耕深自動測量方法分析

楊少奇 李廣宇 徐峰

摘要 ? ?通過對丘陵山地拖拉機車身調(diào)平模式和后懸掛機具橫向調(diào)平模式的研究和分析，以及在研究了現(xiàn)有耕深自動測量方法的基礎(chǔ)上，通過理論分析和計算，本文提出一種基于具有車身調(diào)平功能的丘陵山地拖拉機的耕深自動測量方法。丘陵山地拖拉機車身調(diào)平模式分為單側(cè)作用和雙側(cè)作用2種形式;后懸掛機具橫向調(diào)平模式也分為單側(cè)作用和雙側(cè)作用2種形式，進行搭配組合得到4種組合工作模式。針對這4種工作模式，通過對事先在水平作業(yè)面內(nèi)標(biāo)定好的耕深測量公式分別進行零點修正和等效角度選用，共得到8組最終的測量公式。不僅能夠滿足水平作業(yè)面內(nèi)的測量要求，而且還能在坡地等高作業(yè)時，后懸掛機具的橫向角度調(diào)整后，通過實時采集傳感器的信號即可獲得實際耕深，實現(xiàn)耕深的自動測量。

關(guān)鍵詞 ? ?耕深;自動測量;車身調(diào)平;懸掛調(diào)平;山地拖拉機

中圖分類號 ? ?TP273;S219.85 ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼 ? ?A

文章編號 ? 1007-5739（2020）13-0154-03 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）

丘陵山區(qū)地況復(fù)雜多變，地面高低起伏不定。研發(fā)具有車身調(diào)平功能的丘陵山地拖拉機，不僅能確保駕駛員的人身安全和操作舒適，而且能夠提高拖拉機在山地作業(yè)的穩(wěn)定性和通過性，與之配套的后懸掛系統(tǒng)對拖拉機車身調(diào)平、懸掛機具調(diào)平，以及實現(xiàn)山地拖拉機后懸掛機具對坡地的仿形作業(yè)起著至關(guān)重要的連接作用[1]。利用控制器、傳感器和智能控制算法等先進儀器和技術(shù)的電控液壓懸掛系統(tǒng)是山地拖拉機后懸掛系統(tǒng)發(fā)展的最佳方案[2-5]。此類后懸掛系統(tǒng)多采用雙提升液壓缸，分別調(diào)節(jié)左右下拉桿的傾角實現(xiàn)后懸掛農(nóng)機具的橫向角度的變化，從而適應(yīng)丘陵山地的作業(yè)要求。邵明璽等[6]利用液壓缸活塞桿位移與橫向角度的函數(shù)關(guān)系，采用模糊PID控制方法，對所設(shè)計的后懸掛系統(tǒng)進行仿真分析和臺架試驗，丘陵山地地形在±15°的變化范圍內(nèi)，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間和控制精度滿足設(shè)計要求;蔣 ?俊等[7]分析了丘陵山地拖拉機后懸掛系統(tǒng)的液壓系統(tǒng)的運行機理以及控制方法，并對定負(fù)載和變負(fù)載2種典型工況進行了仿真分析。

現(xiàn)有耕深的自動測量方法是在水平作業(yè)面內(nèi)（即保證農(nóng)機具的橫向角度為零），基于傾角傳感器，建立耕深與后懸掛系統(tǒng)相應(yīng)運動構(gòu)件的傾角之間的數(shù)學(xué)模型，從而通過實時采集運動構(gòu)件與水平地面的夾角得到實時的作業(yè)耕深[8]。尹彥鑫等[9]基于深松機建立了耕深與拖拉機下拉桿傾角和深松機架傾角之間的數(shù)學(xué)模型，通過分別檢測下拉桿和深松機架與水平地面的夾角來獲得耕深;杜新武等[10]基于旋耕機建立了耕深與拖拉機下拉桿傾角和旋耕機架傾角之間的數(shù)學(xué)模型，耕作時通過分別檢測下拉桿和機架與水平地面的夾角來獲得耕深;楊少奇等[11]基于深松機建立了耕深與拖拉機下拉桿傾角和拖拉機車身俯仰角之間的數(shù)學(xué)模型，通過實時檢測下拉桿和車身與水平地面的夾角來獲得耕深，即使在水平作業(yè)面內(nèi)出現(xiàn)起伏也能準(zhǔn)確地測量耕深。然而，為了適應(yīng)丘陵山地等高作業(yè)，需要對農(nóng)機具進行橫向調(diào)整，調(diào)整后，直接套用現(xiàn)有的自動測量方法，不能滿足實際需要。

