車載智能土壤采樣系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

賈洪雷 房殿海 劉慧力 郭 慧 張勝偉 盧長(zhǎng)剛

(1.吉林大學(xué)生物與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院， 長(zhǎng)春 130022； 2.吉林大學(xué)工程仿生教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 長(zhǎng)春 130022；3.吉林大學(xué)汽車工程學(xué)院， 長(zhǎng)春 130022)

0 引言

土壤是生態(tài)環(huán)境的基礎(chǔ)，土壤成分測(cè)定在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)和測(cè)土配方施肥中具有重要地位[1-3]。目前，農(nóng)藥過(guò)度使用、污水灌溉和大氣重金屬沉降造成的土壤重金屬污染已經(jīng)嚴(yán)重影響土壤的生態(tài)功能、人類健康和土地的可持續(xù)利用[4-5]。對(duì)受重金屬污染的土壤進(jìn)行采樣，一般取土壤的耕作層作為樣品[6-7]。東北地區(qū)耕地面積廣，土壤解凍到播種的時(shí)間短，需要設(shè)計(jì)一種車載智能土壤采樣系統(tǒng)來(lái)快速檢測(cè)土壤中的污染物含量。取土器是采集土壤樣本的主要工具之一，其可靠性、操作方便性和機(jī)動(dòng)性不僅可以減少土壤調(diào)查工作量、提高取土效率，而且可以擴(kuò)展土壤采樣的適應(yīng)性[6]。

目前，我國(guó)使用的農(nóng)業(yè)用取土器仍以手動(dòng)居多，其適用范圍較窄。周雪青等[8]設(shè)計(jì)了一種土壤容重測(cè)定用分段式原狀取土器，將環(huán)刀法和原狀取土管法結(jié)合，取土效率提高了4～8倍。邵睿等[9]在分析中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所土壤采樣器的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)有電動(dòng)螺旋壓力機(jī)傳動(dòng)形式，將原有取土器由重力錘擊式改為螺旋傳動(dòng)與齒輪傳動(dòng)相結(jié)合，在刮土清理和定位方式上加以改進(jìn)，提高了整機(jī)工作可靠性。倪祥祥等[10]設(shè)計(jì)了一臺(tái)螺旋取土鉆，該鉆切碎土壤并推升土壤向上移動(dòng)，將土壤直接輸送到收集盒內(nèi)，具有減小阻力和減粘脫土的作用。沈立娜等[11]提出一種中空螺旋無(wú)水取土鉆具，采用無(wú)水循環(huán)、單動(dòng)雙管回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工藝和超前管靴合金鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，降低了對(duì)土樣的擾動(dòng)，但需人力手動(dòng)操作。張和鋒等[12]設(shè)計(jì)了直壓式汽油機(jī)取土器，該取土器以汽油機(jī)為動(dòng)力直壓進(jìn)入土壤，便于攜帶、操作簡(jiǎn)單、取土效率高。張凱等[13]設(shè)計(jì)了車載液壓振動(dòng)式土壤采集裝置，通過(guò)設(shè)計(jì)具有雙凸結(jié)構(gòu)的采樣管提高了裝置的可靠性與穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[14-15]設(shè)計(jì)了適應(yīng)多種環(huán)境的車載土壤快速采集裝置，通過(guò)液壓沖擊器驅(qū)動(dòng)采樣管上下移動(dòng)，完成取土作業(yè)。國(guó)外的取土器研究始于20世紀(jì)60年代，大部分以機(jī)械式為主，但需要手動(dòng)操作[16-17]。KARAHASHI等[18]設(shè)計(jì)了一種新型土芯取樣器，以電機(jī)為動(dòng)力源，取土?xí)r三腳架將裝置固定在地面，消除了挖掘時(shí)穿透阻力反作用力造成的裝置升力，取土精度和效率較好。SEWART[19]設(shè)計(jì)了小增量電取土器，使用電動(dòng)線性執(zhí)行器將土芯從取土管中推出，降低了采樣變異性。在回轉(zhuǎn)壓入式取土器中有代表性的主要有Pitcher型取土器和Denison型取土器，它們?cè)诠苎ド隙税惭b了卡簧，可以起到防止土樣脫落的作用，但卡簧容易損壞，另外取土器的價(jià)格和使用成本相對(duì)較高，取土工藝復(fù)雜[20]。ABU-HAMDEH等[21]設(shè)計(jì)了一種與拖拉機(jī)配套使用的液壓驅(qū)動(dòng)式取土裝置，利用拖拉機(jī)自帶的液壓系統(tǒng)提供動(dòng)力，能夠進(jìn)行不同深度的土樣采集，省時(shí)省力。隨著農(nóng)業(yè)智能化技術(shù)的發(fā)展，車載智能土壤采集系統(tǒng)將具有良好的應(yīng)用前景。通過(guò)設(shè)計(jì)車載土壤采集裝置、開(kāi)發(fā)土壤樣本信息管理平臺(tái)，可快速采集土壤樣本，并實(shí)現(xiàn)土樣信息化管理[22-24]。

本文在前期研究基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種安裝于無(wú)人駕駛車的車載智能土壤采樣系統(tǒng)，由電氣控制系統(tǒng)自動(dòng)控制采集土壤樣本、收集土樣和標(biāo)識(shí)土壤樣本，以提高采集全程的自動(dòng)化程度，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 設(shè)計(jì)要求

