懸掛式深松機(jī)耕整地耕深檢測(cè)方法研究

尹彥鑫　王　成　孟志軍　陳競(jìng)平　郭樹霞　秦五昌

(1.北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心， 北京 100097； 2.國(guó)家農(nóng)業(yè)智能裝備工程技術(shù)研究中心， 北京 100097；3.農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100097)

0　引言

長(zhǎng)久以來我國(guó)主要采用淺翻和旋耕作業(yè)方式進(jìn)行耕整地作業(yè)，在距離地表面12～18 cm處形成了堅(jiān)硬的犁底層，嚴(yán)重阻礙了土壤的通氣透水以及能量傳輸，對(duì)作物生長(zhǎng)極為不利[1-6]。深松耕整地作業(yè)能夠打破犁底層，增強(qiáng)土壤蓄水保墑能力，促進(jìn)農(nóng)作物根系下扎，提高糧食產(chǎn)量，得到了廣泛推廣[7-10]。深松機(jī)作業(yè)過程中，耕深過大會(huì)增加拖拉機(jī)燃油消耗，降低作業(yè)效率；耕深過小則不滿足農(nóng)藝要求，無法達(dá)到深松效果。目前，深松作業(yè)深度一般采用人工抽測(cè)方式，在田間選取幾個(gè)采樣點(diǎn)用米尺扒土測(cè)量，效率低，精度差，受人為因素影響大[11-15]。作業(yè)過程中駕駛員也只是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行調(diào)控，無法及時(shí)、準(zhǔn)確、全面地獲知實(shí)際耕深，導(dǎo)致調(diào)控滯后，深松作業(yè)質(zhì)量無法進(jìn)行全面評(píng)估[16-18]。

為了能及時(shí)準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)耕深，一些研究機(jī)構(gòu)利用現(xiàn)代電子技術(shù)開展了耕深檢測(cè)技術(shù)研究。中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)利用傾角傳感器監(jiān)測(cè)拖拉機(jī)提升臂水平傾角的變化，結(jié)合懸掛機(jī)構(gòu)的幾何尺寸關(guān)系推算出耕深，具有檢測(cè)精度高、封裝小、集成度高、安裝維護(hù)方便、標(biāo)定易操作等特點(diǎn)[19]。吉林大學(xué)研制了一種仿形地輪，并安裝有角度測(cè)量裝置，可對(duì)深松機(jī)耕深進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量[20]。江蘇大學(xué)提出了一種智能化深松整地作業(yè)質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)，利用耕深傳感器對(duì)耕深進(jìn)行檢測(cè)、存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)分析，并得到作業(yè)面積，研究成果可為農(nóng)機(jī)部門提供耕深分布信息[21]。中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院提出了一種懸掛式深松機(jī)耕深在線測(cè)量裝置，該測(cè)量裝置利用超聲波傳感器檢測(cè)深松機(jī)機(jī)架與地面距離得到耕深，已在部分區(qū)域得到推廣應(yīng)用[22]。

上述研究采用不同技術(shù)手段均實(shí)現(xiàn)了深松機(jī)耕深的快速測(cè)量，為耕深在線檢測(cè)提供了有效途徑。但尚存在一些問題：研制的角度測(cè)量裝置一般利用地面仿形的反饋角度推算耕深，這對(duì)平整地面比較有效，如果田間地表有殘茬、土塊等雜物，會(huì)影響檢測(cè)精度，且仿形機(jī)構(gòu)體積大，不方便安裝使用；超聲波傳感器檢測(cè)精度容易受到地面雜草、作物殘茬、土塊等影響，導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果不穩(wěn)定；通過檢測(cè)拖拉機(jī)后懸掛提升臂水平傾角推算耕深的方法雖然避免了地表不平整及異物對(duì)檢測(cè)精度的影響，但拖拉機(jī)提升臂到懸掛機(jī)組之間有多個(gè)連接桿件，在實(shí)際作業(yè)中，駕駛員可能會(huì)調(diào)節(jié)提升桿和上拉桿長(zhǎng)度，導(dǎo)致幾何參數(shù)變化，需要重新標(biāo)定傳感器，使用不夠便捷。

為進(jìn)一步提高耕深檢測(cè)精度，降低檢測(cè)裝置安裝、使用的復(fù)雜度，本文采用姿態(tài)傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)拖拉機(jī)和懸掛式深松機(jī)的水平姿態(tài)變化，構(gòu)建耕深檢測(cè)模型，設(shè)計(jì)深松作業(yè)質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)耕深、作業(yè)速度、位置等參數(shù)的實(shí)時(shí)測(cè)量，并對(duì)深松作業(yè)質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估。

