半喂入四行花生聯(lián)合收獲機(jī)自動(dòng)限深系統(tǒng)研制

陳智鍇，吳惠昌，張延化，彭寶良，顧峰瑋，胡志超

（農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京 210014）

0 引 言

花生是中國(guó)最具國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的優(yōu)質(zhì)優(yōu)勢(shì)油料作物，據(jù)中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒顯示，2016年中國(guó)花生種植面積為472.7萬(wàn)hm2，約占全球種植面積的17%，產(chǎn)量為1 729萬(wàn)t，約占全球產(chǎn)量的40%，分別位居世界第2位和第1位[1-2]。

花生是一種生產(chǎn)勞動(dòng)強(qiáng)度較大的土下作物，尤其是收獲作業(yè)，其用工量占整個(gè)花生生產(chǎn)過(guò)程的1/3以上，作業(yè)成本占整個(gè)生產(chǎn)成本的50%左右[3]。目前，中國(guó)花生收獲仍以人工為主，機(jī)械化收獲水平僅為 30%左右，其中以挖掘犁和簡(jiǎn)式挖掘機(jī)為主，集成度較高的半喂入兩行花生聯(lián)合收獲機(jī)在主產(chǎn)區(qū)也獲得一定應(yīng)用[4-8]。近年來(lái)，隨著人力成本的上升和規(guī)?；a(chǎn)發(fā)展，對(duì)高效花生收獲機(jī)械設(shè)備需求日趨迫切。為此中國(guó)相關(guān)科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)研制了半喂入四行花生聯(lián)合收獲機(jī)、秧果兼收六行花生聯(lián)合收獲機(jī)和八行花生撿拾聯(lián)合收獲機(jī)等集成度高的高效聯(lián)合收獲裝備，使生產(chǎn)效率大幅提升，但目前這些收獲設(shè)備仍然存在著挖掘深度一致性較差、收獲時(shí)果實(shí)漏挖率和破損率較高等問(wèn)題[9-11]。

限深技術(shù)是降低收獲時(shí)果實(shí)破損率和漏挖率的關(guān)鍵技術(shù)之一，亦是減阻降耗、提高收獲機(jī)械經(jīng)濟(jì)性的有效措施[12-14]。在歐美發(fā)達(dá)國(guó)家中僅美國(guó)有規(guī)?；N植花生，種植土地集中、平整，收獲方式多采用兩段式收獲且收獲設(shè)備以大型為主，能為中國(guó)研究半喂入聯(lián)合收獲限深技術(shù)所借鑒的較少[15]。但歐美在甜菜、馬鈴薯等其他土下果實(shí)收獲設(shè)備上采用了比較先進(jìn)、成熟的自動(dòng)限深技術(shù)，具有一定的借鑒意義[16-18]。如德國(guó) ROPA公司生產(chǎn)的 uero-tiger V8-3大型甜菜收獲機(jī)采用的地面起伏量可視化的限深技術(shù)；德國(guó)Grimme公司生產(chǎn)的GT170型馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)裝備的 TERRA-CONTROL挖掘深度自動(dòng)控制系統(tǒng)等[19]。目前，中國(guó)花生聯(lián)合收獲機(jī)上采用的限深技術(shù)多為機(jī)械式和液壓式，如限深輪、限深板等，精度低、反應(yīng)慢[20]。而自動(dòng)限深技術(shù)尚處于研發(fā)階段且主要針對(duì)兩行花生聯(lián)合收獲機(jī)研制，如尚書旗等[21]發(fā)明了一種裝有位移測(cè)量機(jī)構(gòu)的自動(dòng)限深裝置；游兆延等[22]基于超聲波測(cè)距實(shí)現(xiàn)挖掘深度自動(dòng)控制等。粗獷落后的限深技術(shù)已成為制約中國(guó)花生機(jī)械化收獲作業(yè)性能的主要瓶頸之一，亟待突破與提升。