依據(jù)HJ/T 166—2004《土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》要求，針對(duì)農(nóng)田土壤環(huán)境檢測(cè)，一般采集耕作層土壤作為土樣，種植農(nóng)作物的土壤取樣深度在0～20 cm。

整體設(shè)計(jì)的基本要求：實(shí)現(xiàn)對(duì)種植農(nóng)作物0～20 cm內(nèi)任意深度范圍的土壤自動(dòng)快速采集，實(shí)現(xiàn)分層取樣；實(shí)現(xiàn)對(duì)不同采樣點(diǎn)的土樣進(jìn)行地理信息標(biāo)識(shí)并分類；保證全過(guò)程采集土樣自動(dòng)化，高效率高精度采集土樣。

1.2 整機(jī)結(jié)構(gòu)

車載智能土壤采樣系統(tǒng)安裝在無(wú)人駕駛采樣車上，整機(jī)主要由無(wú)人駕駛系統(tǒng)和車載智能土壤采樣系統(tǒng)組成。任務(wù)由遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)發(fā)布后，無(wú)人駕駛車到達(dá)指定的采樣點(diǎn)，為車載智能土壤采樣系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)采集土樣提供目標(biāo)樣本；車載智能土壤采樣系統(tǒng)的工作過(guò)程由電氣控制系統(tǒng)控制完成。整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 整機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure sketch of overall machine1.土壤樣本自動(dòng)采集裝置 2.GPS天線 3.電控箱 4.無(wú)人駕駛車 5.電池

1.3 系統(tǒng)組成與土樣采集流程

車載智能土壤采樣系統(tǒng)由土壤樣本自動(dòng)采集裝置和電氣控制系統(tǒng)組成。土壤樣本自動(dòng)采集裝置由升降機(jī)構(gòu)、取土機(jī)構(gòu)、收集土樣機(jī)構(gòu)等組成，如圖2所示。升降機(jī)構(gòu)可控制取土機(jī)構(gòu)的自動(dòng)升降；取土機(jī)構(gòu)在升降機(jī)構(gòu)的控制下，可自動(dòng)鉆土、自動(dòng)采集土樣；收集土樣機(jī)構(gòu)在取土機(jī)構(gòu)采集完土樣后，對(duì)不同地理位置的土樣進(jìn)行分類收集并實(shí)時(shí)標(biāo)識(shí)不同地理位置的土樣。電氣控制系統(tǒng)位于電控箱內(nèi)，電控箱內(nèi)安裝工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制器、電源等電氣設(shè)備，用于升降機(jī)構(gòu)、取土機(jī)構(gòu)、收集樣土機(jī)構(gòu)之間的通信及控制。

圖2 土壤樣本自動(dòng)采集裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Sketch of automatic soil sample collection device1.收集土樣機(jī)構(gòu) 2.取土機(jī)構(gòu) 3.升降機(jī)構(gòu) 4.機(jī)架

車載智能土壤采樣系統(tǒng)作業(yè)流程如圖3所示，整個(gè)土壤樣本采集過(guò)程在電氣控制系統(tǒng)的控制下完成：由升降機(jī)構(gòu)控制取土機(jī)構(gòu)向下移動(dòng)，當(dāng)鉆尖即將到達(dá)地面時(shí)，螺旋輸送器開(kāi)始旋轉(zhuǎn)，在取土機(jī)構(gòu)下降速度和螺旋輸送器轉(zhuǎn)速組合參數(shù)的控制調(diào)節(jié)下，取土機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)鉆土功能。當(dāng)鉆尖到達(dá)設(shè)定深度時(shí)，取土機(jī)構(gòu)采集土樣。隨后升降機(jī)構(gòu)控制取土機(jī)構(gòu)向上移動(dòng)，螺旋輸送器隨之向上移動(dòng)的同時(shí)反向旋轉(zhuǎn)，散落在螺旋葉片的土壤在離心力的作用下落入土槽內(nèi)，當(dāng)鉆尖脫離地面后螺旋輸送器停止反向旋轉(zhuǎn)，升降機(jī)構(gòu)繼續(xù)帶動(dòng)取土機(jī)構(gòu)向上移動(dòng)直至恢復(fù)零位。然后，收集土樣機(jī)構(gòu)到達(dá)取土機(jī)構(gòu)正下方收集采集的土樣，隨后收集土樣機(jī)構(gòu)恢復(fù)至零位。工業(yè)控制計(jì)算機(jī)控制RFID讀寫(xiě)器將采樣點(diǎn)的定位信息寫(xiě)入采集筒底面的電子標(biāo)簽內(nèi)。

圖3 車載智能土壤采樣系統(tǒng)作業(yè)流程圖Fig.3 Flow chart of soil sample automatic collection system

2 關(guān)鍵機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 升降機(jī)構(gòu)

2.1.1工作原理

升降機(jī)構(gòu)主要由絲杠、導(dǎo)軌、伺服電機(jī)、減速器、位置傳感器等部件組成，如圖4所示。

圖4 升降機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic of lifting system1.絲杠 2.伺服電機(jī) 3.減速器 4.主動(dòng)齒輪 5.被動(dòng)齒輪 6.位置傳感器 7.滑臺(tái) 8.導(dǎo)軌 9.支架

