花生收獲機(jī)智能工況測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙艷華，龔麗農(nóng)，于 艷 ，李瑞川

(1.青島農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266109；2.山東五征集團(tuán)有限公司，山東 日照 262306)

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花生收獲機(jī)智能工況測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙艷華1，龔麗農(nóng)1，于 艷1，李瑞川2

(1.青島農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266109；2.山東五征集團(tuán)有限公司，山東 日照 262306)

針對(duì)花生收獲機(jī)智能化的需求，介紹了一種花生收獲機(jī)工況檢測(cè)與控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)對(duì)花生收獲機(jī)工作狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)與信息反饋，可在手動(dòng)和自動(dòng)兩種工作模式下完成工作機(jī)構(gòu)控制。其主控制器采用力士樂控制器，通過CAN總線與各工作機(jī)構(gòu)檢測(cè)部件通訊，根據(jù)當(dāng)前的運(yùn)行模式和運(yùn)行狀況做出控制決策，控制電液系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成收獲作業(yè)。經(jīng)田間試驗(yàn)驗(yàn)證，系統(tǒng)功能良好。

花生收獲機(jī)；工況；監(jiān)測(cè)；智能

0 引言

我國(guó)花生機(jī)械收獲的研究雖然起步較早，但目前應(yīng)用普及率仍較低，主要原因在于目前收獲機(jī)械的收獲率低、破損率高、牽引動(dòng)力要求高及不適應(yīng)小型地塊作業(yè)等。目前，市面上可實(shí)現(xiàn)挖掘、清土、鋪放等功能的小型花生收獲機(jī)無需自帶動(dòng)力，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，已能夠適應(yīng)農(nóng)村小地塊需求，但適用于大面積作業(yè)花生聯(lián)合收獲機(jī)尚待發(fā)展。提高測(cè)控系統(tǒng)的智能化水平是花生聯(lián)合收獲機(jī)進(jìn)一步發(fā)展的前提，也是其能夠廣泛普及的基本條件。本文所述的花生聯(lián)合收獲機(jī)智能工況測(cè)控系統(tǒng)采用電液系統(tǒng)來驅(qū)動(dòng)工作部件，初步實(shí)現(xiàn)了聯(lián)動(dòng)收獲功能，經(jīng)田間試驗(yàn)驗(yàn)證，收獲效果良好。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

智能工況測(cè)控系統(tǒng)包括主控制器、各工作部件檢測(cè)傳感器和驅(qū)動(dòng)工作部件的電液系統(tǒng)?；ㄉ斋@機(jī)的工作執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括：扶秧器、夾持鏈、挖掘鏟、拍土器、摘果輥、振動(dòng)篩、風(fēng)機(jī)及升運(yùn)裝置等。上述工作機(jī)構(gòu)由比例閥和液壓馬達(dá)構(gòu)成的電液系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，系統(tǒng)動(dòng)力由柴油發(fā)動(dòng)機(jī)提供，并由發(fā)電機(jī)向蓄電池充電，提供整車24V直流電源。系統(tǒng)電控部分電路結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。各工作部件傳感器包括：對(duì)各部件進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速傳感器、夾持鏈喂入量傳感器、風(fēng)道內(nèi)的風(fēng)壓傳感器、出秧口監(jiān)控?cái)z像頭、振動(dòng)篩震動(dòng)傳感器及摘果輥負(fù)荷傳感器等。對(duì)馬達(dá)轉(zhuǎn)速的檢測(cè)采用EMD轉(zhuǎn)速傳感器，該傳感器信號(hào)輸出采用CAN總線接口，數(shù)據(jù)傳輸遵循CAN總線SAE J1939 CAN 2.0B通訊協(xié)議。

圖1 電控電路結(jié)構(gòu)圖

測(cè)控系統(tǒng)電源由車載24V蓄電池供電，并通過控制器中的穩(wěn)壓模塊，向各傳感器提供穩(wěn)定的直流10V和5V電源。

2 工況測(cè)控系統(tǒng)方案

2.1 驅(qū)動(dòng)馬達(dá)系統(tǒng)

驅(qū)動(dòng)馬達(dá)由比例閥和液壓馬達(dá)組成，分別采用了力士樂公司的緊湊型直動(dòng)式壓力補(bǔ)償比例電磁閥和薩奧丹佛斯公司的鋁合金齒輪馬達(dá)。

表1列出了系統(tǒng)中不同部位工作機(jī)構(gòu)在一般工作條件下的所需功率和轉(zhuǎn)速。根據(jù)各工作機(jī)構(gòu)的功率需求，確定了系統(tǒng)的馬達(dá)參數(shù)及型號(hào)。

