基于BRF的自動(dòng)插秧機(jī)電氣控制系統(tǒng)優(yōu)化

江　玲

(湖北理工學(xué)院，湖北 黃石　435000)

0　引言

隨著電氣智能控制系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用與進(jìn)步，我國(guó)水稻種植已由傳統(tǒng)的插秧工具向現(xiàn)代的自動(dòng)插秧工具演變。日本作為最早進(jìn)行水稻插秧機(jī)發(fā)明的國(guó)家，插秧水平位于世界前列，我國(guó)水稻種植產(chǎn)業(yè)在借鑒其技術(shù)的基礎(chǔ)上，亦不斷開(kāi)發(fā)和研制具有自己獨(dú)特功能、適合中國(guó)田地作業(yè)的插秧機(jī)。針對(duì)目前大多數(shù)插秧機(jī)在進(jìn)行插秧作業(yè)時(shí)存在的插秧深度不一致與不均勻性問(wèn)題，筆者從電氣控制精準(zhǔn)度出發(fā)，基于應(yīng)變傳遞與控制理論，采用BRF傳感器向控制裝置傳遞信號(hào)，并對(duì)關(guān)鍵電氣控制系統(tǒng)的軟硬件組成與工作環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)而控制插秧機(jī)協(xié)調(diào)動(dòng)作，完成自動(dòng)插秧。自動(dòng)插秧機(jī)三維圖如圖1所示。

圖1　自動(dòng)插秧機(jī)外觀圖

1　電氣控制系統(tǒng)概述

自動(dòng)插秧機(jī)包括秧箱、電氣控制部件、取秧部件、機(jī)械插秧部件及整體機(jī)架等。其工作原理可以簡(jiǎn)要描述為：在自動(dòng)控制系統(tǒng)控制下，插秧機(jī)向前運(yùn)動(dòng)，取秧部件獲取動(dòng)作信號(hào)；在插秧預(yù)先設(shè)計(jì)的軌跡控制機(jī)構(gòu)的指令下，對(duì)秧箱中整齊存放的秧苗進(jìn)行有序取秧，并在機(jī)械插秧部件的作用下植入田間土壤。其植入的深度與均勻性對(duì)于秧苗的存活率及后續(xù)的水稻產(chǎn)出率起到至關(guān)重要的作用，因此電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為核心內(nèi)容。

電氣控制系統(tǒng)的控制要求在于：

1)硬件及系統(tǒng)容量和響應(yīng)時(shí)間的選擇；

2)對(duì)主控制器PLC進(jìn)行合理選型，主電氣線路設(shè)計(jì)與布置，輔助電氣線路設(shè)計(jì)與布置，I/O地址分配；

3)對(duì)檢測(cè)和傳遞信號(hào)的傳感器部件進(jìn)行相應(yīng)配置，相應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)的參數(shù)設(shè)置；

4)電氣控制柜及主要電器相應(yīng)功能單元；

5)自動(dòng)插秧、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等。

2　電氣控制系統(tǒng)優(yōu)化

2.1　優(yōu)化設(shè)計(jì)理論

針對(duì)傳感器有效感應(yīng)這一環(huán)節(jié)進(jìn)行重點(diǎn)優(yōu)化，考慮插秧機(jī)在作業(yè)時(shí)BRF的應(yīng)變傳遞與控制信息及相關(guān)反饋因子和函數(shù)的檢測(cè)與測(cè)量，利用調(diào)制、解調(diào)功能在預(yù)先設(shè)置好的自動(dòng)導(dǎo)航控制系統(tǒng)下不斷糾正偏差，關(guān)注導(dǎo)航控制的有效性、對(duì)于作業(yè)環(huán)境進(jìn)行識(shí)別并及時(shí)做出田間響應(yīng)的速度性，進(jìn)行插秧作業(yè)。為適應(yīng)實(shí)際田間作業(yè)，將電氣控制與自動(dòng)插秧作業(yè)理論相結(jié)合，側(cè)重于主控操作的電控化與智能化，對(duì)各個(gè)作業(yè)環(huán)節(jié)(如導(dǎo)航環(huán)節(jié)、轉(zhuǎn)向糾偏環(huán)節(jié)、插秧精準(zhǔn)控制與動(dòng)作環(huán)節(jié)等)多次試驗(yàn)?zāi)M演繹插秧過(guò)程，實(shí)現(xiàn)插秧機(jī)的核心結(jié)構(gòu)的完善，最終達(dá)到整機(jī)電氣控制系統(tǒng)的最優(yōu)化。

