拖拉機懸掛系統(tǒng)田間作業(yè)信息感知技術(shù)應(yīng)用研究

李玲玲 孟長伊 張磊 張云碩 李廣宇 徐峰 張漢思 楊少奇 郝宇佳 李劍飛 楊海天

摘要：以拖拉機田間作業(yè)感知系統(tǒng)作為研究對象，圍繞拖拉機懸掛系統(tǒng)智能化這一關(guān)鍵共性技術(shù)，針對農(nóng)機使用過程作業(yè)粗放、可靠性和安全性差、能源資源浪費嚴(yán)重等問題，采用智能傳感器技術(shù)及串口通訊技術(shù)，建立拖拉機狀態(tài)、農(nóng)機具耕作位置、耕作阻力等農(nóng)機作業(yè)信息感知系統(tǒng)，并進行實時田間試驗農(nóng)機作業(yè)信息采集。

Abstract： This paper takes the tractor field operation sensing system as the research object. Focusing on the key common technology of intelligent tractor suspension system， in view of the problems of extensive operation， poor reliability and safety agricultural machinery and serious waste of energy resources， intelligent sensor technology and serial communication technology are used to establish agricultural machinery operation information sensing system such as tractor status， agricultural machinery farming position， and farming resistance.

關(guān)鍵詞：懸掛系統(tǒng);信息;感知技術(shù)

Key words： suspension system;information;perception technology

中圖分類號：S219.03 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2019）08-0167-03

0 ?引言

農(nóng)機作業(yè)正朝著信息化、智能化發(fā)展，各種智能控制農(nóng)業(yè)機械將在各種農(nóng)業(yè)領(lǐng)域成為不可替代的重要產(chǎn)品。智能農(nóng)機的發(fā)展需要更有效地通過數(shù)據(jù)服務(wù)來利用農(nóng)業(yè)資源。例如，迪爾公司的Farm Sight、杜邦先鋒的Field360都是被廣泛使用的農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)系統(tǒng)，可以有效幫助農(nóng)民收集來自機械化農(nóng)場設(shè)備的種植和產(chǎn)量數(shù)據(jù)，并將這些信息輸入數(shù)據(jù)庫，從而應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。因此，信息化、智能化將成為當(dāng)前國內(nèi)農(nóng)機產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向，盡快與國際銜接成為必然[1]。

1 ?田間作業(yè)信息采集系統(tǒng)硬件電路設(shè)計與實現(xiàn)

根據(jù)拖拉機田間作業(yè)農(nóng)藝，將傳感器測量技術(shù)引入到拖拉機-機具田間作業(yè)過程，設(shè)計改造拖拉機懸掛系統(tǒng)，將角度傳感器、力傳感器（牽引力傳感器、扭矩傳感器）集成到拖拉機懸掛系統(tǒng)中，保證拖拉機可掛結(jié)播種機、旋耕機、植保機械、拖車等農(nóng)機具，實現(xiàn)配套機具作業(yè)深度及作業(yè)姿態(tài)仿形（高度及角度）的實時監(jiān)測[2]。

1.1 功能設(shè)計（圖1）

1.2 硬件平臺

1.2.1 傳感器

檢測系統(tǒng)所使用傳感器安裝布置如圖2所示，所有傳感器波特率設(shè)置為9600bps，串口編號與傳感器地址一致，便于檢查每一個傳感器接收數(shù)據(jù)是否正確。供電電壓24V。

1.2.2 顯示器

項目選用的顯示器嵌入式液晶觸摸顯示模塊，操作者可以直接點觸摸屏，就可以傳送指令，隨意進行功能控制，顯示器件是15寸串口液晶LVDS2模組。模組是廣州市崇暢計算機科技有限公司獨立研發(fā)生產(chǎn)的包含圖片、字符疊加以及各類常用波形、曲線等繪圖指令的顯示解決方案。該模組已廣泛應(yīng)用在醫(yī)療、金融、工控等行業(yè)中，如圖3所示。