表1 常規(guī)工況下各工作機(jī)構(gòu)所需功率及轉(zhuǎn)速

馬達(dá)輸出功率與輸入流量、馬達(dá)輸出扭矩與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系為

(1)

(2)

(3)

其中，Vg為每轉(zhuǎn)排量(cm3/r)；po為出口壓力 (MPa)；pi為入口壓力(MPa)；Δp為po-pi(系統(tǒng)壓力)(MPa )；n為轉(zhuǎn)速(r/min)；ηv為容積效率；ηm為機(jī)械效率；ηt為總效率(ηv·ηm)。

依據(jù)上式和各馬達(dá)給定的參數(shù)說明，求取不同馬達(dá)的典型工作參數(shù)，如表2所示。按照工作部件的功率設(shè)計(jì)和扭矩及轉(zhuǎn)速需求，從表2中可獲得流量控制要求，作為比例閥開度控制的依據(jù)。在實(shí)驗(yàn)室搭建的液壓系統(tǒng)平臺(tái)上，對(duì)液壓馬達(dá)和比例閥進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試數(shù)據(jù)表明，功率、扭矩和轉(zhuǎn)速需求均能夠滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

2.2 風(fēng)機(jī)測(cè)控系統(tǒng)

風(fēng)機(jī)在風(fēng)道內(nèi)的風(fēng)力變化趨勢(shì)直接影響秧蔓的吹送效果，因此測(cè)控系統(tǒng)需對(duì)花生收獲機(jī)風(fēng)道內(nèi)的風(fēng)力進(jìn)行測(cè)量，實(shí)時(shí)了解風(fēng)力變化情況，以便準(zhǔn)確驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)輸出功率。在風(fēng)機(jī)出口(風(fēng)道后部)、風(fēng)道中部和秧蔓出口(前部)3處放置風(fēng)速測(cè)量?jī)x，并在風(fēng)道內(nèi)同一橫截面的上中下3個(gè)部分放置差壓力傳感器，以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)風(fēng)壓。測(cè)試得到風(fēng)道內(nèi)風(fēng)力隨風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化如表2所示。數(shù)據(jù)顯示，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速在1 400～1 800r/min時(shí)，風(fēng)道內(nèi)獲得的風(fēng)速較大。此后，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速提升并不能帶來明顯的風(fēng)力提升，且風(fēng)壓差變大，表明風(fēng)力在風(fēng)道內(nèi)的損耗加大。此數(shù)據(jù)可作為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制的參考依據(jù)。

表2 各工作機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)馬達(dá)常規(guī)工作狀態(tài)下的流量需求參數(shù)取值表

表3 風(fēng)道內(nèi)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速與風(fēng)壓實(shí)測(cè)表

為檢查測(cè)秧蔓堵塞情況，需對(duì)出秧通道的前端和末端進(jìn)行風(fēng)壓檢測(cè)。采用差壓力傳感器，對(duì)風(fēng)壓差變送產(chǎn)生4～20mA儀表電流信號(hào)，經(jīng)過電阻轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，送到控制器的電壓采集端，轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，進(jìn)行相應(yīng)處理。將風(fēng)壓傳感器的兩個(gè)送風(fēng)管分別安裝在風(fēng)機(jī)出風(fēng)口和秧蔓輸出口處。高壓側(cè)安裝在風(fēng)機(jī)出口，低壓側(cè)安裝在秧蔓出口，依據(jù)兩端形成的壓差即可監(jiān)測(cè)秧蔓的堵塞情況。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)預(yù)先測(cè)定閾值，當(dāng)風(fēng)壓差高出閾值時(shí)，認(rèn)為秧蔓開始擁堵，逐步提升風(fēng)力并加強(qiáng)振動(dòng)篩震動(dòng)，以提高秧蔓輸出速度。當(dāng)秧蔓持續(xù)堵塞時(shí)，則需降低夾持鏈輸運(yùn)速度和收獲機(jī)挖掘速度。操作手通過視頻監(jiān)控實(shí)時(shí)了解秧蔓輸出口的堵塞情況，當(dāng)堵塞嚴(yán)重、難以通過機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)解決時(shí)，由操作手人工干預(yù)。

2.3 馬達(dá)測(cè)速系統(tǒng)

