智能避讓旋耕機(jī)機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計與應(yīng)用

高夢星

（揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225000）

旋耕機(jī)作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中不可或缺的農(nóng)機(jī)具之一，其作業(yè)效率和性能直接影響著我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率和質(zhì)量。然而傳統(tǒng)的旋耕機(jī)需要人工駕駛操控，遇到復(fù)雜場地和環(huán)境時其作業(yè)效率低下，且易受到地形和作業(yè)環(huán)境的限制。如果能夠在旋耕機(jī)上添加智能避讓系統(tǒng)，實現(xiàn)自動避讓功能，將有助于提高其作業(yè)效率，降低作業(yè)成本，對于推進(jìn)我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式的轉(zhuǎn)型升級具有重要的研究意義和應(yīng)用價值[1]。

1 智能旋耕機(jī)的工作流程

旋耕機(jī)作為一種耕整地機(jī)械，其作用是將耕翻后的土壤耙碎、整平和鎮(zhèn)壓，使地面平整，并使作物根系能充分伸展，為農(nóng)作物生長發(fā)育創(chuàng)造良好的條件[1]。旋耕機(jī)主要由機(jī)架、傳動系統(tǒng)、動力輸出軸、刀片等部件組成。旋耕機(jī)的作業(yè)過程是一個動態(tài)過程，作業(yè)時要根據(jù)土壤的堅硬程度，對動力輸出軸進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)，使刀片與土壤接觸處形成光滑的刀盤，這樣就可以將切碎的土壤顆粒粉碎并將其均勻地拋撒到地表，形成良好的耕作層。旋耕機(jī)一般在較大負(fù)荷下工作，作業(yè)速度不能太快，否則會使刀片承受很大的彎矩而損壞。在田間作業(yè)時，由于地面狀況變化很快，對動力輸出軸進(jìn)行調(diào)速是十分必要的[2]。

2 智能避讓系統(tǒng)的設(shè)計

為解決傳統(tǒng)旋耕機(jī)在田間作業(yè)時，由于旋耕機(jī)與拖拉機(jī)的干涉造成拖拉機(jī)工作效率低下的問題，采用了基于單片機(jī)技術(shù)的智能避讓系統(tǒng)[2]。該系統(tǒng)的設(shè)計思路是通過對拖拉機(jī)和旋耕機(jī)工作原理進(jìn)行分析，確定了避碰控制方式、避碰控制算法和控制流程。當(dāng)拖拉機(jī)前進(jìn)時，系統(tǒng)以輪速作為控制信號，發(fā)出避讓信號給單片機(jī)，單片機(jī)接收到信號后輸出脈沖寬度調(diào)制信號到電機(jī)驅(qū)動模塊，接收到信號后驅(qū)動滾珠絲杠，通過轉(zhuǎn)動帶動刀盤的轉(zhuǎn)動從而帶動旋耕機(jī)工作，達(dá)到自動避讓的目的[3]。

2.1 智能避讓系統(tǒng)組成

智能避讓系統(tǒng)主要由傳感器部分、單片機(jī)控制部分、電機(jī)驅(qū)動部分和人機(jī)交互部分組成。其中，傳感器部分主要檢測拖拉機(jī)和旋耕機(jī)工作時的狀態(tài)；單片機(jī)控制部分是該系統(tǒng)的核心部分，通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理來實現(xiàn)避碰功能；電機(jī)驅(qū)動部分通過電機(jī)驅(qū)動器來實現(xiàn)滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動；人機(jī)交互部分由觸摸屏和鍵盤組成，通過人機(jī)交互界面來實現(xiàn)拖拉機(jī)和旋耕機(jī)之間的避讓功能。在系統(tǒng)工作過程中，由單片機(jī)控制驅(qū)動模塊把脈沖寬度調(diào)制信號輸送到滾珠絲杠上帶動滾珠絲杠轉(zhuǎn)動。傳感器在智能避讓系統(tǒng)中，首先需要對拖拉機(jī)和旋耕機(jī)工作狀態(tài)進(jìn)行檢測，傳感器主要包括輪速傳感器、輪距傳感器和旋耕深度傳感器。輪速傳感器是一種利用電動機(jī)和齒輪傳動來產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場的傳感器，它的核心部件是一塊永久磁鐵，它能夠檢測出拖拉機(jī)和旋耕機(jī)旋轉(zhuǎn)時所產(chǎn)生的磁場。通過對輪速傳感器的研究，結(jié)合實際情況確定了拖拉機(jī)和旋耕機(jī)工作時的轉(zhuǎn)速。當(dāng)旋耕機(jī)工作時，其旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的磁場會影響輪速傳感器輸出信號，根據(jù)公式（1）可以得出輪速變化和旋耕機(jī)轉(zhuǎn)速變化成正比關(guān)系，從而得到輪速傳感器輸出信號。

