激光接收器自動(dòng)升降式平地機(jī)的研制與試驗(yàn)分析

孟志軍，付衛(wèi)強(qiáng)，武廣偉，董建軍，叢 岳

(國(guó)家農(nóng)業(yè)智能裝備工程技術(shù)研究中心，北京 100097)

通過(guò)平整土地改善農(nóng)田地表平整度是提高灌溉均勻度和灌溉用水效率的有效手段［1-3］，而激光平地機(jī)采用激光作為作業(yè)區(qū)域地表相對(duì)高程非視覺(jué)測(cè)量手段，利用電液控制技術(shù)自動(dòng)調(diào)節(jié)平地鏟升降，可以顯著降低人工平地作業(yè)操作的誤差，提高農(nóng)田平整作業(yè)的精度和作業(yè)質(zhì)量［4-5］.國(guó)內(nèi)外研究人員普遍認(rèn)為，如果以田間地面相對(duì)高程的標(biāo)準(zhǔn)偏差值作為土地平整精度評(píng)價(jià)指標(biāo)的話，激光平地方法可以使田塊平整精度指標(biāo)達(dá)到小于2 cm的水平.近年來(lái)，通過(guò)引進(jìn)與消化吸收的方式，國(guó)內(nèi)逐步開展相關(guān)技術(shù)設(shè)備研發(fā)應(yīng)用，取得了較好效果.李益農(nóng)等［6］從平地效果、平地作業(yè)效率和成本費(fèi)用估算等角度研究了激光平地的效果評(píng)價(jià)方法，并給出了我國(guó)農(nóng)田激光平地精度的評(píng)價(jià)指標(biāo).侯明亮等［7］研制了配套國(guó)產(chǎn)中型拖拉機(jī)的激光平地機(jī)液壓控制閥及控制裝置.劉剛等［8-10］開發(fā)了一種低成本激光接收與控制裝置、液壓調(diào)節(jié)裝置和平地鏟，田間作業(yè)試驗(yàn)效果較好.然而，在實(shí)際平地作業(yè)過(guò)程中，現(xiàn)有激光平地控制系統(tǒng)中存在著諸多影響作業(yè)質(zhì)量和效率的問(wèn)題［11］.比如在目前國(guó)內(nèi)外投入應(yīng)用的激光平地系統(tǒng)激光接收器的有效接收范圍多在20～30 cm，在高差大于30 cm的地塊使用時(shí)，需要根據(jù)作業(yè)過(guò)程中地形變化不斷由人工來(lái)調(diào)整激光接收器高度來(lái)適應(yīng)高差大的地塊.反復(fù)停車調(diào)整接收器高度導(dǎo)致土地平整效率低下，作業(yè)消耗增加.同時(shí)，平整高差變化較大的地塊時(shí)，作業(yè)過(guò)程中平地鏟吃土量過(guò)多，鏟車內(nèi)容易積土，導(dǎo)致動(dòng)力系統(tǒng)牽引負(fù)載過(guò)大，容易損壞動(dòng)力系統(tǒng)或平地鏟.

本研究針對(duì)上述實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題改進(jìn)設(shè)計(jì)一種激光接收器自動(dòng)升降式平地機(jī)，并通過(guò)農(nóng)田精平試驗(yàn)驗(yàn)證作業(yè)效果.

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本研究設(shè)計(jì)的激光平地機(jī)由激光發(fā)射接收裝置、平地鏟、平地鏟液壓系統(tǒng)和控制器等幾部分組成.如前所述，為解決傳統(tǒng)激光平地設(shè)備的激光接收器接收范圍小、平地鏟過(guò)載保護(hù)和平地鏟無(wú)效行程過(guò)大問(wèn)題，新型激光平地機(jī)增加了激光接收器升降裝置、牽引負(fù)載傳感器和平地鏟升降行程控制裝置，如圖1所示.

