國內(nèi)谷物聯(lián)合收獲機割臺智能化現(xiàn)狀與發(fā)展研究*

劉華偉，張萍，楊曉慧，鄧玉杰，李柯瑩，張國海

(山東理工大學農(nóng)業(yè)工程與食品科學學院，山東淄博，255000)

0 引言

國內(nèi)農(nóng)業(yè)機械技術(shù)不斷進步，使得玉米、小麥、大豆的種植規(guī)模在逐年擴大，聯(lián)合收獲機逐步由中小型向大型化、智能化和功能復合化發(fā)展。為滿足收獲需求，適應(yīng)收獲質(zhì)量要求，減少工作強度，聯(lián)合收獲機的持有量及投入量逐年增加。隨著聯(lián)合收獲機整體硬件設(shè)施的創(chuàng)新力度加大，各部分裝置研發(fā)也取得較大進展，收割裝置作為收獲機完成收獲作業(yè)重要部分，國內(nèi)學者不斷改進割臺結(jié)構(gòu)，研發(fā)新型割臺，大力推動收獲機割臺從基本機械化向智能化、多功能、大功率和節(jié)能化發(fā)展，以此增加割臺適應(yīng)性、可靠性和控制性[1-9]。在農(nóng)業(yè)機械高質(zhì)量發(fā)展的同時，開展割臺進行低損高效智能化研究，對提升聯(lián)合收獲機操作性能，提高聯(lián)合收獲機作業(yè)質(zhì)量和減少收獲損失有重要意義。

本文從割臺仿形和高度控制系統(tǒng)發(fā)展、關(guān)鍵部件控制系統(tǒng)和割臺整體控制系統(tǒng)研究現(xiàn)狀進行綜述，總結(jié)了國內(nèi)割臺存在的問題及不足，旨在為聯(lián)合收獲機割臺智能化發(fā)展提供參考。

1 割臺組成及工作原理

谷物聯(lián)合收獲機采用聯(lián)合收獲法，能夠一次性完成切割、脫粒、分離、清選和集糧等工作。割臺是聯(lián)合收獲機主要工作部分，它由分禾器、切割器、撥禾裝置、輸送裝置組成。其中撥禾裝置分為撥禾輪和扶禾器；切割器根據(jù)結(jié)構(gòu)及工作原理分為往復式和回轉(zhuǎn)式兩種，其中往復式切割器在谷物聯(lián)合收獲機上應(yīng)用最為廣泛。

根據(jù)割臺臺面位置，割臺形式分為臥式和立式，臥式收獲機割臺用于收獲小麥、大豆等作物，立式收獲機割臺多用于收獲玉米等作物。割臺作為收獲機收割裝置，在作業(yè)過程中，分禾器首先將作物劃入切割區(qū)域，其次撥禾器將作物撥送至切割器，最后被切割的作物在螺旋輸送裝置的引導下，通過割臺進入脫粒裝置進行脫粒[10-11]。

2 割臺仿形和高度控制系統(tǒng)發(fā)展研究

割臺仿形和高度自適應(yīng)研究是目前國內(nèi)學者研究熱點，研究主要從割臺仿形和高度控制的方式、割臺高度測量方法和割臺高度控制系統(tǒng)的控制方法及算法的應(yīng)用與研究三方面進行，實現(xiàn)了智能化程度由低到高的變化。通過研發(fā)割臺高度控制系統(tǒng)、改進割臺仿形裝置，實現(xiàn)有效控制割臺收獲作業(yè)姿態(tài)，能夠減少在收獲過程中因割臺高度不當造成的割臺損失，提高割臺高度控制能力和仿形效果，以適應(yīng)不同作物和不同工況下的收獲作業(yè)需求。目前國內(nèi)主要采用機械控制、液壓控制、電液控制三種方式進行割臺仿形和高度控制；運用基于圖像處理、超聲波測距和選用多種傳感器進行割臺高度測量是主要測量方法；控制方法及算法的選擇既有應(yīng)用傳統(tǒng)算法的模糊控制等方法的研究，也有新控制方法在割臺高度控制系統(tǒng)上的應(yīng)用[12]。