1　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1　總體方案設(shè)計(jì)

懸掛式深松機(jī)耕整地作業(yè)質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)主要由耕深檢測(cè)傳感器、車載無線數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)終端、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成。其中耕深檢測(cè)傳感器包括2個(gè)檢測(cè)模塊，分別安裝在拖拉機(jī)下拉桿和深松機(jī)機(jī)架上，并通過數(shù)據(jù)線與車載無線數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)終端連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。車載無線數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)終端對(duì)耕深傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，并融合位置、作業(yè)速度等信息，利用無線數(shù)據(jù)傳輸模塊將數(shù)據(jù)傳送至遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，此外終端還具有批量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，實(shí)時(shí)記錄作業(yè)數(shù)據(jù)。遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)接收并處理車載無線數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)終端傳送的作業(yè)數(shù)據(jù)，并進(jìn)一步處理，計(jì)算深松作業(yè)面積、評(píng)估作業(yè)地塊的深松作業(yè)質(zhì)量，并生成報(bào)表。懸掛式深松機(jī)作業(yè)質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體方案如圖1所示。

圖1　懸掛式深松機(jī)作業(yè)質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體方案Fig.1　Overall design for subsoiling quality management system1.數(shù)據(jù)服務(wù)器　2.應(yīng)用服務(wù)器　3.管理服務(wù)器　4.GPS天線　5.3G天線　6.無線數(shù)據(jù)傳輸終端　7.拖拉機(jī)　8.姿態(tài)傳感器1 9.姿態(tài)傳感器2　10.懸掛式深松機(jī)

1.2　耕深檢測(cè)系統(tǒng)

1.2.1拖拉機(jī)三點(diǎn)懸掛機(jī)構(gòu)特點(diǎn)

懸掛式深松機(jī)由拖拉機(jī)三點(diǎn)懸掛機(jī)構(gòu)掛接和牽引進(jìn)行田間耕整地作業(yè)。如圖2所示，三點(diǎn)懸掛機(jī)構(gòu)中的下拉桿一端與拖拉機(jī)鉸接，鉸接點(diǎn)為A，另一端與深松機(jī)機(jī)架牽引機(jī)構(gòu)鉸接，鉸接點(diǎn)為B。上拉桿一端與深松機(jī)鉸接，鉸接點(diǎn)為C，另一端與拖拉機(jī)鉸接，鉸接點(diǎn)為D。4個(gè)鉸接點(diǎn)A、B、C、D形成不規(guī)則四邊形，其中A、D是固定點(diǎn)。三點(diǎn)懸掛機(jī)構(gòu)由拖拉機(jī)提升臂驅(qū)動(dòng)，控制深松機(jī)提升或下落。

圖2　拖拉機(jī)三點(diǎn)懸掛機(jī)構(gòu)與深松機(jī)連接圖Fig.2　Joint diagram for subsoiler and three-point linkage mechanism of tractor1.提升臂　2.鉸接點(diǎn)D　3.鉸接點(diǎn)A　4.上拉桿　5.下拉桿　6.鉸接點(diǎn)C　7.鉸接點(diǎn)B　8.深松鏟　9.深松機(jī)架

由圖2可知，當(dāng)提升臂提升或落下深松機(jī)時(shí)，鉸接點(diǎn)B、C分別圍繞鉸接點(diǎn)A、D旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)半徑為AB和DC。由于B、C均在深松機(jī)上，且BC連接線垂直于深松機(jī)架中心線BE，在旋轉(zhuǎn)過程中，點(diǎn)C、B、E形成的夾角始終為定值。規(guī)定旋轉(zhuǎn)角度順時(shí)針方向?yàn)檎?，根?jù)幾何關(guān)系可知

γ-α+β+δ=180°

(1)

式中γ——點(diǎn)A、B、C形成的夾角

α——深松機(jī)架中心線BE與水平地面夾角

β——下拉桿中心線AB與水平面夾角

δ——中心線BC與BE形成的夾角

則有

γ=180°-(β+δ-α)

(2)

由于鉸接點(diǎn)B、C之間連接柱的中心線與BE呈垂直關(guān)系，因此δ為90°，式(2)簡(jiǎn)化為

γ=90°-(β-α)

(3)

