棉花打頂機自動對行裝置設計與試驗

張晉國 鄭 超 趙 金 張瑞星 趙西哲 李峰濤

(1.河北農業(yè)大學機電工程學院， 保定 071001； 2.河北省棉花產業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心， 保定 071001；3.石家莊學院機電學院， 石家莊 050031； 4.河北雙天機械制造有限公司， 定州 073000)

0 引言

棉花具有無限生長的習性，其頂端優(yōu)勢尤為明顯，棉花頂端的無限生長將消耗果枝的營養(yǎng)，導致棉花產量降低[1-2]。因此需通過摘除頂心來提高產量。棉花打頂方式可分為：人工打頂、化學打頂和機械打頂[3-4]。人工打頂費時、費力，化學打頂和機械打頂可大幅度提高打頂效率，將逐漸取代人工打頂[5-8]。

研究發(fā)現，打頂時除切除頂尖外還需切除最高側枝，雖然最高側枝也會結桃，但結桃能力遠低于下面的果枝[9]。相關學者設計了同時切除頂尖與最高側枝的打頂機，但并未涉及自動對行問題[10-11]，再加上導航播種技術尚未完全普及，使人工對行播種行距不一，棉株偏行時打頂效果差[12-13]。為此，本文設計一款同時切除頂尖與最高側枝的高地隙底盤棉花打頂機，并融入智能控制技術，設計自動對行裝置，以期提高打頂機的作業(yè)質量。

1 總體設計

1.1 打頂刀仿形布置

為適應棉花全程機械化，機采棉品種果枝短不易纏繞，大多采用76 cm等行距單行種植，種植密度4.5株/m2以上，株距24～30 cm[14-16]。

對打頂時期機采棉品種實測，如圖1所示，機采棉品種相對于手采棉品種，其最低側枝距地面較高，平均高度可達23 cm，棉株底部主莖稈偏離中心線長度在0～15 cm。

若要切除頂尖和兩側最高側枝，本文設計3片刀片同時工作，中間刀片切除頂尖，兩側刀片切除最高側枝。生長筆直的棉株通過檢測機構獲取底部主莖稈位置后對行打頂，打頂效果如圖2a所示，若未對行，則可能會造成側枝漏打或過打，如圖2b所示。但部分棉株生長不是筆直的，頂尖與底部主莖稈存在偏差，實測發(fā)現該偏差多在15 cm內。設計刀片長度為30 cm，對行系統(tǒng)使刀片對準主莖稈后，打頂效果如圖2c所示，其效果雖不如圖2a，但相對圖2d，自動對行系統(tǒng)對提高打頂質量有很大幫助。

1.2 整機結構與原理

1.2.1整機結構

結構如圖3所示，主要包括主枝打頂機構、側枝打頂機構、升降機構、對行機構和檢測機構。整機通過懸掛機構安裝于驅動底盤后端，主枝打頂機構兩側固定連接側枝打頂機構，兩打頂機構連接對行機構，檢測機構安裝在打頂機下方。

1.2.2工作原理

本機通過四點懸掛的方式與驅動底盤連接。工作時，直流電機通電帶動刀片工作；通過控制升降機構中步進電機調節(jié)打頂高度；檢測機構獲取棉株位置信息，通過控制對行機構中滑塊橫向移動，進而帶動主枝打頂機構和側枝打頂機構移動實現對行打頂。

1.2.3打頂機主要技術參數

主要技術參數如表1所示。

表1 主要部件性能參數

2 關鍵部件設計

2.1 檢測機構

2.1.1結構設計

檢測機構如圖4所示，棉株底部主莖稈一側偏移，則帶動該側檢測機構的檢測桿擺動，進而主軸與角度傳感器轉動，從而將棉株橫向偏移量轉換為角度變化量；當檢測機構通過棉株后，則扭簧使檢測桿回位。

為了避免檢測桿頻繁轉動，導致控制信號的頻繁跳變，棉株主莖稈與檢測桿間留有間距。如圖5所示，檢測桿轉動角與偏移量間的關系式為

(1)

式中β——檢測桿轉動角，(°)