2.1 割臺仿形和高度控制方式研究

國內(nèi)割臺高度控制方式以機械控制、液壓控制、電液控制方式三類為主，三種控制方式在結(jié)構(gòu)以及控制方式上存在不同。傳統(tǒng)機械控制方式結(jié)構(gòu)相對簡單，在高度設(shè)定上難度較大；液壓控制及電液控制均以液壓系統(tǒng)為執(zhí)行裝置，控制能力較高，但組成結(jié)構(gòu)更加復雜。其中電液控制方式是在液壓系統(tǒng)基礎(chǔ)上搭配地面仿形拖板完成控制，此控制方式在仿形精度降低的同時提高了液壓系統(tǒng)的仿形能力。根據(jù)目前研究及應(yīng)用范圍，電液控制仍具有深遠研究意義和實用價值。

李青龍等[13]對比了機械式、液壓式和電液控制式三種控制方式優(yōu)缺點后，如圖1～圖3所示，以DSP為核心控制單元，研制了能夠控制玉米收獲機割臺高度和行駛速度的新型傳感式電液智能控制仿形系統(tǒng)，通過試驗確定了在割臺高度為1 500 mm，前進速度為6～8 km/h范圍內(nèi)損失率最低，仿形效果最佳。林連華等[14]設(shè)計了割臺新型掛接機構(gòu)，通過液壓和計算機技術(shù)控制實現(xiàn)割臺縱橫向仿形，降低了機手勞動強度。胡焉為等[15]通過對割臺結(jié)構(gòu)和動力學分析，建立了數(shù)學模型，將復雜非線性系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為線性系統(tǒng)，利用輸出反饋最優(yōu)控制方法確定油缸伸縮控制最優(yōu)解，在結(jié)構(gòu)上調(diào)整了割臺升降的液壓驅(qū)動回路，實現(xiàn)了割臺的縱向和橫向的調(diào)整，保證了仿形效果。孟為國等[16]通過設(shè)計自動控制電控部分電路，改變傳統(tǒng)機械高度控制的方式，用弱電控制割臺升降液壓控制系統(tǒng)，從而達到控制要求。朱劍等[17]基于嵌入式技術(shù)設(shè)計了由S3C2440芯片、超聲波傳感器、電液比例方向閥組成的割臺高度電液比例控制系統(tǒng)，此系統(tǒng)能夠根據(jù)地面起伏造成的壓力變化調(diào)整液壓缸位移時間，壓力越大位移時間越短，實現(xiàn)了全程監(jiān)測割臺變化的目的。杜娟等[18]設(shè)計了一種割臺高度自動控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用電液控制方式，在割茬檢測系統(tǒng)工作基礎(chǔ)上，由PIC單片機控制組成的高度控制單元對割茬高度信息與預先輸入信息進行對比，控制提升單元進行升降。倪有亮等[19]設(shè)計了一種能實現(xiàn)精準控制大豆收獲機高度的電液控制方法及系統(tǒng)，該方法通過獲取角度傳感器檢測值，利用計算模型得到相應(yīng)高度仿形值后與預設(shè)目標值進行高度差計算，從而控制割臺升降。

圖1 機械式收獲臺高度仿形結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 Height profiling diagram of a mechanical cutting Table1.收獲臺 2.活塞桿 3.卡箍 4.彈簧 5.液壓缸體 6.油管

圖2 液壓式收獲臺高度仿形結(jié)構(gòu)圖Fig. 2 Height profiling diagram of a hydraulic cutting Table1.電磁閥 2.單向閥 3.高度控制閥 4.高度感應(yīng)滑履 5.升降油缸 6.油泵 7.液壓管

