大豆收獲機割臺高度自動控制系統(tǒng)設(shè)計與試驗*

劉崗微，倪有亮，楊騰祥，齊彥棟，金誠謙

(農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所,南京市,210014)

0 引言

大豆是典型的低結(jié)莢作物,機械化收獲過程中,需要實時調(diào)節(jié)割臺高度。若割臺高度設(shè)置過高,易產(chǎn)生底莢漏割,形成“馬耳莢”,導致割臺損失率較高,同時導致割茬高度較高,不利于后續(xù)作物耕種;若割臺高度設(shè)置過低,易產(chǎn)生割臺鏟土現(xiàn)象,形成“泥花豆”,嚴重降低大豆收獲品質(zhì)和割臺壽命[1]。

美國約翰·迪爾、凱斯和德國克拉斯等農(nóng)機企業(yè)研制了配備撓性切割器的仿形割臺,可實現(xiàn)微地貌仿形,滿足大豆低割收獲要求。國外學者Tulpule等[2]采用基于靈敏度的綜合魯棒優(yōu)化設(shè)計方法,Kassen等[3]運用魯棒反饋線性化方法提高了割臺高度自動控制系統(tǒng)的魯棒性。Xie等[4-5]在分析聯(lián)合收獲機割臺高度控制系統(tǒng)可用帶寬主要限制因素的基礎(chǔ)上,采用機械系統(tǒng)與控制器整體設(shè)計的方法提高了割臺高度控制系統(tǒng)的閉環(huán)性能。國內(nèi)學者楊銀輝[6]、朱劍[7]等采用PID算法,程念等[8]采用模糊控制算法設(shè)計了割臺高度自動控制系統(tǒng);莊肖波等[9]提出一種基于魯棒反饋線性化的割臺高度自動控制策略,遺憾的是上述研究未進行田間試驗,割臺高度控制效果有待進一步驗證。周冬冬等[10]基于模糊邏輯算法設(shè)計了割臺高度模糊控制系統(tǒng),張聰[11]研究了基于模糊自適應PID算法的割臺仿形系統(tǒng),具有較好的準確性和穩(wěn)定性。Yang等[12]提出一種EVPIVS-PID算法以提高割臺高度自動控制系統(tǒng)穩(wěn)定性,田間試驗表明割茬高度誤差不超過2 cm。Ni等[13]提出一種基于土壤-機器系統(tǒng)的大豆收獲機割臺高度計算模型,在此基礎(chǔ)上研究的割臺仿形系統(tǒng)控制精度達92%,取得了理想效果,但采用工控機作為控制器,成本較高。

CODESYS軟件是一款工業(yè)自動化領(lǐng)域的編程開發(fā)系統(tǒng),支持IEC 61131-3標準編程語言、C語言等高級編程語言[14],功能強大、易于開發(fā)。胡濤[15]研發(fā)了基于CODESYS的自動裝車機器人控制系統(tǒng),在現(xiàn)場測試中驗證了控制系統(tǒng)的可靠性、高效性。農(nóng)業(yè)機械作業(yè)環(huán)境惡劣,基于CODESYS系統(tǒng)開發(fā)農(nóng)機自動控制器能夠有效提高農(nóng)業(yè)機械作業(yè)可靠性和效率。

針對現(xiàn)有大豆收獲機割臺高度自動控制系統(tǒng)成本較高、可靠性差、割臺高度控制精度低的問題,本文在已有研究的基礎(chǔ)上,采用惡劣環(huán)境運動控制器,基于CODESYS軟件開發(fā)了大豆收獲機割臺高度自動控制系統(tǒng),并設(shè)計了人機交互界面,同時進行田間試驗驗證,以期為聯(lián)合收獲機割臺仿形技術(shù)研究提供新的思路和技術(shù)方法。

1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

大豆收獲機割臺高度自動控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示,由4LZ-1.5大豆收獲機(主要參數(shù)如表1所示)、ECU控制單元、HMI觸摸屏、割臺電控手柄、割臺、主—副板壓緊式割臺仿形機構(gòu)、割臺升降液壓油缸和液壓閥組組成。

表1 4LZ-1.5大豆收獲機主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of 4LZ-1.5 soybean harvester

