懸掛式深松機耕深監(jiān)控裝置開發(fā)與試驗

夏衍，李軍偉，單坤山

（1.255049 山東省 淄博市 山東理工大學(xué) 交通與車輛工程學(xué)院；2.261206 山東省 濰坊市 濰柴雷沃重工股份有限公司）

0 引言

長期耕作方式單一及大型農(nóng)機易壓實土壤，導(dǎo)致土壤形成堅硬的犁底層，犁底層的存在是導(dǎo)致土壤肥力下降的首要因素[1-5]。采用深松作業(yè)，可以有效打破犁底層，改變土壤空間結(jié)構(gòu)，促進(jìn)微生物繁衍,提高作物產(chǎn)量[6-9]。在深松作業(yè)過程中，由于無法實時獲取耕深數(shù)值，需要操作人員憑經(jīng)驗判斷是否達(dá)到耕深要求，容易出現(xiàn)耕深作業(yè)不達(dá)標(biāo)需要重耕的現(xiàn)象，既耗時又增加人力物力成本。

為了能夠?qū)崟r得到耕深數(shù)據(jù)，研究人員利用現(xiàn)代電子技術(shù)開展了耕深監(jiān)測的研究。丁瑞華[10]基于深松機建立了耕深與深松機力臂之間的數(shù)學(xué)模型，通過實時檢測力臂與水平面的夾角來獲得耕深，進(jìn)而推算出耕深值，但該方法在地面起伏時有較大誤差；蔣哮虎等[11]采用超聲波傳感器和紅外傳感器聯(lián)合檢測耕深，避免了地形起伏和地面稻草秸稈帶來的檢測誤差；杜新武等[12]基于旋耕機運動姿態(tài)，建立了以下拉桿和機架平面的水平傾角為變量的耕深計算模型，克服了因旋耕機組形變和車輪傾斜對結(jié)果的影響。

本文在前者研究的基礎(chǔ)上，利用耕深監(jiān)控裝置內(nèi)置的MPU6050 陀螺儀實時得到深松機組的三維角度值，耕深監(jiān)控裝置將當(dāng)前的三維角度同標(biāo)定的基準(zhǔn)角度進(jìn)行分析比較，通過深松機組懸掛的結(jié)構(gòu)模型計算得出耕深數(shù)值，并將該數(shù)值通過CAN 總線發(fā)送至電腦端，以期實現(xiàn)耕深作業(yè)過程全自動化監(jiān)控。

1 耕深計算原理

1.1 深松機懸掛結(jié)構(gòu)

深松機通過三點懸掛裝置和拖拉機相連，懸掛裝置三點分別為裝置上拉桿點、裝置左側(cè)下拉桿點和裝置右側(cè)下拉桿點。本文以懸掛式深松機為例，具體機構(gòu)懸掛示意圖如圖1 所示。三點懸掛裝置由搖臂、液壓油缸、提升臂、上拉桿和下拉桿構(gòu)成，搖臂前端、上拉桿前端以及下拉桿前端分別鉸接在拖拉機機身上，搖臂后端與提升臂上端相連，上拉桿后端和下拉桿后端分別與深松機具連接，耕深監(jiān)控裝置安裝在下拉桿與深松機具連接點處。通過連接在搖臂下方的液壓油缸的起落運動來驅(qū)動搖臂，從而帶動提升臂拉起或降低下拉桿，上拉桿僅起支撐旋轉(zhuǎn)的作用，最終實現(xiàn)深松機的起落運動。

圖1 深松機懸掛示意圖Fig.1 Schematic diagram of deep looser suspension

1.2 深松機水平作業(yè)耕深計算數(shù)學(xué)模型

在深松機水平作業(yè)時，具體示意圖如圖2 所示。圖2 中AD 桿為搖臂，BF 桿為上拉桿，CG 桿為下拉桿，DE 桿為提升臂，F(xiàn)GH 機構(gòu)為懸掛深松機，點A、B、C 分別為搖臂、上拉桿、下拉桿在拖拉機上的固定點，點D 為搖臂和提升臂的鉸接點，點E 為提升臂和下拉桿的鉸接點，點F、G 為三點懸掛裝置和深松機的連接點。