在電氣控制系統(tǒng)的控制下，升降機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)取土機(jī)構(gòu)(圖2)從零位開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，在地面以上以速度v1上下移動(dòng)。當(dāng)螺旋輸送器向下鉆進(jìn)工作時(shí)和向上運(yùn)動(dòng)鉆尖脫離地面之前，取土機(jī)構(gòu)以速度v2上下移動(dòng)。當(dāng)取土機(jī)構(gòu)上升返回零位時(shí)，位置傳感器感應(yīng)到移動(dòng)滑臺(tái)恢復(fù)零位并向電氣控制系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)，電氣控制系統(tǒng)控制升降機(jī)構(gòu)停止運(yùn)行。

2.1.2升降功率計(jì)算

伺服電機(jī)通過(guò)兩相同齒輪傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)絲杠旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)取土機(jī)構(gòu)上下移動(dòng)，由導(dǎo)程的定義[25]得出v1計(jì)算公式為

(1)

式中n1——伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min

i1——減速器減速比

Ph0——絲杠導(dǎo)程，mm

絲杠型號(hào)為米思米C-BSSC2020，長(zhǎng)度為0.76 m，直徑為30 mm，導(dǎo)程Ph0為20 mm，伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速n1為3 000 r/min，減速器減速比i1為20，計(jì)算得取土機(jī)構(gòu)最大移動(dòng)速度為0.05 m/s。設(shè)計(jì)升降機(jī)構(gòu)的總長(zhǎng)度為0.92 m，導(dǎo)軌的長(zhǎng)度為1.35 m。為保證鉆進(jìn)工作的穩(wěn)定性，通過(guò)試驗(yàn)得鉆進(jìn)速度v2不超過(guò)0.025 m/s。

滿載時(shí)取土機(jī)構(gòu)總質(zhì)量m0最大為30 kg，因此升降機(jī)構(gòu)所需功率為[26]

P0=(μ1+μ2+μ3)m0gv2+Qv2-m0gv2

(2)

其中

Q=1 000×(30～50)R2

式中P0——升降機(jī)構(gòu)所需功率，W

g——重力加速度，m/s2

μ1——取土機(jī)構(gòu)與導(dǎo)軌的摩擦因數(shù)

μ2——軸承摩擦因數(shù)

μ3——絲杠與絲母的摩擦因數(shù)

Q——螺旋輸送器軸向壓力，N

R2——鉆孔半徑，m

經(jīng)計(jì)算，升降機(jī)構(gòu)沿導(dǎo)軌滑動(dòng)所需功率為69.75 W，考慮到啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩及功率裕量，伺服電機(jī)額定功率取200 W，額定扭矩0.637 N·m。

2.2 取土機(jī)構(gòu)

2.2.1工作原理

取土機(jī)構(gòu)主要由螺旋輸送器、鉆尖、推桿、電缸、減速器、伺服電機(jī)等部件組成，如圖5所示。

圖5 取土機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Schematic of soil sampling system1.鉆頭 2.螺旋輸送器 3.主動(dòng)齒輪 4.減速器 5.伺服電機(jī) 6.電缸 7.被動(dòng)齒輪

設(shè)計(jì)螺旋葉片厚度為1.5 mm。螺旋輸送器軸作為空心取土管，取土管內(nèi)有推桿，推桿上方固定連接電缸伸縮桿，推桿下方固定連接鉆頭，電缸可通過(guò)推桿驅(qū)動(dòng)鉆頭在取土管內(nèi)上下移動(dòng)。由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋輸送器旋轉(zhuǎn)，鉆頭在取土前與取土管共同旋轉(zhuǎn)，鉆頭在取土管的原位置如圖6b所示。當(dāng)鉆尖到達(dá)設(shè)定深度時(shí)，在電缸內(nèi)部位置傳感器控制下，電缸伸縮桿驅(qū)動(dòng)鉆頭上升一段距離，此距離為需要采集土層的深度范圍，從而取土管下端形成取土空間，如圖6a所示。同時(shí)，螺旋輸送器繼續(xù)旋轉(zhuǎn)下降，鉆頭下方的土樣被擠入取土空間形成柱形土樣。當(dāng)鉆頭到達(dá)不同設(shè)定深度時(shí)，電缸伸縮桿驅(qū)動(dòng)鉆尖上升形成取土空間，螺旋輸送器繼續(xù)鉆進(jìn)將土樣擠入取土空間，因此可實(shí)現(xiàn)土壤的分層取樣。取土完畢后，土壤樣本采集控制系統(tǒng)控制螺旋輸送器上升的同時(shí)反向旋轉(zhuǎn)，螺旋輸送器上的土壤在離心力的作用下滑落在鉆土形成的土槽內(nèi)，從而減少對(duì)地表的破壞。當(dāng)收集土樣機(jī)構(gòu)收集土樣時(shí)，電缸伸縮桿推動(dòng)鉆頭恢復(fù)原位，鉆頭將進(jìn)入取土管的柱形土樣推出取土空間，為收集土樣機(jī)構(gòu)所收集。

圖6 鉆尖結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Structure of spiral drill1.鉆頭 2.推桿 3.取土管 4.螺旋葉片 5.內(nèi)花鍵 6.外花鍵

2.2.2結(jié)構(gòu)及參數(shù)設(shè)計(jì)