圖3 電液式收獲臺高度仿形系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig. 3 Height profiling diagram of a electro-hydraulic cutting Table1.拖板連接桿 2.拖板 3.彈簧拉桿 4.彈簧 5.信號線 6.上升開關(guān) 7.開關(guān)轉(zhuǎn)子 8.轉(zhuǎn)子連接桿 9.下降開關(guān) 10.標尺 11.標尺球 12.鎖緊螺母 13.標尺連接桿 14.調(diào)節(jié)桿 15.開關(guān)連接桿 16.螺栓 17.螺母 18.連接板 19.扭簧

2.2 割臺仿形和高度測量方法研究

現(xiàn)階段應(yīng)用于割臺高度測量的方法主要是超聲波測距、基于圖像處理方法測距和利用多種傳感器進行高度測量和仿形。三種方法分別應(yīng)用了不同的原理進行高度測量，其中超聲波測距研究及使用時間較早，充分發(fā)揮了超聲波不受煙霧等影響的特點。超聲波傳感器可以在惡劣的收獲環(huán)境中完成測距適用于收獲作業(yè)，但是僅利用超聲波測距誤差較大，對割臺高度控制精度有影響，控制精度要求較高時無法滿足要求；基于圖像處理方法進行測距，主要運用計算機視覺等方式對已完成收獲后的割茬進行圖片采集和信息處理，將處理結(jié)果作為調(diào)整依據(jù)對割臺高度進行控制，但圖片采集以及處理過程中容易受到系統(tǒng)和人為影響，對處理信息所采用的硬件設(shè)施要求高；隨著傳感器技術(shù)不斷發(fā)展和日益成熟，除超聲波傳感器外，角度傳感器、位移傳感器和壓力傳感器等其他多類型傳感器在割臺高度控制中也得到應(yīng)用，與前兩種方法相比，借助多種傳感器測距是目前應(yīng)用范圍廣且實時性較高的方式，但傳感器精度也會對高度控制精度產(chǎn)生影響。

在國內(nèi)學者不斷努力下，三種方法在割臺仿形和高度測量應(yīng)用上均取得一定研究成果，對創(chuàng)新研究方法提供了研究基礎(chǔ)。

1) 利用超聲波測距方法進行割臺仿形和高度控制的研究。超聲波測距具有易控制、方向性好等特點，在相對惡劣的收獲作業(yè)環(huán)境下能夠發(fā)揮作用，但由于超聲波測距受空氣密度等因素影響較大，極容易產(chǎn)生誤差影響測量效果。楊術(shù)明等設(shè)計了一種超聲波傳感器的割臺高度控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)以AT89C52單片機為控制中心，通過液晶顯示模塊LCM1602動態(tài)顯示割臺高度，能夠?qū)崿F(xiàn)實時監(jiān)控割臺變化。楊銀輝[20]通過對以往割臺高度控制系統(tǒng)進行分析，依照超聲波測距原理，借助超聲波傳感器，設(shè)計了能夠?qū)崟r監(jiān)測割臺高度的控制系統(tǒng)，總結(jié)了測距誤差產(chǎn)生的原因，對超聲波傳感器精度提高提供了理論依據(jù)。張聰[21]對割臺仿形與作物測高方法進行了研究，采用超聲波陣列傳感器和機械仿形相結(jié)合的方式開發(fā)了割臺仿形系統(tǒng)，利用最小二乘法對傳感器進行標定，增加了傳感器精度，同時設(shè)計了穩(wěn)定的模糊控制PID控制策略。

2) 基于圖像處理方法進行割臺仿形和高度控制的研究。利用圖像處理獲取作物高度以期控制割臺高度的方法，具有參數(shù)獲取迅速的特點，對現(xiàn)代化無人農(nóng)場收獲作業(yè)發(fā)展有推動作用，但需要大量采集圖片進行后期處理，實時性較差。劉小艷等對倒伏小麥進行圖像采集和處理，根據(jù)處理后的圖像得出倒伏小麥與正常小麥高度差別作為割臺高度控制依據(jù)，從而控制割臺高度進行倒伏收獲。伍淵遠等[22]提出用計算機視覺進行圖像識別和處理的方法獲取自然光下割茬高度，此方法能快速、準確、穩(wěn)定的獲取割茬高度和特征，并以此作為割臺高度調(diào)整的參數(shù)依據(jù)，可實現(xiàn)高精度的航線識別，識別率達到97%，此研究對無人駕駛收獲機提供了技術(shù)支持，但也存在受人為因素和系統(tǒng)標定影響較大的不足。