本文以本團(tuán)隊(duì)研制的 4HLB-4型半喂入四行花生聯(lián)合收獲機(jī)為載體，采用集成創(chuàng)新的方法，綜合利用多領(lǐng)域成熟技術(shù)設(shè)計(jì)了一套自動(dòng)限深系統(tǒng)，以期提高4HLB-4型半喂入四行花生聯(lián)合收獲機(jī)的作業(yè)性能、降低果實(shí)漏挖率和破損率，并為其他土下果實(shí)收獲機(jī)械自動(dòng)限深技術(shù)研究提供參考。

1 自動(dòng)限深系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

1.1 花生種植模式與生長(zhǎng)特性

中國(guó)花生主產(chǎn)區(qū)河南、山東、河北以及遼寧四大省份大多采用壟作種植方式[23]。壟作是田間起壟，將花生播種在壟上的種植方式，如圖 1所示，一般規(guī)格為壟距700～900 mm，壟高 100～150 mm，壟底寬 600～800 mm，壟面寬 400～600 mm，窄行距 250～300 mm，寬行距550～650 mm[3]。壟作可改善土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，有利于提高地溫和晝夜溫差，有利于合理密植和田間通風(fēng)透光，從而提高產(chǎn)量，同時(shí)排灌也較為方便，能有效防止積水爛果。隨著起壟機(jī)械的推廣和配套技術(shù)的完善，花生壟作栽培的面積呈逐漸增加的趨勢(shì)，同時(shí)壟作栽培技術(shù)亦日益規(guī)范，這為花生機(jī)械化收獲提供了便利條件。

圖1 花生種植方式和植株性狀Fig.1 Planting mode and plant character of peanut

目前，中國(guó)在主產(chǎn)區(qū)大面積推廣的花生品種如魯花系列、豫花系列等大多為直立型，主莖垂直于地面，植株高度為350～600 mm，結(jié)果范圍為φ150～250 mm，結(jié)果深度為60～100 mm[3]?；ㄉ纳L(zhǎng)特性參數(shù)為自動(dòng)限深裝置設(shè)計(jì)提供參考。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2a所示，自動(dòng)限深系統(tǒng)由限深仿形機(jī)構(gòu)、挖掘深度調(diào)整機(jī)構(gòu)、液壓執(zhí)行系統(tǒng)、單片機(jī)控制系統(tǒng)和控制軟件組成。

圖2 自動(dòng)限深系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖與原理框圖Fig.2 Block diagram and diagram of automatic depth control system

系統(tǒng)工作原理框圖如圖2b所示，限深仿形機(jī)構(gòu)感知壟面起伏變化，并將起伏變化量轉(zhuǎn)化為角度信息傳至角度編碼器，角度編碼器將角度信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)傳輸給控制器，控制器根據(jù)程序分析角度信號(hào)后輸出電磁閥控制信號(hào)，打開(kāi)液壓缸驅(qū)動(dòng)油路，由液壓缸驅(qū)動(dòng)挖掘深度調(diào)整機(jī)構(gòu)，調(diào)整挖掘鏟高度，同時(shí)并行于收獲臺(tái)驅(qū)動(dòng)液壓缸安裝的鉸接式直線位移傳感器將液壓缸伸縮位移量反饋回控制器，控制器經(jīng)分析處理后調(diào)整輸出控制信號(hào)，確保挖掘深度穩(wěn)定一致，使整個(gè)自動(dòng)限深系統(tǒng)形成閉環(huán)反饋系統(tǒng)[24]。

2 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 限深仿形機(jī)構(gòu)