由式(3)可知，γ與AB、BE分別同水平面夾角的差值成負(fù)相關(guān)關(guān)系。

根據(jù)四邊形ABCD的幾何特性，當(dāng)鉸接點(diǎn)B下落至B′時(shí)，γ減小，深松鏟入土深度增大，即耕深增大。因此，γ與耕深成負(fù)相關(guān)關(guān)系。

1.2.2耕深檢測(cè)模型構(gòu)建

為驗(yàn)證上述變化規(guī)律，并建立耕深檢測(cè)模型，開展了靜態(tài)試驗(yàn)。試驗(yàn)中規(guī)定初始狀態(tài)為深松機(jī)深松鏟均與地面接觸，且和拖拉機(jī)4個(gè)輪胎處于同一水平面上。并規(guī)定深松鏟尖在地面上方時(shí)耕深為負(fù)值，入土后耕深為正值。試驗(yàn)過程為：在拖拉機(jī)下懸掛桿和深松機(jī)機(jī)架水平位置上分別安裝姿態(tài)傳感器，用于檢測(cè)其與水平地面的夾角α和β，操縱拖拉機(jī)后懸掛機(jī)構(gòu)，控制試驗(yàn)深松機(jī)耕深在-15～35 cm之間變化，步距為5 cm，由研制的數(shù)據(jù)采集設(shè)備獲取傳感器數(shù)據(jù)，并傳送至計(jì)算機(jī)進(jìn)行顯示和存儲(chǔ)，實(shí)際耕深利用米尺人工測(cè)量得到。

試驗(yàn)中分別測(cè)量和記錄了角度α和β，并計(jì)算出γ。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1　不同耕深的靜態(tài)試驗(yàn)夾角測(cè)量結(jié)果Tab.1　Data on static tests　(°)

由表1可知，耕深與γ成反比關(guān)系。利用最小二乘法將γ與耕深數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，結(jié)果如圖3所示。

圖3　角度α、β、γ與耕深關(guān)系曲線Fig.3　Relationship curves between tilling depth and angles of α,β and γ

由圖3可知，γ與耕深呈現(xiàn)出較好的線性關(guān)系，擬合決定系數(shù)達(dá)到R2=0.987 9。因此考慮γ和耕深關(guān)系，建立耕深檢測(cè)模型為

H=kγ+B+C

(4)

式中H——耕深，cmk——斜率

B——截距，cmC——誤差補(bǔ)償值，cm

由于γ與耕深線性關(guān)系較為明顯，在實(shí)際耕深檢測(cè)中，模型求解方法為：將深松作業(yè)機(jī)組停置于水平地面上，操縱拖拉機(jī)后懸掛機(jī)構(gòu)，隨機(jī)調(diào)整并人工測(cè)量深松機(jī)耕深H，記錄角度α和β，測(cè)量3次后通過最小二乘法求解k和B。誤差補(bǔ)償C的求解方法是：將深松機(jī)調(diào)整至初始狀態(tài)，查看此時(shí)計(jì)算的耕深，其相反數(shù)即為誤差補(bǔ)償值C。

1.2.3耕深檢測(cè)傳感器設(shè)計(jì)

基于上述耕深檢測(cè)模型，需要實(shí)時(shí)檢測(cè)拖拉機(jī)下拉桿和深松機(jī)機(jī)架在前進(jìn)方向與地面夾角。本文利用MPU6050姿態(tài)檢測(cè)模塊實(shí)時(shí)測(cè)量拖拉機(jī)拉桿和深松機(jī)機(jī)架姿態(tài)角，利用STM32F103 MCU實(shí)時(shí)獲取姿態(tài)檢測(cè)模塊輸出數(shù)據(jù)，得到拖拉機(jī)下拉桿和深松機(jī)機(jī)架在前進(jìn)方向與地面夾角。其中安裝在深松機(jī)機(jī)架上的耕深檢測(cè)傳感器1將采集到的角度數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給安裝在拖拉機(jī)下拉桿上的耕深檢測(cè)傳感器2，由其進(jìn)行耕深計(jì)算以及與車載無線數(shù)據(jù)檢測(cè)終端的數(shù)據(jù)交互，兩種傳感器硬件設(shè)計(jì)基本相同。耕深檢測(cè)傳感器主要硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4　耕深檢測(cè)傳感器硬件框圖Fig.4　Hardware diagram of sensor for tilling depth measurement

耕深檢測(cè)傳感器軟件功能主要包括硬件模塊初始化設(shè)置、姿態(tài)檢測(cè)模塊數(shù)據(jù)解析與校驗(yàn)、數(shù)據(jù)濾波、傳感器標(biāo)定以求解耕深計(jì)算模型、耕深實(shí)時(shí)計(jì)算、數(shù)據(jù)交互等。耕深檢測(cè)軟件主要流程如圖5所示。

