馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王晉 王旭光 程建波

摘 要：馬鈴薯是世界上僅次于小麥、水稻和玉米之后的第四大糧食作物，世界種植面積約2200萬(wàn)hm2[1]。我國(guó)現(xiàn)階段的馬鈴薯聯(lián)合收獲的機(jī)械化程度并不高，存在著操作復(fù)雜，電氣化程度低，人工投入大等問(wèn)題，為此研制出適應(yīng)我國(guó)北方規(guī)模化種植區(qū)的馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)，操作簡(jiǎn)便，機(jī)電液儀結(jié)合自動(dòng)化程度高，減少雇工、降低勞動(dòng)強(qiáng)度，改善我國(guó)馬鈴薯收獲的機(jī)械化狀況，提高農(nóng)業(yè)機(jī)械化技術(shù)水平。以德沃集團(tuán)設(shè)計(jì)的4UML-180牽引式馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)為基礎(chǔ)，為其設(shè)計(jì)了一套收獲機(jī)控制系統(tǒng)，以解決上述問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)機(jī)械;馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī);控制系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：S225.71 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2020.01.001Open Science Identity（OSID）

Absrtact：Potato is the fourth largest food crop in the world after wheat， rice and corn， with an area of about 22 million hm2.Potato harvest mechanization degree is not high at the present stage in China， there exists a complex operation， low degree of electrification， artificial into more problems， therefore developed to adapt to the potato combine in north China region， easy to operate， and combining degree is high， reduce artificial working strength etc. improve China's potato harvester， improve the level of agricultural machinery design.Based on the 4UML-180 traction potato harvester designed by devo group， a set of control system of harvester is designed to solve the above problems.

Keywords： agricultural machinery;potato harvesting;control systems

0 引言

馬鈴薯收獲是馬鈴薯產(chǎn)業(yè)全程機(jī)械化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，目前國(guó)內(nèi)的聯(lián)合收獲機(jī)械化程度仍然較低，受其影響，在收獲環(huán)節(jié)中，作業(yè)成本高、機(jī)器投入量大、人工投入多。國(guó)內(nèi)現(xiàn)有馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)產(chǎn)品種類繁多，但多數(shù)是通過(guò)引進(jìn)國(guó)外設(shè)備進(jìn)行消化吸收，取得了一定進(jìn)步[1]。但一味地模仿并不能適應(yīng)我國(guó)國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的馬鈴薯種植模式以及收獲的農(nóng)藝特點(diǎn)。以德沃集團(tuán)自行研制的4UML-180牽引式馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)為基礎(chǔ)，自主開(kāi)發(fā)一套符合機(jī)器特點(diǎn)和農(nóng)藝要求的收獲機(jī)控制系統(tǒng)。

鑒于系統(tǒng)實(shí)時(shí)信息處理的特殊要求以及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用性，選用應(yīng)用廣泛的STM32處理器進(jìn)行信息采集處理。同時(shí)，隨著嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展與不斷完善，將嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用在農(nóng)業(yè)機(jī)械中會(huì)是未來(lái)發(fā)展的道路。

STM32系列微處理器是由意法半導(dǎo)體（STMicroelectronics）集團(tuán)推出的高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用設(shè)計(jì)的微處理器[2]。

1 馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)工作原理

1.1 主要結(jié)構(gòu)

4UML-180型牽引式馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由挖掘機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)系統(tǒng)、抖動(dòng)機(jī)構(gòu)、分秧機(jī)構(gòu)、輸送機(jī)構(gòu)、分揀平臺(tái)、提升機(jī)構(gòu)、液壓缸和料斗箱等部分構(gòu)成。采用正牽引形式與拖拉機(jī)掛接。拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸將動(dòng)力通過(guò)傳動(dòng)軸帶動(dòng)液壓泵工作，為整機(jī)的液壓馬達(dá)提供動(dòng)力，其余運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)由拖拉機(jī)的液壓輸出端提供動(dòng)力。