圖1 液壓平地鏟

1.1 平地鏟設(shè)計(jì)

平地鏟設(shè)計(jì)包括機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì).平地鏟的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分主要由支撐輪、平地鏟鏟刀、擋板、牽引架、切土角調(diào)節(jié)裝置、滑軌、桅桿等組成(圖1).根據(jù)激光平地機(jī)配套拖拉機(jī)額定牽引力和平地鏟工作時(shí)的單位阻力可以核算平地鏟寬度和高度.本研究設(shè)計(jì)的液壓平地機(jī)針對(duì)51.45～58.80 kW拖拉機(jī)，計(jì)算設(shè)計(jì)作業(yè)幅寬2 500 mm，鏟體高度610 mm.平地鏟的一個(gè)重要參數(shù)是切土角，即在工作狀態(tài)下鏟刀面與地平面的夾角.對(duì)于精平作業(yè)，應(yīng)在40°～60°范圍內(nèi)選取切土角.考慮到激光平地機(jī)在不同土壤條件下的適應(yīng)性，設(shè)計(jì)了平地鏟切土角調(diào)節(jié)裝置.

考慮平地鏟的作業(yè)幅寬，牽引架設(shè)計(jì)為雙軸牽引式，有利于增加牽引架牽引平地鏟作業(yè)過(guò)程中的穩(wěn)定性.牽引式平地機(jī)的縱向跨度常用值為4～5 m，牽引架的長(zhǎng)度太長(zhǎng)導(dǎo)致拖拉機(jī)轉(zhuǎn)彎半徑太大，牽引架太短，作業(yè)機(jī)組的機(jī)動(dòng)性會(huì)變差，同時(shí)考慮配套動(dòng)力拖拉機(jī)的轉(zhuǎn)彎半徑，牽引架的長(zhǎng)度設(shè)計(jì)值為1 770 mm，寬度為1 096 mm.液壓平地鏟的桅桿主要用來(lái)固定激光接收器，考慮到激光接收器升降調(diào)節(jié)功能需要，在桅桿上安裝燕尾式滑軌，激光接收器可以在滑軌上滑動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)接收器在豎直方向位置可調(diào).

平地鏟液壓系統(tǒng)包括油源、閥控油缸平地鏟升降系統(tǒng)、閥控電動(dòng)機(jī)激光接收器升降系統(tǒng)和閥塊、油濾、液壓管路等其他液壓原件構(gòu)成，系統(tǒng)原理圖如圖2所示.

圖2 液壓系統(tǒng)原理圖

系統(tǒng)采用拖拉機(jī)后動(dòng)力輸出作為泵源動(dòng)力，系統(tǒng)工作壓力設(shè)計(jì)在2.0～12.0 MPa范圍可調(diào)，考慮系統(tǒng)流量和散熱等因素，設(shè)計(jì)油箱容積100 L.平地鏟升降動(dòng)作通過(guò)閥控油缸油路實(shí)現(xiàn)，采用10通徑三位四通電磁閥作為控制元件，三位四通電磁閥A加電可控制液壓缸伸縮動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)平地鏟升降控制［12］.激光接收器的升降控制通過(guò)閥控液壓電動(dòng)機(jī)回路實(shí)現(xiàn)，電液換向閥門M加電，可以控制液壓電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)或停止運(yùn)行，液壓電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)通過(guò)定滑輪裝置帶動(dòng)激光接收器上下升降.此外，還可通過(guò)調(diào)整可調(diào)單向節(jié)流閥開度，改變激光接收器升降速度，以適應(yīng)作業(yè)需要.

1.2 激光接收器自動(dòng)升降控制

在現(xiàn)有激光平地控制系統(tǒng)的平地作業(yè)過(guò)程中，激光接收器的接收范圍一般不超過(guò)30 cm，僅適用于高差不大的土地整理.如果作業(yè)區(qū)域地表高程變化較大，可能使得設(shè)定的作業(yè)基準(zhǔn)面與平地鏟所處位置高程差超過(guò)激光接收器接收范圍，此時(shí)激光接收器沒(méi)有信號(hào)輸出，平地鏟不能正常工作.遇到這種情況，傳統(tǒng)激光平地機(jī)操作方式是必須停下機(jī)組，通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)激光接收器的固定位置，使得激光接收器重新處于能正常接收激光發(fā)射器信號(hào)的位置，造成平地作業(yè)過(guò)程設(shè)備操作繁瑣，影響工作效率.針對(duì)這種情況，設(shè)計(jì)了一種激光接收器自動(dòng)升降裝置，如圖3所示.

