微耕機(jī)耕深輔助控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)研究

何家慧，康　杰，聶友紅，何培祥，李云伍，趙華慧

(西南大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，重慶　400715)

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微耕機(jī)耕深輔助控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)研究

何家慧，康杰，聶友紅，何培祥，李云伍，趙華慧

(西南大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，重慶400715)

摘要：在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，耕深的穩(wěn)定性是評價(jià)耕作質(zhì)量的重要指標(biāo)。為此，結(jié)合目前微耕機(jī)耕深不穩(wěn)定的現(xiàn)狀,設(shè)計(jì)了一種耕深輔助控制系統(tǒng)，主要用于輔助控制微耕機(jī)的耕作深度,提高微耕機(jī)的耕作質(zhì)量。該系統(tǒng)主要由耕深檢測裝置、控制裝置、執(zhí)行裝置和顯示界面組成。檢測裝置用來間接檢測耕深，控制單元對檢測到的信號進(jìn)行分析后控制電機(jī)轉(zhuǎn)動，從而間接控制耕深調(diào)節(jié)阻力桿的上下移動，以實(shí)現(xiàn)耕深輔助調(diào)節(jié)。顯示模塊用于顯示實(shí)時(shí)耕深，為操作人員提供參考。田間試驗(yàn)結(jié)果表明：耕深穩(wěn)定在120～130mm時(shí)的耕深穩(wěn)定性變異系數(shù)為5.82%，滿足農(nóng)藝要求。所提出的耕深測量方法、輔助控制執(zhí)行裝置和顯示界面對微耕機(jī)設(shè)計(jì)具有一定的參考意義。

關(guān)鍵詞：微耕機(jī)；耕深；穩(wěn)定性；輔助控制

0引言

微耕機(jī)在歐美地區(qū)主要用于園藝、溫室等小面積耕地機(jī)械作業(yè)。我國西南農(nóng)村地區(qū)，丘陵和山區(qū)占了很大面積，由于地塊小、地勢起伏不平、農(nóng)村道路狹窄，微耕機(jī)被廣泛用于其土地耕整作業(yè)。雖然微耕機(jī)提高了西南地區(qū)的農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平，但現(xiàn)有的微耕機(jī)在工作過程中，主要由操作者下壓機(jī)身后端的阻力棒來控制微耕機(jī)的前進(jìn)速度以間接調(diào)節(jié)旋耕刀片的入土深度，這種方式完全依靠操作者的經(jīng)驗(yàn)，作業(yè)耕深很不穩(wěn)定，作業(yè)質(zhì)量往往達(dá)不到農(nóng)藝要求。為此，本文提出了一種微耕機(jī)耕深輔助控制系統(tǒng)，在微耕機(jī)上安裝該系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)微耕機(jī)的耕深輔助調(diào)節(jié)，提高微耕機(jī)的耕作質(zhì)量。

1控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

該系統(tǒng)主要分為耕深檢測裝置、控制裝置、執(zhí)行裝置和顯示界面4個(gè)部分(如圖1所示)，蓄電池為整個(gè)系統(tǒng)提供電能，支架用于該系統(tǒng)的安裝并將該系統(tǒng)與微耕機(jī)相連接。耕深檢測裝置用于檢測微耕機(jī)的實(shí)時(shí)耕深信號并將該信號發(fā)送給控制裝置；控制單元在對應(yīng)的幾何關(guān)系基礎(chǔ)上，通過內(nèi)部算法計(jì)算得到此時(shí)的耕作深度，然后通過控制執(zhí)行裝置來控制阻力棒插入土壤的深度以間接控制微耕機(jī)的前進(jìn)速度,使微耕機(jī)的耕深達(dá)到設(shè)定的耕深范圍；同時(shí)，顯示界面顯示實(shí)時(shí)耕深值，為操作者下一步的操作提供參考。