L——棉株偏移量，mm

R——檢測桿長度，mm

r——檢測桿半徑，mm

h——主莖稈與檢測桿間距，mm

d——棉株底部主莖稈長軸，mm

結構設計上，檢測桿采用半徑為5 mm的鋼管，即r=5 mm，檢測桿轉動角范圍為-60°～60°。田間試驗時測得輪胎下陷最大深度為5 cm，試驗時將檢測桿高度調節(jié)距地面15 cm。經實測得，棉株距離地面高度10～15 cm處，主莖稈平均長軸d=20 mm；同行棉株小偏移量多為0～3 cm，即h=30 mm；由上文得L多為0～15 cm。由式(1)可看出L與β為正比關系，設計選取β=60°，L=15 cm時，代入式(1)得R≥25 cm，由于棉花種植行距為76 cm，且棉株最大偏離為15 cm，則R≤61 cm，設計取R=450 mm。則式(1)可簡化為

L=450(1-cosβ)+15

田間作業(yè)環(huán)境復雜，難免出現雜草等干擾，但雜草硬度比棉株莖稈小很多，為避免干擾，需控制扭簧扭矩，使得只有棉株莖稈才可帶動檢測桿轉動。本設計選用線徑2 mm、圈數9的扭簧，通過田間試驗發(fā)現，該扭簧不受雜草干擾。

2.1.2運動仿真

在三維設計軟件中繪制實體模型后導成x-t格式，并在動力學軟件RecurDyn中模擬檢測機構運動軌跡[17-18]。在軟件中將實體模型簡化，添加移動副、轉動副和接觸實現檢測機構的運動仿真模擬，如圖6所示。

經求解可得檢測桿的運動軌跡，接觸棉株后，檢測桿與前進方向夾角逐漸減小，直至完全通過棉株后，扭簧扭力將檢測桿復位。因此檢測桿經過棉株后，其與前進方向夾角變化曲線會產生一個極小值點。通過在仿真環(huán)境中設置3棵棉株，其夾角變化曲線出現了3個極小值點，如圖7所示。因此可通過讀取角度傳感器輸出模擬量變化曲線的極值點得出棉株橫向偏移量。

2.2 對行機構

對行機構如圖8所示，具體機構及原理如下：步進電機轉動，通過聯(lián)軸器帶動絲杠轉動；絲杠與螺母螺紋連接，則絲杠轉動帶動螺母移動，螺母與滑塊固定連接，滑塊與主枝打頂機構和側枝打頂機構固定連接，從而帶動兩打頂機構移動實現精確打頂。

棉花種植株距小、偏行量大、步進電機轉速有限，為保證滑塊能及時移動至棉株位置，工作時，同行相鄰的3棵棉株中，控制器程序讀取中間棉株的位置信息，但步進電機不執(zhí)行該棵棉株位置偏差運動。

采用5點梅花法[19]，實測得棉花株距為24～30 cm，棉株單側偏行量多為0～15 cm。驅動底盤工作速度為1～1.5 km/h，絲杠總長度需大于34 cm，導程為5～20 mm。電機轉速計算式為

(2)

式中S——株距，m

v——底盤速度，m/s

D——滑塊移動量，m

t——絲杠導程，m

n——電機轉速，r/min

為保證滑塊能反應及時，則電機轉速應取最大值，則變量Smin=24 cm，vmax=1.5 km/h，Dmax=30 cm。絲杠長度選取36 cm，導程t取最大值2 cm，則通過式(2)得nmax=781 r/min，設計取n=800 r/min，作為電機的工作轉速。

3 控制系統(tǒng)設計

3.1 系統(tǒng)方案

系統(tǒng)結構框圖如圖9所示，檢測機構獲取棉株位置信息，將棉株偏移量轉換為角度傳至角度傳感器?？刂破鳙@取角度信息，并分析處理后輸出步進電機的控制信號，進而控制絲杠轉動。編碼器檢測絲杠轉速反饋至電機驅動器。光電傳感器對滑塊進行限位，報警器用于提醒駕駛員駕駛偏行量是否過大，并通過人機交互界面顯示偏行方向。