系統(tǒng)采用EMD轉(zhuǎn)速傳感器實(shí)時(shí)采集花生收獲機(jī)各馬達(dá)轉(zhuǎn)速，并將數(shù)據(jù)通過CAN總線傳輸至控制器。CAN總線通信應(yīng)用層協(xié)議所規(guī)定的數(shù)據(jù)幀中，包括了幀起始位、仲裁場(chǎng)、控制場(chǎng)、數(shù)據(jù)場(chǎng)、CRC場(chǎng)、ACK場(chǎng)、幀結(jié)束，總計(jì)108 位，其中數(shù)據(jù)場(chǎng)包括8個(gè)字節(jié)。在力士樂控制器開發(fā)軟件中，提供了CAN通信的函數(shù)，能夠?qū)?shù)據(jù)幀中的數(shù)據(jù)場(chǎng)識(shí)別出來并緩存在數(shù)據(jù)盒(databox)中。不同數(shù)據(jù)盒中存放不同節(jié)點(diǎn)傳回的數(shù)據(jù)信息，具體節(jié)點(diǎn)ID值與物理位置和消息盒的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表4所示。

表4 CAN總線上各節(jié)點(diǎn)ID值對(duì)應(yīng)表

2.4 挖掘鏟控制系統(tǒng)

挖掘鏟由液壓油缸驅(qū)動(dòng),采用2000P/R的光電編碼器對(duì)挖掘深度進(jìn)行角度測(cè)量，根據(jù)轉(zhuǎn)角產(chǎn)生的脈沖個(gè)數(shù)確定當(dāng)前的挖掘深度。將光電編碼器的兩條脈沖輸出線經(jīng)CAN模塊轉(zhuǎn)換后接入控制器的CAN總線接口。挖掘鏟上下運(yùn)動(dòng)時(shí)，在光電編碼器上會(huì)相應(yīng)產(chǎn)生正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)的脈沖，對(duì)脈沖個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，對(duì)應(yīng)出挖掘鏟的準(zhǔn)確位置。根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)，挖掘鏟最大行程時(shí)在其支撐的轉(zhuǎn)角機(jī)構(gòu)上產(chǎn)生的轉(zhuǎn)角是15°，光電編碼器可對(duì)應(yīng)產(chǎn)生83個(gè)脈沖分度值。據(jù)此，可以得出挖掘鏟當(dāng)前的挖掘深度，并結(jié)合夾持鏈上的夾持鏈位置、秧蔓輸送和堵塞情況，從而合理調(diào)節(jié)液壓油缸位置，達(dá)到調(diào)整挖掘鏟挖掘深度的目的。

2.5 夾持鏈堵塞測(cè)控系統(tǒng)

當(dāng)夾持鏈上花生秧喂入量過多時(shí)，會(huì)造成堵塞，使夾持鏈無法正常運(yùn)轉(zhuǎn)。在夾持鏈一側(cè)的3個(gè)等間隔位置上放置位移傳感器，用以檢測(cè)夾持鏈在夾持花生秧蔓時(shí)向外推動(dòng)擴(kuò)展的距離。當(dāng)位移量小于1.2cm時(shí)，說明花生秧蔓量少，可繼續(xù)正常工作，按照設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)值1驅(qū)動(dòng)夾持鏈馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)；當(dāng)位移量為1.2～2.4cm時(shí)，說明當(dāng)前花生秧蔓處于正常量值，保持當(dāng)前工作狀態(tài)，按照標(biāo)準(zhǔn)值2驅(qū)動(dòng)夾持鏈馬達(dá)；當(dāng)位移量為2.4～3.6cm時(shí)，說明秧蔓夾持量較大，則提高夾持鏈運(yùn)轉(zhuǎn)速度至高速值1；當(dāng)位移量大于3.6cm時(shí)，說明當(dāng)前秧蔓量過大已造成堵塞，應(yīng)發(fā)出超限報(bào)警，停止夾持鏈輸運(yùn)進(jìn)行處理。馬達(dá)驅(qū)動(dòng)時(shí)的速度調(diào)整采用PID算法進(jìn)行控制。

2.6 工況控制系統(tǒng)

工況控制系統(tǒng)將花生收獲機(jī)的工作方式設(shè)置成調(diào)試狀態(tài)和工作狀態(tài)，其中工作狀態(tài)又按照不同工作模式進(jìn)行劃分，如圖2所示。

