土下作物自動(dòng)對(duì)行挖掘收獲試驗(yàn)臺(tái)研制

王申瑩，胡志超，陳有慶，顧峰瑋，彭寶良，呂小蓮

土下作物自動(dòng)對(duì)行挖掘收獲試驗(yàn)臺(tái)研制

王申瑩1,2，胡志超1,2※，陳有慶1,2，顧峰瑋1,2，彭寶良1,2，呂小蓮3

（1. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京 210014； 2. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210014；3. 滁州學(xué)院機(jī)械與電氣工程學(xué)院，滁州 239000）

為了提高土下作物機(jī)械化收獲質(zhì)量和效率，解決土下作物收獲機(jī)械田間試驗(yàn)成本高、效率低、數(shù)據(jù)采集不便且受天氣因素影響大等問(wèn)題，該研究設(shè)計(jì)了一種土下作物機(jī)械收獲自動(dòng)對(duì)行挖掘試驗(yàn)臺(tái)。該試驗(yàn)臺(tái)主要由傳動(dòng)裝置、速度調(diào)節(jié)裝置、偏離行中心距調(diào)節(jié)裝置、塊根固定及株距調(diào)節(jié)裝置、偏離探測(cè)裝置、液壓糾偏執(zhí)行機(jī)構(gòu)和挖掘模擬裝置以及測(cè)控系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)組成。在分析試驗(yàn)臺(tái)工作原理的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及參數(shù)確定，設(shè)計(jì)了集成角度傳感器、位移傳感器、速度傳感器的機(jī)電液一體化測(cè)控系統(tǒng)。以甜菜收獲為研究對(duì)象，以株距、偏離行中心距離和前進(jìn)速度為試驗(yàn)因素，以漏挖率為指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)臺(tái)準(zhǔn)確性田間對(duì)比正交試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，在不同前進(jìn)速度、偏離行中心距離、株距等參數(shù)組合下，試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)漏挖率為2.33%～2.72%，田間試驗(yàn)漏挖率為2.38%～2.92%。與田間試驗(yàn)相比，漏挖率絕對(duì)偏差率范圍為2.10%～6.85%，平均偏差率為3.67%，且漏挖率越大，偏差率越大，試驗(yàn)臺(tái)具有較好的準(zhǔn)確性。該研究可為甜菜、蘿卜、土豆等土下作物的自動(dòng)對(duì)行挖掘收獲系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

農(nóng)業(yè)機(jī)械；收獲；土下作物；試驗(yàn)臺(tái)；自動(dòng)對(duì)行；雙閾值；PD控制

0 引 言

為提高產(chǎn)量，甜菜、白蘿卜、花生、馬鈴薯等土下作物的主產(chǎn)區(qū)多采用壟作模式，但由于中國(guó)土下作物種植機(jī)械化水平低，仍以人工和半機(jī)械化為主，種植行距不等、收獲期土下作物的直線(xiàn)性差（塊根偏離行中心線(xiàn)）等問(wèn)題突出[1-3]。挖掘作業(yè)時(shí)如挖掘鏟前進(jìn)方向出現(xiàn)偏差，會(huì)造成漏挖、少挖或塊根破損，需要人工再次挖掘，損失大、效率低。收獲機(jī)駕駛員為減少漏損，需高度集中精神，盡力對(duì)行收獲，實(shí)時(shí)調(diào)整前進(jìn)方向，導(dǎo)致駕駛員勞動(dòng)強(qiáng)度高，且對(duì)行作業(yè)性能易受人為因素影響，難以保證收獲作業(yè)效果和效率。因此，亟需自動(dòng)對(duì)行挖掘收獲技術(shù)以解決上述問(wèn)題。

國(guó)外對(duì)土下作物自動(dòng)對(duì)行挖掘收獲系統(tǒng)的研究起步較早[4-6]。一些產(chǎn)品已采用電子電磁液壓控制、挖掘器松土振動(dòng)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了降阻、自動(dòng)對(duì)行限深收獲，提高了生產(chǎn)效率、作業(yè)精度和機(jī)具適應(yīng)性，減輕了駕駛員勞動(dòng)強(qiáng)度[7-10]；具有控制精度高、適應(yīng)性好的特點(diǎn)，但價(jià)格昂貴，難以在中國(guó)等發(fā)展中國(guó)家應(yīng)用推廣。

國(guó)內(nèi)對(duì)土下作物自動(dòng)對(duì)行收獲系統(tǒng)的研究起步晚，進(jìn)展緩慢，成果少。已有的甜菜、白蘿卜等土下作物機(jī)械化收獲技術(shù)的研究多集中在切頂機(jī)構(gòu)等部件設(shè)備的研發(fā)[11-14]。對(duì)自動(dòng)對(duì)行挖掘收獲作業(yè)的基礎(chǔ)研究雖然取得了一定的成績(jī)，但大多還處在試驗(yàn)測(cè)試和定性分析階段[15-18]，自動(dòng)對(duì)行挖掘收獲系統(tǒng)靈敏性、適應(yīng)性和可靠性低的問(wèn)題依然突出，不能滿(mǎn)足生產(chǎn)要求。而大量的田間試驗(yàn)成本高、試驗(yàn)重復(fù)性差、數(shù)據(jù)采集難度大、精度低，且易受天氣、收獲季節(jié)等因素影響，長(zhǎng)期以來(lái)一直影響著土下作物收獲機(jī)械的田間試驗(yàn)效率和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的獲取。