鉆頭在向下鉆孔時(shí)起到切去中心部分土壤的作用，并將中心部分的土壤引向四周，從而土壤被螺旋輸送器輸送。因錐形鉆頭的平穩(wěn)性好，本設(shè)計(jì)選用錐形鉆頭[27]。鉆頭錐角太小，鉆頭將進(jìn)入取土管的柱形土樣推出取土空間時(shí)會(huì)導(dǎo)致破壞土樣，還會(huì)導(dǎo)致土壤粘附在鉆頭，考慮到應(yīng)盡量減少土壤粘結(jié)在鉆頭和對(duì)原層土樣破壞，錐角設(shè)計(jì)為150°。為保證鉆土過(guò)程中鉆頭與螺旋輸送器同時(shí)旋轉(zhuǎn)，鉆頭圓柱表面設(shè)計(jì)外花鍵，取土管內(nèi)壁開(kāi)有內(nèi)花鍵，兩者相互配合，此設(shè)計(jì)可以使鉆尖在鉆土?xí)r既能隨螺旋輸送器同速旋轉(zhuǎn)，又能使鉆尖在電缸的驅(qū)動(dòng)下沿內(nèi)花鍵上下移動(dòng)。鉆尖結(jié)構(gòu)如圖6所示，正常工作過(guò)程中鉆頭只有圖6a、6b兩種狀態(tài)。

在土樣進(jìn)入取土空間過(guò)程中，取土管內(nèi)壁的內(nèi)花鍵結(jié)構(gòu)可有效減少進(jìn)入取土管的柱形土樣與鉆體內(nèi)壁的接觸面積，從而有效減小柱形土樣對(duì)鉆體內(nèi)壁的摩擦阻力。同時(shí)，這種相對(duì)凸凹的內(nèi)壁表面還具有減粘脫土作用，有利于原狀土柱保持原狀。取土管靴的主要技術(shù)參數(shù)包括刃口尖端寬度l，取土管靴內(nèi)徑de，取土管靴高度b，管靴刃口角φ，管靴切削深度a和取土管管靴外徑dw。取土管靴是取土器的主要入土部件，如圖7所示，其參數(shù)的設(shè)計(jì)對(duì)取土質(zhì)量的影響較大[10]。

圖7 取土管靴剖面簡(jiǎn)圖Fig.7 Profile of soil sampling tube boot

刃口尖端寬度l是影響切土阻力的主要參數(shù)之一。一般刃口尖端寬度越小，切土阻力越小，但同時(shí)越易發(fā)生刃口迸裂和變形。確定刃口尖端寬度l為1.5 mm。設(shè)計(jì)取土管靴的內(nèi)徑de等于取土管內(nèi)徑。取土管靴高度b不宜過(guò)大，管靴高度大則對(duì)所取土樣的摩擦阻力大，b的適宜范圍為20～30 mm。

管靴刃口的形式及角度對(duì)土樣的質(zhì)量影響很大。試驗(yàn)測(cè)得土樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度(試樣在無(wú)側(cè)向壓力情況下，抵抗軸向壓力的極限強(qiáng)度)百分比與管靴刃口角對(duì)應(yīng)的關(guān)系，如圖8所示。

圖8 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度百分比與管靴刃口角關(guān)系曲線Fig.8 Relationship between unconfined compressive strength and soil sampling tube boot cutting angle

管靴刃口角為10°時(shí)，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度百分比達(dá)90%以上；管靴刃口角為30°時(shí), 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度百分比僅為70%左右。因而取土器的管靴刃口角應(yīng)不大于10°[28]。

設(shè)計(jì)螺旋葉片軸向長(zhǎng)度為300 mm，螺旋輸送器外徑D′為120 mm。取土機(jī)構(gòu)進(jìn)行鉆土工作時(shí)，螺旋輸送器旋轉(zhuǎn)對(duì)取土管產(chǎn)生扭矩，考慮到取土管的強(qiáng)度，設(shè)計(jì)取土管內(nèi)徑de為42 mm，取土管外徑dw為50 mm，則取土管壁厚為4 mm。鉆頭上端圓柱直徑為42 mm，與取土管內(nèi)徑間隙配合。

取a=2.5 mm,當(dāng)b=20 mm時(shí)，由公式

(3)

計(jì)算得φ=7.13°，滿足要求。

2.2.3取土功率計(jì)算

螺旋輸送器轉(zhuǎn)速較低時(shí)，土壤從鉆孔底面被擠上地面[29]。螺旋升角較大，提土?xí)r土塊容易滑落[30]，選擇適當(dāng)?shù)穆菪强梢允馆斖亮鲿?，葉片的螺旋升角一般應(yīng)在8°～30°之間[31]。綜合這兩種因素，本螺旋輸送器葉片螺旋升角α選為15°。

螺距S可以根據(jù)螺旋升角α和螺旋軸直徑D的關(guān)系[30]求出，計(jì)算公式為

(4)

計(jì)算得螺距S約為42 mm。

螺旋輸送器鉆土的功率主要消耗在3方面：鉆進(jìn)功率、輸土消耗功率、鉆具與孔壁的摩擦消耗的功率[32]。

鉆進(jìn)功率N1計(jì)算公式為

(5)

式中K——切削比阻力，kPa

f2——刀刃與土壤間的摩擦因數(shù)

ωc——螺旋軸角速度，rad/s

在螺旋輸送器的螺旋作用下使鉆頭切削下來(lái)的土壤從鉆頭與孔底土壤的接觸面擠入螺旋內(nèi)，上層土壤由下層土壤推擠著向上運(yùn)動(dòng)，輸土功率N2計(jì)算公式為

