3MDZJ-1型棉花智能精準(zhǔn)打頂機(jī)的試驗(yàn)研究

彭強(qiáng)吉，薦世春，宋和平，何青海，位國(guó)建，付乾坤，岳 會(huì)

(山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院， 山東 濟(jì)南 250100)

3MDZJ-1型棉花智能精準(zhǔn)打頂機(jī)的試驗(yàn)研究

彭強(qiáng)吉，薦世春，宋和平，何青海，位國(guó)建，付乾坤，岳 會(huì)

(山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院， 山東 濟(jì)南 250100)

針對(duì)現(xiàn)有棉花打頂機(jī)械作業(yè)過(guò)程中存在棉花高度仿形效果差，漏打頂、過(guò)打頂嚴(yán)重，智能化水平低等問(wèn)題，提出了檢測(cè)裝置與打頂裝置分開(kāi)、升降動(dòng)力與切割動(dòng)力分開(kāi)的方案，研制了一種基于FPGA控制系統(tǒng)的3MDZJ-1型棉花智能精準(zhǔn)打頂機(jī)。作業(yè)過(guò)程中，檢測(cè)裝置對(duì)棉花高度進(jìn)行檢測(cè)，控制系統(tǒng)依據(jù)作業(yè)速度控制打頂裝置的響應(yīng)升降時(shí)間，實(shí)現(xiàn)定量升降；觸屏控制系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)顯示作業(yè)速度、作業(yè)面積及監(jiān)控棉花打頂過(guò)程。田間試驗(yàn)表明：整機(jī)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，機(jī)具作業(yè)速度在3.24 km·h-1內(nèi)時(shí)，打頂率在88%以上，打頂量接近設(shè)定值7 cm，符合設(shè)計(jì)要求，為棉花打頂機(jī)械化及智能化提供了技術(shù)支持。

棉花打頂機(jī)；智能控制；定量打頂；精準(zhǔn)檢測(cè)

棉花是我國(guó)的重要經(jīng)濟(jì)作物，全國(guó)植棉面積達(dá)3.17×106hm2[1]。棉花是無(wú)限生長(zhǎng)植物，持續(xù)生長(zhǎng)會(huì)影響果枝臺(tái)數(shù)及質(zhì)量，進(jìn)而影響棉花產(chǎn)量。棉花打頂是棉花增產(chǎn)增收的關(guān)鍵，適時(shí)打頂可消除棉株頂端優(yōu)勢(shì)，促進(jìn)大部分養(yǎng)分橫向運(yùn)輸?shù)浇Y(jié)實(shí)器官，降低脫落和爛桃，增加鈴重，促進(jìn)吐絮，達(dá)到早熟、高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的目的[2]。

打頂時(shí)間尤為重要，打頂過(guò)早會(huì)打掉棉花鈴數(shù)，過(guò)晚會(huì)導(dǎo)致無(wú)效果枝增加、失去養(yǎng)分調(diào)節(jié)的作用，失去打頂意義[3]。目前主要有三種打頂方式：人工打頂費(fèi)時(shí)費(fèi)力，貽誤農(nóng)時(shí)[4]；化學(xué)藥物控制，技術(shù)性強(qiáng)，受棉花品種、天氣等因素影響顯著，多次噴灑增加了機(jī)具對(duì)土壤的有害壓實(shí)，不利于保護(hù)性耕作，同時(shí)污染環(huán)境及危害身體健康，其大面積推廣一直備受爭(zhēng)議[5-6]；機(jī)械化和自動(dòng)化的物理方法打頂正成為精確農(nóng)業(yè)科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。針對(duì)棉花打頂機(jī)械存在的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)多所院校及相關(guān)企業(yè)對(duì)棉花打頂機(jī)械進(jìn)行了研究，在超聲波傳感器、激光傳感器、圖像識(shí)別等多個(gè)方向進(jìn)行了相應(yīng)的探索，并取得了一定的效果[7-10]。由于棉花高度檢測(cè)精度、定量打頂、智能控制等問(wèn)題的影響，打頂率及智能化水平有待提高，目前主要停留在試驗(yàn)階段，沒(méi)有成熟的產(chǎn)品投放市場(chǎng)。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文研制了一種以FPGA控制系統(tǒng)為核心的棉花智能精準(zhǔn)打頂機(jī)。該機(jī)通過(guò)檢測(cè)裝置與打頂裝置分開(kāi)、升降動(dòng)力與切割動(dòng)力分開(kāi)的方案，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定量去頂，達(dá)到消除棉花頂端優(yōu)勢(shì)的效果；同時(shí)智能觸屏控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)一鍵控制，實(shí)時(shí)顯示機(jī)具前進(jìn)速度、作業(yè)面積、監(jiān)控作業(yè)狀態(tài)等，大大提高了棉花機(jī)械打頂?shù)闹悄芑剑瑢?duì)促進(jìn)棉花打頂機(jī)械化技術(shù)的推廣應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)、工作原理以及技術(shù)參數(shù)