圖2 深松機水平作業(yè)示意圖Fig.2 Schematic diagram of horizontal operation of deep looser

下拉桿與深松機剛性連接，由于水平作業(yè)車身未發(fā)生傾斜，因此下拉桿和深松機的連接點G 變化的高度即為深松機變化的高度，所以只需知曉下拉桿和水平方向夾角α的變化值即可計算出耕深值。由于耕深監(jiān)控裝置垂直安裝在下拉桿下方，采用MPU6050 陀螺儀的俯仰角測得下拉桿和水平方向夾角。拖拉機靜止于水平地面，降低深松機與耕作地面接觸，得到此時下拉桿與水平方向夾角α，并記此時角度為α0，由此得水平耕深計算模型：

式中：LCD——下拉桿在水平面投影的桿長，cm；α——任意時刻下拉桿與水平面的夾角，°；L——深松機垂直下降距離，cm。

MPU6050 陀螺儀得到的俯仰角在水平方向繞逆時針時顯示為正值，繞順時針時顯示為負(fù)值。因此當(dāng)L 為負(fù)值時，深松機處于耕作狀態(tài)，-L 即為耕深值；當(dāng)L 為正值時，此時深松機處于懸空狀態(tài)，L 值為深松機高于耕作地面的距離。

1.3 深松機側(cè)傾耕深計算數(shù)學(xué)模型

在深松機作業(yè)時，拖拉機受地形、深松機組的影響，在一定程度上會出現(xiàn)整機傾斜現(xiàn)象，因此僅使用水平面時得出的耕深值會與實際耕深值產(chǎn)生較大誤差，還需要加上側(cè)傾時耕深計算模型。整機側(cè)傾示意圖如圖3 所示。

圖3 整機側(cè)傾示意圖Fig.3 Schematic diagram of the whole machine

圖3 中，CG 桿為左側(cè)下拉桿，C'G'桿為右側(cè)下拉桿，GG'為深松機，點W 為左側(cè)車輪接地點，點O 為深松機組中心點，夾角β為車身側(cè)傾角。假設(shè)機具未升高降低，則整車側(cè)傾時深松機組中心點O 變化的高度即為深松機側(cè)傾作業(yè)導(dǎo)致的誤差高度，只需知曉O(shè)W 連線和地平面夾角的變化值就可以計算得出該高度值的變化，而該角度變化值即為車身側(cè)傾角變化值。由于下拉桿與車身剛性連接，因此車身傾斜導(dǎo)致下拉桿傾斜且兩者傾斜角度一致，故安裝在下拉桿上的耕深監(jiān)控裝置可實時得到車身側(cè)傾角度值，根據(jù)耕深監(jiān)控裝置安裝位置，采用MPU6050 陀螺儀的橫滾角測得車身側(cè)傾角度值。拖拉機靜止于水平地面，降低深松機與耕作地面接觸，得到此時車身側(cè)傾角度值，并記此時角度值為β0，同時測得OW 連線和地平面夾角角度值為β1，將OW 連線作為固定的斜邊長，得到側(cè)傾耕深計算模型

式中：LOW——OW 連線的長度，cm；β——任意時刻車身側(cè)傾角度值，°；L1——側(cè)傾時深松機垂直變化距離，cm

MPU6050 陀螺儀得到的橫滾角在側(cè)傾方向繞逆時針時顯示為正值，繞順時針時顯示為負(fù)值。因此，當(dāng)L1為負(fù)值時，深松機向下傾斜；當(dāng)L1為正值時，深松機向上傾斜。最后將L 與L1相加即為最終的耕深值，若該值為負(fù)值時，深松機處于耕作狀態(tài)；若該值為正值時，深松機處于懸空狀態(tài)。

2 耕深監(jiān)控裝置硬件結(jié)構(gòu)

硬件電路是實現(xiàn)耕深監(jiān)控裝置的核心部件，是耕深實時反饋策略穩(wěn)定運行的前提。硬件電路結(jié)構(gòu)框圖如圖4 所示。監(jiān)控裝置硬件功能包括：電源管理功能，將蓄電池的12 V 電源輸入轉(zhuǎn)換為3.3 V對內(nèi)供電；角速度傳感器信號、加速度傳感器信號等模擬信號的輸入；用于與其他節(jié)點通信的CAN總線網(wǎng)絡(luò)。

圖4 硬件電路結(jié)構(gòu)Fig.4 Hardware circuit structure

STM32F103 芯片是基于Arm Cortex-M3 內(nèi)核的32 位微控制器，相比同類微控制器具有更加卓越的性能。該芯片工作主頻為72 MHz，大大加快了芯片運行速度。該芯片具有32 位浮點數(shù)運算單元，能夠滿足耕深監(jiān)控裝置的數(shù)據(jù)處理需求，保證控制策略執(zhí)行的實時性。該芯片能夠在-45～125℃溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定運行，保證了耕深監(jiān)控裝置在使用過程中的可靠性。該芯片具有64 kB 的System RAM 和512 kB 的Flash，能夠滿足耕深監(jiān)控裝置的程序運行以及存儲需求。