圖1　整體安裝示意圖

1.1耕深檢測裝置及其原理

目前，國內(nèi)對拖拉機(jī)作業(yè)耕深進(jìn)行實(shí)時(shí)測量的方式主要有凸輪軸式和電位計(jì)式兩種，國內(nèi)有關(guān)于采用傾角傳感器或者電感式位移傳感器對拖拉機(jī)作業(yè)耕深進(jìn)行連續(xù)測量[1-2]的文獻(xiàn)；國外還有利用超聲波傳感器實(shí)時(shí)檢測拖拉機(jī)的作業(yè)耕深[3]的文獻(xiàn)。借鑒拖拉機(jī)的耕深檢測方式，本文采用和電位計(jì)原理類似的角度傳感器來間接檢測微耕機(jī)的實(shí)時(shí)耕深。這種方式與其他耕深測量方式相比，結(jié)構(gòu)簡單、安裝和維護(hù)方便、電路集成度較高、價(jià)格低廉。首先由安裝在微耕機(jī)上的耕深檢測裝置與微耕機(jī)的幾何關(guān)系推導(dǎo)出來耕深與角度傳感器轉(zhuǎn)動角度的關(guān)系式，然后由角度傳感器特性得到轉(zhuǎn)角與輸出電壓的關(guān)系式。根據(jù)這兩個(gè)關(guān)系式，就能從傳感器檢測電壓算出微耕機(jī)的耕深值。

1.1.1幾何關(guān)系

如圖1所示，耕深檢測裝置由1個(gè)滑掌、1個(gè)連接架和角度傳感器組成，連接架的一端與角度傳感器的轉(zhuǎn)動軸固定連接，可實(shí)現(xiàn)±45°的轉(zhuǎn)動，另外一端鉸接于與地面接觸的滑掌上。

當(dāng)旋耕刀片切入土壤后，由于耕深的變化，連接架ABC將隨著與角度傳感器轉(zhuǎn)動軸的固定連接點(diǎn)C一起轉(zhuǎn)動，滑掌也被連接架驅(qū)動在土地表面前后滑動, 如圖2所示。假設(shè)土壤表面是水平面，并且滑掌在作業(yè)過程中與地面接觸良好，則微耕機(jī)耕作深度d為

(1)

其中，lPC是連接架與微耕機(jī)的固定連接點(diǎn)C到旋耕刀尖P之間的垂直距離，lAC是固定連接點(diǎn)C到滑掌與連接架的鉸接點(diǎn)A之間的長度，α是連接架的BC和AC之間的夾角,β是連接架BC與垂線PC之間的夾角。

先測出初始即耕深為0時(shí)的α角度值，然后通過角度傳感器轉(zhuǎn)動軸在作業(yè)過程中轉(zhuǎn)過的角度可以算出此時(shí)的α角度值。角度傳感器轉(zhuǎn)動軸的轉(zhuǎn)角可以用與其有線性關(guān)系的輸出電壓計(jì)算得到。由此可知，只要采集到角度傳感器的輸出電壓就可以通過上述關(guān)系計(jì)算得到微耕機(jī)的耕作深度。

圖2　微耕機(jī)耕深檢測原理圖

1.1.2系統(tǒng)標(biāo)定

為了提高程序的效率和測量精確度，在實(shí)現(xiàn)電控自動化中，并不針對參數(shù)變化的關(guān)系式進(jìn)行編程，而是采用系統(tǒng)標(biāo)定的方法得到角度傳感器檢測電壓值與實(shí)際耕深的關(guān)系。若有不同的安裝形式以及部件尺寸的變化就應(yīng)當(dāng)對系統(tǒng)進(jìn)行重新標(biāo)定，獲得新的運(yùn)算關(guān)系式。

圖3　角度傳感器標(biāo)定曲線

1.2控制裝置的設(shè)計(jì)

控制裝置主要由PIC16F877微控制器、TA8483電機(jī)驅(qū)動芯片及其外圍電路組成，主要用于設(shè)定耕作深度、采集角度傳感器輸出電壓信號并通過內(nèi)部算法得到實(shí)時(shí)耕深值、將計(jì)算得到的耕深值信號發(fā)送給顯示界面顯示和控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動。

