基于五連桿移栽機構(gòu)的自定深仿形裝置設(shè)計與試驗

何騰飛，李 慧，王永水，史 嵩，周紀(jì)磊，張榮芳，薦世春

(1.山東省農(nóng)業(yè)機械科學(xué)研究院，山東 濟南 250100；2.濟南技師學(xué)院，山東 濟南 250100)

栽苗深度是衡量移栽機作業(yè)質(zhì)量的重要指標(biāo)。不同種類作物移栽時，對缽苗移栽入土深度要求不同，而移栽作業(yè)地塊壟面起伏不平，因此，移栽機作業(yè)時對壟面高低變化的實時跟蹤仿形對于穩(wěn)定移栽深度、提高移栽作業(yè)質(zhì)量極其重要。

目前，國內(nèi)外多采用單鉸接、平行四連桿及五桿雙自由度等機械式仿形機構(gòu)并輔之以限深輪的形式來實現(xiàn)作業(yè)深度調(diào)節(jié)，如侯守印等[1]采用雙自由度多鉸接仿形裝置進(jìn)行免耕精量播種單體仿形，趙建亮等[2]對花生播種機的關(guān)鍵部件進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計以適應(yīng)花生播種時的壟面起伏變化，曹秀振等[3]設(shè)計了雙向平行四桿仿形機構(gòu)在壟間套播冬小麥免耕播種機，陳智鍇等[4]綜合運用電子傳感器技術(shù)、液壓傳動技術(shù)和微處理器控制技術(shù)設(shè)計了一套自動限深系統(tǒng)用于花生收獲，呂凱英等[5]設(shè)計了木薯收獲機挖掘鏟挖深控制系統(tǒng)以解決木薯種植地表不平、挖深不一致問題，王科杰等[6]、羅威等[7]和楊松梅等[8]針對殘膜回收等設(shè)計出一系列殘膜回收仿形裝置，劉平義等[9]設(shè)計了丘陵山區(qū)農(nóng)用仿形行走動態(tài)調(diào)平底盤，偉利國等[10]設(shè)計了聯(lián)合收割機割臺地面仿形控制系統(tǒng)，美國John Deere公司[11]生產(chǎn)的各類機具也配備有不同形式的單體仿形結(jié)構(gòu)。這些研究主要集中在精量播種、花生收獲、殘膜回收、割臺或底盤仿形等領(lǐng)域，且多采用被動仿形。

移栽作業(yè)地塊通常面積較小，且在山區(qū)較為普遍，地塊崎嶇不平，因此設(shè)計用于移栽機的自定深仿形機構(gòu)極為必要。目前，扈凱等[12]使用水平傾角傳感器和位移傳感器分別測定水平姿態(tài)和離地間隙，以電動推桿作為執(zhí)行元件實現(xiàn)自適應(yīng)仿形。胡建平等[13]設(shè)計了一種基于雙四桿機構(gòu)的移栽機自動升降仿形底盤。德國Grimme公司生產(chǎn)了Terra-control挖掘深度自動控制系統(tǒng)等[14]。上述仿形主要為底盤主動仿形，此類仿形主要缺陷是一般有縱向仿形，缺少橫向仿形[15]。

針對上述問題，本文基于課題組前期研發(fā)的勻速雙曲柄五桿式移栽機構(gòu)[16-17]，采用栽植器仿形方法，結(jié)合精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)要求，以program machine control(PMC)控制器為核心，設(shè)計了自動精準(zhǔn)定深仿形裝置，對每行栽植器進(jìn)行獨立主動仿形。通過理論分析確定關(guān)鍵結(jié)構(gòu)與參數(shù)，并設(shè)計了相應(yīng)的臺架，運用正交試驗優(yōu)化方法并結(jié)合臺架試驗，研究該仿形機構(gòu)作業(yè)速度、升降速度和移栽株距參數(shù)變化與栽深合格率關(guān)系，確定了最佳結(jié)構(gòu)和作業(yè)參數(shù)組合，以期為高效仿形移栽作業(yè)提供技術(shù)參考。

1 仿形裝置關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 自定深仿形裝置設(shè)計

自定深仿形裝置(圖1)是實現(xiàn)栽深一致的關(guān)鍵系統(tǒng)，主要由伺服電機、聯(lián)軸器、電機安裝座、上固定支撐、滑軌、滑塊、底座固定支撐支架、滑塊安裝板、升降臺架、絲杠-升降臺架連接架、滾珠絲杠、下固定支撐、傳感器、地輪、控制器組成。