1.2.3 工控機

項目選用的工控機由北京阿爾泰科技有限公司開發(fā)設(shè)計，產(chǎn)品型號為LB96A2多功能高性能帶 PCI 擴展插槽的無風(fēng)扇嵌入式工控整機，采用 Intel■ BayTrail-IE3845 處理器，內(nèi)置 4GB DDR3L SODIMM 內(nèi)存，具有豐富可靠的外設(shè)，能夠與 PCI 接口的設(shè)備組成多種工業(yè)測控系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)堅固，抗沖擊，抗振，并能夠防止數(shù)據(jù)在移動時丟失。

該工控機供電電壓為9～30VDC/12V適配器供電，3個PCI插槽，6路RS-232/RS-485/RS-422復(fù)用串口，操作系統(tǒng)多樣（win7、win8、win10、linux），1個VGA顯示接口，4個USB2.0接口、1個USB3.0接口，1個DVI-D顯示接口（分辨率：1920*1080），1個VGA顯示接口。

該工控機滿足田間作業(yè)信息采集系統(tǒng)使用要求。

1.3 硬件電路設(shè)計

1.3.1 RS232串行接口電路設(shè)計

傳感器數(shù)據(jù)的接收及存儲都是通過串口進行傳輸?shù)?，每一個串行設(shè)備COM口，例如“COM1”，本項目的田間作業(yè)信息采集系統(tǒng)共有9個傳感器，需要9個COM口，傳統(tǒng)工控機無法滿足使用要求，為了實現(xiàn)串口通訊，在工控機上配備了串口擴展模塊，該串口擴展模塊可將分散的9個COM口集成在一個多針擴展模塊上，大大減輕工作強度，提高控制箱利用率，如圖4所示。

1.3.2 傳感器信號采集接口電路

本項目采用的傳感器有位置傳感器、扭矩傳感器、力傳感器，以上三種傳感器使用的通訊協(xié)議均為MODBUS協(xié)議，其中安裝于左右懸掛點的力傳感器BSQ-15及左右鉸接點的力傳感器BSQ-17輸出方式為RS232，安裝于后懸掛左、右下拉桿上的位置傳感器LVT526H輸出方式為RS485，需要通過工控數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為RS232輸出，才可與工控機通訊。安裝于左下拉桿、右下拉桿和上拉桿上的力傳感器ZC-6802，以及安裝于后PTO上的扭矩傳感器輸出方式與位置傳感器相同，以位置傳感器為例，設(shè)計位置傳感器原理框圖如圖5所示?；舅枷胧墙邮瘴灰苽鞲衅餍盘?，實現(xiàn)差分至單端的轉(zhuǎn)換;轉(zhuǎn)換后的單端信號經(jīng)過低通濾波器后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號;使用工控數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器通過RS232接口發(fā)送給PC機。

1.3.3 人機交互界面設(shè)計

嵌入式液晶觸摸顯示模塊和鍵盤操作模塊組成了本項目所設(shè)計的系統(tǒng)的人機交互界面。本設(shè)計所采用的顯示器件是15寸串口液晶LVDS2模組。模組是廣州市崇暢計算機科技有限公司獨立研發(fā)生產(chǎn)的包含圖片、字符疊加以及各類常用波形、曲線等繪圖指令的顯示解決方案。該模組已廣泛應(yīng)用在醫(yī)療、金融、工控等行業(yè)中，只要用手指輕輕的指碰計算機顯示器上的圖符或者文字就能實現(xiàn)對主機操作。

2 ?田間作業(yè)信息采集系統(tǒng)軟件設(shè)計與實現(xiàn)

使用角度傳感器、力傳感器（牽引力傳感器、扭矩傳感器）實時采集與計算配套機具耕作姿態(tài)和作業(yè)負(fù)荷數(shù)據(jù)等農(nóng)機作業(yè)信息，運用傳感器測量的數(shù)據(jù)信息，基于串口通訊技術(shù)建立農(nóng)機作業(yè)信息通訊系統(tǒng)，采用微處理器作為主控芯片，基于windows系統(tǒng)建立懸掛系統(tǒng)作業(yè)信息感知系統(tǒng)，在觸摸屏上同步顯示檢測數(shù)據(jù)。