圖2 工況監(jiān)測(cè)與控制主程序流程圖

為方便系統(tǒng)調(diào)試，設(shè)置了調(diào)試狀態(tài)，用以對(duì)系統(tǒng)硬件進(jìn)行測(cè)試。在工作狀態(tài)，根據(jù)工況選擇開關(guān)對(duì)不同工作模式進(jìn)行選擇切換。在轉(zhuǎn)場(chǎng)和停機(jī)模式下，各工作部件均處于停止位置；在田間模式下，根據(jù)操作手的手柄動(dòng)作進(jìn)行啟?？刂?。工作手柄啟動(dòng)時(shí)，分成兩種操控模式，即手動(dòng)模式和自動(dòng)模式。手動(dòng)模式下，可以執(zhí)行部分工作機(jī)構(gòu)作業(yè)的夾持輸送和清選模式，也可以執(zhí)行整機(jī)運(yùn)行模式；自動(dòng)模式下，各工作部件按照用戶預(yù)設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)速度值進(jìn)行收獲作業(yè)。作業(yè)過程中，系統(tǒng)根據(jù)各個(gè)工作馬達(dá)的速度進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整和故障檢測(cè)與處理。系統(tǒng)的各馬達(dá)驅(qū)動(dòng)控制單元結(jié)合轉(zhuǎn)速信息并采用PID算法實(shí)時(shí)控制各馬達(dá)轉(zhuǎn)速，確保收獲機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定。

3 整機(jī)調(diào)試與田間試驗(yàn)

系統(tǒng)集成后，分別進(jìn)行整機(jī)調(diào)試和田間試驗(yàn)。整

機(jī)調(diào)試中，在調(diào)試狀態(tài)下對(duì)各個(gè)工作部件進(jìn)行基本測(cè)試和部分聯(lián)調(diào)測(cè)試，為整機(jī)運(yùn)行參數(shù)選取提供了依據(jù)。通過調(diào)試，解決了信號(hào)傳輸驅(qū)動(dòng)不足、馬達(dá)測(cè)速不穩(wěn)定、馬達(dá)流量與動(dòng)力不足等問題。在充分調(diào)試的基礎(chǔ)上，確定了各個(gè)工作部件在不同工況下的標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行速度。聯(lián)調(diào)完畢后，進(jìn)入田間試驗(yàn)。在田間試驗(yàn)中，對(duì)工作部件參數(shù)進(jìn)行了進(jìn)一步的修正，優(yōu)化了系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，最終達(dá)到了花生收獲機(jī)的實(shí)時(shí)工況監(jiān)測(cè)和智能化運(yùn)轉(zhuǎn)的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

4 結(jié)論

采用工況監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)的智能化設(shè)計(jì)，可以充分提升花生收獲機(jī)械的自動(dòng)化水平，有效降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度。配合上位機(jī)的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)和聯(lián)合作業(yè)軟件系統(tǒng)，將能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程調(diào)度、自動(dòng)導(dǎo)航與駕駛及自動(dòng)收獲等全自動(dòng)控制功能。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，主要的監(jiān)測(cè)部件及操控手柄均采用CAN總線進(jìn)行信息傳輸，穩(wěn)定可靠。采用電磁閥控制的液壓系統(tǒng)，系統(tǒng)控制性能良好，能夠順利實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)在我國(guó)農(nóng)機(jī)裝備智能化方面具有示范意義。

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Design of Working-condition Detecting and Controlling System for Peanut Harvester

Zhao Yanhua1， Gong Linong1， Yu Yan1， Li Ruichuan2

(1.College of Machinery and Electricity, Qingdao Agriculture University, Qingdao 266109, China; 2.Shandong Wuzheng Group Co. Ltd., Rizhao 262306, China)

To meet the need of peanut harvester intelligentization, a design scheme working-condition detecting and controlling system for peanut harvester is introduced in this paper. The system can monitor working condition of peanut harvester and feedback the information through CAN bus. The system can work in both manual and automatic control mode to accomplish the harvest work. Rexroth controller is used as the main controller, which communicate with detection components in different parts through CAN bus. According to the current operation mode and operation condition, the controller makes decisions to control actuator which is driven by electro-hydraulic system to complete harvest task. System function is tested by field experiment and proved to be good.

peanut harvester； working condition； detecting； intelligent

2016-04-01

山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2015GNC112013) ；山東省自主創(chuàng)新專項(xiàng)(2013CXC90205-4)

趙艷華 (1977-)，女，遼寧朝陽人，講師，碩士，(E-mail)zyh3398@163.com。

龔麗農(nóng)(1963-)，女，上海人，教授，碩士生導(dǎo)師，(E-mail)gln2135@163.com。

S225.7+3；S24

A

1003-188X(2017)04-0217-04