作業(yè)時，地輪在高低起伏的壟面滾動，地輪會帶動直線位移傳感器伸長或縮短并發(fā)出相應(yīng)電控信號，控制器根據(jù)位移傳感器發(fā)出的信號控制交流伺服電機旋轉(zhuǎn)方向及行程。當(dāng)壟面高度升高時，控制器使伺服電機正轉(zhuǎn)，通過滾珠絲杠帶動移栽升降臺沿導(dǎo)軌上升相應(yīng)高度，當(dāng)壟面高度下降時伺服電機反轉(zhuǎn)，通過滾珠絲杠帶動移栽升降臺下降相應(yīng)高度，實現(xiàn)移栽深度一致。

1.2 關(guān)鍵部件選型及校核

蔬菜移栽起壟后壟面不平整[18-20]，根據(jù)田間壟面平整度實測，壟面最高點和最低點高度差在5 cm左右，考慮機器性能及極限情況，設(shè)定試驗臺滿足高度差為10 cm的壟面高低起伏的工況。

為達(dá)到理想移栽狀態(tài)，要求移栽機構(gòu)在正常作業(yè)速度下，從一個移栽位置到達(dá)下一個移栽位置時，移栽一個株距的距離所需時間應(yīng)大于升降裝置升降到最大高度的時間[21]。即

(1)

式中，Lz為移栽株距(cm)；Vj為作業(yè)行進(jìn)速度(m·s-1)；Hmax為升降裝置升降最大高度(cm)；Vs為升降速度(m·s-1)；tf為控制器處理信號時間(ms),一般為幾毫秒，可忽略不計。

從式(1)可得，在移栽株距、升降高度一定時，機具行進(jìn)速度與移栽升降速度匹配，移栽效果理想。升降速度Vs需滿足：

Vs≥VjHmax/Lz

(2)

即在移栽株距、升降高度一定時，機具行進(jìn)速度(旋轉(zhuǎn)式圓形土槽轉(zhuǎn)速)與移栽升降裝置升降速度匹配時，栽植深度效果理想。移栽試驗裝置最大行走速度為0.3 m·s-1，最大升程10 cm；最小株距為10 cm；根據(jù)式(2)可得升降速度Vs需滿足≥0.15 m·s-1。當(dāng)伺服電機轉(zhuǎn)速為3 000 r·min-1、絲杠導(dǎo)程為5 mm時，可計算出絲杠升程為0.25 m·s-1，因此，絲杠選型滿足設(shè)計需求[22]。

實測該試驗臺移栽機構(gòu)重量73 kg，升降臺架自身重量小于10 kg。要使升降臺能順利提升，電機扭矩需滿足一定的要求，即

T=M×g×Pb/2π

(3)

式中，T為提升試驗臺所需最小扭矩(N·m-1)；g為重力加速度(m·s-2)；Pb為滾珠絲杠螺距(m)；根據(jù)計算，要提升起移栽機構(gòu)所需的扭矩，T=0.65 N·m-1時試驗臺所選伺服電機單臺額定扭矩為2.38 N·m-1>0.65 N·m-1因此，選用SDGA-08C11AB-48V型號電機，其額定轉(zhuǎn)速3 000 r·min-1，額定扭矩為2.38 N·m-1，滿足起降要求。

1.3 算法設(shè)計

傳統(tǒng)機械式調(diào)深機構(gòu)在作業(yè)前手動預(yù)調(diào)節(jié)一個栽深范圍，在作業(yè)過程中根據(jù)實際移栽效果再適時調(diào)整，整個過程繁瑣、費時，且移栽深度精度較差。要實現(xiàn)移栽的深度一致，主動仿形方法要求位移傳感器檢測到壟面高度信號，信號傳輸?shù)缴迪到y(tǒng)，升降系統(tǒng)在規(guī)定時間內(nèi)升降至準(zhǔn)確位置，實現(xiàn)每株缽苗移栽入土深度一致。同時，為提高栽深的一致性和穩(wěn)定性，采用二次指數(shù)平滑法[23-24]對移栽深度變化量進(jìn)行修勻。即，采用二次指數(shù)平滑法對檢測到的壟面高度值進(jìn)行移栽深度修勻后預(yù)測移栽深度。

(4)