圖1 大豆收獲機割臺高度自動控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of automatic height control system for soybean harvester header1.4LZ-1.5大豆收獲機 2.ECU控制單元 3.HMI觸摸屏 4.割臺電控手柄 5.割臺 6.主—副板壓緊式割臺仿形機構(gòu) 7.割臺升降液壓油缸 8.液壓閥組

ECU控制單元用于采集并處理割臺高度信號,根據(jù)割臺高度調(diào)控策略輸出控制指令。HMI顯示屏用于人機交互,設(shè)置、顯示和保存系統(tǒng)主要作業(yè)參數(shù)。主—副板壓緊式割臺仿形機構(gòu)用于感知田間地形起伏變化,測量割臺作業(yè)高度,為提高割臺對田間橫向地形的感知能力,在割臺底板下方左、右兩側(cè)分別安裝一副仿形機構(gòu)。

1.2 工作原理

為提高大豆收獲機割臺高度自動控制系統(tǒng)的適用性,設(shè)計了手動調(diào)控和自動調(diào)控2種工作模式,系統(tǒng)原理圖如圖2所示,包括液壓執(zhí)行系統(tǒng)原理圖和割臺高度閉環(huán)控制原理。

圖2 割臺高度自動控制系統(tǒng)原理圖Fig.2 Schematic diagram of automatic height control system for soybean harvester header

液壓執(zhí)行系統(tǒng)由電磁比例換向閥、抗衡閥、調(diào)速閥、溢流閥和液壓油缸等組成。溢流閥用于設(shè)定液壓系統(tǒng)工作壓力,抗衡閥能夠為液壓油缸提供回油背壓,與調(diào)速閥配合調(diào)節(jié)割臺下降速度,防止割臺在重力作用下快速下落。電磁換向比例閥可實現(xiàn)連續(xù)控制,平滑性較好,用于調(diào)控液壓油缸伸縮,從而控制割臺升降。電磁換向比例閥左位得電時,液壓油經(jīng)抗衡閥和調(diào)速閥內(nèi)部的單向閥流入液壓缸,活塞桿伸出,割臺上升;電磁換向比例閥右位得電時,抗衡閥打開,液壓油經(jīng)調(diào)速閥流回油箱,活塞桿縮回,割臺平穩(wěn)下降。

手動調(diào)控模式優(yōu)先級高于自動調(diào)控模式,作業(yè)過程中遇到突發(fā)情況時,由駕駛員通過割臺電控手柄主動調(diào)節(jié)割臺高度,避免割臺損壞。

由圖2可知,割臺高度自動調(diào)控模式下,割臺、仿形機構(gòu)、ECU控制單元和液壓系統(tǒng)形成閉環(huán)反饋控制。當前方地形下陷或凸起,引起割臺離地高度變大或減小時,左、右兩側(cè)仿形機構(gòu)檢測到割臺高度變化并發(fā)送到ECU,ECU控制單元向電磁比例換向閥輸出控制電流,保證割臺始終處于設(shè)定高度范圍內(nèi),實現(xiàn)割臺高度自動控制功能。

2 仿形機構(gòu)設(shè)計

割臺仿形機構(gòu)是割臺高度自動控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部件,作業(yè)過程中,仿形機構(gòu)應能較靈敏且較準確地感知田間地形變化。根據(jù)4LZ-1.5大豆收獲機割臺主要參數(shù),設(shè)計了如圖3所示的主—副板壓緊式割臺仿形機構(gòu)。

圖3 主—副板壓緊式割臺仿形機構(gòu)Fig.3 Main-subplate pressing profiling mechanism of header1.割臺 2.副仿形板 3.彈簧 4.主仿形板 5.連桿 6.搖桿 7.角度傳感器 8.地面

主—副板壓緊式割臺仿形機構(gòu)主要由割臺、主仿形板、副仿形板、彈簧、連桿、搖桿和角度傳感器組成。主仿形板上端與割臺底板鉸接于割刀下方,下端與副仿形板鉸接,主、副仿形板之間由兩條對稱布置的彈簧連接,主仿形板與角度傳感器之間通過鉸鏈四連桿機構(gòu)傳動。