圖3 激光接收器自動(dòng)升降裝置

由圖3可知該裝置由液壓電動(dòng)機(jī)、彈性聯(lián)軸器、減速機(jī)、鋼絲拉索、滑輪、激光接收器、直線導(dǎo)軌和立柱等部分組成，其中直線導(dǎo)軌和立柱通過(guò)螺栓固定連接在一起.由圖2所示的液壓換向閥輸出的液壓油驅(qū)動(dòng)液壓電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，并控制旋轉(zhuǎn)的方向，通過(guò)彈性聯(lián)軸器帶動(dòng)減速機(jī)工作，由減速機(jī)帶動(dòng)滑輪轉(zhuǎn)動(dòng)，鋼絲拉索就自動(dòng)收卷，從而實(shí)現(xiàn)激光接收器的上下升降.

1.3 激光平地機(jī)控制器

激光平地機(jī)控制器是激光平地機(jī)的核心控制裝置，具有作業(yè)信號(hào)采集、輸出控制和人機(jī)交互顯示及操縱開關(guān)等功能.根據(jù)平地機(jī)作業(yè)控制任務(wù)，本研究開發(fā)的控制器要求能實(shí)時(shí)讀取激光接收器信號(hào)、平地鏟負(fù)載傳感器信號(hào)和兩路指示液壓缸行程極限位置的開關(guān)量輸入;能輸出兩路用于閥控缸和閥控電動(dòng)機(jī)回路中的電磁閥功率控制信號(hào);同時(shí)應(yīng)用撥擋開關(guān)實(shí)現(xiàn)手/自動(dòng)控制功能切換、平地鏟升降操控和激光接收器升降操控輸入，采用3排發(fā)光二極管(LED)分別指示平地鏟當(dāng)前所處高程與設(shè)計(jì)高程的3種位置關(guān)系.

根據(jù)上述功能需要，采用STC12C5AS82型單片機(jī)作為主控芯片，通過(guò)設(shè)計(jì)控制器輸入信號(hào)調(diào)理電路和輸出控制信號(hào)電路，實(shí)現(xiàn)激光控制器電路設(shè)計(jì)，其原理框圖如圖4a所示.圖4b為輸入信號(hào)調(diào)理電路原理圖，單片機(jī)IO管腳輸出TTL電平控制信號(hào)，經(jīng)過(guò)74LS07N芯片增大驅(qū)動(dòng)電流，通過(guò)光電隔離芯片H11A817CS進(jìn)行隔離，經(jīng)上拉電阻R6將TTL電平轉(zhuǎn)換成電壓POWERA電平，轉(zhuǎn)換后的控制信號(hào)經(jīng)過(guò)IRFU9120進(jìn)行功率放大來(lái)驅(qū)動(dòng)電磁閥.圖4c分別為輸出控制信號(hào)功放電路原理圖，撥擋開關(guān)輸入的開關(guān)信號(hào)經(jīng)過(guò)光電隔離芯片H11A817CS進(jìn)行隔離，通過(guò)SN74LS04N進(jìn)行電平反向輸入到單片機(jī)的IO管腳，單片機(jī)通過(guò)讀取對(duì)應(yīng)IO管腳獲得輸入的開關(guān)信號(hào)狀態(tài).

圖4 激光控制器電路設(shè)計(jì)圖

控制邏輯設(shè)計(jì)方面，該激光平地控制器支持手動(dòng)模式和自動(dòng)模式.手動(dòng)工作模式控制邏輯相對(duì)簡(jiǎn)單，主要是通過(guò)手動(dòng)操控按鈕分別對(duì)平地鏟和激光接收器升降運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制.自動(dòng)模式的控制流程如圖5所示.

圖5 自動(dòng)模式控制流程圖

首先讀取平地鏟負(fù)載傳感器信號(hào)，并判斷負(fù)載值是否超過(guò)設(shè)定的負(fù)載閾值，若超過(guò)該閾值，系統(tǒng)自動(dòng)控制電磁閥開閉和液壓油流向，驅(qū)動(dòng)液壓油缸的伸出，鏟刀上升并卸土，從而實(shí)現(xiàn)平地鏟的過(guò)載保護(hù);若負(fù)荷低于設(shè)定的負(fù)載閾值，則控制器讀取激光接收器信號(hào)，并將信號(hào)轉(zhuǎn)換成控制器指示燈狀態(tài)，并進(jìn)入平地鏟升降控制程序，實(shí)現(xiàn)正常升降控制.同時(shí)，讀取液壓油缸行程位移傳感器信號(hào)，若油缸行程位移信號(hào)標(biāo)識(shí)平地鏟抬起過(guò)高且平地鏟當(dāng)前狀態(tài)為下降，則發(fā)送控制信號(hào)給電磁閥A自動(dòng)停止平地鏟支撐輪繼續(xù)抬高，從而能有效控制平地鏟無(wú)效行程;否則，輸出控制信號(hào)到電磁閥A，正常執(zhí)行平地鏟升降控制.