S(2)t=aS(1)t+(1-a)S(1)t-1

(5)

式中，S(1)t-1為第t-1期的一次指數(shù)平滑值；S(1)t為第t期的一次指數(shù)平滑值；S(2)t為第t期的二次指數(shù)平滑值；α為平滑常數(shù)。

二次指數(shù)平滑法的預(yù)測模型為：

Ft+T=at+btT

(6)

其中

at=2S(1)t-S(2)t

(7)

bt≥a(S(1)t-S(2)/1-at)

(8)

式中，F(xiàn)t+T為第t+T期預(yù)測值；T為向未來預(yù)測的期數(shù)；at、bt分別為模型參數(shù)。

2 自定深移栽試驗臺設(shè)計

2.1 移栽試驗臺結(jié)構(gòu)設(shè)計

試驗臺機械結(jié)構(gòu)主要由移栽總成、自定深仿形裝置、升降臺、底座固定支撐支架、位移傳感器安裝板組成，移栽機構(gòu)通過升降臺架及滑塊安裝在升降系統(tǒng)上，通過升降系統(tǒng)控制實現(xiàn)移栽臺架沿底座固定支架的上下移動(圖2)。

2.2 試驗臺控制系統(tǒng)總體設(shè)計

自定深移栽試驗臺的控制系統(tǒng)以PMC-20MT為核心，執(zhí)行機構(gòu)由2臺伺服電機組成，其中，根據(jù)試驗臺的升降系統(tǒng)需求，設(shè)置2個伺服電機的轉(zhuǎn)速同步，采用主令同步的控制策略，即2個伺服電機的由PMC產(chǎn)生的同一個脈沖信號控制。

系統(tǒng)采用閉環(huán)控制，通過觸摸屏輸入設(shè)定移栽株距及隨動速度來確定模糊控制器的輸入量，由此來確定由PLC產(chǎn)生的同一個脈沖信號輸出量，實現(xiàn)對自定深移栽試驗臺伺服電機的控制，控制原理如圖3所示。

2.3 控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計

試驗臺控制系統(tǒng)采用DGUS屏作為控制系統(tǒng)的顯示和輸入端，顯示屏的分辨率為800×480。顯示器主界面顯示機具的行走速度、移栽株距、栽植株樹、栽植深度等作業(yè)參數(shù)，觸摸屏顯示界面如圖4所示。選用旋轉(zhuǎn)編碼器實測旋轉(zhuǎn)土槽的實時速度，升降臺設(shè)有行程限位開關(guān)限制極限升降位置，PMC作為控制中心接收來自編碼器、觸摸屏的信號，并做出相應(yīng)的控制。

試驗臺整個控制系統(tǒng)的指令由PMC程序給出，首先，對整個自定深移栽系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)模型簡化，建立傳遞函數(shù)。

因為自定深移栽系統(tǒng)受到多因素的影響，所以選用模糊平滑控制技術(shù)對移栽深度進(jìn)行實時調(diào)整。其次，使用軟件建立自定深移栽試驗臺控制流程圖模糊控制規(guī)則表，然后采用查表法嵌入PMC程序?qū)崿F(xiàn)模糊控制，具體軟件流程圖如圖5所示。

系統(tǒng)啟動后根據(jù)地輪及傳感器的初始位置作為控制器(PMC)判斷后續(xù)壟面高低變化的初始高度。如圖2所示，仿形地輪輪心與移栽機構(gòu)入土部件入土點的初始安裝距離為L=1 200 mm，仿形地輪前后位置可調(diào)。針對不同作物的移栽株距Lz不同，系統(tǒng)運行前需在參數(shù)界面的株距調(diào)節(jié)參數(shù)一欄中輸入所需移栽株距(180 mm≤Lz≤300 mm)，系統(tǒng)默認(rèn)L為移栽株距的整數(shù)倍，當(dāng)L不為Lz的整倍數(shù)時，可微調(diào)仿形地輪與移栽機構(gòu)入土部件之間距離，使之滿足L=N×Lz。每行走一個株距的距離，系統(tǒng)就自動采集一次壟面高度數(shù)據(jù)并自動存儲至一個臨時數(shù)組內(nèi)。當(dāng)采集到第N+2次時，將第N+2次采集到的數(shù)據(jù)與第1次存儲的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，若高度差大于10 mm時，控制器輸出調(diào)整信號，高度差小于10 mm時，控制器不輸出調(diào)整控制信號，如此往復(fù)循環(huán)。