本研究旨在設(shè)計(jì)一種土下作物自動(dòng)對(duì)行挖掘收獲試驗(yàn)臺(tái)，填補(bǔ)國(guó)內(nèi)相應(yīng)功能試驗(yàn)平臺(tái)的空白，以期為土下作物收獲機(jī)械的研究提供基礎(chǔ)平臺(tái)和技術(shù)參考。主要研究?jī)?nèi)容有以下幾點(diǎn)：1）開(kāi)發(fā)出一種可模擬田間挖掘收獲試驗(yàn)、經(jīng)濟(jì)有效的土下作物機(jī)械化收獲自動(dòng)對(duì)行試驗(yàn)臺(tái)；2）對(duì)關(guān)鍵部件及系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，以滿(mǎn)足不同作物試驗(yàn)的參數(shù)調(diào)整；3）以甜菜收獲為例進(jìn)行試驗(yàn)臺(tái)田間對(duì)比正交試驗(yàn)，以驗(yàn)證試驗(yàn)臺(tái)的準(zhǔn)確性和可靠性。

1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)組成

土下作物自動(dòng)對(duì)行挖掘收獲試驗(yàn)臺(tái)主要由機(jī)架、傳動(dòng)鏈、變頻調(diào)速電機(jī)、偏離行中心距調(diào)節(jié)裝置、塊根固定及株距調(diào)節(jié)裝置、龍門(mén)架、偏離探測(cè)裝置、偏離探測(cè)裝置左右前后調(diào)節(jié)軌道、液壓糾偏執(zhí)行機(jī)構(gòu)（液壓缸、液壓缸作用點(diǎn)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、挖掘模擬裝置連接桿）、挖掘模擬裝置及測(cè)控系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)等組成，各機(jī)構(gòu)均為無(wú)級(jí)可調(diào)，如圖1所示。試驗(yàn)臺(tái)主要參數(shù)如表1所示。

1.變頻調(diào)速電機(jī) 2.皮帶輪 3.機(jī)架 4.傳動(dòng)鏈 5.托鏈盒 6.塊根固定及株距調(diào)節(jié)裝置 7.偏離行中心距調(diào)節(jié)裝置 8.龍門(mén)架 9.偏離探測(cè)裝置 10.偏離探測(cè)裝置左右調(diào)節(jié)軌道 11.偏離探測(cè)裝置前后調(diào)節(jié)軌道 12.液壓缸 13.液壓缸作用點(diǎn)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu) 14.挖掘模擬裝置連接桿 15.龍門(mén)架高度調(diào)節(jié)液壓缸 16.挖掘模擬裝置 17.挖掘機(jī)構(gòu)左右移動(dòng)軌道 18.高速攝影儀

表1 試驗(yàn)臺(tái)主要參數(shù)

1.2 工作原理

作業(yè)時(shí)，偏離探測(cè)裝置感知土下作物塊根的左右偏離距離，并通過(guò)安裝在其旋轉(zhuǎn)軸上的角度傳感器將塊根的偏離情況轉(zhuǎn)換成電信號(hào)傳輸給控制器；控制器結(jié)合安裝在速度調(diào)節(jié)裝置上的速度傳感器的傳輸信號(hào)計(jì)算出挖掘模擬裝置應(yīng)左右移動(dòng)的距離和速度，并發(fā)出液壓電磁閥控制信號(hào)控制液壓糾偏執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，帶動(dòng)挖掘模擬裝置左右移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)行挖掘收獲。通過(guò)高速攝影儀對(duì)試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行檢測(cè)分析、統(tǒng)計(jì)，進(jìn)而計(jì)算出自動(dòng)對(duì)行挖掘收獲漏挖率。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 龍門(mén)架

龍門(mén)架是整個(gè)試驗(yàn)臺(tái)的主要支撐框架，如圖2所示。偏離探測(cè)裝置和挖掘模擬裝置固定在龍門(mén)架上，兩者之間的距離可過(guò)通偏離探測(cè)裝置前后調(diào)節(jié)軌道調(diào)節(jié)；結(jié)合不同土下作物收獲的需求，設(shè)定調(diào)節(jié)軌道長(zhǎng)度=1 200 mm。根據(jù)甜菜、白蘿卜等土下作物主產(chǎn)區(qū)實(shí)地調(diào)研，壟寬一般為500～800 mm，所以設(shè)計(jì)龍門(mén)架寬度0=600 mm，偏離探測(cè)裝置左右調(diào)節(jié)軌道長(zhǎng)度1=1 000 mm。液壓糾偏執(zhí)行機(jī)構(gòu)通過(guò)固定座與龍門(mén)架連接，主要用來(lái)帶動(dòng)挖掘模擬裝置在軌道上左右移動(dòng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)行挖掘收獲。高速攝影儀安裝在挖掘模擬裝置處以對(duì)試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行拍攝分析。龍門(mén)架整體高度可通過(guò)液壓缸調(diào)節(jié)以滿(mǎn)足不同土下作物的試驗(yàn)需求，參考國(guó)外相關(guān)收獲機(jī)械和中國(guó)實(shí)際生產(chǎn)情況，設(shè)定龍門(mén)架高度=800～1 300 mm。

1.龍門(mén)架高度調(diào)節(jié)液壓缸 2.支撐柱 3.偏離探測(cè)裝置前后調(diào)節(jié)軌道 4.偏離探測(cè)裝置左右調(diào)節(jié)軌道 5.偏離探測(cè)裝置安裝架 6.挖掘阻力模擬調(diào)節(jié)裝置 7.挖掘模擬裝置安裝架 8.挖掘模擬裝置左右移動(dòng)軌道 9.液壓糾偏執(zhí)行機(jī)構(gòu)安裝座Ⅰ 10.液壓糾偏執(zhí)行機(jī)構(gòu)安裝座Ⅱ

