基于GNSS的智能水田旋耕平地機研究

周 俊 許建康 王耀羲 梁友斌

(南京農(nóng)業(yè)大學工學院， 南京 210031)

0 引言

平整的水田有利于農(nóng)業(yè)規(guī)?；途毣耐七M。由于水田硬底層不平，旋耕機在田間作業(yè)時將產(chǎn)生傾斜與振動，這將嚴重影響旋耕作業(yè)質(zhì)量與效率，破壞水田平整，不利于水田灌溉、施肥及水稻的生長[1-2]。

激光平地機械利用激光控制技術構建一套精確調(diào)平系統(tǒng)，能有效提高耕整后田面的平整度[3]。20世紀80年代初，國外推出的以He-Ne激光器為光源的激光平面系統(tǒng)，是利用激光平地技術進行農(nóng)田土地平整的重大突破。隨后，美國、西班牙等國家相繼推出以半導體紅外激光器和半導體可見光激光器為光源的激光平面系統(tǒng)[4-5]。國內(nèi)東北農(nóng)業(yè)大學[6]、河南農(nóng)業(yè)大學[7]也研究設計了應用于旱地的激光平地機。然而，旱地激光平地技術和機具不能直接在水田中應用[8]。為了滿足我國水稻種植對田面平整度的要求，胡煉等[9]研發(fā)了與拖拉機后懸掛相匹配的1PJ型水田激光平地機，周浩等[10]設計了可減少拖拉機進田次數(shù)的水田打漿平地機。但激光平地機械在水平方向左右平衡控制需另加傾角傳感器，其配套設備較多，且易受雨霧、大風等天氣因素的干擾，不利于推廣使用[11]。

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global navigation satellite system, GNSS)控制平地技術是目前國內(nèi)外最先進的土地平整技術。相較于其他平地技術，GNSS控制平地技術適用于各種地形，具有不受陽光、風力、地勢起伏等外界因素影響的優(yōu)點，在美國等發(fā)達國家已經(jīng)得到應用，如Trimble公司的Field Level Ⅱ、麥格集團的GCS900等[12-13]。國內(nèi)，梁冉冉等[14]設計了利用雙天線GNSS的精準平地系統(tǒng)，但未針對液壓系統(tǒng)進行優(yōu)化設計，采用普通電磁換向閥，控制精度不高，且未解決液壓泵持續(xù)工作發(fā)熱的問題。中國農(nóng)業(yè)大學康熙等[15]、夏友祥等[16]、劉剛等[17]設計了基于GNSS的農(nóng)田平整系統(tǒng)，并對其精度與作業(yè)效率進行優(yōu)化，獲得了較好的土地平整效果，但田間試驗面積較小，土壤類型單一，且缺少針對水田的平整試驗。目前，將GNSS技術應用于水田平整的研究較少，缺乏成熟的產(chǎn)品。針對上述問題，本文設計一種基于GNSS的智能水田旋耕平地機，對液壓控制系統(tǒng)進行優(yōu)化設計，并進行不同土壤質(zhì)地的水田平整田間試驗，以驗證其實用性。

1 系統(tǒng)設計

1.1 系統(tǒng)組成與工作原理

智能水田旋耕平地機主要由懸掛架、旋耕平地機構、液壓系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)4部分組成。如圖1所示，懸掛架通過三點懸掛與拖拉機連接，其下設有滑槽，旋耕平地機構通過轉(zhuǎn)軸相對滑槽轉(zhuǎn)動或/和滑動連接于懸掛架下方；兩組調(diào)節(jié)油缸分置于旋耕平地機構相對懸掛架轉(zhuǎn)動中心的左、右側(cè)，上端與懸掛架鉸接，下端與旋耕平地機構鉸接，調(diào)節(jié)油缸的伸縮變化使旋耕平地機構相對懸掛架轉(zhuǎn)動或上下滑動，從而調(diào)節(jié)旋耕平地機構姿態(tài)；液壓集成閥塊安裝于懸掛架上方，通過自動控制系統(tǒng)實現(xiàn)對調(diào)節(jié)油缸的調(diào)節(jié)作用；自動控制系統(tǒng)主要包括雙天線RTK GNSS系統(tǒng)、嵌入式集成控制單元和車載顯示控制終端。雙天線RTK GNSS系統(tǒng)主要包括基站和移動接收機，移動接收機上連有移動站主、副衛(wèi)星接收天線和差分信號天線；嵌入式集成控制單元與車載顯示控制終端安裝于拖拉機駕駛室內(nèi)的集成控制臺上。為了便于運輸，旋耕平地機還設有折疊裝置與折疊油缸，可將左右兩側(cè)的機罩與刀軸總成收起。