2 系統(tǒng)試驗(yàn)

本研究設(shè)計(jì)的激光平地機(jī)支持激光接收器自動(dòng)升降，能夠較好地解決激光接收范圍受限和激光接收裝置調(diào)節(jié)困難問(wèn)題.為驗(yàn)證改進(jìn)設(shè)計(jì)后的激光平地機(jī)平整作業(yè)效果，進(jìn)行了實(shí)際農(nóng)田精平作業(yè)試驗(yàn).

2.1 試驗(yàn)方法

結(jié)合土地整理項(xiàng)目工程施工，選取項(xiàng)目示范區(qū)農(nóng)田進(jìn)行土地平整作業(yè)試驗(yàn).精平作業(yè)前，進(jìn)行了農(nóng)田耕整和粗平作業(yè).在精平作業(yè)前后，分別采用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分全球定位系統(tǒng)接收機(jī)(RTK-GPS)進(jìn)行了作業(yè)地塊三維坐標(biāo)測(cè)量.為了保證測(cè)量數(shù)據(jù)的精度，試驗(yàn)采用網(wǎng)格法測(cè)量，將田塊劃分為間距5 m的方格網(wǎng)進(jìn)行精確定位測(cè)量.

在土地精平作業(yè)后，分別采用了以下2種方法對(duì)土地平整效果進(jìn)行了評(píng)價(jià).

1)高程標(biāo)準(zhǔn)差.高程標(biāo)準(zhǔn)差Sd是農(nóng)田地面相對(duì)高程的標(biāo)準(zhǔn)偏差值.高程標(biāo)準(zhǔn)差反映了農(nóng)田地面平整度的總體狀況，能夠定量評(píng)價(jià)田面平整狀況的絕對(duì)改善程度［7］，高程標(biāo)準(zhǔn)差越小，說(shuō)明農(nóng)田平整度越高.Sd計(jì)算公式為

式中:hi為第i個(gè)采樣點(diǎn)的相對(duì)高程，cm;為該農(nóng)田的相對(duì)期望高程，cm，即平地設(shè)計(jì)高程;n為農(nóng)田地塊內(nèi)采樣點(diǎn)的總數(shù).

根據(jù)土地平整前后的高程標(biāo)準(zhǔn)差，可以計(jì)算出土地平整前后的絕對(duì)改善度:

式中:Sd為土地平整前的高程標(biāo)準(zhǔn)差;Sd'為土地平整后的高程標(biāo)準(zhǔn)差.而相對(duì)改善度則是δ與平地前Sd值的比值.

此外，測(cè)點(diǎn)高差分布ED(elevation distribution)也可以反應(yīng)地面平整程度的分布狀況.測(cè)點(diǎn)高差分布是計(jì)算所有測(cè)點(diǎn)的相對(duì)高程與期望高程的絕對(duì)差值，根據(jù)小于某一絕對(duì)差值的測(cè)點(diǎn)累積百分?jǐn)?shù)評(píng)價(jià)田間地面形狀的差異及其分布的特征.

2)農(nóng)田地表平整度指數(shù).高程標(biāo)準(zhǔn)差和測(cè)點(diǎn)高差分布雖然能夠較好地反應(yīng)農(nóng)田平整度總體狀況，但缺乏空間直觀性.文中提出一種基于高差等級(jí)空間分布的農(nóng)田地表平整度評(píng)估計(jì)算方法，即農(nóng)田地表平整度指數(shù)(farmland surface flatness indicator，F(xiàn)SFI)，用來(lái)表征土地平整的空間分布狀況.該指標(biāo)能定量表征農(nóng)田地表平整狀況，是一種更為直觀且能體現(xiàn)高程空間分布的激光平地機(jī)作業(yè)效果評(píng)估方法和指標(biāo).

農(nóng)田地表平整度指數(shù)(FSFI)計(jì)算公式如下:

式中:土地平整作業(yè)區(qū)域的總面積為A，劃分r個(gè)土地平整等級(jí)進(jìn)行空間分布分析;土地平整等級(jí)zi為相對(duì)高程與期望高程的絕對(duì)差值范圍，i為第i等級(jí)系數(shù)，可取值對(duì)應(yīng)數(shù)值范圍的中值;Ai為土地平整等級(jí)i的空間分布面積.