限深仿形機(jī)構(gòu)主要功能是對(duì)壟面進(jìn)行仿形，提取壟面起伏變化信號(hào)并傳遞給角度編碼器，并由角度編碼器轉(zhuǎn)化后輸出。傳統(tǒng)的仿形機(jī)構(gòu)有限深板和限深輪，限深板前行阻力大，限深輪質(zhì)量較大容易下陷，前置時(shí)均會(huì)因?yàn)閴涸诨ㄉ砺隙绊懱崛⌒盘?hào)準(zhǔn)確度。本文設(shè)計(jì)了一種較為新穎的隨壟前置輻桿式仿形輪，能有效提取壟面起伏變化信號(hào)，保證提取信號(hào)的準(zhǔn)確度和精度。限深仿形機(jī)構(gòu)如圖3a所示，結(jié)構(gòu)及工作原理如下：工作時(shí)，輻桿式仿形輪 5在壟面秧蔓間滾動(dòng)而不壓倒秧蔓，并隨壟面起伏變化帶動(dòng)擺桿4上下擺動(dòng)，然后擺桿4將由輻桿式仿形輪 5傳遞來(lái)的壟面起伏信號(hào)轉(zhuǎn)化為角度信號(hào)傳至角度編碼器3，角度編碼器3再將角度信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)并傳輸至控制器[25-26]。

以左限深仿形機(jī)構(gòu)為例，工作過(guò)程如圖3b所示，輻桿式仿形輪沿壟面滾動(dòng)前進(jìn)，由C點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到D點(diǎn)，并帶動(dòng)擺桿隨著壟面起伏轉(zhuǎn)動(dòng)，擺桿與垂直方向的夾角由初始值α0變?yōu)棣?。根據(jù)幾何關(guān)系可得

則左側(cè)壟面起伏量LhΔ

設(shè)計(jì)值取L=460 mm，R=340 mm，代入（2）式可簡(jiǎn)化為

同理可得，右限深仿形機(jī)構(gòu)探測(cè)的壟面起伏量hΔR與角度編碼器的角度值β0、β1的關(guān)系如下

式中hΔR為右壟面起伏高度，β0為右擺桿與垂直方向的初始夾角，β1為右擺桿與垂直方向的實(shí)時(shí)夾角，Δβ=β1-β0＜0時(shí)表示右壟面下凹。

左、右限深仿形機(jī)構(gòu)安裝在收獲架上，位于挖掘鏟正前方，實(shí)現(xiàn)超前仿形。參考花生結(jié)果深度范圍并保留一定的系統(tǒng)控制余量，一般設(shè)置挖掘深度為120 mm，根據(jù)仿形輪與挖掘鏟安裝位置關(guān)系得到限深仿形機(jī)構(gòu)的超前仿形量為450 mm。收獲機(jī)常用收獲作業(yè)速度為1.0～1.5 m/s，即仿形提取信號(hào)超前0.30～0.45 s，可與系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間適當(dāng)?shù)窒?/p>

圖3 限深仿形機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖和工作示意圖Fig.3 Structural diagram and working diagram of depth-control profiling mechanism

2.2 挖掘深度調(diào)整機(jī)構(gòu)

本系統(tǒng)以 4HLB-4型半喂入四行花生聯(lián)合收獲機(jī)為載體，4HLB-4型半喂入四行花生聯(lián)合收獲機(jī)的主要部件與性能參數(shù)如表1所示。

表1 4HLB-4型半喂入四行花生聯(lián)合收獲機(jī)的主要部件及性能參數(shù)Table1 Major components and performance parameters of 4HLB-4 type semi-feeding four-row peanut combine harvester