割臺仿形機構(gòu)作業(yè)時,副仿形板上端在彈簧拉力作用下與割臺底板保持接觸,主仿形板下端在自身重力和彈簧拉力共同作用下與地面保持接觸。地面凸起時,主仿形板在地面支持力作用下順時針轉(zhuǎn)動,角度傳感器轉(zhuǎn)角減小,檢測到割臺高度降低;地面凹陷時,主仿形板逆時針轉(zhuǎn)動,角度傳感器轉(zhuǎn)角變大,檢測到割臺高度升高。根據(jù)已有研究基礎(chǔ)[16],主—副板壓緊式割臺仿形機構(gòu)主要設(shè)計參數(shù)如表2所示,割臺高度測量范圍為50～105 mm。

表2 割臺仿形機構(gòu)主要參數(shù)Tab.2 Main parameters of header profiling mechanism

3 割臺高度自動控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 硬件電路

根據(jù)大豆收獲機割臺高度自動控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及工作原理,設(shè)計了如圖4所示的控制系統(tǒng)硬件電路。大豆收獲機作業(yè)工況惡劣,灰塵、震動等不利因素對控制系統(tǒng)可靠性影響較大。本文選用碩博電子SPC-SFMC-X2214型惡劣環(huán)境運動控制器作為ECU控制單元,其具有抗震動、抗干擾、過熱保護等特點,可靠性高。SPC-SFMC-X2214控制器內(nèi)置PWM高邊輸出IO,最大驅(qū)動電流為3 A,且?guī)щ娏鞣答伩刂?可直接驅(qū)動電磁比例換向閥,簡化了硬件電路,節(jié)約硬件成本。

圖4 控制系統(tǒng)硬件電路Fig.4 Hardware circuit of control system

角度傳感器將割臺離地高度轉(zhuǎn)換為模擬量信號,并輸出到SPC-SFMC-X2214控制器模擬量端口。本文選用WXXY品牌GTC系列霍爾非接觸式角位移傳感器(機械角度為0°～90°,供電方式為DC5V,輸出信號為0～5 V),具有反應靈敏、使用壽命長的優(yōu)點。

根據(jù)圖4,SPC-SFMC-X2214控制器、割臺電控手柄和人機交互界面由車載電源供電。為提高角度傳感器工作穩(wěn)定性,由SPC-SFMC-X2214控制器+5 V輸出端口為其供電。

3.2 人機交互界面設(shè)計

為便于設(shè)置系統(tǒng)主要作業(yè)參數(shù)和記錄歷史作業(yè)數(shù)據(jù),本研究采用上海繁易信息科技公司研制的F007型工業(yè)觸摸屏作為人機交互終端,設(shè)計人機交互界面如圖5所示。

圖5 人機交互界面Fig.5 Human-computer interaction interface

F007型觸摸屏通過RS232串口與ECU控制單元進行全雙工通信。人機交互界面中設(shè)計了割茬高度、自動調(diào)控閾值數(shù)值輸入框及自動調(diào)控開關(guān)按鈕,用于設(shè)置自動控制系統(tǒng)作業(yè)參數(shù)。同時,人機交互界面中設(shè)計了歷史數(shù)據(jù)表格及數(shù)據(jù)采樣控制按鈕,作業(yè)時ECU將割臺左側(cè)、右側(cè)高度等數(shù)據(jù)實時發(fā)送到觸摸屏,作業(yè)結(jié)束后點擊“保存數(shù)據(jù)”按鈕,即可將歷史作業(yè)數(shù)據(jù)保存到U盤內(nèi),便于查詢和分析割臺高度自動控制系統(tǒng)作業(yè)情況。

3.3 軟件設(shè)計

3.3.1 割臺高度標定試驗

為消除仿形機構(gòu)安裝誤差的影響,采用標定方法得到割臺高度計算公式。將大豆收獲機放置在水平地面上,使割臺處于不同高度,人工測量割刀離地高度并記錄角度傳感器模擬量值,采用Excel軟件擬合數(shù)據(jù)曲線,如圖6所示。

(a) 左側(cè)割臺高度標定曲線

HL=4×10-6x2-0.008 3x+58.533

RL2=0.989 2

(1)

式中：HL——左側(cè)割臺高度值;

RL2——相關(guān)系數(shù);

x——角度傳感器模擬量值。

HR=5×10-6x2-0.010 9x+61.934

RR2=0.990 7

(2)

式中：HR——右側(cè)割臺高度值;

RR2——相關(guān)系數(shù)。

根據(jù)HL、HR,得到割臺高度

(3)