3.2 硬件選型與設計

3.2.1角度傳感器

為保證采集精度，檢測模塊采用GT-C型角度傳感器，分辨率4 096位(12位)。

3.2.2光電傳感器

由于絲杠的長度有限，則滑塊兩側移動量有限。理想環(huán)境下，若底盤按導航直線行走，則滑塊兩側可移動量大于棉株兩側最大偏移量，但人工駕駛無法走出理想直線[12]。若底盤單側偏移，則可能會造成另一側檢測桿轉動角度過大，此時滑塊移動量將超過絲杠導程，硬件系統(tǒng)將會損壞。為此需設計報警系統(tǒng)提醒駕駛員駕駛偏行量是否過大。此外棉株無偏行時，滑塊需回零，則每行都需3個限位傳感器。在滑塊頂部中心處安裝擋光片，可通過檢測擋光片確定滑塊位置，因此槽型光電傳感器與擋光片較匹配，本系統(tǒng)選用EE-SX672-WR型槽型光電傳感器，安裝實物如圖10所示。

3.2.3驅動電機

本系統(tǒng)選用86系列閉環(huán)步進電機作為對行執(zhí)行部件。驅動器的選取需要與步進電機配套，則選取ZDM-2HA860型驅動器[20]。

3.2.4觸摸屏

選用速控云(上海)智能科技有限公司的HC-Suk8070型觸摸屏作為控制系統(tǒng)的人機交互界面[21-22]。

3.2.5控制器

PLC需完成對模擬信號和開關信號的采集，并輸出開關信號和脈沖控制執(zhí)行部件工作，通過串口通訊與觸摸屏連接。PLC具體型號依據系統(tǒng)架構、I/O 端口數、參考精度和經濟性進行選擇[23]。為滿足系統(tǒng)自動對行需求，選擇三菱FX2N-32MT PLC。

3.2.6高度升降模塊

打頂時期棉株高度為80～110 cm，若打頂高度固定，則會造成過打或漏打現象，不同打頂高度會對產量帶來影響[24-25]，為此需將打頂高度設為可調。本系統(tǒng)中利用脈沖發(fā)生器控制步進電機，遙控裝置控制脈沖發(fā)生器的啟/停和正/反。遙控裝置選用TAD-T70P四路智能無線遙控開關。脈沖發(fā)生器型號為CS10-3，可控制步進電機和伺服電機。

3.2.7硬件電路

硬件電路如圖11所示，PLC作為從機，需由上位機控制，通過RS-485遠程遙控網關實現從機與上位主機的通訊。

3.3 軟件設計

3.3.1控制策略

編程環(huán)境中，使用PLSY指令控制步進電機，使用該指令需計算脈沖頻率

(3)

式中P——輸出脈沖頻率，Hz

θ——電機固有步距角，(°)

m——細分數，取8

由式(2)計算得出步進電機工作轉速為800 r/min，依據式(3)可得輸出脈沖頻率為21 333 Hz，控制程序如圖12所示。

雖然機采棉品種最低側枝平均高度可達23 cm，但棉株生長不一，難免有側枝高度低于檢測桿。若兩側側枝高度相近，且均低于檢測機構，如圖13a所示，則對比兩側檢測桿轉動量，判定主莖稈偏離中心線方向為轉動角度較大的檢測桿一側，偏離量估算為大角度檢測桿量減小角度檢測桿量后的一半。若僅單側側枝高度低于檢測桿，如圖13b所示，則難以與主莖稈進行區(qū)分，但通過對打頂時期4行棉株實測發(fā)現，側枝莖稈高度低于15 cm(檢測桿高度)的棉株中，多數與圖13a類似，兩側側枝高度相近，單側側枝高度低于檢測桿的棉株數僅占低側枝樣本的10%，因此可對該部分誤差忽略。

滑塊移動程序流程圖如圖14所示，工作時，首先需判斷是否有偏行棉株，若兩側偏行，則直接結束；若單側偏行，則判斷偏行方向。第1次對行結束后，對行程序要記錄第1次棉株的偏行方向以及偏行量D1。檢測到下棵偏行棉株時，需將該次偏行方向與上次對比，若偏行方向相同，則將該次偏行量與上次對比；若偏行方向不同，滑塊先回零，再執(zhí)行該次偏行運動。該次對行工作結束后，去除上次棉株偏行信息，記錄該次偏行信息。

