懸掛式深松機耕深自動測量及控制方法的研究

楊少奇 張磊 張含思 徐峰 李廣宇

摘?要：針對目前懸掛式深松機耕深自動測量系統(tǒng)在一定坡度的斜面上作業(yè)時，不能準(zhǔn)確反映深松作業(yè)的實際耕深，提出了一種耕深自動測量通用數(shù)學(xué)模型。在下拉桿上安裝角度傳感器，利用最小二乘法建立水平作業(yè)面上的下拉桿角度與深松機耕深的數(shù)學(xué)模型，通過在拖拉機車身上安裝角度傳感器實時測量作業(yè)面的坡面角度，綜合利用下拉桿角度和車身角度建立耕深自動測量通用數(shù)學(xué)模型。由于拖拉機-懸掛-深松機三者組成剛性連接，在作業(yè)面中出現(xiàn)起伏狀況時容易造成實際耕深過深或過淺，所以提出了一種以下拉桿角度為控制目標(biāo)的耕深控制方法。確定目標(biāo)耕深后，通過水平作業(yè)面耕深測量數(shù)學(xué)模型換算得到下拉桿的角度作為目標(biāo)角度，利用車身的實時測量角度進行1次目標(biāo)角度的修正;車身角度變化反映作業(yè)面的起伏，利用車身角度的變化量對目標(biāo)角度再次修正。2次修正確定最終的目標(biāo)角度。通過提高耕深的測量精度和控制精度，以提高深松作業(yè)效果和作業(yè)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：

深松機;耕深;測量;控制方法;坡地

中圖分類號：S233.1

文獻標(biāo)識碼：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20191230016

引言

深松作業(yè)對農(nóng)作物根系生長、作物耗水和作物產(chǎn)量等有重要的影響作用[1-3]。其中，耕深是深松作業(yè)效果和作業(yè)質(zhì)量的重要評價指標(biāo)，耕深過淺則不能滿足農(nóng)技要求，不利于作物根系生長，影響作物的生長發(fā)育和產(chǎn)量;耕深過深則會增加拖拉機功率消耗，增加作業(yè)成本，影響作業(yè)效率[4-7]。目前，耕深的測量方法主要包括人工測量和自動測量，人工測量是通過人工扒土的方式對耕深進行測量;自動測量又包括直接測量和間接測量，其中直接測量是基于超聲波測距儀，根據(jù)農(nóng)機具機架距離地面的初始距離和實際距離之差來計算耕深，易受溫度和地表覆蓋物的干擾而影響測量精度;間接測量是基于傾角傳感器，運用拖拉機懸掛和農(nóng)機具相互之間的幾何關(guān)系以及運動學(xué)原理，建立耕深與相應(yīng)運動構(gòu)件的角度之間的數(shù)學(xué)模型，從而通過實時采集的角度值計算出耕深[8-12]。然而，這些基于傾角傳感器的耕深測量數(shù)學(xué)模型僅適用于作業(yè)平面為水平面的作業(yè)狀況，在一定坡度的斜面上作業(yè)或者水平作業(yè)面中出現(xiàn)起伏時，通過傾角傳感器的測量角度計算出來的耕深就會有偏差，不能準(zhǔn)確反映深松作業(yè)的實際耕深。

對耕深的控制方面的研究也取得了一定的進展。

有些學(xué)者以耕深為控制目標(biāo)，通過電機驅(qū)動提升器液壓閥門來控制和調(diào)節(jié)耕深[13，14]。有些學(xué)者分別設(shè)計了模糊控制器、模糊PID控制器、P—模糊控制器和P—模糊PID控制器等智能控制器實現(xiàn)了耕深的自動控制。在實際控制過程中，先設(shè)定目標(biāo)耕深，并以測量耕深與目標(biāo)耕深的偏差和偏差率作為智能控制器的輸入，通過智能控制器的輸出來控制電液比例換向閥，電液比例換向閥控制和調(diào)節(jié)提升液壓缸，實現(xiàn)耕深的自動調(diào)節(jié)和控制[15-23]。

為了實現(xiàn)在坡面上作業(yè)時也可以準(zhǔn)確測量深松作業(yè)的耕深，本文通過在拖拉機車身上安裝角度傳感器實時反映作業(yè)平面坡面角度，提出了一種通用的耕深測量數(shù)學(xué)模型來提高耕深的測量精度，并利用車身角度以及作業(yè)平面起伏而引起車身角度變化量提出了一種耕深控制方法來提高控制精度，旨在提高深松作業(yè)效果和作業(yè)質(zhì)量。

1?系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

耕深測量控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)主要包括拖拉機、控制器、懸掛式深松機、傾角傳感器、電液比例換向閥和提升液壓缸。其中傾角傳感器有2個，傾角傳感器1安裝在左下拉桿上，傾角傳感器2安裝在拖拉機的車身上。整體結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