1.2 工作原理

機(jī)器作業(yè)前，將挖掘部分通過(guò)液壓調(diào)節(jié)至適當(dāng)高度。機(jī)器作業(yè)時(shí)，挖掘鏟入土200～250 mm將馬鈴薯鏟出連帶土壤和秧、雜草等送至一級(jí)傳動(dòng)，隨后經(jīng)過(guò)一級(jí)抖動(dòng)與二級(jí)抖動(dòng)，將大部分碎土去除;剩余的雜土、馬鈴薯、秧和雜草等進(jìn)入一級(jí)分秧機(jī)構(gòu)，通過(guò)對(duì)輥相向轉(zhuǎn)動(dòng)分離部分馬鈴薯秧和雜草;再經(jīng)過(guò)二級(jí)傳動(dòng)后進(jìn)入二級(jí)分秧機(jī)構(gòu)，液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)二級(jí)分秧機(jī)構(gòu)帶動(dòng)帶有倒鉤狀的除雜帶向車(chē)尾旋轉(zhuǎn)，將上一級(jí)剩余的大部分秧和雜草拋至車(chē)尾外部，剩余的馬鈴薯、少量的雜土、土塊和少量的薯秧進(jìn)入提升籠，由數(shù)個(gè)網(wǎng)兜組成提升籠可將一部分碎土篩掉。經(jīng)過(guò)提升籠后，絕大部分雜質(zhì)被篩掉，剩余馬鈴薯及少量土塊與秧稈被提升至一級(jí)輸送，其中一級(jí)輸送、二級(jí)輸送兩側(cè)設(shè)有分揀平臺(tái)，由分揀平臺(tái)兩側(cè)配置人工對(duì)馬鈴薯中摻雜的石塊、秧和雜草進(jìn)行最后的分揀。最后，馬鈴薯通過(guò)三級(jí)輸送進(jìn)入料斗箱。至此，完成一個(gè)工作循環(huán)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件構(gòu)成如圖2所示。設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)以STM32 ?F4芯片作為主控制芯片，以主芯片制作的控制主板安裝在收獲機(jī)上，駕駛室中放置人機(jī)界面與操控盒。駕駛室中人機(jī)界面以CAN總線通訊方式與主板通訊，操控盒以CAN總線通訊方式與主板通訊，其余各個(gè)傳感器以直連的方式與主板相連接。執(zhí)行元件通過(guò)驅(qū)動(dòng)板來(lái)驅(qū)動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)[3，4]。

2.1 信號(hào)分類

馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)信號(hào)種類可以分為五類：模擬量輸入、開(kāi)關(guān)量輸入、模擬量輸出、開(kāi)關(guān)量輸出和CAN總線。模擬量輸入信號(hào)參數(shù)主要是傾角傳感器、兩個(gè)角度傳感器和超聲波傳感器，用于收集車(chē)身水平狀態(tài)、挖掘深度、轉(zhuǎn)向角度與入料斗輸送帶高度;開(kāi)關(guān)量輸入信號(hào)主要是布置在各個(gè)油缸的極限位置，作為限定運(yùn)動(dòng)行程用，用于超聲波油缸、挖掘油缸、仿形油缸和轉(zhuǎn)向油缸。傳感器采集到的信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)理電路，包括放大、隔離、濾波等處理，進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器中進(jìn)行轉(zhuǎn)換，輸入到STM32芯片中進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理分析。模擬量輸出信號(hào)主要是用來(lái)控制提升馬達(dá)、輸送馬達(dá)、除雜馬達(dá)和料斗馬達(dá)的轉(zhuǎn)速，其中這四組馬達(dá)均為單向轉(zhuǎn)動(dòng);開(kāi)關(guān)量輸出信號(hào)主要是用來(lái)控制超聲波油缸、挖掘油缸、仿形油缸和轉(zhuǎn)向油缸的運(yùn)動(dòng)換向。但是由于STM32 的模擬量輸出和開(kāi)關(guān)量輸出的容量不足以驅(qū)動(dòng)馬達(dá)與油缸，所以在兩者間加了模擬量輸出驅(qū)動(dòng)板與開(kāi)關(guān)量輸出驅(qū)動(dòng)板，確保馬達(dá)與油缸可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)。CAN總線主要是用于STM32與人機(jī)界面和STM32與控制器之間的數(shù)據(jù)通訊。使用CAN總線的好處：一是對(duì)數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，使得這些數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)具有高可靠性、可擴(kuò)展性和靈活性;二是對(duì)參數(shù)進(jìn)行分類，可以減少節(jié)點(diǎn)數(shù)和ID數(shù)，提高效率，便于測(cè)試與管理。