圖4是電機(jī)驅(qū)動電路圖。引腳M1和M2決定電機(jī)的轉(zhuǎn)動方式:當(dāng)M1 = 0，M2 = 0時(shí)，電機(jī)按整步方式運(yùn)轉(zhuǎn)。引腳CW/CWW用于控制電機(jī)轉(zhuǎn)動方向，通過控制CK1時(shí)鐘輸入的頻率，可以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動速率。引腳NFA和NFB用來控制電機(jī)的輸入電流，電機(jī)按二相雙極性使用[5]。

1.3執(zhí)行裝置的設(shè)計(jì)

如圖1所示，該系統(tǒng)的機(jī)械執(zhí)行裝置主要由電機(jī)、減速器和耕深調(diào)節(jié)阻力棒組成。該裝置結(jié)構(gòu)簡單，傳動效率高，響應(yīng)速度較快。減速器的輸入軸與直流電機(jī)相連接，其輸出軸與阻力棒相連接并可以沿著其軸線方向做往復(fù)運(yùn)動。當(dāng)直流電機(jī)和伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動時(shí)，經(jīng)過減速后的耕深調(diào)節(jié)阻力棒轉(zhuǎn)入或轉(zhuǎn)出土壤，從而對微耕機(jī)產(chǎn)生不同的前進(jìn)阻力以調(diào)節(jié)微耕機(jī)的前進(jìn)速度，最終使微耕機(jī)的作業(yè)耕深發(fā)生改變。

1.4顯示界面的設(shè)計(jì)

顯示界面主要由4個(gè)LED數(shù)碼顯示管及其外圍電路組成，如圖5所示。其用于實(shí)時(shí)顯示微耕機(jī)的耕作深度，結(jié)合實(shí)際的工作狀況，為操作者判斷耕深輔助控制系統(tǒng)工作是否正常，以及為下一步的操作提供參考。本文中顯示界面采用動態(tài)顯示的方式。相對于靜態(tài)顯示，動態(tài)顯示所使用的元件少、引線少、電路簡單，只要通過PIC16F877控制一定的刷新頻率[6]，就能實(shí)時(shí)穩(wěn)定地顯示微耕機(jī)的耕作深度。

圖4　電機(jī)驅(qū)動電路圖

圖5　顯示界面電路圖

2耕深輔助控制

微耕機(jī)耕深輔助控制系統(tǒng)的被控制量為旋耕刀片的入土深度；角度傳感器檢測出與滑掌鏈接的連接架的角度變化，換算后得到耕深，并提供反饋信號。系統(tǒng)控制的目的是使微耕機(jī)的耕深保持在系統(tǒng)設(shè)定的耕深范圍內(nèi)，控制原理如圖6所示。控制器在比較耕深設(shè)定值和反饋值后，若反饋值超出了設(shè)定耕深值范圍，則輸出控制驅(qū)動直流電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，由耕深調(diào)節(jié)阻力棒不同的入土深度即不同的阻力大小調(diào)節(jié)微耕機(jī)的作業(yè)速度，以維持耕深均勻。為平衡滑掌與土壤表面不完全接觸時(shí)的測量偏差，角度傳感器測量值要經(jīng)過加權(quán)平均處理。

圖6　控制系統(tǒng)流程圖

3田間試驗(yàn)及結(jié)果分析

微耕機(jī)耕深輔助控制效果通過耕深穩(wěn)定性變異系數(shù)表示。該系數(shù)指的是耕地過程中，沿耕作方向，作業(yè)機(jī)具對規(guī)定耕深變化的程度[7]，其算法如式(2)所示。在該試驗(yàn)中，試驗(yàn)對象為鑫源SR1Z-100型微耕機(jī)及其配套的旋耕刀片。微耕機(jī)采用慢擋位進(jìn)行試驗(yàn)作業(yè)，試驗(yàn)地塊為重慶西南大學(xué)后山試驗(yàn)田，其最大起伏度在50～70mm左右。采用耕深輔助控制系統(tǒng)控制方法與傳統(tǒng)的手動操作耕深控制方法的實(shí)測耕深數(shù)據(jù)的對比曲線如圖7所示。其中，實(shí)際耕深是通過對微耕機(jī)的作業(yè)線路每隔0.5m進(jìn)行多點(diǎn)人工測量得到的。兩種耕深控制方法的結(jié)果對比如表1所示。

(2)