由于地輪自重及土壤松軟度的影響，作業(yè)中地輪會陷進(jìn)土壤的一定深度，若忽略該深度會造成栽深出現(xiàn)偏差。因此，考慮該系統(tǒng)影響，針對不同作業(yè)地塊的土壤松軟度，可通過參數(shù)界面的地輪陷深參數(shù)欄輸入實際地輪陷深深度，控制器根據(jù)該參數(shù)實時對移栽深度進(jìn)行補償。

最終，自定深移栽試驗臺主要參數(shù)如表1所示。

表1 自定深移栽試驗臺主要技術(shù)參數(shù)

3 臺架試驗

3.1 試驗設(shè)備

基于旋轉(zhuǎn)式圓形土槽進(jìn)行室內(nèi)移栽試驗，以驗證自定深移栽試驗臺工作性能。旋轉(zhuǎn)式圓形土槽具有占地面積小、可連續(xù)試驗、參數(shù)測試方便等優(yōu)點，能有效縮短研發(fā)周期，是目前進(jìn)行農(nóng)業(yè)機械試驗采用的主流試驗設(shè)備[25-26]。試驗時自定深移栽試驗臺固定安裝在圓形土槽正上方，保證被測對象和圓形土槽臺的相對運動關(guān)系，模擬田間作業(yè)。

作業(yè)時自定深移栽試驗臺通過可伸縮式聯(lián)軸器與圓形土槽的動力輸出軸連接給自定深移栽機構(gòu)提供動力(圖6)。通過調(diào)節(jié)自定深移栽試驗臺與旋轉(zhuǎn)式圓形土槽相對位置及相對速度可調(diào)節(jié)移栽株距、行進(jìn)速度、入土深度等模擬田間移栽作業(yè)時的栽植過程和方式。將移栽機構(gòu)固定在升降臺上，通過升降電缸調(diào)節(jié)移栽機構(gòu)與土槽內(nèi)壟面的初始距離；通過控制系統(tǒng)設(shè)定土槽轉(zhuǎn)速，模擬移栽行進(jìn)速度；通過調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)升降伺服電機轉(zhuǎn)速，進(jìn)而調(diào)節(jié)升降臺升降速度；試驗臺底部的傳感器安裝板處裝有與地輪連接的位移傳感器，地輪在壟面滾動時會隨著壟面高低起伏而帶動位移傳感器伸縮，控制裝置根據(jù)位移傳感器發(fā)出控制信號，控制升降伺服電機旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而實現(xiàn)試驗臺架上升或下降，達(dá)到移栽深度一致。

3.2 試驗方法

按照我國旱地栽植機械作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(JB/T10291-2013)[26]，試驗前先對旋轉(zhuǎn)式圓形土槽內(nèi)的土壤進(jìn)行起壟和整形，壟截面為近似等腰梯形，頂寬300 mm，底寬為旋轉(zhuǎn)土槽槽寬500 mm。為了保證壟面對仿形地輪激勵的一致性，人工在土槽內(nèi)均勻連續(xù)地設(shè)置壟面的高度分別為L1=300 mm，L2=350 mm，h1=200 mm，h2=300 mm，h3=260 mm，如圖7所示。

試驗設(shè)備包括鋼卷尺(量程0～5 m)、數(shù)顯角度尺(量程0～360°)、標(biāo)桿和秒表等。

3.3 試驗因素及評價指標(biāo)

試驗因素包括土槽轉(zhuǎn)速、升降速度、移栽株距，考察在3因素3水平(表2)下的栽深合格率和苗株直立狀態(tài)。試驗因素編碼如表2 所示。

表2 試驗因素編碼

根據(jù)旱地栽植機械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T10291—2013《旱地栽植機械》，秧苗栽植深度為秧苗與覆土表面交點到秧苗根部的垂直距離，栽植深度合格率以H來判定，H<75為不合格，H≥75為合格，H>90為優(yōu)良。

(9)

式中，Nh為栽植深度合格的總株數(shù)；N為栽植總株數(shù)。

根據(jù)表3試驗設(shè)計方案及結(jié)果可以看出，栽深合格率最低為84.99%、最高為92.7%，栽植深度合格率較好。對試驗結(jié)果進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表4所示，模型P<0.01，表明回歸模型極顯著，失擬項P>0.05，表明模型誤差小，該模型可用于仿形角度均差的預(yù)測。