圖4為4HLB-4型半喂入四行花生聯(lián)合收獲機(jī)自動(dòng)限深系統(tǒng)的挖掘深度調(diào)整機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖，結(jié)構(gòu)原理如下：左收獲臺(tái)15與總收獲臺(tái)支架14固定連接，由對(duì)稱布置的總收獲臺(tái)液壓缸7、12驅(qū)動(dòng)，繞傳動(dòng)軸9轉(zhuǎn)動(dòng)；右收獲臺(tái)2與總收獲臺(tái)支架14通過(guò)右收獲臺(tái)支架3、4鉸接，并由右收獲臺(tái)液壓缸 6驅(qū)動(dòng)。系統(tǒng)工作過(guò)程中，控制器輸出右收獲臺(tái)調(diào)整信號(hào)時(shí)，右收獲臺(tái)液壓缸6驅(qū)動(dòng)右收獲臺(tái)2繞右收獲臺(tái)支架3、4轉(zhuǎn)動(dòng)，改變右挖掘鏟的高度以保證右壟挖掘深度不變；控制器輸出左收獲臺(tái)控制信號(hào)時(shí)，總收獲臺(tái)液壓缸7、12驅(qū)動(dòng)總收獲臺(tái)支架14并帶動(dòng)左、右收獲臺(tái)15、2繞傳動(dòng)軸9轉(zhuǎn)動(dòng)，改變左挖掘鏟的高度以維持左壟挖掘深度穩(wěn)定，同時(shí)，右收獲臺(tái)液壓缸 6反向驅(qū)動(dòng)右收獲臺(tái)2轉(zhuǎn)動(dòng)以抵消左收獲臺(tái)調(diào)整帶來(lái)的偏差。綜上，該調(diào)整機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了左、右收獲臺(tái)獨(dú)立控制且右收獲臺(tái)作為左收獲臺(tái)二級(jí)從動(dòng)機(jī)構(gòu)控制，有效降低了左右收獲臺(tái)調(diào)整機(jī)構(gòu)和液壓系統(tǒng)的復(fù)雜程度以及制造成本。

圖4 挖掘深度調(diào)整機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.4 Structural diagram of excavation depth adjustment mechanism

左挖掘鏟深度調(diào)整示意如圖5a所示，O1為傳動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)中心，O2為總收獲臺(tái)液壓缸與底盤下支架的鉸接點(diǎn)，A、A’為挖掘鏟刃的中點(diǎn)，B、B’為總收獲臺(tái)液壓缸位于總收獲臺(tái)上的力作用點(diǎn)。當(dāng)左限深仿形機(jī)構(gòu)探測(cè)到左壟面起伏時(shí)，控制器根據(jù)式（3）得出起伏變化量ΔhL。為保持左挖掘鏟挖掘深度一致，控制器通過(guò)驅(qū)動(dòng)總收獲臺(tái)液壓缸來(lái)調(diào)整左收獲臺(tái)并帶動(dòng)左挖掘鏟提升或下降相同的高度。左挖掘鏟調(diào)整的實(shí)時(shí)高度通過(guò)位移傳感器測(cè)得總收獲臺(tái)液壓缸的位移量反饋給控制器。根據(jù)幾何關(guān)系可求得左收獲臺(tái)需要調(diào)整的高度 ΔhL與總收獲臺(tái)液壓缸長(zhǎng)度d3i的對(duì)應(yīng)關(guān)系，求解過(guò)程如下

則

設(shè)計(jì)值取 d=2126 mm，d1=701 mm，d2=834 mm，θ=0.367 rad，且d3為總收獲臺(tái)液壓缸初始長(zhǎng)度，在系統(tǒng)工作前由控制器從位移傳感器采集得到，故可認(rèn)為是已知值，則

其中

右挖掘鏟深度調(diào)整示意如圖5b所示，O1’為右收獲臺(tái)支架的中心，O2’為右收獲臺(tái)液壓缸與總收獲臺(tái)支架的鉸接點(diǎn)，C、C’為挖掘鏟刃的中點(diǎn)，D、D’為右收獲臺(tái)液壓缸作用于位于右收獲臺(tái)上的力作用點(diǎn)。當(dāng)右限深仿形機(jī)構(gòu)探測(cè)到右壟面起伏時(shí)，控制器根據(jù)式（4）得出起伏變化量ΔhR。為保持右挖掘鏟挖掘深度穩(wěn)定，控制器驅(qū)動(dòng)右收獲臺(tái)液壓缸來(lái)調(diào)整右收獲臺(tái)并帶動(dòng)右挖掘鏟提升或下降相同的高度。右挖掘鏟調(diào)整的實(shí)時(shí)高度通過(guò)位移傳感器測(cè)得右收獲臺(tái)液壓缸的位移量反饋給控制器。根據(jù)幾何關(guān)系可求得右收獲臺(tái)需要調(diào)整的高度 ΔhR與對(duì)應(yīng)的右收獲臺(tái)液壓缸長(zhǎng)度l3i的對(duì)應(yīng)關(guān)系，求解過(guò)程如下