3) 借助多種傳感器進行割臺仿形和高度控制的研究。借助多種傳感器實現(xiàn)割臺高度監(jiān)測及控制逐漸成為當前研發(fā)設(shè)計主要趨勢，以逐步達到更加準確監(jiān)測高度變化，輕松獲取高度信息的目的。隨著傳感器技術(shù)不斷發(fā)展，傳感器精度增加，傳感器在割臺高度控制研究的利用也更加廣泛。龍震寰等[23]通過建立數(shù)學模型，提出了基于車身傾角和割臺傾角的割臺高度間接測量方法，研制出一種基于傾角傳感器的割臺高度自適應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，進行了系統(tǒng)驗證試驗，結(jié)果表明計算和實測的割臺高度變化曲線相關(guān)性系數(shù)為0.97，驗證了數(shù)學模型的準確性，高度控制誤差為18 mm，割臺平均上升速度為0.22 m/s，下降速度為0.17 m/s。田間試驗則說明使用此系統(tǒng)能將割臺高度穩(wěn)定性變異系數(shù)由10.77%降至2.79%，系統(tǒng)魯棒性較好。偉利國等利用角度傳感器和位移傳感器，通過監(jiān)測地面起伏和割臺油缸伸縮量情況推算割臺高度的方法，設(shè)計了性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單的仿形控制系統(tǒng)和機構(gòu)如圖4所示，系統(tǒng)精度和可靠性試驗結(jié)果表明高度控制誤差不大于12 mm，該系統(tǒng)提高了割臺高度調(diào)整實時性和準確性。李雷霞等[24]設(shè)計了一種利用監(jiān)測壓力變化的方法進行割臺高度控制的裝置，該裝置由壓力檢測傳感器、檢測托板、升降油缸、托板、控制器及電磁閥組成。

圖4 割臺仿形結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 4 Schematic diagram of the cutting Table profiling structure1.地面仿形板 2.鉸鏈連桿 3.角度傳感器 4.割臺 5.限位鉸鏈

2.3 割臺仿形和高度控制的控制系統(tǒng)方法和算法研究

對于割臺仿形和高度控制系統(tǒng)，機械結(jié)構(gòu)是硬件基礎(chǔ)，控制方法和算法是核心內(nèi)容。控制方法的正確選擇和算法的優(yōu)化能夠提高控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度，降低系統(tǒng)誤差。根據(jù)目前國內(nèi)在割臺仿形和高度控制系統(tǒng)的研究成果，可知控制方法主要以PID、模糊控制為主，有學者也提出了魯棒性反饋線性控制等方法的研究，與傳統(tǒng)控制方法相比新控制方法的應(yīng)用在抗干擾性等方面表現(xiàn)出優(yōu)越性。在控制算法上應(yīng)用了包括傳統(tǒng)模糊PID算法和Mamdani推理法等多種創(chuàng)新算法。傳統(tǒng)算法相比新應(yīng)用于農(nóng)機行業(yè)的算法穩(wěn)定性更高，整個系統(tǒng)的可靠性更強。但在控制效果上，控制系統(tǒng)新型算法的應(yīng)用將系統(tǒng)控制效果明顯提高。對于割臺控制方法和算法的深入研究，有利于割臺控制性能提升。