為此，在研究了現(xiàn)有耕深自動測量方法的基礎(chǔ)上，通過對丘陵山地拖拉機車身調(diào)平模式和后懸掛機具橫向調(diào)平模式進行搭配組合和分析，本文提出一種基于具有車身調(diào)平功能的丘陵山地拖拉機的耕深自動測量方法，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)水平作業(yè)面內(nèi)耕深的測量，而且還能在坡地等高作業(yè)時，后懸掛機具的橫向角度調(diào)整后，實現(xiàn)耕深的自動測量。

1 ? ?系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和原理

為了能在坡地等高作業(yè)過程中實現(xiàn)后懸掛農(nóng)機具橫向轉(zhuǎn)角的調(diào)節(jié)，設(shè)計了一套與具有車身調(diào)平功能的丘陵山地拖拉機配套的電控液壓懸掛機構(gòu)，其結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

通過控制左提升油缸和右提升油缸伸縮的同時來實現(xiàn)掛接農(nóng)機具的耕作深度調(diào)節(jié)，兩側(cè)油缸同時伸長則耕作深度增加，反之耕深變淺。左傾角傳感器實時反映左提升油缸的伸縮量，右傾角傳感器實時反映右提升油缸的伸縮量;利用左傾角傳感器和右傾角傳感器能實時監(jiān)測農(nóng)機具的耕作深度。當(dāng)左提升油缸和右提升油缸的伸縮量一致時，懸掛農(nóng)機具的橫向轉(zhuǎn)角為零，適應(yīng)于水平作業(yè)面。為了能夠適應(yīng)在不同的坡面上作業(yè)，可以通過控制左提升油缸和右提升油缸的伸縮量不一致以調(diào)節(jié)掛接農(nóng)機具的橫向角度來實現(xiàn)。當(dāng)左提升油缸的伸縮長度大于右提升油缸的伸縮長度時，適應(yīng)于坡面角（坡面與水平面所成的夾角，逆時針為正）大于零的情況，此時面朝拖拉機的前進方向，坡面呈現(xiàn)左低右高;左提升油缸的伸縮長度小于右提升油缸的伸縮長度時適應(yīng)于左高右低的坡面。

后懸掛機具的橫向調(diào)平模式分為2種：一種是雙側(cè)作用調(diào)平，即在一定傾角的坡面上，同時調(diào)整懸掛系統(tǒng)的左右提升油缸，一側(cè)提升油缸伸長，另外一側(cè)提升油缸縮短，使后懸掛機具的兩下懸掛點形成高度差，從而保證后懸掛機具的橫向轉(zhuǎn)角等于坡地的坡面角;一種是單側(cè)作用調(diào)平，即只調(diào)整懸掛系統(tǒng)一側(cè)提升油缸，使兩下懸掛點形成高度差，來實現(xiàn)機具橫向轉(zhuǎn)角的調(diào)整。其具體實現(xiàn)過程以在左低右高（即β>0）的坡面上作業(yè)為例，分別將左下拉桿AG和右下拉桿DH投影在拖拉機的鉛垂背面和側(cè)面，如圖2和圖3所示。

經(jīng)過理論分析和計算得到這些自動測量方法，不僅能夠測量水平作業(yè)面內(nèi)的耕深，還能在坡地等高作業(yè)時，后懸掛機具的橫向角度調(diào)整后，實現(xiàn)耕深的自動測量，為提高田間作業(yè)質(zhì)量和作業(yè)效率提供了思路和理論參考。

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