2.2　關(guān)鍵優(yōu)化裝置

對(duì)于插秧機(jī)的導(dǎo)航(轉(zhuǎn)向)控制系統(tǒng)，建立并改進(jìn)導(dǎo)航機(jī)構(gòu)，其簡(jiǎn)易控制硬件圖如圖2所示。其中，配置BRF的導(dǎo)航測(cè)量單元在此系統(tǒng)中作為主要優(yōu)化源之一。

圖2　自動(dòng)插秧機(jī)導(dǎo)航控制系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

軟件控制如圖3所示?；诳刂浦行?，設(shè)置參數(shù)、信息溝通、故障處理及中斷服務(wù)等功能模塊同時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)良行程識(shí)別、測(cè)量與同步控制插秧裝置的插秧作業(yè)位姿的制定。此控制環(huán)節(jié)加入視覺(jué)、位置、速度等傳遞感應(yīng)電氣控件，根據(jù)其在自動(dòng)插秧機(jī)所發(fā)揮的功能進(jìn)行多項(xiàng)組合，經(jīng)精密可靠的濾波處理，可達(dá)到預(yù)期設(shè)定位姿。此控制裝置的設(shè)置建立在自動(dòng)插秧機(jī)插秧作業(yè)的運(yùn)動(dòng)軌跡基礎(chǔ)之上，其各個(gè)方位的運(yùn)動(dòng)存在一定的聯(lián)系，形成了準(zhǔn)確的理論運(yùn)動(dòng)算法，涉及慣性及角速度等參數(shù)，如圖4所示。

圖3　自動(dòng)插秧機(jī)軟件控制簡(jiǎn)圖

通過(guò)應(yīng)用BRF傳感器理論，依據(jù)專業(yè)算法，在建立自動(dòng)插秧機(jī)理論插秧作業(yè)軌跡坐標(biāo)的基礎(chǔ)上，得出整機(jī)在電控作用下的路徑簡(jiǎn)圖，如圖5所示。

自動(dòng)插秧機(jī)的速度控制系統(tǒng)采用無(wú)級(jí)調(diào)速作業(yè)方式，機(jī)械液壓結(jié)合電控方式調(diào)節(jié)速度組合。系統(tǒng)采取不等距的插秧模式，可以有效提高插秧的效率，配合插秧機(jī)作業(yè)的流程與各個(gè)關(guān)鍵控制點(diǎn)精確到位，提高水稻插秧的質(zhì)量。本文根據(jù)傳遞扭矩、輸出功率及所承受的植入水稻秧苗的反作用力要求，確定電機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)?？紤]液壓馬達(dá)、傳動(dòng)軸的傳遞效率及源動(dòng)力泵的型號(hào)匹配等，利用上位機(jī)更改電氣控制程序，調(diào)整秧苗株距。電氣自動(dòng)控制流程圖如圖6所示。

圖4　自動(dòng)插秧機(jī)理論軌跡坐標(biāo)

圖5　基于BRF的自動(dòng)插秧機(jī)路徑簡(jiǎn)圖

插秧機(jī)的電控裝置帶動(dòng)硬件執(zhí)行機(jī)構(gòu)，需考慮變速準(zhǔn)確、迅速，且對(duì)于變速離合及各擋位的設(shè)置和變換要做到轉(zhuǎn)矩最大化、離合作用干脆化，離合裝置與控制進(jìn)行合理布局。在此過(guò)程中，需要設(shè)置相應(yīng)約束條件,包括邊界條件、傳遞函數(shù)及初始參數(shù)等，最終得出主離合的轉(zhuǎn)矩為

T=θTMAX=fFZRM

(1)

RM=2(R3-r3)/[3(R2-r2)]

(2)

式中θ—離合裝置備用因數(shù)；

f—離合裝置摩擦因數(shù)；

F—主摩擦面作用拉緊力；

Z—摩擦作用面的個(gè)數(shù)；

R—離合裝置作用面的外圓半徑；

r—離合裝置作用面的內(nèi)圓半徑。

圖6　自動(dòng)插秧機(jī)程序控制流程圖

自動(dòng)插秧機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)、電氣控制優(yōu)化設(shè)置完成后，編寫程序控制段，包括輸入段與返回段，程序如下：

struct input_value

{char C;