1) 割臺高度控制中傳統(tǒng)算法應(yīng)用與研究。國內(nèi)學者在PID控制算法以及模糊控制算法研究與應(yīng)用中，提高了系統(tǒng)精度，使得割臺高度調(diào)整誤差減小，響應(yīng)速度更快。廖勇等[25]針對聯(lián)合收獲機作業(yè)過程中割臺高度調(diào)節(jié)不便的問題，設(shè)計了一種誤差小、反應(yīng)快，采用模糊PID算法進行控制割臺高度的自適應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)如圖5所示。該系統(tǒng)主要由作物高度檢測裝置、割臺高度檢測裝置、液壓執(zhí)行裝置和控制單元組成，割臺高度檢測系統(tǒng)試驗結(jié)果表明誤差在0～2 cm范圍內(nèi)，高度調(diào)整誤差最大為2 cm。耿愛軍等[26]采用模糊PID控制算法設(shè)計了滿足玉米收獲機割臺高度調(diào)整需要的自動調(diào)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括浮動壓緊式仿形機構(gòu)、STM32控制單元、顯示模塊、按鍵模塊、電磁閥驅(qū)動模塊等，通過對按鍵模式和自動模式進行試驗得到了按鍵模式下響應(yīng)速度為0.42 m/s，自動模式下割臺實際高度與設(shè)定高度誤差在20 mm范圍內(nèi)，這一研究結(jié)果對玉米收獲機收獲智能化發(fā)展有重要意義。周冬冬等[27]為解決大豆收獲機割臺高度控制實時性、準確性差的問題，利用割臺角位移測試原理，建立了割臺高度模型，并基于模糊邏輯算法研發(fā)了模糊控制系統(tǒng)，驗證試驗結(jié)果表明運用此系統(tǒng)能夠控制割臺高度調(diào)整最大誤差率為4.5%，控制精度可以達到設(shè)定范圍。

圖5 割臺高度自適應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig. 5 Overall structure of the cutting Table height adaptive adjustment system1.液壓執(zhí)行裝置 2.控制單元 3.割臺 4.作物高度檢測裝置 5.割臺高度檢測裝置

2) 割臺高度控制中控制方法和算法的創(chuàng)新研究。除不斷加深以PID為主的傳統(tǒng)算法在割臺高度控制系統(tǒng)中的研究與應(yīng)用外，現(xiàn)階段也有學者提出了在控制性能、抗干擾性等方面表現(xiàn)更優(yōu)的新方法和算法的應(yīng)用。莊肖波等[28]通過構(gòu)建靈敏度方程，根據(jù)液壓系統(tǒng)控制輸出的電流參數(shù)，提出了基于魯棒性反饋線性化控制方法的割臺高度控制策略，對比了不同行駛速度、地形正弦振幅和地形周期條件下此控制策略與傳統(tǒng)PID控制產(chǎn)生的割臺高度誤差以及誤差受前進速度影響大小，結(jié)果表明此控制策略優(yōu)于傳統(tǒng)PID控制。程念等[29]提出了基于Mamdani推理法的模糊控制策略，并利用Simulink進行仿真試驗，將試驗結(jié)果與PID控制器控制結(jié)果進行比較，比較結(jié)果表明基于Mamdani推理法的模糊控制策略在輪廓跟蹤和抗干擾方面明顯優(yōu)于傳統(tǒng)控制器，并且能夠?qū)⒏櫿`差穩(wěn)定在2%范圍內(nèi)。曹向虎等[30]設(shè)計了一種基于遺傳算法優(yōu)化的割臺高度模糊PID控制系統(tǒng)，其優(yōu)化原理如圖6所示。對于此控制系統(tǒng)曹相虎等運用MATLAB進行仿真對比和分析，并進行了田間試驗。結(jié)果表明該系統(tǒng)控制誤差小于1.3 cm，響應(yīng)速度高于0.26 m/s，割臺調(diào)控時間明顯減少，相比于現(xiàn)有玉米收獲機調(diào)控時間提升將近11%。

圖6 遺傳算法優(yōu)化模糊PID的原理Fig. 6 Principle of genetic algorithm for fuzzy PID optimization