2.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)是以STM32芯片作為控制核心，配合傳感器所檢測(cè)的數(shù)據(jù)與液壓系統(tǒng)的被控特性來(lái)實(shí)現(xiàn)馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)的動(dòng)作控制。

此款馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)采用“手動(dòng)+自動(dòng)”模式進(jìn)行控制。手動(dòng)模式主要包括挖掘部的升降、料斗升降、料斗門(mén)開(kāi)閉、馬達(dá)開(kāi)關(guān)。這幾部分的開(kāi)關(guān)需要機(jī)手通過(guò)視覺(jué)、監(jiān)控屏幕以及人機(jī)界面數(shù)據(jù)顯示來(lái)做出動(dòng)作判斷;手動(dòng)模式下，所有的液壓系統(tǒng)動(dòng)作均為單動(dòng)，各個(gè)動(dòng)作之間沒(méi)有邏輯關(guān)系，控制器如圖3所示。

自動(dòng)模式主要包括入料斗傳送帶高度控制、車(chē)身水平控制兩個(gè)主要方面。在機(jī)器作業(yè)時(shí)，這兩部分會(huì)根據(jù)傳感器的檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行自行控制所關(guān)聯(lián)液壓系統(tǒng)的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制部分的工作。以上動(dòng)作基于用戶按鍵輸入以及傳感器檢測(cè)信號(hào)作為輸入信號(hào)，通過(guò)運(yùn)行STM32內(nèi)存儲(chǔ)的程序來(lái)控制液壓系統(tǒng)的動(dòng)作，液壓系統(tǒng)通過(guò)控制挖掘部分，輸送部分，除雜部分以及入料斗輸送帶等部件，實(shí)現(xiàn)馬鈴薯的挖掘、除雜、收獲。同時(shí)，與STM32通過(guò)CAN總線通訊的人機(jī)界面與控制器實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能。

2.3 模糊控制原理

對(duì)馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)入料斗輸送帶高度進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，采用模糊控制原理，通過(guò)控制液壓電磁閥繼電器通電時(shí)間來(lái)控制入料斗輸送帶高度。

在對(duì)馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)入料斗輸送帶（以下簡(jiǎn)稱輸送帶）高度進(jìn)行模糊控制時(shí)，利用傳感器檢測(cè)數(shù)據(jù)和當(dāng)量高度構(gòu)建模型;采用傳感器檢測(cè)到的輸送帶距離馬鈴薯堆實(shí)際高度數(shù)據(jù)，與控制系統(tǒng)設(shè)定的輸送帶目標(biāo)高度進(jìn)行比較，可以得到輸送帶高度的偏差以及偏差變化率;經(jīng)過(guò)控制器的模糊推理、判斷運(yùn)算后控制輸出環(huán)節(jié);通過(guò)控制液壓電磁閥閥體繼電器通電時(shí)間對(duì)輸送帶高度進(jìn)行實(shí)時(shí)控制[5，6]。工作原理如圖4所示。

圖中e為輸送帶高度偏差數(shù)值;E、Ec分別為輸送帶高度偏差和偏差變化率;U為控制輸出，具體到系統(tǒng)內(nèi)就是電磁閥通電時(shí)間;y為控制系統(tǒng)的輸出，經(jīng)過(guò)換算后為實(shí)際輸送帶高度Q′。模糊控制將輸送帶高度控制在工作設(shè)定的輸送帶高度Q范圍內(nèi)。