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由觸摸屏、控制柜、升降裝置、數(shù)字?jǐn)z像頭、機(jī)架、導(dǎo)軌、拉桿、打頂裝置、滑塊、前懸掛裝置、加固裝置、檢測(cè)裝置、編碼器等組成。整機(jī)結(jié)構(gòu)以機(jī)架為基準(zhǔn)，控制柜固定于機(jī)架前端上部，對(duì)整機(jī)進(jìn)行智能控制；觸摸屏安裝于駕駛室并通過(guò)電纜與控制柜連接，完成作業(yè)過(guò)程一鍵控制；升降裝置通過(guò)U型螺栓固定于機(jī)架中部，通過(guò)螺栓與打頂裝置連接，為打頂裝置提供升降動(dòng)力并根據(jù)控制器實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)位移；打頂裝置通過(guò)螺栓與滑塊固定，滑塊與導(dǎo)軌配合，導(dǎo)軌通過(guò)螺栓固定于機(jī)架上，保證垂直移動(dòng)，完成打頂切割過(guò)程；檢測(cè)裝置通過(guò)螺栓固定于機(jī)架下部，左右對(duì)稱(chēng)安裝，完成棉花高度檢測(cè)過(guò)程；編碼器與輪軸連接，將機(jī)具實(shí)時(shí)前進(jìn)速度反饋給控制器；整機(jī)通過(guò)前懸掛裝置與拉桿固定于拖拉機(jī)前部。

1.觸摸屏；2.控制柜；3.升降裝置；4.數(shù)字?jǐn)z像頭；5.機(jī)架；6.導(dǎo)軌；7.拉桿；8.打頂裝置；9.滑塊；10.前懸掛裝置；11.加固裝置；12.檢測(cè)裝置；13.編碼器

機(jī)具與43 kW以上的高地隙拖拉機(jī)配套使用?？刂葡到y(tǒng)以FPGA構(gòu)建的控制器為核心元件，主要由速度檢測(cè)編碼器、檢測(cè)光幕、數(shù)字?jǐn)z像頭、伺服電機(jī)、通訊電路、電源開(kāi)關(guān)、FPGA控制器等組成。傳感器電路實(shí)現(xiàn)檢測(cè)指標(biāo)的信號(hào)采集；數(shù)字?jǐn)z像頭實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)實(shí)時(shí)采集；伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)升降控制及刀軸轉(zhuǎn)速控制；觸摸屏由輸入、輸出、顯示電路等組成，主要實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互、顯示即時(shí)指標(biāo)信息及實(shí)時(shí)監(jiān)控；由拖拉機(jī)自帶電池提供電源。

1.2 工作原理

作業(yè)前，根據(jù)棉花生長(zhǎng)高度將機(jī)架調(diào)整到合理位置，檢查機(jī)械結(jié)構(gòu)及各連接電線(xiàn)，各部分均正常后，接通電源開(kāi)啟觸摸屏，設(shè)置打頂機(jī)控制系統(tǒng)參數(shù)；按下啟動(dòng)按鈕后，打頂伺服電機(jī)開(kāi)始工作。作業(yè)過(guò)程中，檢測(cè)裝置開(kāi)始檢測(cè)棉花實(shí)際生長(zhǎng)高度，將高度信號(hào)發(fā)送到控制器，同時(shí)編碼器采集機(jī)具前進(jìn)速度，將信號(hào)傳遞到控制器；控制器根據(jù)信號(hào)計(jì)算分析后，一方面將速度及作業(yè)面積顯示在觸摸屏，同時(shí)控制器可以根據(jù)機(jī)具前進(jìn)的速度判斷響應(yīng)打頂時(shí)間向驅(qū)動(dòng)器發(fā)送驅(qū)動(dòng)信號(hào)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)器控制升降伺服電機(jī)完成正反轉(zhuǎn)，即上升或下降動(dòng)作，完成打頂作業(yè)。