3 關(guān)鍵部件及割臺整體控制系統(tǒng)研究

收獲作業(yè)過程中，割臺損失占收獲損失比重較大，尤其是在大豆收獲過程中割臺損失占總損失比例高達80%。國內(nèi)外學者通過對割臺運動過程及結(jié)構(gòu)組成進行分析，研究對比了影響割臺損失的諸多因素，結(jié)果表明撥禾輪、切割器和輸送攪龍等割臺關(guān)鍵部件的運動過程和作業(yè)姿態(tài)對割臺的作業(yè)質(zhì)量有極大影響，實現(xiàn)對割臺關(guān)鍵部件的控制和結(jié)構(gòu)上優(yōu)化調(diào)整是減少割臺損失的重要途徑，因此有必要研究割臺關(guān)鍵部件及傳動裝置的控制系統(tǒng)，提升割臺整體的控制性能。

3.1 撥禾輪控制系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

撥禾輪是谷物收獲機割臺重要組成結(jié)構(gòu)，其主要作用包括將谷物撥向切割器，扶持莖稈進行切割和清掃割刀防止堵塞[31]。撥禾輪轉(zhuǎn)速及位置不當會對作物產(chǎn)生嚴重打擊，造成收獲損失，因此通過研究撥禾輪控制系統(tǒng)，從而對其運動過程和位置進行控制，降低撥禾輪對收獲作業(yè)的影響，減少撥禾輪打擊產(chǎn)生的割臺損失。

1) 撥禾輪轉(zhuǎn)速控制研究。撥禾輪轉(zhuǎn)速與收獲機前進速度有關(guān)，撥禾輪正常工作時兩者的比值即撥禾輪速比λ>1，撥禾輪運動軌跡為余擺線。作業(yè)過程中，撥禾輪轉(zhuǎn)速過快或過慢都會影響收獲效果，轉(zhuǎn)速過慢導致喂入不及時，秸稈被割臺在前進過程中推倒造成割刀堵塞，割臺作物產(chǎn)生堆積。割刀轉(zhuǎn)速過快則會在撥送過程中多次打擊谷物果穗，造成收獲損失。為解決因轉(zhuǎn)速問題造成的收獲問題，國內(nèi)學者通過研究自動控制裝置、研究轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)等方式實現(xiàn)對撥禾輪轉(zhuǎn)速的調(diào)整。

杜娟等[32]為降低撥禾輪轉(zhuǎn)速對收獲作業(yè)影響，通過采用PID控制算法，設(shè)計了撥禾輪轉(zhuǎn)速自動控制裝置，實現(xiàn)了撥禾輪轉(zhuǎn)速自動控制，此裝置將轉(zhuǎn)速誤差控制在3.5 r/min以內(nèi)，最大相對誤差僅有8.6%，穩(wěn)定性較高。周航捷[33]結(jié)合實際工作過程中撥禾輪功率消耗，設(shè)計了以三相交流電為基礎(chǔ)，結(jié)合87CI96KC單片機組成的核心控制系統(tǒng)，能夠有效控制撥禾輪轉(zhuǎn)速。崔勇等為提高撥禾輪實際工作過程中工作穩(wěn)定性，降低傳動級數(shù)，減少功率損失，在運動分析及數(shù)學模型建立基礎(chǔ)上，設(shè)計了由功率主回路和控制電路共同做成的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖7所示，用單片機實現(xiàn)了控制過程自動化。劉江華[34]通過比較各種交流調(diào)速的方式，根據(jù)撥禾輪工作要求，利用MATLAB、匯編語言對控制系統(tǒng)核心硬件及程序進行了研究，設(shè)計了用單片機控制變頻器進而驅(qū)動電機的撥禾輪控制系統(tǒng)。李耀明等[35]設(shè)計了一種撥禾輪自適應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過對撥禾輪碰撞力、轉(zhuǎn)速和前進速度的監(jiān)測，根據(jù)預設(shè)控制策略實現(xiàn)對撥禾輪轉(zhuǎn)速的實時控制。勇春明等[36]設(shè)計了一種降低小麥收獲機割臺損失的自動控制裝置和控制方法?？刂蒲b置由行駛速度傳感器、割臺高度傳感器、撥禾輪轉(zhuǎn)速傳感器、撥禾輪高度傳感器和禾高檢測裝置組成，由PID控制器和收獲機控制器進行控制。