式中，n表示旋耕機(jī)旋轉(zhuǎn)刀片時的實時轉(zhuǎn)速，單位為r/min；V表示旋耕機(jī)的前進(jìn)速度，單位為km/h；D表示旋轉(zhuǎn)刀片的直徑長度，單位為m；π 表示圓周率，約等于3.14。

例如，一臺旋耕機(jī)當(dāng)前的前進(jìn)速度為7 km/h，旋轉(zhuǎn)刀片的直徑長度為1 m，其轉(zhuǎn)速為：

需要注意的是，旋耕機(jī)本身自帶的轉(zhuǎn)速不宜過高，通常情況下，需要將其控制在2 000 r/min~3 000 r/min 之間，如果轉(zhuǎn)速過高，就會導(dǎo)致土質(zhì)松軟，從而影響植物的生長，同時這也會進(jìn)一步增加機(jī)器的磨損率和使用能耗，削減機(jī)器的使用壽命。

為了能夠有效地檢測旋耕機(jī)旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的磁場對輪速傳感器的影響，在拖拉機(jī)兩側(cè)安裝了兩個環(huán)形線圈，在環(huán)形線圈內(nèi)充入一定頻率的電磁場。當(dāng)旋耕機(jī)旋轉(zhuǎn)時，其產(chǎn)生的磁場會作用于環(huán)形線圈上產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。由于旋耕機(jī)工作時其轉(zhuǎn)速是有固定值的，因此可以通過測量旋耕深度來判斷旋耕機(jī)與拖拉機(jī)是否有發(fā)生碰撞的可能。為了實現(xiàn)智能避讓系統(tǒng)中對拖拉機(jī)和旋耕機(jī)工作狀態(tài)檢測的功能，需要對旋耕機(jī)和拖拉機(jī)進(jìn)行避碰控制[4]。

2.2 避碰控制算法

本文采用基于模糊控制的避碰控制算法，將系統(tǒng)分成兩個部分：一個是對輪速信號進(jìn)行處理，并通過對輪速信號進(jìn)行模糊化處理，然后將模糊化的輪速信號與設(shè)定的距離進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果判斷是否需要采取避碰動作。另一個是通過單片機(jī)輸出脈沖寬度調(diào)制信號到電機(jī)驅(qū)動器，根據(jù)電機(jī)驅(qū)動器的轉(zhuǎn)速來控制滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)對旋耕機(jī)的避讓[5]。具體實現(xiàn)過程如下：首先，根據(jù)輪速信號判斷是否需要避碰；如果需要避碰，則發(fā)出避讓信號給單片機(jī)，單片機(jī)接收到信號后，通過計算輪速和距離值之間的偏差值來判斷是否需要避碰；如果不需要避碰，則繼續(xù)進(jìn)行下一步。判斷輪速和距離值之間是否有偏差時，可根據(jù)公式（2）來計算。

式中，P是輪速與距離的比值，T是拖拉機(jī)和旋耕機(jī)之間的距離。當(dāng)P>T時，拖拉機(jī)需要避讓；當(dāng)PT時，則向拖拉機(jī)發(fā)出避讓信號；當(dāng)P

2.3 控制流程

智能避讓系統(tǒng)主要是通過輪速信號來實現(xiàn)避碰的功能。輪速信號通過單片機(jī)發(fā)送出去，單片機(jī)接收到輪速信號后輸出脈沖寬度調(diào)制到電機(jī)驅(qū)動模塊，接收到脈沖寬度調(diào)制后輸出一個脈沖信號給單片機(jī)，單片機(jī)會根據(jù)預(yù)設(shè)的算法和邏輯，生成相應(yīng)的脈沖信號。這個脈沖信號會被傳送到驅(qū)動模塊，通過驅(qū)動模塊的控制將脈沖信號傳遞給滾珠絲杠來驅(qū)動刀盤轉(zhuǎn)動，從而帶動刀盤轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)避碰。在拖拉機(jī)前進(jìn)時，由于旋耕刀刀盤與拖拉機(jī)輪速信號有一定的差值，所以當(dāng)輪速信號大于或等于旋耕機(jī)輪速信號時，單片機(jī)控制驅(qū)動模塊把脈沖寬度調(diào)制信號輸送到滾珠絲杠上帶動滾珠絲杠轉(zhuǎn)動，從而帶動刀盤轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)避碰功能[6]。