圖1 整機結構簡圖Fig.1 Schematic of whole machine structure1.移動站衛(wèi)星接收天線 2.旋耕機 3.機罩 4.側(cè)邊折疊架 5.折疊中間架 6.中央減速器 7.調(diào)節(jié)油缸 8折疊油缸 9.平地拖板 10.側(cè)邊齒輪箱 11.傳動軸 12.懸掛架 13.蓄能器 14.液壓集成閥塊 15.旋轉(zhuǎn)軸

智能水田旋耕平地機采用輪式拖拉機為動力，將水田旋耕平地機的前懸掛點與拖拉機的后懸掛裝置用插銷相連，通過萬向節(jié)聯(lián)軸器將拖拉機輸出的動力傳遞給水田旋耕平地機。水田旋耕平地機的動力輸入軸上的動力通過中央減速器和側(cè)邊齒輪箱傳遞到刀軸，實現(xiàn)刀軸的旋轉(zhuǎn)運動，完成對水田的旋耕。工作前，將基站放置于田間開闊地帶，移動接收機置于拖拉機駕駛室內(nèi)，差分信號天線安裝在拖拉機頂部，移動站主、副衛(wèi)星接收天線通過磁力底座對稱吸附在旋耕平地機兩端的機罩上，直線距離為4 m，俯仰角精度為0.1°，定位精度可達厘米級。工作過程中，移動接收機實時接收旋耕平地機的傾角、高程等信息，并將接收到的相關信號傳輸至駕駛室內(nèi)的車載顯示控制終端，由車載顯示控制終端實時顯示，同時對其進行處理，形成控制信號，嵌入式集成控制單元根據(jù)調(diào)節(jié)目標值將控制信號轉(zhuǎn)變?yōu)閷谌凰耐娨罕壤龘Q向閥的換向或開度調(diào)節(jié)的電信號，發(fā)送至液壓控制系統(tǒng)，控制調(diào)節(jié)油缸的伸縮。當拖拉機傾斜時，左右兩側(cè)調(diào)節(jié)油缸分別伸長和縮短，使旋耕平地機構繞旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，保持機具水平；當拖拉機上下顛簸時，兩側(cè)調(diào)節(jié)油缸同時伸長或縮短，使旋耕平地機構沿滑槽做上升或下降運動，始終保持機具在基準面上。其中車載顯示控制終端與GNSS接收機由拖拉機上的12 V直流電源提供電能，系統(tǒng)組成與原理如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)組成與原理圖Fig.2 System compositions and principle1.拖拉機 2.車載顯示控制終端 3.差分信號天線 4.移動接收機 5.液壓集成閥塊 6.移動站衛(wèi)星接收天線 7.旋耕平地機 8.基站

1.2 液壓系統(tǒng)設計

智能水田旋耕平地機的液壓系統(tǒng)主要由單向閥、溢流閥、蓄能器、壓力表、三位四通電液比例換向閥、液壓缸等組成。液壓系統(tǒng)原理圖如圖3所示，其中油箱、液壓泵組成的液壓油源為拖拉機自帶液壓油源，通過液壓快速接頭和油管與液壓系統(tǒng)后半部分連接，液壓泵的輸出端通過管道連接溢流閥進油口和單向閥一端，單向閥的另一端與溢流閥遙控口相連，形成液壓輸出端，為系統(tǒng)提供液壓油與動力。溢流閥和單向閥組成卸荷溢流閥，主要功能是自動控制泵的卸荷與加載；選用奧萊爾的NXQ型氣囊式蓄能器，作為液壓系統(tǒng)的輔助動力源，與液壓泵協(xié)同工作，避免因液壓泵長期持續(xù)工作造成溫度過高、效率低下的情況；在卸荷溢流閥與蓄能器之間設有壓力表，用于系統(tǒng)油壓監(jiān)控；本系統(tǒng)液壓閥選用阿托斯的MA-DKZOR-TEB型三位四通電液比例換向閥，中位為O型，通過嵌入式集成控制單元發(fā)出的驅(qū)動信號控制調(diào)節(jié)油缸的伸縮；4個調(diào)節(jié)油缸分別布置在懸掛架兩端，為雙作用式液壓缸，同側(cè)兩個調(diào)節(jié)油缸同步運動。