1.Gantry frame height adjustment hydraulic cylinder 2.Support column 3.Deviation detection device front and rear adjustment track 4.Deviation detection device left and right adjustment track 5.Deviation detection device installation shelf 6.Digging resistance simulation adjustment device 7.Digging simulation device installation shelf 8.Digging simulation device left and right moving track 9.Hydraulic rectifying actuator installation seat I 10.Hydraulic rectifying actuator installation seat II

注：0為龍門(mén)架寬度，mm；1為偏離探測(cè)裝置左右調(diào)節(jié)軌道長(zhǎng)度，mm；為偏離探測(cè)裝置前后調(diào)節(jié)軌道長(zhǎng)度，mm；為龍門(mén)架高度，mm。

Note:0is the width of the gantry frame, mm;1is the length of the deviation detection device left and right adjustment track, mm;is the length of the deviation detection device front and rear adjustment track, mm;is the height of the gantry frame, mm.

圖2 龍門(mén)架結(jié)構(gòu)組成

Fig.2 Structure components of the gantry frame

2.2 偏離探測(cè)裝置

偏離探測(cè)裝置主要用來(lái)探測(cè)土下作物塊根偏離行中心線(xiàn)的距離（防止由于土下作物種植或收獲機(jī)的跑偏而引起漏挖和破損），并將此距離通過(guò)安裝在四連桿機(jī)構(gòu)上的角度傳感器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)傳輸給控制器。偏離探測(cè)裝置采用前期設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，如圖3所示。試驗(yàn)時(shí)，左右探測(cè)桿位于土下塊根的兩側(cè)，當(dāng)與偏離的土下塊根接觸碰撞而產(chǎn)生偏離位移±時(shí)，四連桿機(jī)構(gòu)將位移變化量±轉(zhuǎn)化為角度傳感器的角度變化量±Δ（設(shè)逆時(shí)針為正），并傳輸給控制器。當(dāng)探測(cè)桿與塊根脫離后，在復(fù)位彈簧的作用下，偏離探測(cè)裝置回正。

1.四連桿機(jī)構(gòu) 2.角度傳感器 3.復(fù)位彈簧 4.探測(cè)桿

1.Four-bar linkage 2.Angle sensor 3.Return spring 4.Detection rods

注：1為探測(cè)桿出口寬度，mm；2為探測(cè)桿入口寬度，mm；為探測(cè)桿旋轉(zhuǎn)的角度，(°)：為作物塊根引起的探測(cè)桿偏移量（將探測(cè)桿擺動(dòng)的弧線(xiàn)長(zhǎng)度近似為直線(xiàn)長(zhǎng)度），mm；為探測(cè)桿擺動(dòng)半徑，=350 mm。

Note:1is the exit width of the detection rods, mm;2is the entrance width of the detection rods, mm;is the rotation angle of the detection rods, (°);is the detection rod offset caused by the crop roots (approximate the arc length of the detection rod swing to linear length), mm;is the swing radius of the detection rod,=350 mm.

圖3 探測(cè)機(jī)構(gòu)工作原理圖

Fig.3 Working schematic of the detection mechanism

本文偏離探測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)與前期研究結(jié)果相同，通過(guò)對(duì)探測(cè)桿的替換，即可構(gòu)成花生、馬鈴薯等土下作物果實(shí)的自動(dòng)對(duì)行探測(cè)裝置。

經(jīng)調(diào)研，甜菜、白蘿卜等土下果實(shí)偏離行中心距1=0～90 mm，塊根直徑=50～120 mm。為保證偏離的塊根均能順利通過(guò)偏離探測(cè)裝置，減少探測(cè)桿與偏離距離小的塊根的頻繁碰撞，探測(cè)桿設(shè)計(jì)為后傾倒八字形，且出、入口寬度1、2滿(mǎn)足以下條件：

2≥(1+/2)×2 （1）

1≥（2）

結(jié)合經(jīng)驗(yàn)取2=400 mm，1=250 mm。

角度傳感器采用美國(guó)EPC公司生產(chǎn)的三相方波輸出光電增量式編碼器VLH11，最高轉(zhuǎn)速7 500 r/min，啟動(dòng)力矩15×10-5N·m，響應(yīng)頻率100 kHz，分辨率1 024 C/R，且具有角度變化方向指示。由圖3可知，角度傳感器收到的脈沖數(shù)和探測(cè)桿的擺動(dòng)距離關(guān)系如下：

式中Δ為傳感器角度變化量，(°)；為角度傳感器轉(zhuǎn)過(guò)角度時(shí)所輸出的脈沖數(shù)。

由公式（3）和公式（4）可知：

2.3 挖掘模擬裝置

挖掘裝置是土下作物收獲機(jī)械的關(guān)鍵部件之一，主要完成對(duì)土下作物塊根的挖掘。叉式挖掘鏟由于其入土性能好、挖掘阻力小而廣泛采用；影響其挖掘收獲質(zhì)量（主要為漏挖率）的主要因素有土壤阻力和挖掘鏟的有效挖掘?qū)挾取１疚脑O(shè)計(jì)的挖掘模擬裝置如圖4所示，主要由龍門(mén)架、挖掘阻力模擬調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、直線(xiàn)滑軌和挖掘叉組成。

挖掘叉的寬度應(yīng)滿(mǎn)足以下條件：

3≥1（6）

式中3為挖掘鏟的有效寬度，mm；為減少功耗，3應(yīng)盡量小，考慮挖掘后續(xù)輸送工作需求，設(shè)計(jì)3=320 mm。

1.龍門(mén)架橫梁 2.摩擦滑塊 3.摩擦阻力標(biāo)尺 4.壓縮彈簧 5.導(dǎo)向桿 6.挖掘叉 7.摩擦阻力調(diào)節(jié)螺栓 8.彈簧壓板 9.直線(xiàn)外滑軌 10.直線(xiàn)內(nèi)滑軌 11.挖掘叉

1.Gantry frame beam 2.Friction slider 3.Friction resistance scale 4.Compression spring 5.Guide rod 6. Digging fork 7.Friction resistance adjusting bolt 8.Spring pressure plate 9.Straight outer slide track 10.Straight inner slide track 11.Digging fork

注：3為挖掘叉的有效寬度，mm。

Note:3is the effective width of the digging fork, mm.