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

首先進(jìn)行平整作業(yè)前后作業(yè)區(qū)絕對(duì)高程標(biāo)準(zhǔn)差的比較，由公式(1)計(jì)算各田塊土地精平前后的高程標(biāo)準(zhǔn)差值Sd，結(jié)果如表1所示.

表1 土地精平前后高程標(biāo)準(zhǔn)差

由表1數(shù)據(jù)可以看出，地塊的高程標(biāo)準(zhǔn)偏差值由平地前的5.12～6.30 cm下降至平地后的1.79～2.19 cm，田間平整狀況的絕對(duì)改善度δ為3.19～4.11 cm，相對(duì)改善度均達(dá)到60%以上.試驗(yàn)區(qū)域土地精平后各地塊的高程標(biāo)準(zhǔn)差不超過(guò)2.20 cm，高程標(biāo)準(zhǔn)偏差最大值為2.19 cm，最小值為1.79 cm，各地塊間的平整度差異較小.本次土地精平試驗(yàn)中，土地平整后地塊內(nèi)高程絕對(duì)差值小于等于2.50 cm的測(cè)點(diǎn)累積百分?jǐn)?shù)平均在80%以上.

針對(duì)本次農(nóng)田精平作業(yè)試驗(yàn)，進(jìn)行作業(yè)區(qū)域平整前后農(nóng)田地表平整度指數(shù)的計(jì)算和比較.首先，劃分4個(gè)土地平整等級(jí)，分別為0≤z1＜1 cm，1 cm≤z2＜3 cm，3 cm≤z3＜5 cm，z4≥5 cm;分別計(jì)算地塊平整前后測(cè)點(diǎn)相對(duì)高程與期望高程絕對(duì)差值;然后利用ArcGIS軟件對(duì)絕對(duì)差值進(jìn)行克里金空間插值生成地塊各平整等級(jí)空間分布圖.圖6為地塊Field-D和Field-E的土地平整等級(jí)空間分布圖，左側(cè)為土地平整前的各平整等級(jí)空間分布圖，右側(cè)為土地平整后的各平整等級(jí)空間分布圖.

圖6 地塊平整前后各平整等級(jí)空間分布圖

計(jì)算各平整等級(jí)空間分布區(qū)域面積，最后根據(jù)公式(3)計(jì)算該地塊的FSFI，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2，其中土地各平整等級(jí)的系數(shù)取值為1=0.5，2=2，3=4，4=5.由表中數(shù)據(jù)分析可知，當(dāng)某個(gè)平整等級(jí)的分布面積比重較大時(shí)，F(xiàn)SFI的數(shù)值就更接近于此平整等級(jí)的數(shù)值范圍.顯然，F(xiàn)SFI越小，農(nóng)田地表平整度越高;各地塊在平整作業(yè)后，F(xiàn)SFI值顯著減小.本研究提出的農(nóng)田地表平整度指數(shù)能夠在一定程度上反應(yīng)土地平整狀況的空間分布情況.

表2 土地精平前后的FSFI

3 結(jié)論

1)研制的激光平地系統(tǒng)由激光發(fā)射接收裝置、平地鏟、平地鏟液壓系統(tǒng)和控制器等部分組成.其中，設(shè)計(jì)的激光接收器自動(dòng)升降裝置，運(yùn)用電液控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了激光接收器電液控制高度調(diào)節(jié)功能;運(yùn)用拉力傳感器和位移傳感器技術(shù)，有效控制平地鏟無(wú)效行程，實(shí)現(xiàn)平地鏟負(fù)載過(guò)大時(shí)平地鏟自動(dòng)升高卸土.

2)農(nóng)田平地精度檢測(cè)試驗(yàn)表明:試驗(yàn)區(qū)域平地后高程標(biāo)準(zhǔn)差不超過(guò)2.20 cm，田間平整狀況的相對(duì)改善度均達(dá)到60%以上.平地后地塊內(nèi)絕對(duì)差值小于等于2.50 cm的測(cè)點(diǎn)累積百分?jǐn)?shù)平均在80%以上.

3)提出一種定量評(píng)估農(nóng)田地表空間平整程度的指標(biāo)及其計(jì)算方法.該方法能夠更為直觀地評(píng)估激光平地機(jī)作業(yè)效果，體現(xiàn)土地平整度的空間分布狀況.

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