3 人機(jī)交互界面設(shè)計

人機(jī)交互界面設(shè)計是對智能避讓系統(tǒng)的人機(jī)交互功能進(jìn)行設(shè)計，通過對系統(tǒng)的界面進(jìn)行設(shè)計，來實現(xiàn)旋耕機(jī)和拖拉機(jī)的自動避讓功能，從而提高旋耕機(jī)的作業(yè)效率，降低其作業(yè)成本[3]。人機(jī)交互界面主要由兩個部分組成，即控制模塊和顯示模塊?？刂颇K主要實現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行過程中的各個控制功能，顯示模塊則負(fù)責(zé)顯示系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)[7]。

為了滿足用戶對旋耕機(jī)智能避讓功能的需求，在人機(jī)交互界面上顯示系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)時應(yīng)設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)來表示旋耕機(jī)運(yùn)行狀態(tài)：0~10 為自動工作狀態(tài)，0~20 為正常工作狀態(tài)，20~50 為自動避讓狀態(tài)，50~100 為自動恢復(fù)狀態(tài)。首先選擇控制模式（單模式或者多模式），然后選擇旋耕作業(yè)的模式（單模式或者多模式）。在單模運(yùn)行或多模運(yùn)行時，均需選擇旋耕作業(yè)的模式；在單模運(yùn)行時，需選擇旋耕作業(yè)的速度范圍；在多模運(yùn)行時，可根據(jù)旋耕機(jī)當(dāng)前的位置和速度來進(jìn)行相應(yīng)的選擇。其中，旋耕機(jī)工作狀態(tài)的改變通過觸摸屏上相應(yīng)按鍵來實現(xiàn)[8]。

當(dāng)旋耕機(jī)出現(xiàn)故障時，也可通過觸摸屏輸入相應(yīng)的指令來實現(xiàn)故障原因查找及問題解決：首先選擇故障報警模式（報警代碼顯示），然后選擇故障代碼，最后選擇相應(yīng)的解決方案。

當(dāng)用戶按下觸摸屏上對應(yīng)按鍵時，會彈出一個對話框提醒用戶操作此項功能；當(dāng)用戶想要退出該功能時，點擊觸摸屏上對應(yīng)按鍵后會彈出一個對話框提醒用戶需要退出該功能[9]；當(dāng)用戶再次按下觸摸屏上對應(yīng)按鍵，系統(tǒng)會自動進(jìn)入到保護(hù)模式中。如果旋耕機(jī)出現(xiàn)故障并伴有相應(yīng)報警信號時，系統(tǒng)將會自動關(guān)閉該系統(tǒng)并進(jìn)入到恢復(fù)模式中[10]。

4 試驗驗證

為了驗證本系統(tǒng)的正確性和有效性，對產(chǎn)品進(jìn)行了中間試驗。試驗采用型號為KT650 型輪式拖拉機(jī)作為牽引動力，選用兩臺相同型號的旋耕機(jī)分別進(jìn)行試驗。在相同的地形條件下，選擇田間作業(yè)時的天氣情況作為試驗條件。試驗場地的長度約為25 m，寬度約為15 m，采用拖拉機(jī)牽引動力，以控制速度進(jìn)行作業(yè)。為保證測試結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性，選取3 個測試點分別進(jìn)行測試，并對試驗結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計分析[4]。

4.1 旋耕作業(yè)

從試驗數(shù)據(jù)可以看出，在同樣的作業(yè)條件下，兩臺旋耕機(jī)在完成旋耕作業(yè)后，機(jī)器的速度和方向都保持一致，表明該系統(tǒng)能夠在相同的工作條件下進(jìn)行旋耕作業(yè)。旋耕后的土壤具有良好的作業(yè)質(zhì)量，并且與旋耕前相比，土壤表面平整度有所提高。但也發(fā)現(xiàn)了一些問題，主要有以下幾點：

1）機(jī)器在旋耕過程中的速度是變化的。例如：機(jī)器在進(jìn)行旋耕作業(yè)時，速度基本保持在3 m/s 左右；當(dāng)機(jī)器進(jìn)入自動避讓道后，速度開始增加，達(dá)到15 m/s。