圖4 挖掘模擬裝置

Fig.4 Digging simulation device

通過(guò)對(duì)甜菜、白蘿卜等土下作物主產(chǎn)區(qū)的實(shí)地調(diào)研測(cè)試，并參考文獻(xiàn)[19]，不同土壤條件下叉式挖掘鏟的橫向挖掘阻力一般在100～500 N內(nèi)。所以設(shè)計(jì)挖掘裝置最大摩擦阻力為500 N。龍門(mén)架橫梁和摩擦滑塊都采用Q235A型鋼材制作而成，且無(wú)潤(rùn)滑，取兩者之間滑動(dòng)摩擦系數(shù)=0.15[20]。壓縮彈簧的彈性系數(shù)可由以下公式推導(dǎo)得出（忽略摩擦滑塊的質(zhì)量）。

Fmax≈Nmax（7）

Nmax=max（8）

式中Fmax為最大摩擦阻力，N；為滑動(dòng)摩擦系數(shù)；Nmax為摩擦滑塊承受的最大壓力，N；為壓縮彈簧個(gè)數(shù)，=4；max為壓縮彈簧的最大壓縮量，m；為壓縮彈簧彈性系數(shù)，N/m。

由式（7）和（8）可得：

由上述可知Fmax=500 N，=0.15，max由結(jié)構(gòu)空間決定，設(shè)計(jì)為max=80 mm，由此計(jì)算得出=10 416.7 N/m，取整為=10 420 N/m。

2.4 塊根固定及株距、偏離行中心距調(diào)節(jié)裝置

自動(dòng)對(duì)行挖掘收獲試驗(yàn)時(shí)，如何更真實(shí)地模擬土下塊根實(shí)際生長(zhǎng)情況是試驗(yàn)成功與否的關(guān)鍵。本文將偏離行中心距調(diào)節(jié)裝置、果實(shí)固定及株距調(diào)節(jié)裝置設(shè)計(jì)成一體，如圖5所示，主要由偏離行中心距調(diào)節(jié)滑槽、鎖緊方塊、鎖緊螺母、塊根固定螺桿以及傳動(dòng)鏈掛板等組成。

1.塊根固定螺桿 2.鎖緊螺母 3.鎖緊方塊 4.調(diào)節(jié)滑槽 5.傳動(dòng)鏈掛板 6.傳動(dòng)鏈

試驗(yàn)時(shí)，通過(guò)在不同傳動(dòng)鏈掛板之間安裝調(diào)節(jié)滑槽來(lái)設(shè)定不同的株距，株距最小調(diào)節(jié)間隔為1個(gè)傳動(dòng)鏈掛板長(zhǎng)度即25 mm，滿(mǎn)足按實(shí)際生產(chǎn)調(diào)節(jié)株距的不同需求；調(diào)節(jié)鎖緊螺母和方塊在滑槽內(nèi)左右移動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)按實(shí)際生產(chǎn)情況布置不同偏離距離土下塊根的目標(biāo)；將土下塊根通過(guò)螺紋固定在螺桿上，同時(shí)制作不同螺距的螺桿，以適應(yīng)質(zhì)地疏松程度不同的土下作物塊根安裝需求（質(zhì)地疏松的作物塊根采用大螺距的螺桿，質(zhì)地緊實(shí)的采用小螺距的螺桿，這樣固定更牢固）。

2.5 液壓糾偏執(zhí)行機(jī)構(gòu)

液壓糾偏執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要用來(lái)將測(cè)控系統(tǒng)的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成挖掘裝置的左右擺動(dòng)以實(shí)現(xiàn)對(duì)行挖掘。主要由液壓缸、挖掘機(jī)構(gòu)連接桿和液壓缸作用點(diǎn)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)等組成，如圖6a所示。

工作時(shí)，挖掘模擬裝置位于中間位置，即連接桿位于圖6a中位置；當(dāng)偏離探測(cè)裝置感知到土下塊根偏離，需調(diào)整挖掘模擬裝置左右位置時(shí)，挖掘機(jī)構(gòu)連接桿繞點(diǎn)擺動(dòng)并帶動(dòng)挖掘模擬裝置滑動(dòng)到虛線(xiàn)′′位置。液壓缸也由初始位置1繞1點(diǎn)旋轉(zhuǎn)到1′位置。調(diào)整液壓缸作用點(diǎn)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)在連接桿上距點(diǎn)的距離可改變液壓缸伸縮量和挖掘模擬裝置移動(dòng)量之間的關(guān)系。為分析液壓糾偏執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，對(duì)圖6a進(jìn)行簡(jiǎn)化，并建立坐標(biāo)系如圖6b所示。

1.挖掘模擬裝置連接桿 2.液壓缸作用點(diǎn)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu) 3.液壓缸