耕深作業(yè)時，深松機極易產(chǎn)生抖動現(xiàn)象，因此裝置的穩(wěn)定性、耐振性是首要選擇因素。在了解不同姿態(tài)傳感器特性的基礎(chǔ)上，本文采用MPU6050陀螺儀，其擁有16 位精度的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，可以將三維坐標(biāo)精準(zhǔn)地轉(zhuǎn)化為數(shù)字量輸出，同時內(nèi)置數(shù)字運動處理器（DMP），可將計算結(jié)果存入數(shù)據(jù)輸出寄存器。

3 耕深監(jiān)控裝置軟件開發(fā)

本文將耕深監(jiān)控裝置的軟件系統(tǒng)架構(gòu)分為應(yīng)用層（Application Layer）和硬件層（Hardware Layer）。應(yīng)用層軟件為通過Simulink 搭建的控制策略模型，用于實現(xiàn)耕深監(jiān)控裝置的控制策略，保證耕深監(jiān)控裝置能夠安全穩(wěn)定地運行。硬件層為耕深監(jiān)控裝置的底層驅(qū)動程序，用于驅(qū)動硬件中的各模塊電路。。

3.1 底層驅(qū)動程序設(shè)計

底層驅(qū)動程序模塊包括時鐘模塊、定時器模塊、IIC 模塊、MPU6050 角度解算模塊和CAN 模塊。

時鐘模塊主要負(fù)責(zé)為系統(tǒng)運行提供時鐘信號。由外部的8 MHz 晶振作為輸入時鐘源，然后將其倍頻至 72 MHz。各模塊可根據(jù)運行頻率的需要將72 MHz 時鐘分頻使用，如CAN 模塊通過分頻設(shè)置為36 MHz 等。

定時器模塊內(nèi)有4 路通道。配置相應(yīng)的寄存器將該模塊的時鐘源設(shè)置為總線時鐘，啟用通道0的計數(shù)功能，并將通道0 的定時周期設(shè)置為1 ms并使能定時器中斷，當(dāng)定時器的計數(shù)值達(dá)到 1 ms對應(yīng)的通道值時，觸發(fā)定時溢出中斷用于定時執(zhí)行控制策略主程序。

IIC 模塊用于MPU6050 傳感器和主芯片之間的數(shù)據(jù)傳遞。用于IIC 通信的GPIO 類型必須配置成開漏輸出，只有這樣IIC 設(shè)備才能輸出低電平和高阻態(tài)。因為 SCL 和 SDA 連接上拉電阻到電源，那么GPIO 輸出低電平則拉低，輸出高阻態(tài)則拉高。

MPU6050角度解算模塊用于得到三維角度值。通過配置SMPLRT_DIV 寄存器的SMPLRT_DIV 位設(shè)置采樣頻率為100 Hz，配置GYRO_CONFIG 寄存器的FS_SEL 位設(shè)置角速度量程為±2 000 dps，配置ACCEL_CONFIG 寄存器的AFS_SEL 位設(shè)置加速度量程為±2 g。通過IIC 模塊讀取MPU6050 三軸的角速度和加速度，由于期望得到航向角、橫滾角和俯仰角的三維角度，所以這些數(shù)據(jù)無法直接使用，故需利用讀取的原始數(shù)據(jù)，進(jìn)行姿態(tài)融合解算。直接計算是比較復(fù)雜的，但MPU6050 自帶了數(shù)字運動處理器 DMP，因此利用MPU6050 的DMP，可以將得到的原始數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)換成四元數(shù)輸出，而得到四元數(shù)之后，就可以計算出三維角度值。

為了實現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)與主機之間的通信，必須對STM32F103 的CAN 模塊進(jìn)行初始化及相關(guān)功能配置。模塊初始化包括模塊輸入時鐘源選擇、選定總線的波特率、接受過濾特定的標(biāo)識符及設(shè)置中斷。初始化時，配置CAN_MCR 寄存器，將72 MHz 的總線時鐘作為CAN 模塊的時鐘源并設(shè)置分頻系數(shù)為2，調(diào)整寄存器CAN_BTR 的值，將模塊波特率設(shè)置成250 kbps，最后使能CAN 模塊接受中斷。