2.1 耕深算法研究及數(shù)據(jù)采集

2.1.1 耕深算法研究

傳統(tǒng)的拖拉機耕深手動控制過程過度依賴于駕駛員的操作水平，不僅勞動強度大而且作業(yè)精度不高，直接影響到了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效果[3]，為了能得到拖拉機實時耕深數(shù)據(jù)，便于實現(xiàn)拖拉機力調(diào)節(jié)、位調(diào)節(jié)、力位綜合調(diào)節(jié)等自動控制，本項目對拖拉機耕深算法進行研究。通過位置傳感器測得左右下拉桿實時角度，解算拖拉機耕深，如圖7所示。

如圖7所示，懸掛點距鏟尖距離為H1，鉸接點距地面距離為H0，下拉桿長度為L1，位置傳感器測得傾角值為β，解算得出鏟尖距地面距離H。

H=（H0+L1sinβ）-H1

通過液晶觸摸顯示模塊，手動輸入懸掛點距鏟尖距離為H1，后臺程序計算得出耕深實際值，并將數(shù)據(jù)進行遠(yuǎn)程存儲。

2.1.2 實時耕深數(shù)據(jù)采集

為了實現(xiàn)拖拉機力調(diào)節(jié)、位調(diào)節(jié)、力位綜合調(diào)節(jié)等自動控制，需要測得拖拉機實時耕深數(shù)據(jù)。拖拉機實時耕深數(shù)據(jù)采集原理為：駕駛員通過液晶觸摸顯示模塊設(shè)定耕深的目標(biāo)信號;位置傳感器檢測耕深信號，傳入到后臺程序中，經(jīng)計算得出實際的耕深信號，同時顯示在PC機上。

2.2 多傳感器信息融合技術(shù)

多傳感器信息融合是指協(xié)同使用多種傳感器[4]，如不同位置的多個同類或不同類的傳感器，并將這些傳感器所提供的局部環(huán)境的不整的信息加以綜合，形成與系統(tǒng)環(huán)境一致性的完整描述。目的主要是基于各傳感器分離獲取的監(jiān)測信息，進行優(yōu)化組合得到更準(zhǔn)確的信息。運用數(shù)據(jù)融合技術(shù)綜合處理來自多個傳感器的數(shù)據(jù)信息和相關(guān)信息，可以獲得比運用單個傳感器更加詳細(xì)而精確的結(jié)論。

本項目在東方紅拖拉機C904后懸掛裝置上安裝9個傳感器，安裝于下拉桿上的位置傳感器用于檢測深松鏟相對于地面的位置信息，安裝于懸掛點及鉸接點的力傳感器用于對比分析兩點受力情況，安裝于后PTO上的扭矩傳感器用于檢測后PTO的輸出功率，單一一種傳感器無法滿足力位綜合控制的信息，采用多傳感器信息融合技術(shù)，對來自多個傳感器的信息進行多方面、多層次、多級別的處理，能夠?qū)崿F(xiàn)更加準(zhǔn)確的識別與判斷。

3 ?田間試驗與分析

基于拖拉機田間作業(yè)信息感知系統(tǒng)進行田間試驗，采集農(nóng)機具田間作業(yè)負(fù)荷、作業(yè)姿態(tài)等數(shù)據(jù)，分析測量數(shù)據(jù)，探索牽引力-機具位置關(guān)系，為懸掛系統(tǒng)控制方案做準(zhǔn)備。

3.1 試驗方案設(shè)計

本著盡可能多測得各種傳感器數(shù)據(jù)的原則，獲取耕深數(shù)據(jù)、不同位置受力數(shù)據(jù)等信息，為拖拉機后懸掛力位綜合控制提供基礎(chǔ)和對策。

試驗測得的數(shù)據(jù)包括：耕深、左下拉桿角度、右下拉桿角度、左鉸接點受力值、右鉸接點受力值、左懸掛點受力值、右懸掛點受力值、左下拉桿受力值、右下拉桿受力值、上拉桿受力值、后PTO扭矩值。

試驗于2017年秋季、2018年春季、2018年夏季、2018年冬季進行。

3.2 試驗地概況

試驗地位于吉林省長春市農(nóng)安縣開安鎮(zhèn)吉林省農(nóng)業(yè)機械研究院試驗基地，試驗面積約30畝。該試驗地土壤肥沃，通透性好，易耕作，抗?jié)场?/p>