圖5 左右挖掘鏟深度調(diào)整示意圖Fig.5 diagram of left and right digging shovel depth adjustment

挖掘深度由輻桿式仿形輪底部至挖掘鏟刃的垂直距離決定，且限深仿形機(jī)構(gòu)的擺桿與固定安裝在收獲架上的安裝基座鉸接。無(wú)論是壟面起伏變化引起的仿形輪上下浮動(dòng)并帶動(dòng)擺桿轉(zhuǎn)動(dòng)，還是底盤俯仰帶動(dòng)收獲架擺動(dòng)，都會(huì)使角度編碼器角度值發(fā)生變化，并觸發(fā)限深系統(tǒng)控制液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)整挖掘鏟高度，以維持挖掘深度穩(wěn)定。因此，該裝置在底盤俯仰角度及變化速率較小的情況下具有自動(dòng)調(diào)整的能力。而當(dāng)收獲機(jī)姿態(tài)突然發(fā)生改變，即俯仰角度和速率較大時(shí)，系統(tǒng)可能會(huì)反應(yīng)不及時(shí)，造成較大的系統(tǒng)控制誤差，此時(shí)，需放慢收獲機(jī)作業(yè)速度，為控制系統(tǒng)提供足夠的反應(yīng)時(shí)間。

3 液壓執(zhí)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)

液壓執(zhí)行系統(tǒng)原理如圖 6所示，三位四通電磁換向閥 10、11為主控制閥，液壓缸 12、13為執(zhí)行元件。當(dāng)自動(dòng)限深系統(tǒng)啟動(dòng)后，控制器首先輸出二位二通電磁換向閥 5的控制信號(hào)，使高壓油進(jìn)入到控制油路。然后再根據(jù)左、右限深仿形機(jī)構(gòu)探測(cè)的壟面起伏信號(hào)，輸出三位四通電磁換向閥10、11的控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)液壓缸12、13調(diào)整挖掘鏟高度，從而維持挖掘鏟挖掘深度穩(wěn)定[27-29]?；ㄉ?lián)合收獲機(jī)前進(jìn)速度以及壟面起伏量的不同，液壓缸的調(diào)整動(dòng)作速度和調(diào)節(jié)量也有所區(qū)別，因此，在液壓系統(tǒng)中增加了二位三通電磁換向閥8、9與節(jié)流閥6、7。當(dāng)左或右挖掘鏟調(diào)整量較小，需要放慢調(diào)整速度、精確調(diào)整時(shí)，控制器輸出二位三通電磁換向閥8或9的控制信號(hào)，使高壓油經(jīng)過(guò)節(jié)流閥6或7流回油箱，使液壓缸12或者13動(dòng)作平穩(wěn)、精確。溢流閥4的主要作用是保證系統(tǒng)油路的安全和油壓穩(wěn)定[30-31]。

圖6 液壓執(zhí)行系統(tǒng)原理圖Fig. 6 diagram of hydraulic actuating system

4 電子控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 硬件設(shè)計(jì)

電子控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖 7所示，主要由微處理器、供電電路、信號(hào)采集電路、電磁閥驅(qū)動(dòng)電路、顯示和報(bào)警電路及電子元器件等組成。

圖7 電子控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.7 Block diagram of electronic control system

4.1.1 微處理器

本系統(tǒng)采用宏晶公司 STC系列 8位單片微處理器IAP15W4K58S4，芯片內(nèi)部集成58 kB Flash程序存儲(chǔ)空間，4 kB內(nèi)部高速RAM，最多可以使用62個(gè)I/O口，運(yùn)行速度是普通8051的8～12倍[32]。芯片資源和性能滿足設(shè)計(jì)需求。