2）旋耕機(jī)在旋耕作業(yè)過程中存在較大的橫向抖動現(xiàn)象。當(dāng)旋轉(zhuǎn)刀片與土壤之間的接觸面積增大時，由于拖拉機(jī)行駛速度較快，實際接觸時間變短。同時，刀片與土壤之間存在摩擦力、剪切力和滑移力等，在這些力的作用下，機(jī)器在旋耕過程中出現(xiàn)橫向抖動現(xiàn)象，橫向抖動會降低旋耕機(jī)的工作穩(wěn)定性。

3）雖然沒有出現(xiàn)明顯的動力輸出現(xiàn)象，但是機(jī)器在進(jìn)入自動避讓道后會有一個很大的動力輸出，在旋耕機(jī)工作質(zhì)量較差、刀片磨損嚴(yán)重等情況下會出現(xiàn)動力不足的現(xiàn)象。

4）系統(tǒng)檢測到機(jī)器在自動避讓道內(nèi)時會發(fā)生碰撞現(xiàn)象。從試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析結(jié)果可以看出：兩臺旋耕機(jī)在自動避讓道內(nèi)發(fā)生碰撞時距離保持在15 cm左右。這是由于機(jī)器在旋耕作業(yè)時處于自動避讓狀態(tài)，發(fā)生碰撞時距離較近；而當(dāng)機(jī)器進(jìn)入自動避讓道后發(fā)生碰撞時距離較遠(yuǎn)。

4.2 旋耕效果

在實際的旋耕過程中，為了保證旋耕質(zhì)量，需要對土地進(jìn)行兩次旋耕，每次旋耕時間為2 h。在兩次旋耕后，拖拉機(jī)的牽引動力都不會超過2 N。兩臺旋耕機(jī)的最大耕作深度分別為17.2 cm和18.7 cm，最大作業(yè)高度為46.4 cm。經(jīng)統(tǒng)計，在兩次旋耕后，兩臺旋耕機(jī)的作業(yè)高度和作業(yè)深度都沒有超過旋耕機(jī)的安全保護(hù)范圍。

在田間試驗時，將兩臺旋耕機(jī)置于同一水平面上進(jìn)行作業(yè)，在兩個方向上分別測定不同的耕作深度和作業(yè)高度。在這種工作狀態(tài)下，由于旋耕深度較大而產(chǎn)生了很大的離心力和牽引力，而此時拖拉機(jī)的牽引動力卻非常小。通過對兩次旋耕后土壤情況進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)土壤的情況有了明顯改善，在旋耕至15 cm時，土壤中基本沒有土塊存在，表面變得更加細(xì)膩平整。這表明旋耕機(jī)在高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下產(chǎn)生的離心力和牽引力能有效地將土壤顆粒細(xì)化，使土壤更加適宜作物生長。

4.3 成本核算

筆者設(shè)計的自動避讓旋耕機(jī)機(jī)械產(chǎn)品的成本包括傳感器成本、系統(tǒng)控制芯片成本、整機(jī)組裝成本。整體的成本核算包括生產(chǎn)支出的審核、確定成本計算對象及成本項目，開設(shè)相應(yīng)的產(chǎn)品成本明細(xì)賬、進(jìn)行要素費用的分配，并為其配置各類要素費用分配表。其中，傳感器的成本約為5 000 元，占整個產(chǎn)品成本的70%以上，因此傳感器的成本控制是系統(tǒng)設(shè)計和生產(chǎn)中需要重點關(guān)注的工作。

5 結(jié)語

筆者針對旋耕機(jī)在田間作業(yè)過程中存在的問題，設(shè)計了智能避讓系統(tǒng)，在人機(jī)交互界面上設(shè)置了旋耕機(jī)與拖拉機(jī)自動避讓功能，實現(xiàn)了旋耕機(jī)與拖拉機(jī)的自動避讓。改進(jìn)后的旋耕機(jī)工作效率高，且對硬質(zhì)土壤的適應(yīng)性強(qiáng)，性能穩(wěn)定可靠。在實際生產(chǎn)應(yīng)用中，智能避讓系統(tǒng)能夠?qū)ν侠瓩C(jī)和旋耕機(jī)進(jìn)行識別，當(dāng)有拖拉機(jī)接近時能及時做出反應(yīng)，從而實現(xiàn)自動避讓功能，有效地解決了旋耕機(jī)在田間作業(yè)過程中存在的問題。