3.3.2 程序設(shè)計

本研究采用CODESYS V3.5軟件編寫割臺高度自動控制程序,控制系統(tǒng)工作流程如圖7所示,包括自動控制和手動控制。手動控制優(yōu)先級高于自動控制,電控手柄按鍵按下時,立即中斷自動控制流程,根據(jù)手柄實際操作控制割臺升、降。

圖7 控制系統(tǒng)工作流程Fig.7 Workflow of control system

系統(tǒng)開機后,首先通過人機交互界面設(shè)定割茬高度H0和自動調(diào)控閾值ΔH。在自動調(diào)控模式下,ECU讀取角度傳感器信號,并根據(jù)式(1)、式(2)、式(3)分別計算HL、HR和H,若割臺高度H與設(shè)定割茬高度H0差值的絕對值小于自動調(diào)控閾值ΔH,則關(guān)閉上升閥、下降閥,否則根據(jù)H與H0大小自動控制上升閥、下降閥開閉。程序中調(diào)用CODESYS PID算法功能塊控制電磁比例換向閥,如圖8所示,根據(jù)田間調(diào)試結(jié)果,設(shè)定PID控制參數(shù)KP=20、TN=0.5、TV=0.01。

圖8 CODESYS PID功能塊Fig.8 Function block of PID in CODESYS

4 田間試驗

4.1 試驗條件

大豆收獲機割臺高度自動控制系統(tǒng)田間試驗于2021年10月進行,試驗地點為河北省滄州市農(nóng)林科學院大豆育種試驗田,長度為60 m,寬度為40 m,地表平整,無明顯雜草,試驗大豆品種為滄豆1327,處于完熟期,植株無倒伏,籽粒含水率為11.3%。

4.2 試驗指標與方法

4.2.1 試驗指標

(4)

(5)

(6)

式中：n——人工測量的割茬高度總個數(shù);

Li——第i次人工測量的割茬高度值,mm。

4.2.2 試驗方法

試驗時,根據(jù)滄豆1327植株特性,設(shè)定割茬高度為80 mm,設(shè)定自動調(diào)控閾值為25 mm,根據(jù)4LZ-1.5大豆收獲機作業(yè)性能,以1 m/s的作業(yè)速度駕駛聯(lián)合收獲機向前行駛15 m。在相同試驗條件下進行兩組試驗,一組作為試驗組,開啟割臺高度自動控制系統(tǒng),另一組作為人工對照組,關(guān)閉割臺高度自動控制系統(tǒng)。每組試驗后,選取收獲作業(yè)的中間區(qū)域,采用直尺人工依次測量30株大豆植株割茬高度。

4.3 試驗結(jié)果與分析

田間試驗結(jié)果如表3所示。由表3可知,試驗組割茬平均高度為84 mm,人工對照組割茬平均高度為96 mm,試驗組割茬平均高度與設(shè)定的割茬高度偏差更小,提高了大豆割茬高度的整體穩(wěn)定性。試驗組割茬高度變異系數(shù)為0.1,相比人工對照組降低了28.6%,割臺高度控制精度為93%,相比人工對照組提高了32.9%,表明本文研究的割臺高度自動控制系統(tǒng)工作穩(wěn)定性較好,割臺仿形調(diào)控精度高。本研究割茬高度平均誤差為4 mm,小于文獻[12]試驗結(jié)果,能夠滿足大豆低割收獲要求。

表3 田間試驗結(jié)果Tab.3 Test results

5 結(jié)論

1) 為解決大豆收獲機割臺高度自動控制系統(tǒng)成本較高、可靠性較差的問題,本研究以惡劣環(huán)境運動控制器作為ECU控制單元,基于CODESYS軟件開發(fā)了割臺高度自動控制系統(tǒng),基于工業(yè)觸摸屏設(shè)計了人機交互界面。

2) 對割臺高度自動控制系統(tǒng)進行了田間對比試驗。開啟該系統(tǒng)作業(yè)時,割茬平均高度與設(shè)定的割茬高度偏差4 mm,割茬高度變異系數(shù)為0.1,割臺高度控制精度為93%,說明該系統(tǒng)控制精度高,工作穩(wěn)定性較好,能夠滿足大豆低割收獲要求。本研究可為農(nóng)業(yè)機械其他自動控制系統(tǒng)設(shè)計提供參考。