其中，控制器通過(guò)脈沖信號(hào)的頻率控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)，在絲杠導(dǎo)程一定的情況下通過(guò)絲杠旋轉(zhuǎn)圈數(shù)實(shí)現(xiàn)定量位移，達(dá)到定量打頂?shù)哪康模簧笛b置上面安裝有安全限位點(diǎn)，打頂裝置因意外超出移動(dòng)范圍時(shí)，升降伺服電機(jī)將立刻停止運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。數(shù)字式攝像頭采集作業(yè)過(guò)程錄像后直接將數(shù)字信號(hào)傳遞到觸屏顯示；打頂裝置的打頂范圍固定，起始點(diǎn)可以采用默認(rèn)設(shè)置，也可采用手動(dòng)按鈕進(jìn)行設(shè)定。

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

3MDZJ-1型棉花智能精準(zhǔn)打頂機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

2 試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)條件

2.1.1 試驗(yàn)地基本情況 以濱州市無(wú)棣縣機(jī)采棉基地處于打頂期內(nèi)的棉花作為試驗(yàn)樣品，品種為中棉915，前茬作物為棉花，種植模式為一膜六行機(jī)采棉模式，棉田種植密度1.2×105株·hm-2，供試小區(qū)地表較為平整。

表1 棉花智能精準(zhǔn)打頂機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

2.1.2 試驗(yàn)儀器 米尺(0～2 m)、卷尺(0～50 m)、電子秒表(0.0001～9999 s)、數(shù)碼攝像機(jī)；配套動(dòng)力選用福田雷沃M1000H.D高地隙拖拉機(jī)，輪距2 250 mm，最小離地間隙900 mm(見(jiàn)圖2)。要求拖拉機(jī)技術(shù)狀態(tài)良好，駕駛員駕駛技術(shù)熟練，并了解打頂機(jī)的使用與要求。機(jī)具為自制3MDZJ-1型棉花智能精準(zhǔn)打頂機(jī)，要求結(jié)構(gòu)完整，各連接件牢固，動(dòng)力傳遞可靠安全，工作狀態(tài)良好。

圖2 試驗(yàn)樣機(jī)

2.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)設(shè)3個(gè)測(cè)試區(qū)(A、B、C)，每組面積228 m2(2.28 m×100 m)，每個(gè)測(cè)試區(qū)長(zhǎng)為100 m，依次按前進(jìn)檔快Ⅰ、快Ⅱ、快Ⅲ速度區(qū)排開(kāi)，在地頭和地尾處分別留出20 m的調(diào)頭預(yù)備區(qū)。每個(gè)測(cè)試區(qū)各行間隨機(jī)布置6個(gè)處理小區(qū)，小區(qū)面積為0.76 m×3 m，用準(zhǔn)備好的標(biāo)識(shí)牌標(biāo)記各小區(qū)，并記錄小區(qū)內(nèi)棉花有效株數(shù)。對(duì)于棉花高度的測(cè)量方法為人工測(cè)量自然狀態(tài)下棉株頂部到地面的垂直距離。具體試驗(yàn)方法參照《農(nóng)作物田間試驗(yàn)實(shí)用手冊(cè)》[11]。

進(jìn)地前，在地頭先進(jìn)行刀片旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)，確保打頂?shù)缎D(zhuǎn)自由且上下升降自如，無(wú)任何運(yùn)動(dòng)干涉后，依據(jù)棉株高度確定并調(diào)整打頂機(jī)架實(shí)際高度。

2.3 試驗(yàn)內(nèi)容及評(píng)價(jià)指標(biāo)

試驗(yàn)內(nèi)容：驗(yàn)證樣機(jī)各部分可靠性和工作情況；棉花打頂前實(shí)際生長(zhǎng)高度、棉花打頂后高度，在不同作業(yè)速度狀態(tài)下打頂率、打頂量，驗(yàn)證整機(jī)速度與作業(yè)質(zhì)量關(guān)系情況；發(fā)現(xiàn)存在問(wèn)題以便改進(jìn)設(shè)計(jì)。