3.2 應(yīng)用層程序設(shè)計

上電后，待底層驅(qū)動程序完成初始化，則進(jìn)入控制策略主程序，如圖5 所示。系統(tǒng)首先判斷是否完成標(biāo)定，若未完成則啟動標(biāo)定程序。為了確保能夠順利完成標(biāo)定，對啟動標(biāo)定程序和完成標(biāo)定添加了限制條件。當(dāng)標(biāo)定完成標(biāo)志位未置1 且車速滿足條件時，則進(jìn)入標(biāo)定程序，而當(dāng)任意一條件不滿足時直接退出標(biāo)定。在標(biāo)定過程中，當(dāng)系統(tǒng)接收到提升臂下降命令且角度變化值在一定誤差范圍保持不變，保持該過程一定時間則判斷標(biāo)定完成，將此時的角度值作為標(biāo)定值且標(biāo)定完成標(biāo)志位置1。若系統(tǒng)已完成標(biāo)定，在接收到使能耕深監(jiān)控命令后，進(jìn)入耕深實時監(jiān)控模式，則通過對比三維角度值的變化，對當(dāng)前的耕深值進(jìn)行計算。最后，將深松機的耕深值反饋給主機，駕駛員通過耕深值的反饋對深松機進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。

圖5 控制策略流程圖Fig.5 Flow chart of control strategy

4 田間試驗與數(shù)據(jù)分析

4.1 田間測試試驗

為了檢驗耕深監(jiān)控裝置的準(zhǔn)確性和可靠性，于濰坊市坊子區(qū)馬司試驗農(nóng)場進(jìn)行了耕深監(jiān)控裝置的田間測試試驗，如圖6 所示。

圖6 耕深監(jiān)控裝置田間試驗Fig.6 Field test of tillage depth monitoring device

駕駛員操縱按鈕控制深松機的升高降低，按照耕深逐漸增大的次序，每兩組之間設(shè)置耕深數(shù)值之差為4～6 cm，共設(shè)置7 組。每組耕地間距為15 m，以保證深松機能夠平穩(wěn)作業(yè)。在耕地之前，駕駛員操控深松機組至平穩(wěn)，同時記錄此時監(jiān)控裝置反饋的耕深值作為測量值，之后開始深松作業(yè)，以拖拉機前進(jìn)3 m 為一個單位，采用人工扒土測量的方式，測出耕地表面至深松機刀頭最底端的垂直距離，記錄5 組數(shù)據(jù)并取平均值作為耕深的實際值。當(dāng)測量值達(dá)到32.6 cm 時，采取耕深逐漸減小的順序共設(shè)置6 個組，重復(fù)之前的操作并記錄相應(yīng)的實際值和測量值。

4.2 測量數(shù)據(jù)分析

試驗總共記錄13 組對比數(shù)據(jù)，試驗結(jié)果如圖7 所示。對比13 組數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，測量值與實際值之間最大差值為1.10 cm，出現(xiàn)在第12 組。經(jīng)計算，機組降低過程平均誤差為0.70 cm，機組上升過程平均誤差為0.75 cm，滯后誤差較小，表明該監(jiān)控裝置運行較穩(wěn)定。總體平均誤差為0.72 cm，均方根誤差為0.74 cm，可見通過該監(jiān)控裝置反饋的耕深數(shù)值與實際值的符合度較高，具有較高的穩(wěn)定性。

圖7 測量值與實際值數(shù)據(jù)對比圖Fig.7 Comparison of measured value and actual value data

5 結(jié)論

結(jié)合三點懸掛裝置的結(jié)構(gòu)特點，對深松機組運動姿態(tài)進(jìn)行了理論分析，采用MPU6050 陀螺儀實時得到下拉桿與水平方向夾角以及車身側(cè)傾角的變化，建立了耕深計算模型，減少了因機身側(cè)傾帶來的測量誤差。

設(shè)計了由三維角度采集模塊、定時器模塊和CAN 通信模塊等組成的懸掛式深松機耕深監(jiān)控裝置，實現(xiàn)了耕深實時監(jiān)測的功能。

進(jìn)行了懸掛式深松機耕深監(jiān)控裝置田間試驗，對比裝置反饋值與人工測量值，發(fā)現(xiàn)兩者的最大差值為1.10 cm，均差為0.72 cm，表明該監(jiān)控裝置具有較高的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，符合設(shè)計要求。