(6)

其中

F1=maω2rf2(f1sinα-cosα)+mag(f1cosα+sinα)

(7)

(8)

(9)

(10)

式中F1——下層土壤對(duì)鉆頭的擠推力，N

ma——整個(gè)螺旋輸送器軸上土壤質(zhì)量，kg

R1——螺旋輸送器軸半徑，m

αl——鉆頭葉片螺旋升角，(°)

ε——土壤壓縮系數(shù)

r——葉片上土壤重心處的半徑,由于土壤被擠壓充滿葉片中,視為均勻分布， m

f1——土與土的摩擦因數(shù)

ρt——松散土壤密度，kg/m3

l1——螺旋輸送器軸的長(zhǎng)度，m

ω——螺旋輸送器臨界角速度[33]，rad/s

鉆桿轉(zhuǎn)速低于臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，外層土壤的離心力不足以克服各種阻力壓向孔壁。土壤在葉片上堆積，葉片上土壤堆積后與孔壁接觸，可以近似看作一個(gè)90°的斜坡與一個(gè)墻面接觸。在孔壁與土體之間產(chǎn)生主動(dòng)土壓力，可用朗金土壓力理論來(lái)計(jì)算?？妆谂c螺旋輸送器土柱摩擦消耗功率N3公式為

(11)

式中K0——土的靜止側(cè)壓系數(shù)

綜上，可得螺旋輸送器鉆進(jìn)的總功率為

N=N1+N2+N3

(12)

所需伺服電機(jī)功率和螺旋軸扭矩為

(13)

(14)

式中P——伺服電機(jī)1功率，W

Z——減速器效率

M——螺旋軸扭矩，N·m

螺旋葉片半徑為 0.06 m，切削比阻力為50 kPa，鉆進(jìn)速度為0.025 m/s, 刀刃與土壤間的摩擦因數(shù)為0.3，得鉆尖軸向壓力為2 100 N，螺旋軸的最大轉(zhuǎn)速為75 r/min，土塊與鉆孔間的摩擦因數(shù)為0.4，螺旋輸送器臨界角速度為7.85 rad/s，最大鉆土深度20 cm，土壤容重為1 560 kg/m3，土壤的靜止側(cè)壓系數(shù)為0.45，減速器效率為0.9，計(jì)算得螺旋輸送器鉆進(jìn)總功率為214.66 W，所需伺服電機(jī)功率為238.51 W，螺旋軸的扭矩為27.32 N·m。

在保證轉(zhuǎn)速的同時(shí)應(yīng)盡量增大扭矩，考慮到啟動(dòng)功率以及現(xiàn)場(chǎng)其他損耗功率，伺服電機(jī)的額定功率為600 W，額定扭矩1.91 N·m，選擇減速器的減速比為40，可提供扭矩76.4 N·m，轉(zhuǎn)速為3 000 r/min。

2.3 收集土樣機(jī)構(gòu)

2.3.1工作原理

收集土樣機(jī)構(gòu)主要由移動(dòng)機(jī)構(gòu)、導(dǎo)軌、伺服電機(jī)1、減速器1、位置傳感器1、RFID讀寫(xiě)器等部件組成。移動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由多孔轉(zhuǎn)盤、采樣筒、支架、伺服電機(jī)2、減速器2、位置傳感器2組成，如圖9所示。

圖9 收集土樣機(jī)構(gòu)示意圖Fig.9 Sketch of soil sample collection system1.位置傳感器1 2.絲杠 3.RFID讀寫(xiě)器 4.伺服電機(jī)1 5.減速器2 6.采樣筒 7.多孔轉(zhuǎn)盤 8.位置傳感器2 9.伺服電機(jī)2 10.減速器2 11.支架 12.鐵塊

伺服電機(jī)2及減速器2位于支架上端，多孔圓盤位于支架內(nèi)，其中心與減速器的輸出軸固定連接，伺服電機(jī)2驅(qū)動(dòng)減速器輸出軸從而帶動(dòng)多孔轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)，一次轉(zhuǎn)動(dòng)36°。采樣筒內(nèi)徑設(shè)計(jì)為50 mm，10個(gè)采樣筒均勻分布在多孔轉(zhuǎn)盤10個(gè)孔內(nèi)，每個(gè)采樣筒底面有電子標(biāo)簽，多孔轉(zhuǎn)盤相鄰孔中心之間夾角為36°。取土機(jī)構(gòu)取土完畢上升至初始位置后，收集土樣機(jī)構(gòu)開(kāi)始工作。伺服電機(jī)1驅(qū)動(dòng)移動(dòng)機(jī)構(gòu)以一定的速度沿導(dǎo)軌移動(dòng)到取土管中心的正下方，移動(dòng)距離為0.13 m。同時(shí)，伺服電機(jī)2驅(qū)動(dòng)多孔轉(zhuǎn)盤逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)位置傳感器2感應(yīng)到鐵塊時(shí)發(fā)出信號(hào)，多孔轉(zhuǎn)盤停止旋轉(zhuǎn)，此位置為多孔圓盤零位，隨后伺服電機(jī)2通過(guò)減速器驅(qū)動(dòng)多孔轉(zhuǎn)盤順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度，即將收集土樣的采集筒軸線與螺旋輸送器軸線相重合。其中采樣點(diǎn)為k+1個(gè)時(shí)多孔轉(zhuǎn)盤順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)角度為