圖3 液壓系統(tǒng)原理圖Fig.3 Schematic of hydraulic system1.油箱 2.過濾器 3.液壓泵 4.溢流閥 5.單向閥 6.液壓輸出端 7.蓄能器 8.壓力表開關 9.壓力表 10、11.三位四通電液比例換向閥 12～15.調(diào)節(jié)油缸

液壓系統(tǒng)工作初始，當壓力表壓力小于溢流閥的開啟壓力時，液壓泵通過單向閥向液壓輸出端及蓄能器供油；當壓力表壓力大于溢流閥開啟壓力時，液壓泵卸荷，系統(tǒng)壓力由蓄能器保持。兩組調(diào)節(jié)油缸對應的兩組三位四通電液比例換向閥受到對應兩路輸出電壓信號VA、VB控制：VA、VB均為正信號或負信號時，兩組三位四通電液比例換向閥的同位閥打開，兩組調(diào)節(jié)油缸同時伸長或縮短，使旋耕平地機構沿滑槽做整體上升或下降運動；VA、VB為一正一負信號時，兩組三位四通電液比例換向閥的不同位閥打開，兩組調(diào)節(jié)油缸分別伸長和縮短，使旋耕平地機構繞旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動；VA、VB均為零時，兩組三位四通電液比例換向閥均處于中位的斷電位置，兩組調(diào)節(jié)油缸鎖定在原有位置，旋耕平地機構位置保持不變。

1.3 控制系統(tǒng)設計

控制系統(tǒng)采用上、下位機結構，上位機主要功能包括：傳感器信號的接收、傾角和高程等信息的實時顯示、將處理后的控制信號發(fā)送給下位機；下位機選用的是STM32F407處理器，采用RS232串口通訊接收上位機指令，輸出兩路-10～10 V電壓模擬量信號，控制液壓系統(tǒng)中的電液比例換向閥。圖4為車載顯示控制終端實物圖。

圖4 車載顯示控制終端Fig.4 Vehicle display control terminal

系統(tǒng)中控制對象具有大延遲、大慣性的特點，常規(guī)PID控制自適應能力差，很難達到理想控制的要求，而模糊控制不依賴于對象的數(shù)學模型，特別適用于非線性、時變、滯后系統(tǒng)的控制[18-20]。本文結合模糊控制理論與PID控制技術，采用模糊PID控制方法，實時調(diào)節(jié)PID控制參數(shù)輸出適當驅(qū)動電壓VA、VB，來調(diào)節(jié)電液比例換向閥的開度，形成系統(tǒng)自適應調(diào)整功能?？刂葡到y(tǒng)框圖如圖5所示，圖中：r(t)為給定的高程與傾角目標值；e(t)為偏差；ec(t)為偏差變化率；KP為比例調(diào)節(jié)系數(shù)；KI為積分調(diào)節(jié)系數(shù)；KD為微分調(diào)節(jié)系數(shù)；y(t)為旋耕平地機實際高程與傾角。

圖5 控制系統(tǒng)框圖Fig.5 Structure diagram of control system

2 試驗與結果分析

2.1 試驗地點

為驗證智能水田旋耕平地機的可靠性和實用性，于2019年3、6、7月分別在江蘇省連云港市灌云縣前曹莊村、江蘇省東辛農(nóng)場、江蘇省五圖河農(nóng)場進行了水田平整試驗。試驗機具為幅寬4.5 m的雙折疊式水田旋耕平地機，牽引動力裝置為大于66 kW的四輪驅(qū)動拖拉機；試驗設備有車載計算機、嵌入式集成控制單元、華測導航的P3-DT高精度定位測向接收機等。圖6為兩次旋耕打漿作業(yè)現(xiàn)場圖。結合水田種植的實際耕作流程，作業(yè)前，對田地放水浸泡48 h，作業(yè)時，水田旋耕打漿作業(yè)兩遍。第1遍旋耕打漿作業(yè)時，自動控制系統(tǒng)不工作，對水田進行一次旋耕打漿，同時采用GNSS設備對地勢信息進行采集，并計算出水田基準平面。第2遍旋耕打漿作業(yè)時，打開自動控制系統(tǒng)，系統(tǒng)根據(jù)當前傾角、高程信息，參考基準平面對水田進行一次平整作業(yè)。

2.2 基準面生成方法

在設計基準面時，本文采用最小二乘法對在第1遍旋耕打漿作業(yè)中GNSS設備采集到的高程與定位數(shù)據(jù)進行平面擬合，得到控制參考平面。設基準面方程為z=ax+by+c，對于采集的一系列點(xi,yi,zi)，由最小二乘法公式可得