4.1.2 電 源

為了保證微處理器系統(tǒng)供電穩(wěn)定，防止外界高壓信號(hào)干擾，微處理器系統(tǒng)的主供電電源部分采用ZLG公司寬壓輸入隔離穩(wěn)壓?jiǎn)屋敵?DC-DC模塊ZY_UHBD-6W_DS，其直流電壓輸入范圍為9～24 V，輸出為5 V。電磁閥驅(qū)動(dòng)電壓為12 V，本系統(tǒng)采用開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓集成電路LM2576S-12獲到，其可向電磁閥驅(qū)動(dòng)電路提供3 A的12 V直流電源。

4.1.3 存儲(chǔ)器

存儲(chǔ)器采用鐵電串行接口芯片 FM24C04，通過(guò) IIC總線與微處理器通訊，主要存儲(chǔ)角度編碼器和位移傳感器的初始角度、位移，實(shí)時(shí)控制參數(shù)和控制命令等參數(shù)。

4.1.4 通訊接口

采用USB轉(zhuǎn)串口芯片CH340T構(gòu)成UART通訊接口，通訊波特率采用9 600 bps，主要與計(jì)算機(jī)進(jìn)行程序下載，以及控制信息、參數(shù)和命令交互。

4.1.5 傳感器

角度編碼器采用長(zhǎng)春榮德光學(xué)有限公司的單圈絕對(duì)式編碼器RDE58BS10，分辨率為13位，采用SSI同步串行通訊方式，數(shù)字信號(hào)輸出。由于角度編碼器RDE58BS10采用RS422標(biāo)準(zhǔn)電平輸出，與微處理器I/O口的TTL電平不兼容，故選用MAX3087芯片實(shí)現(xiàn)RS422電平與TTL電平轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換電路如圖8所示。

圖8 角度編碼器電平轉(zhuǎn)換電路Fig.8 Level conversion circuit of angle encoder

位移傳感器采用深圳米朗科技有限公司的KPC系列鉸接式直線位移傳感器，量程分別為150和250 mm，0～5 V模擬電壓輸出，輸出信號(hào)經(jīng)接口電路連接到微處理器P1.4和P1.5口，由微處理器內(nèi)部高性能A/D轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，以便程序處理分析。

傳感器至微處理器接口電路由鉗位二極管、RC濾波整形電路組成，限幅-0.7～+5.7 V，去除干擾毛刺，提高接口抗干擾能力[33]。

4.1.6 電磁閥驅(qū)動(dòng)電路

電磁閥驅(qū)動(dòng)電路主要由PWM電磁閥驅(qū)動(dòng)器DRV102及阻容元件組成，如圖9所示[34]。DRV102芯片的引腳1為控制器TTL電平輸入，引腳6為脈寬調(diào)制（PWM）輸出，引腳2、3分別用于設(shè)置延遲時(shí)間和輸出PWM的占空比。本系統(tǒng)中引腳2接0.2 μF電容，引腳3接25 k?的電阻，設(shè)置延遲時(shí)間為0.2s，保證足夠大的開(kāi)啟時(shí)間和電流以使電磁閥能順利及時(shí)開(kāi)啟，當(dāng)電磁閥工作時(shí)間超過(guò)0.2 s時(shí)，DRV102輸出占空比為50%的PWM控制信號(hào)，維持電磁閥開(kāi)啟狀態(tài)，降低功耗和熱量產(chǎn)生。DRV102的引腳7為狀態(tài)標(biāo)志引腳，將本系統(tǒng)中7個(gè)電磁閥驅(qū)動(dòng)芯片DRV102的引腳7經(jīng)八輸入與門芯片CD4068（剩余輸入口接高電平）連接到微處理器外部中斷輸入口INT2，下降沿觸發(fā)。正常工作時(shí)引腳7為高電平，當(dāng)出現(xiàn)過(guò)熱、過(guò)流或欠流時(shí)輸出低電平，LED燈 HLMP-Q156導(dǎo)通發(fā)光，同時(shí)微處理器進(jìn)入中斷啟動(dòng)蜂鳴器提示芯片故障。D6為超快速恢復(fù)二極管 ES1K，反向恢復(fù)時(shí)間短，可有效消除電磁線圈反向續(xù)流，抑制浪涌。