表3 試驗設(shè)計方案及結(jié)果

表4 栽深合格率方差分析

在該回歸模型中，A、B、C、BC、B2、C2的P<0.01，表明在95%的置信區(qū)間內(nèi)，這些因素對于回歸模型的影響極顯著。AB、AC、A2的P<0.05，表明在95%的置信區(qū)間內(nèi)，這些因素對于回歸模型的影響具有顯著性。

各試驗因素對于回歸模型的影響顯著性順序由大到小為：C(移栽株距)、B(升降速度)、A(土槽轉(zhuǎn)速)，擬合回歸方程為：

Y=90.68-0.17A+0.54B+0.66C+0.1AB+0.3AC-0.27BC-0.5A2-0.48B2+0.82C2

(10)

3.4 試驗結(jié)果與分析

通過Design-Expert 8.0.6軟件完成試驗方案的設(shè)計與結(jié)果分析。由圖8(a)可知，當(dāng)株距位于0水平時，在土槽轉(zhuǎn)速的各個水平下，隨著升降速度的增加，栽深合格率呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，表明在移栽速度一定的情況下，單純的提高升降速度不能完全提高栽深合格率，較高的升降速度反而影響移栽的精準(zhǔn)性和穩(wěn)定性，降低了栽深合格率。由圖8(b)可知，當(dāng)升降速度位于0水平時，在試驗土槽轉(zhuǎn)速各個水平下，隨著移栽株距的增大，栽深合格率呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢，表明當(dāng)移栽較大的株距時會留出更充裕的時間供栽植機構(gòu)完成栽植工作。如圖8(c)所示，當(dāng)土槽轉(zhuǎn)速位于0水平時，在移栽株距的各個水平下，栽深合格率隨著升降速度的的升高呈現(xiàn)先升高后又略微下降的趨勢。

3.4 參數(shù)優(yōu)化

為了達(dá)到栽深合格率的最優(yōu)性能，以高栽深合格率為優(yōu)化目標(biāo)，應(yīng)用Design-Expert 8.0.6對土槽轉(zhuǎn)速、升降速度、移栽株距進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，結(jié)合試驗約束條件，建立目標(biāo)及約束函數(shù)如下：

(11)

運用數(shù)據(jù)統(tǒng)計軟件對模型進(jìn)行分析求解，優(yōu)化后的最佳參數(shù)組合為：土槽轉(zhuǎn)速180 mm·s-1、升降速度142 mm·s-1、移栽株距195 mm，在該參數(shù)組合條件下的栽深合格率達(dá)到93.1%。

3.5 臺架試驗驗證

實驗在自定深移栽試驗臺進(jìn)行。試驗參數(shù)組合：土槽轉(zhuǎn)速180 mm·s-1、升降速度142 mm·s-1、移栽株距195 mm，共進(jìn)行6組試驗，每組試驗2次，試驗結(jié)果取平均值。

試驗結(jié)果如表5所示，平均栽深合格率≥91.9%，通過理論優(yōu)化與試驗結(jié)果進(jìn)行對比可知，兩者非常接近，表明優(yōu)化預(yù)測模型可靠，所得最優(yōu)參數(shù)組合符合栽深要求。

表5 臺架試驗測定結(jié)果

4 結(jié) 論

1)以PMC控制器為核心的自定深移栽試驗控制系統(tǒng)，可通過人機交互界面設(shè)定移栽作業(yè)速度、升降速度、移栽株距等參數(shù)，針對不同壟型模擬移栽深度測試和試驗，為移栽機整機設(shè)計提供模塊化試驗平臺。

2)根據(jù)Box-Benhnken試驗設(shè)計方法，采用三因素三水平響應(yīng)面分析方法，得出影響栽深合格率的因素由大到小為移栽株距、升降速度、土槽轉(zhuǎn)速。通過軟件系統(tǒng)尋優(yōu)確定最佳作業(yè)參數(shù)組合為土槽轉(zhuǎn)速180 mm·s-1、升降速度142 mm·s-1、移栽株距195 mm。

3)建立了栽深合格率與移栽株距、升降速度、土槽轉(zhuǎn)速的二次回歸模型，臺架試驗表明，平均栽深合格率91.9%，對應(yīng)栽深合格率均差為1.39，栽深合格率能夠滿足作物移栽作業(yè)的栽深一致性要求。