1.Digging simulation device connecting rod 2.Hydraulic cylinder action point adjustment mechanism 3.Hydraulic cylinder

注：為連接桿旋轉(zhuǎn)中心與液壓缸旋轉(zhuǎn)中心1之間的距離，mm；為連接桿旋轉(zhuǎn)中心與挖掘模擬裝置在方向上投影點(diǎn)2之間的距離，mm；為液壓缸與連接桿連接點(diǎn)到連接桿旋轉(zhuǎn)中心點(diǎn)的距離，mm；為連接桿與1連線(xiàn)的夾角，(°)；0是挖掘模擬裝置位于中間初始位置時(shí)連接桿與1連線(xiàn)的夾角，(°)；、′分別為液壓缸與挖掘模擬裝置連接桿鉸接點(diǎn)在糾偏前和糾偏后的位置；、′分別為挖掘模擬裝置與挖掘模擬裝置連接桿鉸接點(diǎn)在糾偏前和糾偏后的位置。

Note:is the distance between the rotation centerof the connecting rod and the rotation center1of the hydraulic cylinder, mm;is the distance between the rotation centerof the connecting rod and the projection point2of the digging simulation device in thedirection, mm;is the distance between the connection point of the cylinder and the connecting rod and the rotation centerof the connecting rod, mm;is the angle between the connecting rod and the line1, (°);0is the angle between the connecting rod and the line1when the digging simulation device is in the middle initial position, (°);and′ are respectively the positions of the hinge points of the hydraulic cylinder and the digging simulation device connecting rod before and after correction;and′ are respectively the positions of the hinge points of the digging simulation device and the digging simulation device connecting rod before and after correction .

圖6 液壓糾偏執(zhí)行機(jī)構(gòu)

Fig.6 Hydraulic correction actuator

設(shè)液壓缸的長(zhǎng)度變化量為1′?1，挖掘機(jī)構(gòu)的移動(dòng)量為2′?2，則

式中為連接桿旋轉(zhuǎn)中心與液壓缸旋轉(zhuǎn)中心1之間的距離，mm；為連接桿旋轉(zhuǎn)中心與挖掘模擬裝置在方向上投影點(diǎn)2之間的距離，mm；為液壓缸與連接桿連接點(diǎn)到連接桿旋轉(zhuǎn)中心點(diǎn)的距離，mm；為連接桿與1連線(xiàn)的夾角，(°)；0是挖掘模擬裝置位于中間初始位置時(shí)連接桿與1連線(xiàn)的夾角，(°)；為液壓缸的長(zhǎng)度變化量，mm；為挖掘機(jī)構(gòu)的移動(dòng)量，mm。

將設(shè)計(jì)值=640 mm、=1 020 mm、0=75°帶入式（10）計(jì)算并保留兩位有效小數(shù)，可得：

3 測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

測(cè)控系統(tǒng)主要用來(lái)監(jiān)測(cè)各子系統(tǒng)試驗(yàn)時(shí)的狀態(tài)參數(shù)并傳輸給主控制器控制液壓糾偏執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作完成對(duì)行挖掘收獲，并記錄試驗(yàn)過(guò)程和結(jié)果以便后續(xù)研究分析。

3.1 硬件設(shè)計(jì)與工作原理

測(cè)控系統(tǒng)硬件主要由控制箱、電腦、壓力傳感器、流量傳感器、位移傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、液壓電磁閥、液壓缸及高速攝影儀等組成，如圖7所示。其中，位移傳感器采用深圳市米朗科技有限公司生產(chǎn)的MPS-S型拉線(xiàn)式位移傳感器，拉線(xiàn)速度1 000 mm/s，測(cè)量行程100～1 000 mm；轉(zhuǎn)速傳感器采用上海貫金儀表有限公司生產(chǎn)的GJ70型磁電式轉(zhuǎn)速傳感器。其他器件有淄博西創(chuàng)測(cè)控技術(shù)開(kāi)發(fā)有限公司生產(chǎn)的MC20A型壓力傳感器、LWGYC-20型流量傳感器和上海立新液壓有限公司生產(chǎn)的Z2FS10-30型流量調(diào)節(jié)閥、ZDB10VP2-L4X/31.5型壓力調(diào)節(jié)閥。流量、壓力傳感器安裝在液壓站輸出口處，實(shí)時(shí)測(cè)量液壓系統(tǒng)的流量和壓力。轉(zhuǎn)速傳感器安裝在皮帶輪軸上以測(cè)量作業(yè)前進(jìn)速度。

圖7 測(cè)控系統(tǒng)硬件組成和結(jié)構(gòu)框架

主控制器采用NEC公司的78K0/LD2系列8位單片機(jī)μPD78F0525微處理器，除了通過(guò)MAX232 RS232收發(fā)器直接與電腦顯示器通信外，還接收經(jīng)過(guò)PC357光電耦合器（OC）隔離的增量編碼器脈沖信號(hào)以計(jì)算作業(yè)前進(jìn)速度的當(dāng)前值；根據(jù)角度傳感器的脈沖信號(hào)，計(jì)算出挖掘模擬裝置移動(dòng)的目標(biāo)值，并與位移傳感器測(cè)量的挖掘模擬裝置移動(dòng)實(shí)際值作比較，決策液壓閥的開(kāi)閉，帶動(dòng)挖掘模擬裝置移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)行。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