圖7　田間試驗(yàn)耕深測量實(shí)測對比曲線

控制方式輔助控制系統(tǒng)手動操作控制工作擋位ⅠⅠ作業(yè)距離/m5050作業(yè)時(shí)間/s272214平均耕深/mm125112耕深穩(wěn)定性變異系數(shù)/%5.8211.59田間狀況麥茬地,地況較干旱

圖7所示曲線表明：盡管由于地形變化，在28～37m的作業(yè)距離區(qū)間耕深較淺且波動起伏較大，但是總體上耕深輔助控制系統(tǒng)比傳統(tǒng)的手動操作對微耕機(jī)耕深控制更穩(wěn)定，耕深波動起伏也更小。由表1可知：通過安裝耕深輔助控制系統(tǒng)，雖然作業(yè)時(shí)間長于傳統(tǒng)的手動操作，但是其平均作業(yè)耕深增加了13mm，作業(yè)質(zhì)量也得到了提高。在穩(wěn)定耕作階段，設(shè)定耕深為120～130mm，采用輔助控制系統(tǒng)的微耕機(jī)實(shí)測耕深最大值為138mm，最小值為105mm，其耕深穩(wěn)定性變異系數(shù)為5.82%，不僅小于手動操作的11.59%，同時(shí)也滿足了該系數(shù)低于10%的農(nóng)藝要求[7]。

4結(jié)論

提出了一種基于角度傳感器間接測量耕深并實(shí)現(xiàn)耕深輔助控制的系統(tǒng)，利用電子控制的方式來完成微耕機(jī)的耕深輔助控制，實(shí)時(shí)性較高；作為一套獨(dú)立的系統(tǒng)安裝在微耕機(jī)上，基本不改變微耕機(jī)原有的機(jī)械結(jié)構(gòu)，通用性較好。田間試驗(yàn)結(jié)果表明：安裝了該系統(tǒng)的微耕機(jī)的耕深波動范圍得到了限制，作業(yè)質(zhì)量得到了提高。

由于耕深檢測裝置的滑掌與地面直接接觸，起伏的地面會對耕深檢測造成偏差。在地塊起伏變化較大的區(qū)域，檢測角度相比平坦的地塊會偏大或偏小，造成實(shí)際耕深比需要控制的耕深偏小或偏大，影響耕深的穩(wěn)定性。因此，更合適的耕深檢測方法需要后續(xù)進(jìn)一步探究和驗(yàn)證。

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Design and Research on a System of Auxiliary Depth-control System for Micro-tiller

He Jiahui, Kang Jie, Nie Youhong, He Peixiang,Li Yunwu， Zhao Huahui

(School of Engineering and Technology, Southwest University, Chongqing 400715, China)

Abstract：Stability of tillage depth is important to agricultural tillage. Combining the current situation that tillage depth of the micro-farming machine is enormously unstable, presents an automatic depth control system applied in the micro-farming machine. The main objective of the system is to stabilize tillage depth of the micro-farming machine. The system has four parts: the detector, the controller, the executor and the display interface. The detector is used to detect tillage depth indirectly. Then the controller controls rotation of the step motor, regulating the depth of resistance rod into the soil for controlling running speed of the micro-farming machine, until tillage depth achieves the desired depth. Moreover, the display interface shows real-time tillage depth to provide the running condition of the system for the operator. The field tests showed that the system improved the stability of tillage depth because when cultivated tillage depth range is 120～130mm, variability coefficient of depth stability is 5.82%, meeting the agronomic requirement. That could prove the significance of the system in future micro-farming machine design.

Key words：micro-tiller; tillage depth; stability; complement control

文章編號：1003-188X(2016)03-0119-05

中圖分類號：S222.3

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

作者簡介：何家慧(1987-),女，湖北潛江人，碩士研究生，(E-mail) 602748337@qq.com。通訊作者：何培祥(1965-)，男，四川廣安人，教授，碩士生導(dǎo)師，(E-mail) hpx65@yahoo.com。

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51475385)；重慶市科委應(yīng)用開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(cstc2014yykfA80001)；中央高?；緲I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)(XDJK2014031)；重慶市研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目(CYS14061)

收稿日期：2015-03-11