打頂率：試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)已打頂棉株數(shù)占總有效棉株數(shù)的比值，以%表示。

(1)

其中，η為打頂率；ns為已打頂?shù)挠行拗陻?shù)；n為試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)有效棉株數(shù)。

打頂量：同一試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)對(duì)應(yīng)棉花打頂前后的高度差值。

Δh=Lq-Lh

(2)

其中，Δh為去頂量；Lq為打頂前的棉株有效高度；Lh為打頂后的棉株有效高度(cm)。棉花打頂要求為一葉一芯，經(jīng)田間測(cè)量可得一葉一芯的棉頂高度在4～8 cm內(nèi)，結(jié)合棉花打頂量范圍[12]，設(shè)定打頂量為7 cm。

作業(yè)速度：通過(guò)機(jī)具在測(cè)試區(qū)內(nèi)往返2次以上測(cè)得的平均速度。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

樣機(jī)在試驗(yàn)基地進(jìn)行多次作業(yè)驗(yàn)證后，于2015年8月7日進(jìn)行了本次試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，選取棉花生長(zhǎng)情況良好、長(zhǎng)勢(shì)均勻的大地塊，且符合打頂作業(yè)時(shí)期內(nèi)的農(nóng)藝要求，即果枝臺(tái)數(shù)7臺(tái)以上。田間管理按照機(jī)采棉區(qū)高產(chǎn)田要求進(jìn)行。具體作業(yè)性能指標(biāo)如表2所示。

表2列出了樣機(jī)田間試驗(yàn)的部分?jǐn)?shù)據(jù)，為了比較直觀地對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，利用統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件minitab進(jìn)行圖形化描述[3]，效果圖如圖3所示。由圖3可知，在不同速度下的打頂率有明顯的差異性，當(dāng)作業(yè)速度在2.88 km·h-1和3.24 km·h-1下的打頂率沒(méi)有差異性，打頂率在90%左右；對(duì)此速度內(nèi)的打頂前標(biāo)準(zhǔn)差與打頂量的關(guān)系進(jìn)行相關(guān)性分析，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)差和誤差絕對(duì)值的Pearson相關(guān)系數(shù)為0.3，小于0.8，呈不顯著的線(xiàn)性相關(guān)關(guān)系；打頂量接近設(shè)定值。該機(jī)是基于FPAG控制系統(tǒng)的智能精準(zhǔn)打頂機(jī)，檢測(cè)裝置檢測(cè)棉花高度后，打頂裝置能夠根據(jù)機(jī)具前進(jìn)速度進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整響應(yīng)時(shí)間及升降高度；由此可知當(dāng)作業(yè)速度在3.24 km·h-1內(nèi)，該機(jī)打頂效果較好，能夠較好地完成打頂作業(yè)。

表2 田間作業(yè)性能指標(biāo)

圖3 不同速度下的打頂率箱線(xiàn)圖

當(dāng)速度達(dá)到3.52 km·h-1時(shí)，打頂率差異性明顯，打頂率下降到70%左右，說(shuō)明在此速度下檢測(cè)裝置對(duì)棉花高度檢測(cè)后，打頂裝置不能在預(yù)定的響應(yīng)時(shí)間到達(dá)相應(yīng)位置，升降速度有待提高。通過(guò)對(duì)比此速度內(nèi)打頂率與打頂前標(biāo)準(zhǔn)差的關(guān)系可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)打頂前棉花高度標(biāo)準(zhǔn)差較小時(shí)，打頂率明顯高于高度標(biāo)準(zhǔn)差變化較大的時(shí)候；對(duì)打頂前高度標(biāo)準(zhǔn)差與打頂量進(jìn)行分析，利用Minitab軟件對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析可知，標(biāo)準(zhǔn)差和誤差絕對(duì)值的Pearson相關(guān)系數(shù)為0.989，大于0.8，呈顯著的線(xiàn)性相關(guān)關(guān)系，如圖4所示，即棉花高度標(biāo)準(zhǔn)差越小，打頂精度越高，也就是說(shuō)，打頂前棉花高度離散程度越低，打頂量越接近設(shè)定值。在此速度內(nèi)打頂率及打頂量受打頂前棉花高度標(biāo)準(zhǔn)差影響明顯。