圖9 電磁閥驅(qū)動(dòng)電路原理圖Fig.9 diagram of solenoid valve drive circuit

4.1.7 LCD顯示與LED狀態(tài)指示

顯示屏采用128×64圖形點(diǎn)陣LCD液晶顯示屏，用于顯示設(shè)置菜單、當(dāng)前系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)和故障報(bào)警等信息。LED燈與蜂鳴器以聲音和光的形式向駕駛者提示系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)信息。

4.2 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)控制軟件程序主要包括主程序、角度采集子程序和位移采集子程序，圖10為主程序流程圖。

系統(tǒng)控制軟件采用固定雙閾值死區(qū) PID控制算法，該控制算法可有效防止液壓缸頻繁動(dòng)作，增強(qiáng)抗干擾能力，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性[35-36]。本控制軟件的固定雙死區(qū)閾值為±20 mm，即壟面起伏量超過(guò)20 mm，實(shí)際挖掘深度超出100～140 mm范圍時(shí)，液壓缸開(kāi)始動(dòng)作調(diào)整收獲臺(tái)高度使挖掘鏟實(shí)際挖掘深度穩(wěn)定在（120±10） mm范圍內(nèi)。

圖10 主程序流程圖Fig.10 Flow chart of main program

由圖10可知，系統(tǒng)啟動(dòng)后可選擇是否設(shè)置挖掘深度，若是則系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)整挖掘深度為120 mm，調(diào)整目標(biāo)參數(shù)為左、右角度編碼器的角度值α0=β0=60o，并作為系統(tǒng)工作時(shí)角度編碼器的初始角度；若否可試挖后再啟動(dòng)系統(tǒng)，此時(shí)系統(tǒng)需要讀取角度編碼器及位移傳感器的初始角度和位移。然后依次循環(huán)檢測(cè)左、右壟面起伏變化，當(dāng)壟面起伏引起的左、右角度編碼器角度偏差|Δα|、|Δβ|＜2.8o時(shí)，控制器不輸出調(diào)整控制信號(hào)，只有角度偏差|Δα|、|Δβ|≥2.8o時(shí)才進(jìn)行調(diào)整，使挖掘鏟挖掘深度偏差控制在±10 mm以內(nèi)，這樣有利于避免角度編碼器輸出的脈動(dòng)信號(hào)造成誤調(diào)整和控制動(dòng)作頻繁振蕩。同時(shí)，為保證液壓缸調(diào)整平穩(wěn)、精確，在調(diào)整開(kāi)始和結(jié)束時(shí)液壓缸回油路中接入節(jié)流閥進(jìn)行微調(diào)。根據(jù)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)總結(jié)，從液壓缸開(kāi)始動(dòng)作起，左、右收獲臺(tái)液壓調(diào)整油路中節(jié)流閥接入時(shí)間分別為500和300 ms時(shí)，調(diào)整動(dòng)作啟動(dòng)最為平穩(wěn)。在調(diào)整結(jié)束前，當(dāng)挖掘鏟挖掘深度偏差達(dá)到±20 mm內(nèi)時(shí)，接入節(jié)流閥進(jìn)行微調(diào)。此外，由于作業(yè)速度和壟面起伏量大小的影響，系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間會(huì)有波動(dòng)，大約為0.29～0.42 s。提取信號(hào)超前時(shí)間與系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間較高程度重合，因此系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間符合工作要求。

5 花生聯(lián)合收獲機(jī)自動(dòng)限深田間試驗(yàn)