圖5　耕深檢測(cè)軟件主要流程圖Fig.5　Flow chart of tilling depth calculating software

1.2.4無線數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)終端設(shè)計(jì)

無線數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)終端內(nèi)部集成GPS定位模塊、3G無線數(shù)據(jù)傳輸模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)卡等，其內(nèi)核是STM32F407處理器，用于接收和處理耕深檢測(cè)傳感器數(shù)據(jù)，并融合位置、作業(yè)速度、拖拉機(jī)性能、深松機(jī)結(jié)構(gòu)以及用戶等信息，形成多角度評(píng)價(jià)深松作業(yè)的結(jié)構(gòu)信息，發(fā)送至遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)服務(wù)中心進(jìn)行進(jìn)一步處理。 其主要硬件結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6　無線數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)終端硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.6　Hardware diagram of wireless monitoring device

根據(jù)無線數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)終端的主要功能，其軟件主要包括耕深數(shù)據(jù)接收與解析處理、GPS數(shù)據(jù)接收及解析處理、SD卡數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、3G數(shù)據(jù)發(fā)送與接收處理等。其中，如何保證數(shù)據(jù)能準(zhǔn)確及時(shí)地傳送到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心是其重點(diǎn)。在網(wǎng)絡(luò)信息化不理想的情況下，為了降低深松作業(yè)數(shù)據(jù)傳輸過程中的丟包率，無線數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)終端將數(shù)據(jù)發(fā)送給遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心時(shí)，會(huì)將數(shù)據(jù)按時(shí)間序列同步存儲(chǔ)到SD卡中，然后去檢驗(yàn)數(shù)據(jù)中心回復(fù)的收到數(shù)據(jù)確認(rèn)信息，如果收到確認(rèn)信息則繼續(xù)發(fā)送下一包數(shù)據(jù)，否則從SD卡中將傳輸丟失的數(shù)據(jù)取出來重新傳輸，直至收到數(shù)據(jù)中心對(duì)該數(shù)據(jù)包的確認(rèn)信息。無線數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)終端的軟件主要流程如圖7所示。

圖7　無線數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)移動(dòng)終端軟件流程圖 Fig.7　Software flow chart for wireless monitoring device

2　田間試驗(yàn)與結(jié)果分析

2.1　試驗(yàn)方法

為驗(yàn)證懸掛式深松機(jī)耕整地耕深檢測(cè)系統(tǒng)的精度、穩(wěn)定性，在小湯山國(guó)家精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)示范基地開展了系列試驗(yàn)。試驗(yàn)中，選用紐荷蘭T1404型拖拉機(jī)、大華1S-230型深松機(jī)作為試驗(yàn)機(jī)型。試驗(yàn)包括平地靜態(tài)試驗(yàn)和田間試驗(yàn)。試驗(yàn)機(jī)組如圖8所示。

圖8　試驗(yàn)樣機(jī)及系統(tǒng)Fig.8　Tractor mounted with subsoiling management system for testing1.試驗(yàn)深松機(jī)　2.耕深傳感器1　3.耕深傳感器2　4.GPS傳感器　5.無線數(shù)據(jù)傳輸終端　6.試驗(yàn)拖拉機(jī)　7.測(cè)試計(jì)算機(jī)

2.1.1靜態(tài)試驗(yàn)

靜態(tài)試驗(yàn)中，將安裝好檢測(cè)系統(tǒng)的試驗(yàn)機(jī)組停放于水平地面上，首先按照模型求解方法進(jìn)行系統(tǒng)標(biāo)定，標(biāo)定完成后，按照先由小到大，再由大到小隨機(jī)調(diào)整深松機(jī)耕深，觀測(cè)檢測(cè)系統(tǒng)輸出結(jié)果，并與人工測(cè)量進(jìn)行對(duì)比。靜態(tài)試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

由表2可知，檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果與人工測(cè)量較為接近。由小到大測(cè)試中，最大測(cè)試誤差為0.88 cm，平均誤差為0.11 cm，誤差均方根為0.66 cm。由大到小測(cè)試中，最大誤差為0.68 cm，平均誤差為0.21 cm，均方根誤差為0.48 cm。根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)可知，該檢測(cè)系統(tǒng)靜態(tài)測(cè)試精度較高。

表2　懸掛式深松機(jī)耕深檢測(cè)靜態(tài)試驗(yàn)結(jié)果Tab.2　Result of static tests for subsoiling 　cm