3 特點(diǎn)分析

結(jié)合控制器面板按鈕，對(duì)馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)進(jìn)行特點(diǎn)分析，主要針對(duì)以下幾部分分析：挖掘機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向部分、車(chē)身調(diào)平、入料斗輸送帶高度以及馬達(dá)速度等五方面。挖掘機(jī)構(gòu)：挖掘鏟可通過(guò)按鍵進(jìn)行一鍵升起與一鍵下降操作，此操作可加快作業(yè)效率，減少機(jī)手手動(dòng)調(diào)整過(guò)程，使得整個(gè)作業(yè)過(guò)程更加快速高效。轉(zhuǎn)向部分：由于車(chē)體較長(zhǎng)，在田間作業(yè)需要掉頭或是道路行駛中需要轉(zhuǎn)彎，為了減小轉(zhuǎn)彎半徑，機(jī)器后輪可以通過(guò)操控器上的搖桿進(jìn)行左右調(diào)整，并且增加回正按鈕，在調(diào)整完畢后，恢復(fù)至初始位置。車(chē)身調(diào)平：田間作業(yè)以及農(nóng)村道路行駛中，由于道路條件差，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)凹坑或凸起情況，亦或是土地整體呈現(xiàn)坡度，機(jī)器行駛在以上道路上，存在著側(cè)翻的風(fēng)險(xiǎn)，為了降低風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的可能性，機(jī)器后橋部分可以繞支點(diǎn)做轉(zhuǎn)動(dòng)，時(shí)刻令車(chē)體部分與地平面保持水平關(guān)系。入料斗輸送帶高度可調(diào)：馬鈴薯收獲塊莖損傷是影響馬鈴薯品質(zhì)的一個(gè)重要因素，在馬鈴薯收獲過(guò)程中，機(jī)械碰撞、跌落、擠壓是造成馬鈴薯塊莖損傷的幾個(gè)主要原因。針對(duì)跌落可能造成的馬鈴薯塊莖損傷，令入料斗輸送帶高度可隨料斗內(nèi)馬鈴薯堆積高度保持適當(dāng)?shù)木嚯x，以減少在入料過(guò)程中來(lái)自高度跌落造成的馬鈴薯塊莖損傷。

4 系統(tǒng)調(diào)試與試驗(yàn)

系統(tǒng)調(diào)試在室內(nèi)完成：通過(guò)模擬入料斗輸送帶高度傳感器信號(hào)、車(chē)身調(diào)平傾角傳感器信號(hào)、挖掘深度角度傳感器信號(hào)以及各個(gè)開(kāi)關(guān)量信號(hào)，監(jiān)測(cè)人機(jī)界面顯示內(nèi)容是否正常;校對(duì)手動(dòng)模式與自動(dòng)模式下，各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)響應(yīng)速度與動(dòng)作完成情況。待系統(tǒng)模擬調(diào)試完畢后，將此系統(tǒng)應(yīng)用于4UML-180型牽引式馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)，進(jìn)行田間試驗(yàn)，對(duì)此款牽引式馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行綜合性能測(cè)試。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：本系統(tǒng)能很好地執(zhí)行所述動(dòng)作，完整地實(shí)現(xiàn)了馬鈴薯從挖掘、輸送到除雜的整個(gè)過(guò)程。與傳統(tǒng)的牽引式馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)相比，操作更簡(jiǎn)便、效率更高，并且料斗內(nèi)馬鈴薯可直接上車(chē)，減少了裝車(chē)等待時(shí)間。同時(shí)，由于入料斗輸送帶高度全自動(dòng)可調(diào)，減少了馬鈴薯入料斗過(guò)程中的機(jī)械損傷，大大提高了良薯率，提高了經(jīng)濟(jì)效益，并且車(chē)身水平系統(tǒng)可保證機(jī)器在遇到復(fù)雜路況時(shí)的安全性，減少翻車(chē)事故的發(fā)生，很好地守護(hù)了人民財(cái)產(chǎn)的安全。此控制系統(tǒng)的研發(fā)成功，為下一步更具智能化、高效化的馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)的研制打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

5 結(jié)論

（1）為牽引式馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)設(shè)計(jì)了一種控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)收獲過(guò)程機(jī)械動(dòng)作全部以“手動(dòng)+自動(dòng)”形式執(zhí)行，簡(jiǎn)化操作，提高效率。

（2）基于“物理按鍵+觸摸屏”人機(jī)界面的操作模式，顯示更直觀，傳感器采集數(shù)據(jù)會(huì)經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換顯示在屏幕中。物理按鍵在機(jī)手操作過(guò)程中反饋更加直觀，減少誤操作風(fēng)險(xiǎn)，并在故障工況下進(jìn)行報(bào)警顯示。

（3）進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)與田間試驗(yàn)，驗(yàn)證本系統(tǒng)的可靠性與實(shí)用性。

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