測(cè)控系統(tǒng)軟件采用固定雙閾值死區(qū)PD控制算法。PD控制作為經(jīng)典線(xiàn)性控制算法PID控制的一種，簡(jiǎn)單實(shí)用，已廣泛應(yīng)用于控制領(lǐng)域。雙閾值死區(qū)控制可減少調(diào)節(jié)次數(shù)、增加抗干擾能力、避免比較器頻繁跳變，從而避免液壓缸的頻繁動(dòng)作，減少機(jī)器震動(dòng)，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性[21-23]。本文采用的自動(dòng)對(duì)行雙閾值死區(qū)PD控制系統(tǒng)及主程序流程如圖8所示。主程序首先采集偏離信號(hào)檢測(cè)機(jī)構(gòu)的偏轉(zhuǎn)角度，并據(jù)此判斷土下塊根偏離引起的角度變化量是否大于等于2°。若Δ≥2°，直接進(jìn)行調(diào)節(jié)；若Δ<2°，控制器不會(huì)立即發(fā)出控制信號(hào)，而是讀取試驗(yàn)臺(tái)作業(yè)前進(jìn)速度，并根據(jù)收獲機(jī)的不同前進(jìn)速度值區(qū)間和角度變化量Δ≥1°持續(xù)的相應(yīng)時(shí)間進(jìn)行微調(diào)（當(dāng)收獲機(jī)前進(jìn)速度在區(qū)間[0，0.8)時(shí)，角度變化量Δ≥1°持續(xù)2 s；當(dāng)收獲機(jī)前進(jìn)速度在區(qū)間[0.8,1.2)時(shí)，角度變化量Δ≥1°持續(xù)1.5 s；當(dāng)收獲機(jī)前進(jìn)速度在區(qū)間[1.2,+∞)時(shí)，角度變化量Δ≥1°持續(xù)1 s）。這樣有利于避免角度傳感器發(fā)出的脈沖信號(hào)抖動(dòng)，減少動(dòng)作機(jī)構(gòu)頻繁振蕩。

圖8 自動(dòng)對(duì)行雙閾值死區(qū)PD控制系統(tǒng)及主程序流程圖

根據(jù)前期調(diào)研統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)（取甜菜塊根直徑的平均值=110 mm）、設(shè)計(jì)分析（探測(cè)桿轉(zhuǎn)動(dòng)半徑=350 mm，兩探測(cè)桿開(kāi)口寬度1=250 mm）和式（1）計(jì)算及仿真調(diào)試結(jié)果，確定控制系統(tǒng)的死區(qū)閾值為±70 mm，死區(qū)寬度為180 mm，比例系數(shù)為700，微分系數(shù)為15。

4 試驗(yàn)臺(tái)準(zhǔn)確性試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)設(shè)備與材料

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)試驗(yàn)臺(tái)的準(zhǔn)確性和可靠性，利用農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所研制的4LT-A型甜菜聯(lián)合收獲機(jī)和約翰迪爾1054型拖拉機(jī)于2019年11月在江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗(yàn)田對(duì)試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)進(jìn)行了田間對(duì)比收獲試驗(yàn)。其他試驗(yàn)器材有標(biāo)桿、秒表、卷尺、電子秤等。

試驗(yàn)材料為內(nèi)蒙古省烏蘭察布市單壟單行移栽種植模式的吉甜系列甜菜。甜菜塊根直徑80～120 mm，塊根長(zhǎng)度180～210 mm，塊根出土高度（高于地表）40～60 mm，塊根質(zhì)量0.9～1.4 kg。土壤含水率為28.3%，土壤硬度為105.4 N/cm2。

4.2 試驗(yàn)指標(biāo)

甜菜、白蘿卜等土下作物機(jī)械化收獲時(shí)與自動(dòng)對(duì)行挖掘收獲性能相關(guān)的指標(biāo)主要是漏挖率。參考《JB/T6276-2007 甜菜收獲機(jī)械試驗(yàn)方法》[24]和《NY/T 1412-2007甜菜收獲機(jī)作業(yè)質(zhì)量》[25]，定義漏挖率如下：

G=m/×100% （12）

式中G為漏挖率，%；m為漏挖塊根質(zhì)量，kg；為測(cè)定塊根總質(zhì)量，kg。

4.3 試驗(yàn)方案與結(jié)果

試驗(yàn)臺(tái)如圖9所示，根據(jù)農(nóng)業(yè)機(jī)械液壓系統(tǒng)中常用設(shè)計(jì)，設(shè)置系統(tǒng)壓力18 MPa，液壓流量20 L/min；根據(jù)對(duì)甜菜主產(chǎn)區(qū)實(shí)際生產(chǎn)情況調(diào)研結(jié)果，設(shè)定挖掘阻力為260 N（實(shí)際收獲時(shí)，挖掘鏟在土壤中左右擺動(dòng)時(shí)會(huì)受到土壤的阻力）。

圖9 甜菜、白蘿卜等其他土下作物自動(dòng)對(duì)行挖掘收獲試驗(yàn)臺(tái)

通過(guò)前期單因素試驗(yàn)結(jié)果分析，影響收獲質(zhì)量的主要生產(chǎn)和工作因素有株距、偏離行中心距離和作業(yè)前進(jìn)速度。