2.1.2田間試驗(yàn)

用同一機(jī)組開展田間試驗(yàn)，試驗(yàn)過程為：操作拖拉機(jī)懸掛機(jī)構(gòu)，使深松機(jī)耕深由淺入深，在此過程中每間隔一定深度，操控機(jī)組行駛平穩(wěn)后，停車并保持深松機(jī)不動(dòng)，由人工扒土測(cè)量耕深作為準(zhǔn)確值，并同時(shí)讀取檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。當(dāng)耕深接近該機(jī)組該土壤條件下的最大值時(shí)，操控深松機(jī)耕深由深變淺，重復(fù)上述測(cè)試過程。測(cè)試數(shù)據(jù)如圖9所示。

圖9　懸掛式深松機(jī)耕深檢測(cè)系統(tǒng)田間試驗(yàn)結(jié)果Fig.9　Tilling depth testing result

2.2　結(jié)果分析

由圖9可知，該耕深檢測(cè)系統(tǒng)在耕深逐步加大過程中最大誤差為1.18 cm，最小誤差為0.19 cm，平均誤差為0.20 cm，均方根誤差為0.64 cm；在耕深逐步變淺過程中的最大誤差為0.75 cm，最小誤差為0.1 cm，平均誤差為0.45 cm，均方根誤差為0.31 cm。整個(gè)測(cè)試中，誤差超過1 cm的僅一次，可能存在偶然因素導(dǎo)致此處誤差較大，需根據(jù)后續(xù)測(cè)試確定。上述結(jié)果表明田間測(cè)試中，系統(tǒng)耕深檢測(cè)誤差始終維持較低水平，且系統(tǒng)回程誤差較小。

當(dāng)耕深小于26.7 cm時(shí)，無論耕深逐步加深還是逐步變淺，系統(tǒng)檢測(cè)值始終小于人工測(cè)量值，誤差為負(fù)值；當(dāng)耕深大于26.7 cm時(shí)，系統(tǒng)檢測(cè)值有大于人工檢測(cè)值的趨勢(shì)，誤差為正值。誤差出現(xiàn)此變化趨勢(shì)的原因在于：三點(diǎn)懸掛機(jī)構(gòu)在抬起或落下過程中，深松機(jī)鏟的空間軌跡是一個(gè)以下拉桿長(zhǎng)為半徑的圓弧，因此，其實(shí)際耕深變化與式(3)中的γ并非嚴(yán)格的直線關(guān)系。本文考慮到現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定的簡(jiǎn)便性，且深松鏟運(yùn)動(dòng)中的弧度不大，故采用線性回歸建模，簡(jiǎn)化了耕深計(jì)算模型，才導(dǎo)致出現(xiàn)上述誤差變化趨勢(shì)，但誤差在可接受的合理范圍內(nèi)，并不影響系統(tǒng)的總體檢測(cè)精度。

在田間測(cè)試過程中，所選擇地塊中存在雜草、作物殘茬以及大小不一的土塊，而測(cè)試結(jié)果表明系統(tǒng)檢測(cè)精度比較穩(wěn)定，并未受到上述干擾因素的影響，該檢測(cè)模型及系統(tǒng)對(duì)深松作業(yè)環(huán)境中的雜草、作物殘茬、土塊等抗干擾能力較強(qiáng)。

綜合上述分析，該懸掛式深松機(jī)耕深檢測(cè)系統(tǒng)具有較高的精度和穩(wěn)定性，能夠替代人工檢測(cè)，提高耕深檢測(cè)效率，也為深松耕整地作業(yè)質(zhì)量在線評(píng)估提供了技術(shù)支撐。

3　結(jié)論

(1)采用理論分析和試驗(yàn)相結(jié)合建立了基于懸掛式深松作業(yè)機(jī)組機(jī)身姿態(tài)的耕深檢測(cè)模型，試驗(yàn)表明該模型不受地面雜草、作物殘茬、土塊等影響，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，為耕深實(shí)時(shí)檢測(cè)提供了一種新的方法。

(2)深松作業(yè)檢測(cè)系統(tǒng)具備定位、無線傳輸、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能，能實(shí)時(shí)采集深松作業(yè)耕深、位置、作業(yè)速度及航向等信息，可以為深松作業(yè)質(zhì)量在線評(píng)價(jià)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

(3)耕深檢測(cè)傳感器及檢測(cè)系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝調(diào)試方便等特點(diǎn)，適合現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，具有較高的實(shí)用價(jià)值和推廣價(jià)值。

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