A=36k

(15)

隨后電缸推桿推動(dòng)鉆頭，將取土管內(nèi)的柱形土樣推入采樣筒內(nèi)，移動(dòng)機(jī)構(gòu)再沿導(dǎo)軌以相同的速度反向移動(dòng)，當(dāng)位置傳感器1感應(yīng)到機(jī)架返回零位并向電氣控制系統(tǒng)輸出信號(hào)，電氣控制系統(tǒng)控制收集土樣機(jī)構(gòu)在零位停止。計(jì)算機(jī)在取土機(jī)構(gòu)返回零位后，控制RFID讀寫(xiě)器將定位信息一次性地寫(xiě)入電子標(biāo)簽。待無(wú)人駕駛車到達(dá)下一個(gè)采樣點(diǎn)取土機(jī)構(gòu)完成取土后，重復(fù)上述收集樣土的工作流程，直至10個(gè)采樣筒收集完土樣。

2.3.2移動(dòng)機(jī)構(gòu)功率計(jì)算

由于轉(zhuǎn)盤驅(qū)動(dòng)所需扭矩和功率較小，伺服電機(jī)2選擇40M-R1630F5-E型，工作電壓48 V，額定功率50 W，減速器減速比為40。

收集土樣機(jī)構(gòu)沿導(dǎo)軌移動(dòng)，由伺服電機(jī)1及減速器經(jīng)絲杠驅(qū)動(dòng)，收集土樣機(jī)構(gòu)滿載質(zhì)量m為10 kg，因此收集土樣機(jī)構(gòu)所需功率P1計(jì)算公式為[15]

P1=mg(μ4+μ5+μ6)gv3

(16)

(17)

式中μ4——收集土樣機(jī)構(gòu)與鋼軌的摩擦因數(shù)

μ5——軸承摩擦因數(shù)

μ6——絲杠與絲母的摩擦因數(shù)

v3——收集土樣機(jī)構(gòu)移動(dòng)速度，m/s

n2——伺服電機(jī)額定轉(zhuǎn)速，r/min

i2——減速器減速比

Ph1——絲杠導(dǎo)程，mm

得收集土樣機(jī)構(gòu)左右移動(dòng)所需功率為6 W。

考慮到啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩及功率裕量選擇40M-R1630F5-E型電機(jī)，工作電壓48 V，額定功率50 W，減速器減速比i2為10，采用米思米C-BSSC2010型絲杠，直徑10 mm，導(dǎo)程Ph1為10 mm，收集土樣機(jī)構(gòu)單行程0.13 m，經(jīng)計(jì)算收集土樣機(jī)構(gòu)最大移動(dòng)速度為0.05 m/s，收集土樣機(jī)構(gòu)工作所需時(shí)間為2.60 s。

3 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 電氣控制系統(tǒng)總體方案

電氣控制系統(tǒng)以運(yùn)動(dòng)控制器作為控制核心，主要部件由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制器、直流伺服電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器、慣性/衛(wèi)星組合導(dǎo)航系統(tǒng)、RFID讀寫(xiě)器等部分組成。電氣控制結(jié)構(gòu)框圖如圖10所示。

圖10 電氣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.10 Structure diagram of electrical control system

3.2 采樣運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

規(guī)劃采樣點(diǎn)信息通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)布到無(wú)人駕駛采樣車主控計(jì)算機(jī)上，計(jì)算機(jī)根據(jù)采樣點(diǎn)信息自動(dòng)規(guī)劃行駛路徑，依據(jù)慣性/衛(wèi)星組合導(dǎo)航系統(tǒng)(GPS)定位信息和激光雷達(dá)避障系統(tǒng)，完成目標(biāo)位置的自主導(dǎo)航定位。到達(dá)目標(biāo)位置后，控制車載智能土壤采樣系統(tǒng)采集土樣，目標(biāo)位置的經(jīng)緯度地理信息和采樣深度等信息可通過(guò)RFID讀寫(xiě)器寫(xiě)入當(dāng)前收集土樣采樣筒底部的電子標(biāo)簽中。

圖11 運(yùn)動(dòng)控制器調(diào)試界面Fig.11 Debug interface of motion controller

運(yùn)動(dòng)控制器選用深圳市雷賽控制技術(shù)有限公司的SMC106A-BAS 型六軸運(yùn)動(dòng)控制器，運(yùn)動(dòng)控制器調(diào)試界面如圖11所示，運(yùn)動(dòng)控制器輸入輸出點(diǎn)設(shè)有J0～J5、J6～J8和Ethernet接口，J0～J5接口用于伺服電機(jī)脈沖和方向輸入，J6～J8接口用于原點(diǎn)信號(hào)和限位信號(hào)輸入，Ethernet接口用于以太網(wǎng)通信。采用脈沖/方向信號(hào)連接方式，運(yùn)動(dòng)控制器通過(guò)向電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)送脈沖和方向信號(hào)來(lái)控制直流伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度和旋轉(zhuǎn)方向，通過(guò)絲杠轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)。直流伺服電機(jī)采用2500 P/r增量式編碼器，電子齒輪比為1∶1，根據(jù)絲杠螺距和減速機(jī)減速比可精確計(jì)算出脈沖當(dāng)量，計(jì)算公式為

(18)