為驗(yàn)證試驗(yàn)臺(tái)在不同試驗(yàn)參數(shù)下的準(zhǔn)確性，將4LT-A型甜菜聯(lián)合收獲機(jī)的偏離探測(cè)裝置、液壓糾偏執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)及前進(jìn)速度等結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)設(shè)置與試驗(yàn)臺(tái)相同（按照試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)時(shí)的株距、偏離行中心距在田間栽植甜菜塊根，田間試驗(yàn)如圖10所示），并根據(jù)前期仿真試驗(yàn)結(jié)果和甜菜主產(chǎn)區(qū)實(shí)際田間調(diào)研數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)三因素三水平的正交對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)因素和水平設(shè)計(jì)如表2所示[26-28]。試驗(yàn)時(shí)利用高速攝影儀對(duì)挖掘鏟對(duì)甜菜的挖掘收獲情況進(jìn)行攝像記錄分析。為了減小試驗(yàn)誤差，試驗(yàn)臺(tái)每次試驗(yàn)的樣本為50個(gè)塊根，不包括試驗(yàn)開(kāi)始和停止時(shí)的10個(gè)。田間試驗(yàn)和試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)均重復(fù)3次，結(jié)果取平均值。選用9( 34) 正交表[29-31]，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

圖10 田間試驗(yàn)

表2 正交試驗(yàn)因素與水平

表3 試驗(yàn)方案和結(jié)果

從表3可以看出，在不同試驗(yàn)參數(shù)下，土下作物收獲機(jī)械自動(dòng)對(duì)行挖掘收獲試驗(yàn)臺(tái)具有較好的準(zhǔn)確性。試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)的漏挖率為2.33%～2.72%，對(duì)應(yīng)條件下的田間試驗(yàn)漏挖率為2.38%～2.92%，絕對(duì)偏差率范圍為2.10%～6.85%，平均偏差率為3.67%。同時(shí)，從表3可以看出，漏挖率越大，偏差率越大，試驗(yàn)臺(tái)的準(zhǔn)確性降低。

通過(guò)對(duì)高速攝影儀獲取的試驗(yàn)過(guò)程錄像分析可知，隨前進(jìn)速度、偏離距離的增加，漏挖率逐漸增大，偏差率增大；隨株距的增加，漏挖率逐漸減小，偏差率減小。

前進(jìn)速度的增加，使收獲機(jī)通過(guò)相鄰2顆甜菜塊根的時(shí)間減少，以致挖掘機(jī)構(gòu)在該時(shí)間內(nèi)還沒(méi)有調(diào)整到位，挖掘機(jī)構(gòu)已前進(jìn)到了偏離甜菜塊根的前方，導(dǎo)致漏挖率的增加。偏離距離的增加，使探測(cè)桿的擺動(dòng)角度增加，液壓糾偏執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)距離增加，致使自動(dòng)對(duì)行系統(tǒng)在通過(guò)相鄰2顆甜菜塊根的時(shí)間內(nèi)未及時(shí)糾偏到位，導(dǎo)致漏挖率的增加。株距的增加，增大了收獲機(jī)通過(guò)相鄰2顆甜菜塊根的時(shí)間，給液壓糾偏執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供了更多的動(dòng)作時(shí)間，使自動(dòng)對(duì)行系統(tǒng)能及時(shí)糾偏到位，進(jìn)而降低了漏挖率。前進(jìn)速度和偏離行中心距離的增加均縮小了自動(dòng)對(duì)行系統(tǒng)的處理時(shí)間，實(shí)際田間收獲時(shí)，自動(dòng)對(duì)行系統(tǒng)單位時(shí)間內(nèi)相對(duì)于試驗(yàn)臺(tái)遇到的土壤阻力不確定性、土塊雜草阻礙及機(jī)器震動(dòng)等外界干擾增加，自動(dòng)對(duì)行處理能力降低，漏挖率較試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)增大，偏差率增大；而株距的增加，為自動(dòng)對(duì)行系統(tǒng)提供了較充裕的處理時(shí)間，外界干擾的密度降低，使其自我調(diào)整、抵抗外界干擾的能力增加，所以偏差率降低。

5 討　論

花生、馬鈴薯等完全埋于土中的土下作物試驗(yàn)時(shí)，上述試驗(yàn)臺(tái)已不適應(yīng)。為提高試驗(yàn)臺(tái)的通用性，需將試驗(yàn)臺(tái)的偏離探測(cè)裝置更換為如圖11a所示的壟形檢測(cè)機(jī)構(gòu)（主要由機(jī)架、四連桿機(jī)構(gòu)、探測(cè)滾輪和壟形探測(cè)桿組成，即只需將原探測(cè)桿更換為壟形探測(cè)桿和探測(cè)輪即可）；并將果實(shí)固定裝置（如圖5所示）更換為壟形模擬調(diào)節(jié)裝置（如圖11b所示，主要由偏離行中心距調(diào)節(jié)滑槽、壟形調(diào)節(jié)支撐板和壟形模擬橡膠板組成）。試驗(yàn)臺(tái)實(shí)物如圖11c。

1.機(jī)架 2.四連桿機(jī)構(gòu) 3.探測(cè)滾輪 4.探測(cè)桿

試驗(yàn)時(shí)，左、右壟形探測(cè)桿通過(guò)上面安裝的滾輪與壟溝側(cè)壁的相互接觸，感知壟溝的偏移，帶動(dòng)壟形探測(cè)桿旋轉(zhuǎn)，并通過(guò)四連桿機(jī)構(gòu)，將偏移變化量轉(zhuǎn)換為角度傳感器的角度變化量，傳輸給控制器控制液壓糾偏執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)花生、馬鈴薯等完全埋于土下的作物自動(dòng)對(duì)行收獲。

6 結(jié) 論

1）本文設(shè)計(jì)了一種土下作物自動(dòng)對(duì)行挖掘收獲試驗(yàn)臺(tái)，主要由機(jī)架、傳動(dòng)裝置、速度調(diào)節(jié)裝置、偏離行中心距調(diào)節(jié)裝置、果實(shí)固定及株距調(diào)節(jié)裝置、龍門(mén)架、偏離探測(cè)裝置、探測(cè)裝置左右前后調(diào)節(jié)裝置、對(duì)行調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和挖掘機(jī)構(gòu)以及測(cè)控系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)等組成。