(1)

式中n——點數(shù)

由式(1)在上位機中自動求得a、b、c值，z=ax+by+c即為所擬合的基準面方程。

2.3 評價指標

平整度指農(nóng)田表面起伏程度，是衡量土地平整效果的重要指標。通常用各測點到設計的基準平面垂直距離的標準差Sd來表征[21]。標準差越小，說明田面起伏越小，即農(nóng)田越平整。

2.4 結果分析

試驗主要測試自動控制系統(tǒng)性能與旋耕平地機的機械性能。其中控制系統(tǒng)性能通過采集到的傾角數(shù)據(jù)進行分析，機械性能通過耕整平地后的平整度進行評價。

2.4.1智能水田旋耕平地機自動調(diào)平性能

結合智能旋耕平地機在田間的實際作業(yè)情況，選取4種不同作業(yè)速度，在同一塊地內(nèi)，分別在400 m行程下觀察旋耕平地機傾角變化情況，驗證其工作性能。不同作業(yè)速度下旋耕平地機傾角隨時間變化情況如圖7所示。

以拖拉機前進方向作為前方，規(guī)定旋耕平地機左高右低產(chǎn)生的角度為負值，圖7中橫坐標為采樣時間，采樣時間間隔為0.2 s，縱坐標為旋耕平地機傾角的測量值。旋耕平地機傾角受左右地勢高低影響并由控制系統(tǒng)控制，試驗過程中傾角不斷變化，且基本保持在設定的角度范圍內(nèi)(-0.76°～0.76°)，均方根誤差分別為0.63°、0.51°、0.54°、0.63°。結果表明，在不同作業(yè)速度下，自動控制系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性。

圖7 不同作業(yè)速度下旋耕平地機傾角變化曲線Fig.7 Dip angle of rotary-leveling machine at different working speeds

2.4.2土地平整效果

為了更加準確分析智能旋耕平地機的土地平整效果，在江蘇省連云港市進行了水田平整試驗：前曹莊村試驗田為普通農(nóng)戶種植用田，土壤類型為砂質(zhì)土，前茬作物為水稻，試驗地塊約為0.3 hm2；東辛農(nóng)場選取的試驗地塊前茬作物為小麥，土壤類型為粘質(zhì)土，地塊約為2 hm2；五圖河農(nóng)場選取的試驗地塊前茬作物為小麥，土壤類型為壤土，地塊約為3.3 hm2。將3塊試驗田分別編號1、2、3，根據(jù)采集數(shù)據(jù)中的經(jīng)緯度與高程信息，將大地坐標轉(zhuǎn)換為高斯平面直角坐標，得到圖8所示的平整前后水田三維地勢信息圖。

圖8 平整前后水田三維地勢信息圖Fig.8 Three-dimensional topographic maps of paddy field before and after leveling

從平整前后水田三維地勢信息圖和地勢數(shù)據(jù)可知：經(jīng)過一次平整作業(yè)，農(nóng)田1水田平整度由4.65 cm提高到2.83 cm，農(nóng)田2平整度由4.26 cm提高到2.61 cm，農(nóng)田3平整度由5.13 cm提高到3.25 cm。表明在不同大小的地塊、不同前茬作物與不同土壤類型下水田表面平整度都得到了較大的改善，平整度可達到3 cm左右。

3 結論

(1)設計了一種智能水田旋耕平地機，實現(xiàn)了機具的水平和高度調(diào)節(jié)，該機同時兼具水田旋耕和平地兩種作業(yè)功能。

(2)設計了一種蓄能器、液壓泵協(xié)同工作的液壓系統(tǒng)，使液壓泵能夠及時卸荷，避免由于長期工作、溫度過高而造成液壓泵的損壞。

(3)采用模糊PID控制方法，控制系統(tǒng)根據(jù)GNSS系統(tǒng)檢測的傾角和高程信息，輸出控制電壓信號，驅(qū)動電液比例換向閥控制調(diào)節(jié)油缸伸縮，實現(xiàn)了機具的自動調(diào)節(jié)。

(4)提出了基于最小二乘法確定基準面的方法，可方便快捷地進行水田平整作業(yè)。

(5)在小麥、水稻等不同前茬作物以及砂質(zhì)土、粘質(zhì)土、壤土等不同土壤類型條件下進行了水田平整試驗。試驗結果表明，旋耕平地機適用性強，平地效果好，平整度可達到3 cm左右，滿足水稻種植的農(nóng)藝要求，適合推廣使用。