式中δ——脈沖當(dāng)量

Ph——絲杠導(dǎo)程，mm

i——減速器減速比

p——每轉(zhuǎn)一圈控制脈沖數(shù)

g0——電子齒輪比

直流伺服電機(jī)工作在位置控制方式，運(yùn)動(dòng)控制器可進(jìn)行定速運(yùn)動(dòng)和定長(zhǎng)運(yùn)動(dòng)(相對(duì)位移和絕對(duì)位移)，設(shè)置脈沖當(dāng)量和運(yùn)動(dòng)速度等參數(shù)后，可通過(guò)調(diào)用運(yùn)動(dòng)控制器提供的API函數(shù)完成各機(jī)構(gòu)的精確運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)控制器具有零位和正負(fù)限位接口，通過(guò)零位和限位磁感應(yīng)傳感器，可完成取土機(jī)構(gòu)和收集土樣機(jī)構(gòu)歸零工作。運(yùn)動(dòng)控制器通過(guò)以太網(wǎng)接口與工業(yè)控制計(jì)算機(jī)連接，采用TCP/IP協(xié)議，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和控制命令的解析。

慣性/衛(wèi)星組合導(dǎo)航系統(tǒng)選擇北京星網(wǎng)宇達(dá)科技股份有限公司的XW-GI5630型，主機(jī)內(nèi)部安裝有2個(gè)GPS和北斗二合一接收機(jī)、1個(gè)MEMS慣性測(cè)量單元等，通過(guò)使用MEMS陀螺和MEMS加速度計(jì)，融合里程計(jì)信息，輔以改進(jìn)組合導(dǎo)航與姿態(tài)測(cè)量算法，可進(jìn)行厘米級(jí)精度的定位解算，航向精度0.1°，姿態(tài)精度1°，GPS差分?jǐn)?shù)據(jù)通過(guò)4芯圓形連接器輸入XW-GI5630主機(jī)的輸入接口，經(jīng)過(guò)差分的數(shù)據(jù)通過(guò)串口連接到工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。工業(yè)控制計(jì)算機(jī)將輸入的數(shù)據(jù)通過(guò)RFID讀寫(xiě)器寫(xiě)入電子標(biāo)簽中。

4 性能試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)條件

為了驗(yàn)證樣機(jī)的性能和可靠性，于2020年7月在吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)田進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)性能試驗(yàn)。車載智能土壤采樣系統(tǒng)所采集土壤類型為壤土，車載智能土壤采樣系統(tǒng)配套車輛為吉林大學(xué)自主研發(fā)的無(wú)人駕駛采樣車。試驗(yàn)儀器主要有秒表、電子天平等。樣機(jī)試驗(yàn)如圖12所示。

圖12 樣機(jī)試驗(yàn)Fig.12 Test of prototype

4.2 試驗(yàn)方法與結(jié)果

試驗(yàn)時(shí)，車載智能土壤采樣系統(tǒng)安裝于無(wú)人駕駛采樣車上，無(wú)人駕駛采樣車按照控制指令到達(dá)采樣點(diǎn)。按照作業(yè)機(jī)設(shè)計(jì)功能要求，選取試驗(yàn)田12個(gè)經(jīng)緯度不同的土樣采集點(diǎn)進(jìn)行采樣試驗(yàn)，以采樣時(shí)間誤差、土樣質(zhì)量誤差、電子標(biāo)簽的經(jīng)緯度誤差為評(píng)價(jià)指標(biāo)。試驗(yàn)采集土樣深度范圍分別為0～50 mm、50～100 mm、100～150 mm、150～200 mm，每個(gè)深度范圍的土樣分別采集3次，每次采集土樣質(zhì)量為108.06 g。同時(shí)考察升降機(jī)構(gòu)、取土機(jī)構(gòu)和收集土樣機(jī)構(gòu)的工作運(yùn)轉(zhuǎn)情況，觀測(cè)電缸推動(dòng)鉆頭將柱形土樣從取土管推入收集土樣機(jī)構(gòu)的采集筒時(shí)，柱形土樣是否會(huì)粘附在鉆頭上。

收集土樣機(jī)構(gòu)的多孔圓盤面到地面垂直高度h1為380 mm，設(shè)計(jì)鉆尖到多孔圓盤水平面的垂直距離為20 mm。取土機(jī)構(gòu)的鉆頭距離地面高度h處為零位，則取土機(jī)構(gòu)的鉆頭距離地面高度h為400 mm，采集土樣的深度h2范圍為0～200 mm。取土系統(tǒng)在地面以上做無(wú)阻力運(yùn)動(dòng)，為提高整個(gè)過(guò)程的效率，地面以上的運(yùn)動(dòng)速度選定最大的移動(dòng)速度，升降機(jī)構(gòu)工作時(shí)間計(jì)算公式為

(19)

分層采集土樣時(shí)，升降機(jī)構(gòu)工作時(shí)間分別為20、24、28、32 s，再加上收集土樣機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)間和推桿推出土樣時(shí)間，計(jì)算采樣時(shí)間分別為23.6、27.6、31.6、35.6 s。當(dāng)車載智能土壤采樣系統(tǒng)啟動(dòng)開(kāi)始采集土樣時(shí)，記錄每次采集土樣工作時(shí)間，計(jì)算采樣時(shí)間誤差。當(dāng)無(wú)人駕駛車將12個(gè)采樣點(diǎn)的目標(biāo)土樣采集完畢后，按采集的順序?qū)⒉蓸油矁?nèi)的土樣進(jìn)行稱量，記錄采集土樣的質(zhì)量，計(jì)算土樣質(zhì)量誤差。各個(gè)采集點(diǎn)的采樣時(shí)間誤差和土樣質(zhì)量誤差如表1所示。計(jì)算每次試驗(yàn)采樣時(shí)間誤差和土樣質(zhì)量誤差的平均值，采樣時(shí)間平均誤差和土樣質(zhì)量平均誤差隨采集土層深度變化，如圖13、14所示。