2?耕深測量原理

2.1?水平作業(yè)面耕深測量數(shù)學(xué)模型

建立水平作業(yè)面中的下拉桿角度α與深松機耕深h的數(shù)學(xué)關(guān)系模型，即可通過采集到下拉桿的傾角數(shù)值，得到耕深數(shù)值。懸掛式深松機的3點懸掛運動結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示，A為下鉸接點，B為上鉸接點，C為上懸掛點，D為下懸掛點，ABCD組成四連桿機構(gòu)，AB視為機架固定不動，桿CD（即深松機）通過拉桿BC和拉桿AD的連接可以繞著機架旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)深松機的提升或降落。

在深松機從最高點降落到最低點的過程中依次測量若干個數(shù)據(jù)點，{（αi，hi）}（i=0，1，…，n），利用最小二乘法求出擬合曲線，找出映射關(guān)系式即

h=b0+b1α（1）

式中，b0為截距，cm;b1為斜率。

2.2?耕深測量通用數(shù)學(xué)模型

在一定坡度的斜面上作業(yè)時，以坡面角度β為例，坡面上的運動結(jié)構(gòu)簡圖如圖3所示。

從圖3中的幾何關(guān)系以及考慮到γ角的正負符號可以得出：

γ=α-β（2）

此時，參考水平作業(yè)面的耕深測量模型，可以得出坡面上的耕深測量數(shù)學(xué)模型為：

h=b0+b1（α-β）（3）

利用安裝在拖拉機車身上的角度傳感器實時測量的坡面角度，得出耕深測量的通用數(shù)學(xué)模型：

h=b0+b1（α-β）+c（4）

式中，c為補償值（cm），其求法是：將深松機調(diào)到任意位置保持不動，人工測量的實際耕深與通過式（4）計算的耕深之間的差值即為補償值;

當(dāng)β=0時，正是水平作業(yè)面上的耕深測量數(shù)學(xué)模型。

3?耕深控制方法

目前，常用的耕深自動控制算法均基于模糊算法。以測量耕深與目標(biāo)耕深的偏差和偏差率作為模糊算法的輸入，以控制信號作為輸出，從而實現(xiàn)耕深的自動控制和調(diào)節(jié)。測量耕深的精度直接影響到耕深的控制精度。

首先，確定目標(biāo)耕深，將目標(biāo)耕深換算得到水平作業(yè)平面上的目標(biāo)角度：

α=（h-b0-c）/b1（5）

利用實時采集到的車身角度對目標(biāo)角度進行1次修正，得到新的目標(biāo)角度：

α=（h-b0-c）/b1+β（6）

由于拖拉機、懸掛、深松機三者組成剛性連接，在作業(yè)面中出現(xiàn)起伏狀況時容易造成實際耕深過深或過淺。以作業(yè)平面出現(xiàn)突起狀況為例，由圖4可以看出，拖拉機、懸掛、深松機三者組成的剛性連接，在經(jīng)過此狀況時，容易造成耕深過深，需要進行修正目標(biāo)角度，以滿足目標(biāo)耕深的要求。同理，當(dāng)作業(yè)平面出現(xiàn)低伏狀況時，容易造成耕深過淺。

當(dāng)拖拉機在作業(yè)時，作業(yè)平面的起伏引起車身傾角β的變化，用△β表示作業(yè)平面的起伏變化：

Δβ=β2-β1（7）

式中，β2為當(dāng)前拖拉機車身傾角數(shù)值（°）;β1為前1次測量的拖拉機車身傾角數(shù)值（°）。

綜合考慮作業(yè)平面的角度以及作業(yè)平面起伏變化，通過2次對目標(biāo)角度的修正，最終確定目標(biāo)角度

α=（h-b0-c）/b1+β-Δβ（8）

耕深自動控制流程圖，如圖5所示。

4?總結(jié)

綜合利用下拉桿角度和車身角度，提出了一種耕深自動測量通用數(shù)學(xué)模型，此模型適用于各種角度的作業(yè)平面，可以較真實地反映實際耕深。

由于拖拉機、懸掛、深松機三者組成剛性連接，在作業(yè)面中出現(xiàn)起伏狀況時容易造成實際耕深過深或過淺，提出了一種以下拉桿角度為控制目標(biāo)的耕深控制方法。利用車身的實時測量角度和車身角度的變化量對目標(biāo)角度進行2次修正，確定最終的目標(biāo)角度。

為提高耕深的測量精度和控制精度提供理論參考和支持，以提高深松作業(yè)效果和作業(yè)質(zhì)量。

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作者簡介：

楊少奇（1985-），男，碩士，工程師。研究方向：農(nóng)業(yè)機械化和機電一體化;李廣宇（1975-），男，高級工程師。研究方向：農(nóng)業(yè)機械化和機電一體化。