Unsigned long n;

char T;

char ID0;

float Tcmd;

…

Float Ufeed;

};

struct return_value

{char F;

Unsigned long n;

char T;

float Tcmd;

char Tm;

float Tp[Tm];

…

Unsigned int check;

};

3　優(yōu)化效果分析

進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn)，假設(shè)基礎(chǔ)要求為：①選取田間土壤條件一致；②面積大小一致；③自動(dòng)插秧機(jī)作業(yè)狀態(tài)一致。

1)通過(guò)利用自動(dòng)追蹤控制功能，對(duì)插秧行進(jìn)過(guò)程中的插秧機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，通過(guò)監(jiān)控程序調(diào)出其實(shí)際運(yùn)行軌跡及不斷調(diào)整的過(guò)程圖片段。由圖7可以看出：由于整機(jī)作業(yè)時(shí)為電氣自動(dòng)控制，不存在人工操縱，故其偏離插秧路線的可能性會(huì)發(fā)生?；贐RF理論改善后的插秧機(jī)，通過(guò)對(duì)作業(yè)前方的路況圖像識(shí)別、處理及有效傳輸， 控制系統(tǒng)可在即將偏離預(yù)設(shè)路線或者偏離超出一定范圍內(nèi)，通過(guò)控制中心及時(shí)發(fā)出調(diào)整偏離路線指令，進(jìn)行有序的插秧作業(yè)。調(diào)整裝置主要依賴于PID控制調(diào)節(jié)方式，其具體參數(shù)可依據(jù)表1的PID調(diào)節(jié)經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行選定。優(yōu)化此控制后，其系統(tǒng)的響應(yīng)及動(dòng)作時(shí)間會(huì)變得迅速，可以很好地進(jìn)行插秧機(jī)插秧軌跡過(guò)程偏差的調(diào)控。

圖7　自動(dòng)插秧機(jī)實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡誤差

調(diào)節(jié)項(xiàng)目主要調(diào)節(jié)參數(shù)比例度/%調(diào)節(jié)時(shí)間t微分時(shí)間TDP2δk∞0PI2.2δk0.833TK0PID1.67δk0.5TK0.125TK

表2　自動(dòng)插秧機(jī)電氣控制系統(tǒng)優(yōu)化前后效果對(duì)比數(shù)據(jù)

2)對(duì)融入BRF理論之后的電氣控制系統(tǒng)效果進(jìn)行對(duì)比，并記錄數(shù)據(jù)，如表2所示。通過(guò)提升轉(zhuǎn)向控制、行進(jìn)作業(yè)控制、插秧具體動(dòng)作控制的速度與準(zhǔn)確度，驗(yàn)證改善的可行性。結(jié)果表明：優(yōu)化后的自動(dòng)插秧機(jī)作業(yè)效果較優(yōu)化前可提升8%左右。

3)試驗(yàn)表明：自動(dòng)插秧機(jī)可按照優(yōu)化后的電氣控制系統(tǒng)執(zhí)行相應(yīng)的行進(jìn)、轉(zhuǎn)向、倒退、插秧等機(jī)具動(dòng)作，設(shè)置合理的電機(jī)步進(jìn)參數(shù)、控制最佳的電機(jī)轉(zhuǎn)速，進(jìn)而使自動(dòng)插秧機(jī)具有良好的作業(yè)效果。

4　結(jié)論

針對(duì)自動(dòng)插秧機(jī)的電氣自動(dòng)控制作業(yè)環(huán)節(jié)，基于BRF傳感器理論準(zhǔn)確獲取插秧田地作業(yè)信息，通過(guò)對(duì)電氣控制系統(tǒng)裝置進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)時(shí)對(duì)插秧機(jī)的動(dòng)作部件適當(dāng)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)多傳感器組合控制。同時(shí)，優(yōu)化了電控系統(tǒng)的控制算法，保證了自動(dòng)插秧的插秧深度隨著田間土壤地形的不規(guī)則性而保持一致；強(qiáng)化智能反饋與智能作業(yè)，并分析優(yōu)化后的插秧效果，表明BRF理論的融入更利于提高插秧機(jī)電氣自動(dòng)控制水平的精確性和穩(wěn)定性，更利于高效率進(jìn)行水稻自動(dòng)插秧作業(yè)，是一種值得推廣的優(yōu)化方法。