表1 現(xiàn)場(chǎng)性能試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Field experiment performance results

圖13 采樣時(shí)間平均誤差的變化Fig.13 Change in average error of sampling time

采集土樣試驗(yàn)結(jié)束后，在工業(yè)控制計(jì)算機(jī)終端依次獲得采樣筒底面電子標(biāo)簽內(nèi)的坐標(biāo)位置信息，將這些經(jīng)緯度信息分別與試驗(yàn)前選取試驗(yàn)田12個(gè)經(jīng)緯度進(jìn)行比較，計(jì)算兩者的誤差。坐標(biāo)位置信息采集數(shù)據(jù)的處理和計(jì)算結(jié)果如表2所示。

圖14 土樣質(zhì)量平均誤差的變化Fig.14 Change in average error of soil sample quality

4.3 結(jié)果分析

由試驗(yàn)結(jié)果可以得出，采集土層深度為0～50 mm時(shí)，采樣時(shí)間誤差不超過(guò)2.08%，而在最深的土層范圍采集土樣時(shí)，采樣時(shí)間誤差最大不超過(guò)3.44%，采樣時(shí)間平均誤差隨著采集土樣深度的增加而增加；在采集較淺的土層范圍時(shí)，土樣質(zhì)量平均誤差較小，隨著采集土層深度的增加，土樣質(zhì)量平均誤差也越來(lái)越大，土樣質(zhì)量誤差最大不超過(guò)6.29%。由表2可知，試驗(yàn)前選取采樣點(diǎn)坐標(biāo)值與電子標(biāo)簽內(nèi)坐標(biāo)值之間的誤差不大于9 cm。

表2 采集坐標(biāo)信息試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Coordinate information collection test results

試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，升降機(jī)構(gòu)、取土機(jī)構(gòu)和收集土樣機(jī)構(gòu)的工作運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，順利完成采集土樣的整個(gè)工作。每次進(jìn)行收集土樣時(shí)，電缸推動(dòng)鉆頭將柱形土樣推入采集筒，此過(guò)程柱形土樣可順利進(jìn)入采樣筒，沒(méi)有發(fā)生柱形土樣粘附在鉆頭的現(xiàn)象。采樣時(shí)間誤差和土樣質(zhì)量誤差在較小的范圍內(nèi)，能夠?qū)?～200 mm任意深度范圍的土壤進(jìn)行分層采集，并且在較短的時(shí)間內(nèi)完成土樣采集。該系統(tǒng)對(duì)不同地理位置的土樣分類收集，電子標(biāo)簽內(nèi)的坐標(biāo)值誤差小，采集土樣獲得的地理位置信息有較高的精度，采集土樣的結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了一種安裝在無(wú)人駕駛采樣車上的車載智能土壤采樣系統(tǒng)，系統(tǒng)包括土壤樣本自動(dòng)采集裝置和電氣控制系統(tǒng)。分別對(duì)土壤樣本自動(dòng)采集裝置的升降機(jī)構(gòu)、取土結(jié)構(gòu)、收集土樣機(jī)構(gòu)和電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，闡述了各部件的結(jié)構(gòu)組成和工作原理，完成了關(guān)鍵工作參數(shù)的分析和計(jì)算，以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同深度范圍的土樣進(jìn)行采集并按地理位置信息分類收集。電氣控制系統(tǒng)以運(yùn)動(dòng)控制器為控制核心， 通過(guò)RFID讀寫(xiě)器將GPS系統(tǒng)定位所解算的目標(biāo)采樣點(diǎn)經(jīng)緯度地理信息和采樣深度等信息寫(xiě)入當(dāng)前收集土樣采樣筒底部的電子標(biāo)簽中。

(2)車載智能土壤采樣系統(tǒng)采集土樣的精度和效率均較高，采樣時(shí)間誤差和土樣質(zhì)量誤差較小。當(dāng)采集土層深度為0～50 mm時(shí)，采樣時(shí)間平均誤差不超過(guò)2.08%，在最大土層深度采集土樣時(shí)，采樣時(shí)間平均誤差不超過(guò)3.44%，采樣時(shí)間平均誤差和土樣質(zhì)量平均誤差隨著采集土層深度的增加而增加。

(3)系統(tǒng)將不同采樣點(diǎn)的土樣通過(guò)標(biāo)識(shí)實(shí)時(shí)的定位信息進(jìn)行分類，試驗(yàn)前選取采樣點(diǎn)坐標(biāo)值與電子標(biāo)簽內(nèi)坐標(biāo)值之間的誤差不大于9 cm。

(4)系統(tǒng)能夠?qū)r(nóng)耕層0～200 mm任意深度范圍的土壤進(jìn)行自動(dòng)分層采樣，采樣全程自動(dòng)化，各機(jī)構(gòu)運(yùn)行穩(wěn)定，鉆頭無(wú)粘附柱形土樣的現(xiàn)象。