5.1 試驗(yàn)條件

自動(dòng)限深田間試驗(yàn)于2017年8月在江蘇泗陽(yáng)八集鎮(zhèn)花生產(chǎn)地進(jìn)行，品種為天府9號(hào)，產(chǎn)量為4 500 kg/hm2，種植模式為單壟雙行、一穴兩株，壟底寬為670 mm，壟面寬為550 mm，窄行距為300 mm，寬行距為600 mm，壟距為900 mm，壟高為120 mm，株高為400～500 mm，結(jié)果范圍為φ150～250 mm，結(jié)果深度為60～100 mm，產(chǎn)地土壤類型為沙壤土，土深0～120 mm范圍內(nèi)含水率約為10%，滿足聯(lián)合收獲條件。

5.2 試驗(yàn)方法與指標(biāo)

試驗(yàn)選擇土壤含水率基本相同的種植壟作為試驗(yàn)對(duì)象，設(shè)置挖掘深度為120 mm，啟動(dòng)自動(dòng)限深系統(tǒng)收獲6壟，關(guān)閉自動(dòng)限深系統(tǒng)人工限深收獲 6壟，交錯(cuò)進(jìn)行收獲試驗(yàn)，共收獲 12壟進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，收獲作業(yè)速度為1.0～1.2 m/s。每收獲一壟按照《花生收獲機(jī)作業(yè)質(zhì)量》測(cè)定該壟收獲的漏挖率、破損率及平均挖掘深度[37]。試驗(yàn)情況如圖11所示。

圖11 田間試驗(yàn)情況Fig.11 Field experiment condition

5.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)結(jié)果如表 2所示，統(tǒng)計(jì)分析顯示，人工限深收獲6壟的平均漏挖率為3.21%，平均破損率為2.34%，平均挖掘深度為134 mm，而采用自動(dòng)限深收獲6壟的平均漏挖率為1.08%，平均破損率為0.94%，平均挖掘深度為123 mm。通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)采用自動(dòng)限深系統(tǒng)后，平均漏挖率降低了2.13個(gè)百分點(diǎn)，平均破損率降低了1.4個(gè)百分點(diǎn)，平均挖掘深度偏差降低了 11 mm，而且挖掘深度偏差更加穩(wěn)定。綜上，可以看出4HLB-4型半喂入四行花生聯(lián)合收獲機(jī)裝備該自動(dòng)限深系統(tǒng)可提高其作業(yè)性能和穩(wěn)定性，降低收獲過(guò)程中的損失，從而提高經(jīng)濟(jì)效益。

表2 田間收獲試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Experiment results of field harvesting

6 結(jié) 論

1）針對(duì)傳統(tǒng)機(jī)械式限深板和限深輪或前行阻力大或質(zhì)量較大容易下陷、壟面仿形效果較差等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種輻桿式限深輪，壟面仿形時(shí)能有效避免壓倒花生秧蔓，提高仿形的準(zhǔn)確度和精度。

2）以4HLB-4型半喂入四行花生聯(lián)合收獲機(jī)為載體，綜合考慮左、右收獲臺(tái)調(diào)整與總收獲臺(tái)提升，設(shè)計(jì)了左、右收獲臺(tái)相對(duì)獨(dú)立控制且右收獲臺(tái)作為左收獲臺(tái)二級(jí)從動(dòng)控制機(jī)構(gòu)，有效降低了左、右收獲臺(tái)調(diào)整機(jī)構(gòu)和液壓系統(tǒng)的復(fù)雜程度以及制造成本。

3）綜合運(yùn)用電子傳感器技術(shù)、液壓傳動(dòng)技術(shù)和單片機(jī)控制技術(shù)，結(jié)合雙閾值死區(qū) PID控制算法，設(shè)計(jì)了一套自動(dòng)限深系統(tǒng)。4HLB-4型半喂入四行花生聯(lián)合收獲機(jī)采用該系統(tǒng)后，平均漏挖率降低了2.13個(gè)百分點(diǎn)，平均破損率降低了 1.4個(gè)百分點(diǎn)，平均挖掘深度偏差降低了11 mm，而且挖掘深度偏差更加穩(wěn)定，降低了收獲過(guò)程中的損失，提高了經(jīng)濟(jì)效益。