲線和挖掘機構工作角變化量βp2曲線，實際測量地壟中心挖掘點曲線。

5.2.3結果分析

地壟中心挖掘點曲線、挖掘機構挖掘深度曲線、仿形機構工作角度曲線和挖掘機構工作角度變化量曲線如圖13所示。

收獲機根據作業(yè)工況設置初始參數，即仿形機構工作角δ0=24°和挖掘深度W0=260 mm，從曲線圖可知，實際測量挖掘深度與系統(tǒng)挖掘深度變化規(guī)律一致，誤差符合設計要求，仿形機構工作角δ和挖掘機構工作角變化量βp2曲線變化規(guī)律符合式(2)、(7)的規(guī)定，誤差范圍符合設計規(guī)定。當壟底高度發(fā)生變化時，前仿形機構上的角度傳感器探測壟溝起伏變化，根據控制算法驅動液壓油缸，改變挖掘深度，保證掘起土垡高度一致，挖掘深度自動控制系統(tǒng)起到了減阻降耗的重要作用。

試驗結果如表1所示。通過對比可以看出，安裝自動挖掘深度控制裝置后，平均明薯率提升了2.20個百分點，平均傷薯率降低了1.41個百分點，平均漏挖率降低了2.00個百分點。各收獲性能指標都超過了合格值要求。由此可以看出，4UGS2型雙行薯類收獲機采用該裝置后，收獲機可以根據壟溝高度改變挖掘深度，可提高其作業(yè)性能指標，減少收獲過程中的損失，從而增加經濟效益。

表1 收獲試驗結果Tab.1 Results of harvesting test %

6 結論

(1)根據壟作薯類作物種植模式，以牽引式薯類收獲機為載體，采用傳感器和微處理器控制技術，設計了一種挖掘深度自動控制系統(tǒng)。挖掘深度控制系統(tǒng)調整最大延時小于0.4 s，最大誤差為1.8°，平均誤差為0.3°，提高了薯類收獲機械自動化水平。

(2)設計了前仿形裝置、挖掘機構、液壓裝置和控制系統(tǒng)，運用挖掘深度實時調整算法，建立挖掘深度調節(jié)模型，有效地實現收獲機挖掘深度的精確控制。

(3)薯類收獲機安裝了自動挖掘深度控制系統(tǒng)后，平均明薯率提升了2.20個百分點，平均傷薯率降低了1.41個百分點，平均漏挖率降低了2.00個百分點，不僅減阻降耗，而且提高其作業(yè)性能指標，減少收獲過程中的損失，增加經濟效益。