為防止駕駛偏行過大，需設報警程序，全程監(jiān)測滑塊位置信息，并通過人機交互界面實時顯示。報警程序流程圖如圖15所示，滑塊運動至一側光電傳感器，即令滑塊停止運動并判斷滑塊位置，判斷結束后控制報警器報警，并將滑塊位置信息傳至人機交互界面，從而提醒工作人員調節(jié)前進方向。

3.3.2人機交互界面

通過在HMI組態(tài)軟件中添加PLC的I/O通道，進而將PLC采集到的工作數據傳輸至觸摸屏中。依據自動對行棉花打頂機的監(jiān)控需求，人機交互界面設計如圖16所示，在主控制界面中，用戶可完成對打頂高度的調節(jié)和程序的切換；實時顯示棉株偏行量和滑塊位置。駕駛人員可通過人機交互界面判斷駕駛是否有單側偏行過大的現象，盡量使底盤走出理想直線。

3.3.3通訊協(xié)議

本系統(tǒng)中從站打頂機與監(jiān)控終端主站之間基于Modbus通過RS-485無線網關通訊傳輸數據。終端主站通過組態(tài)程序經RS-232通訊與上位機觸摸屏連接，顯示此時棉株橫向偏移方向與偏移量，通訊協(xié)議如圖17所示。

通過觸摸屏配套的手機APP:HMI Smart，實現手機界面與觸摸屏界面同步顯示并控制。

PLC主站與觸摸屏之間采用比特率9 600，數據位7，停止位1，偶校驗(EVEN)的RS-232通訊。PLC主站與PLC從站之間采用比特率9 600，數據位8，停止位1，無校驗(N)的RS-485通訊。主站通訊模塊設定為服務器，從站通訊模塊設定為客戶端，并啟用相同監(jiān)聽端口，即可實現遠程RS-485通訊。

4 田間試驗

2020年12月在河北農業(yè)大學三分場棉花試驗地進行了試驗，如圖18所示。試驗地行距為76 cm，平均株距為24 cm。為了方便觀察打頂機對行系統(tǒng)的對行效果，試驗前人工將棉株頂部切除，只留距地面10～20 cm的主莖稈。此外，在打頂機中間刀片頂部固定安裝滴水裝置，以便于追尋打頂裝置的行走軌跡。

使用自動對行系統(tǒng)行走4行。停止自動對行，在人工對行下行走4行。自動對行下，滴水裝置滴出褐色水；人工對行下，滴水裝置滴出藍色水。打頂速度設定為1～1.5 km/h，在自動對行與人工對行試驗結束之后，分別測其每行的平均偏行量，如圖19所示。定義水滴在打頂機前進方向左側為左偏行，在打頂機前進方向右側為右偏行。由上述可知，同行棉株最小偏移量多為0～3 cm，因此棉株左右兩側3 cm內的水滴定義為無偏行，試驗結果如表2所示。

表2 打頂試驗結果

經過試驗統(tǒng)計，人工對行工作4行平均偏行量為14.27 cm，無偏行率為5.00%。而自動對行工作4行平均左偏量為5.10 cm，平均右偏量為7.29 cm，平均偏行量為6.19 cm，無偏行率為18.75%。通過對比可以看出采用自動對行技術后，平均偏行量減小了8.08 cm，同比降低56.62%，無偏行率提高了275%。由此可以看出設計的自動對行打頂機相對于非對行棉花打頂機能夠提高打頂工作的質量。

5 結論

(1)設計的自動對行裝置由檢測機構、對行機構、電機控制系統(tǒng)、電子控制系統(tǒng)和控制軟件組成。檢測機構將棉株橫向偏量轉換為角度變化量傳至控制系統(tǒng)，電機控制系統(tǒng)控制對行機構執(zhí)行對行指令。打頂過程中通過人機交互界面對控制系統(tǒng)進行實時監(jiān)測，以提高駕駛直線度。

(2)為避免側枝干擾，控制系統(tǒng)對兩側低側枝情況采用位置信息對比方法獲取主莖稈位置；對單側低側枝情況按原程序執(zhí)行，田間實測表明該誤差可忽略。試驗表明，相對于人工對行，自動對行平均偏行量減小了8.08 cm，同比降低56.62%，無偏行率同比提高275%，提高了打頂作業(yè)質量和種植戶的經濟效益。