綜上分析可知：基于FPAG控制系統(tǒng)的棉花智能精準(zhǔn)打頂機(jī)，在速度3.24 km·h-1范圍內(nèi)能夠較好地完成打頂作業(yè)，打頂率在90%左右，打頂量接近設(shè)定值，且在此范圍內(nèi)打頂前棉花高度標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)其影響較小。當(dāng)速度達(dá)到3.52 km·h-1時(shí)，打頂率差異性明顯，打頂量與打頂前高度標(biāo)準(zhǔn)差呈現(xiàn)相關(guān)性；機(jī)具作業(yè)速度與打頂前棉花高度標(biāo)準(zhǔn)差的大小共同成為影響棉花打頂率及定量打頂?shù)闹饕蛩亍?/p>

圖4 棉花高度標(biāo)準(zhǔn)差與打頂誤差相關(guān)圖

4 結(jié)論及建議

1) 試驗(yàn)結(jié)果表明，本文提出的檢測(cè)裝置與打頂裝置分開(kāi)、升降動(dòng)力與切割動(dòng)力分開(kāi)的方案通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，切實(shí)可行，對(duì)促進(jìn)棉花打頂機(jī)械化技術(shù)的推廣應(yīng)用提供了理論與實(shí)踐依據(jù)。

2) 該機(jī)具控制系統(tǒng)能夠根據(jù)前進(jìn)速度實(shí)時(shí)調(diào)整打頂響應(yīng)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定量打頂；同時(shí)觸屏控制系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)顯示作業(yè)速度、作業(yè)面積及監(jiān)控作業(yè)過(guò)程，提高了棉花打頂機(jī)械的智能化水平。

3) 機(jī)具受作業(yè)速度影響顯著，作業(yè)速度在3.24 km·h-1內(nèi)時(shí)，打頂率在90%左右，打頂量接近設(shè)定值，打頂效果較好；當(dāng)作業(yè)速度增加到3.52 km·h-1時(shí)，打頂率下降明顯，打頂量誤差波動(dòng)明顯，同時(shí)受棉花高度離散程度影響加大。

4) 該單行棉花智能精準(zhǔn)打頂機(jī)可以通過(guò)增加機(jī)架寬度及整體結(jié)構(gòu)組合成多行打頂機(jī)，進(jìn)而提高作業(yè)效率。

5) 作業(yè)速度是作業(yè)效率的關(guān)鍵因素之一，尚需結(jié)合試驗(yàn)進(jìn)一步優(yōu)化整機(jī)結(jié)構(gòu)，提高作業(yè)速度。

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Experimentalresearchof3MDZJ-1typeintelligentprecisecuttingcottontopmachine

PENG Qiang-ji, JIAN Shi-chun, SONG He-ping, HE Qing-hai, WEI Guo-jian, FU Qian-kun, YUE Hui

(ShandongAcademyofAgriculturalMachinerySciences,Jinan, 250100,China)

Aimed at the existing problems in the operating process of cutting cotton top machine as poor effect of simulating cotton height, missed out cutting top, over cutting top and low intelligence level etc, proposed the scheme of separating the detection device and cutting top device, and separating the lifting power and cutting power, developed the 3MDZJ-1Type intelligent precision cutting cotton top machine based on the FPGA control system. In the operating process, the detection device is checking the cotton height, the control system is responding the lifting time according to the operating speed to cutting top device to realize the quantitative lifting.The touch screen control system can be actually displayed the operating speed, working areas and monitored the process of cutting cotton top. The field test indicated that the whole structure of machine was stabilization, when the machine operating speed was within 3.24 km·h-1, the cutting top rate was more than 88%, the cutting top volume was close to set value 7 cm, accord with the design requirements. It can be provided the technical support for the mechanization of cutting cotton top and intellectualization.

cutting cotton top machine; intelligent control; quantitative cutting top; precision detection

1000-7601(2017)03-0292-05doi:10.7606/j.issn.1000-7601.2017.03.45

2016-04-14

：2017-03-15

：山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(ZR2014EEP005)

彭強(qiáng)吉(1984—)，男，山東臨沂人，研究生，工程師，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)機(jī)械化工程。 E-mail：pengqiangji1984@126.com。

薦世春(1963—)，男，山東青島人，研究員，從事農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì)研究。 E-mail:jscsh2002@163.com。

S224.9

： A