2）對(duì)偏離探測(cè)裝置、帶阻力模擬挖掘裝置、液壓糾偏機(jī)構(gòu)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和參數(shù)分析, 滿(mǎn)足不同試驗(yàn)對(duì)不同參數(shù)調(diào)整的需要。對(duì)測(cè)控系統(tǒng)進(jìn)行了硬件設(shè)計(jì)，并采用固定雙閾值死區(qū)PD控制算法進(jìn)行了軟件設(shè)計(jì)。

3）以甜菜收獲為研究對(duì)象，以株距、偏離行中心距離和前進(jìn)速度為試驗(yàn)因素，以漏挖率為指標(biāo)進(jìn)行了試驗(yàn)臺(tái)與田間作業(yè)的對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，在不同的前進(jìn)速度、偏離行中心距離、株距等參數(shù)組合下，試驗(yàn)臺(tái)的漏挖率為2.33%～2.72%，田間試驗(yàn)漏挖率為2.38%～2.92%，試驗(yàn)臺(tái)具有較好的挖掘準(zhǔn)確性，絕對(duì)偏差率范圍為2.10%～6.85%，平均偏差率為3.67%，且漏挖率越大，偏差率越大。

本試驗(yàn)臺(tái)可通過(guò)探測(cè)桿和壟形模擬裝置的簡(jiǎn)單替換，實(shí)現(xiàn)花生、馬鈴薯等完全埋于土下的土下作物自動(dòng)對(duì)行收獲試驗(yàn)。

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Development of the test bench for automatic alignment digging harvest of subterranean crops

Wang Shenying1,2, Hu Zhichao1,2※, Chen Youqing1,2, Gu Fengwei1,2, Peng Baoliang1,2, Lü Xiaolian3

(1.,s,210014,; 2.210014,; 3.239000,)

In order to improve the quality and efficiency of the mechanical harvest of subterranean crops, and to solve the problems of high cost, low efficiency, inconvenient data collection and greatly affected by weather on the field test of harvest machines for crops under soil in China, an automatic alignment digging harvest test bench for crops under soil harvesting is designed in this paper. The test bench is mainly composed of a transmission device, speed adjustment device, off-centerline distance adjustment device, root fixed and plant spacing adjustment device, deviation detection device, hydraulic correction actuator and digging simulation device, measurement control system and hydraulic system. The overall structure and working principle of the test bench are briefly analyzed, and the structural design and parameter analysis of key components are especially introduced. A gantry with adjustable front and back distance and height between the deviation detection device and the digging simulation device is designed. Using four-bar linkage, a deviation detection device is designed to detect the distribution of subterranean crops in the soil and transfer it to the controller. An digging simulation device with resistance is designed to simulate the soil resistance of the digging device during the process of digging and harvesting. A device with root fixing, plant spacing and off-centerline distance adjustment is designed to simulate the actual plant spacing, off-centerline distance and other growth conditions in the field. The mathematical relationship between the expansion and contraction of the hydraulic cylinder and the moving distance of the digging mechanism is established. The hardware of the measurement and control system is mainly composed of control box, computer, pressure sensor, flow sensor, displacement sensor, speed sensor, hydraulic solenoid valve, hydraulic cylinder and high-speed camera. The software adopts the fixed dual-threshold dead-zone PD control algorithm. In order to improve the generality of the test bench, it is only to replace the original detecting rod with ridge shaped detecting rod and detecting wheel, and replace the root fixing device with ridge shaped simulating adjusting device when the peanut, potato and other crops completely buried in the soil are dug. Taking the beet harvest as the research object, the plant spacing, off-centerline distance and forward speed as the experimental factors, and the missed digging rate as the index, the comparative tests between the test bentch and field operation was carried out. The test results showed that the leakage rate of the test bentch is 2.33%-2.72%, and the leakage rate of the field test is 2.38%-2.92%. The test bentch has good excavation accuracy, the absolute deviation rate range is 2.10%-6.85%, the average deviation rate is 3.67%, and the larger the leakage rate is, the larger the deviation rate is. This study can provide reference for the design of automatic alignment digging harvest system of underground crops such as beet, radish, potato, etc.

agricultural machinery; harvest; subterranean crops; test bench; automatic alignment; dual-threshold; PD control

2019-10-02

2020-02-10

中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)科英才經(jīng)費(fèi)；國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2016YFD0701604）；中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技創(chuàng)新工程項(xiàng)目（綠色耕作與土下果實(shí)收獲機(jī)械化創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)）

王申瑩，助理研究員，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備機(jī)電液一體化技術(shù)和虛擬仿真技術(shù)研究。Email：465499517@qq.com

胡志超，研究員，博士生導(dǎo)師，主要從事土下果實(shí)生產(chǎn)機(jī)械化技術(shù)與裝備研究。Email：nfzhongzi@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.05.004

S225.7

A

1002-6819(2020)-05-0029-09

王申瑩，胡志超，陳有慶，顧峰瑋，彭寶良，呂小蓮. 土下作物自動(dòng)對(duì)行挖掘收獲試驗(yàn)臺(tái)研制[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2020，36(5)：29－37. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.05.004 http://www.tcsae.org

Wang Shenying, Hu Zhichao, Chen Youqing, Gu Fengwei, Peng Baoliang, Lü Xiaolian. Development of the test bench for automatic alignment digging harvest of subterranean crops[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(5): 29－37. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.05.004 http://www.tcsae.org