3.3 田間試驗

在對農(nóng)田作業(yè)信息采集系統(tǒng)進行調(diào)試后，于2017年10月8日進行首次田間試驗，試驗時間30天。

3.4 試驗分析

①田間作業(yè)信息采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)安裝不牢固，在試驗過程中經(jīng)常出現(xiàn)工控機串口與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)接模塊接觸不牢固，導(dǎo)致部分?jǐn)?shù)據(jù)丟失。②傳感器數(shù)量較多，且均為數(shù)字量傳感器，通訊接口為串口，在讀取所有傳感器數(shù)值時，返回數(shù)據(jù)有不同步現(xiàn)象。③田間作業(yè)信息采集系統(tǒng)拆卸繁瑣，每次拆卸需要消耗大量時間。④上拉桿、左下拉桿、右下拉桿上的力傳感器不穩(wěn)定，測得數(shù)據(jù)超出極限范圍。

針對以上問題，課題組對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行重新布局，確保元器件間接觸牢固;通過延長采樣周期的辦法，確保所有傳感器數(shù)據(jù)同步返回;使用多用途連接器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的連接端子，大大節(jié)省拆卸時間，并且信號線接線牢固，降低因拆卸導(dǎo)致信號丟失的可能性;對力傳感器進行重新校準(zhǔn)。

課題組分別于2018年春季、夏季、秋季在農(nóng)業(yè)機械研究院試驗基地進行試驗，測得試驗數(shù)據(jù)，并將所得試驗數(shù)據(jù)進行遠(yuǎn)程存儲，為后續(xù)數(shù)據(jù)分析及懸掛系統(tǒng)控制方案提供理論基礎(chǔ)。

4 ?結(jié)論

本項目以拖拉機田間作業(yè)感知系統(tǒng)作為研究對象，圍繞拖拉機懸掛系統(tǒng)智能化這一關(guān)鍵共性技術(shù)，針對農(nóng)機使用過程作業(yè)粗放、可靠性和安全性差、能源資源浪費嚴(yán)重等問題，采用智能傳感器技術(shù)及串口通訊技術(shù)，建立拖拉機狀態(tài)、農(nóng)機具耕作位置、耕作阻力等農(nóng)機作業(yè)信息感知系統(tǒng)，并進行田間試驗采集農(nóng)機作業(yè)信息。

田間作業(yè)信息采集系統(tǒng)可直觀顯示數(shù)據(jù)，實時測得數(shù)據(jù)信息并存儲。

5 ?問題、建議及下一步研究工作設(shè)想

拖拉機田間作業(yè)信息采集系統(tǒng)，歷經(jīng)2年的時間設(shè)計建設(shè)完成，進行了功能性試驗，實現(xiàn)了預(yù)期指標(biāo)，但是，試驗過程中也發(fā)現(xiàn)一些不合理的地方，問題與建議如下：①傳感器抗震性能不足，數(shù)值跳動嚴(yán)重，需要進一步優(yōu)化數(shù)據(jù)采集處理方法，必要時需要考慮更換性能更好的傳感器。②此次建立的系統(tǒng)傳感器數(shù)量較多，且均為數(shù)字量傳感器，通訊接口為串口，在讀取所有傳感器數(shù)值時，返回數(shù)據(jù)有不同步現(xiàn)象。需要進一步優(yōu)化傳感器數(shù)量及采集程序的通訊方法，提高返回數(shù)據(jù)同步性，增加系統(tǒng)實用性。

參考文獻：

[1]蔡高奎，夏長高.電動拖拉機電動懸掛系統(tǒng)的設(shè)計與性能仿真[J].農(nóng)機化研究，2015（1）.

[2]唐宇，駱少明，黃偉峰，等.無人駕駛農(nóng)用拖拉機行駛狀態(tài)信息遠(yuǎn)程采集系統(tǒng)[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2017，45（9）：168-172.

[3]謝凌云.大馬力拖拉機電液懸掛系統(tǒng)耕深自動控制研究[D].江蘇大學(xué)，2016.

[4]周偉偉.基于LabVIEW拖拉機信息管理系統(tǒng)的設(shè)計研究[D].南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，2014.