圖7 撥禾輪雙閉環(huán)控制系統(tǒng)Fig. 7 Double closed-loop control system for wheels

2) 撥禾輪位置控制研究。撥禾輪位置調(diào)整指撥禾輪軸與割刀的相對位置調(diào)整，包括豎直和水平兩個方向的調(diào)整。豎直方向能夠影響撥禾輪對作物的打擊位置，直接造成打擊損失。水平位置調(diào)整主要在收獲不同生長狀態(tài)下的作物進行，撥禾輪水平位置的移動會對其扶持引導和鋪放作用產(chǎn)生影響。通過控制撥禾輪位置能夠增加收獲效果，減少撥禾輪的打擊損失。國內(nèi)學者通過設(shè)計優(yōu)化割臺形式，實現(xiàn)對撥禾輪位置控制，控制方式仍以液壓控制為主。王金武等[37]利用液壓控制裝置，配合割臺位置傳感器，設(shè)計了一種能夠全方位調(diào)整的水稻收割臺，可以實現(xiàn)撥禾輪位置和割臺架的位置調(diào)整。杜岳峰等[38]改進了現(xiàn)有谷物聯(lián)合收割機割臺，在割臺左右兩側(cè)設(shè)計了抽屜式連接方式，使撥禾輪左右兩端連接在抽屜式割臺殼體上，通過液壓缸對撥禾輪水平和豎直位置進行調(diào)整，改進后的抽屜式割臺能夠適應(yīng)更多種類作物收獲，有助于降低收獲損失。田杰[39]發(fā)明了一種由一個液壓油站為撥禾輪位置調(diào)整和轉(zhuǎn)動提供液壓油的液壓控制方式，這種方式可以控制撥禾輪上下及前后位置并對其進行固定。

3.2 割刀控制系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

谷物收獲機割刀多采用往復式結(jié)構(gòu)，割刀往復運動頻率對收獲質(zhì)量有重要影響，調(diào)節(jié)割刀頻率適應(yīng)收獲機前進速度有助于減少重割、漏割現(xiàn)象，降低因重割造成的功率消耗和漏割造成的損失[40-41]。國內(nèi)學者應(yīng)用了較多控制方式實現(xiàn)了對割刀頻率的調(diào)整，在割刀頻率控制研究進展中取得了較多成果。

金向平將PLC控制技術(shù)和傳感器技術(shù)運用在傳統(tǒng)水稻收割機上，設(shè)計了割茬高度控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了對割刀切割速度、收割機前進速度和割刀高度的調(diào)整，經(jīng)過田間試驗表明該系統(tǒng)能夠穩(wěn)定控制割茬高度，穩(wěn)定系數(shù)為96.7%，提高了水稻產(chǎn)量。陳宜松[42]通過分析稻麥聯(lián)合收獲機切割器原理，確定了割刀高度與前進速度不同組合下的頻率值范圍，以BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為控制算法，實現(xiàn)了對切割器頻率的調(diào)節(jié)，調(diào)整切割頻率偏差保持在±0.8 Hz以內(nèi)，改善了重割現(xiàn)象。孫蘇杭[43]通過建立往復式割刀切割頻率與前進速度模型，分析剪切功與小麥材料屬性的關(guān)系，建立了切割頻率的控制策略，并用ANSYS Workbench進行仿真試驗，驗證結(jié)果確定了控制策略的有效性。

3.3 割臺整體控制系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

在收獲機智能化不斷發(fā)展的背景下，對割臺某一部件進行智能控制僅能提高相應(yīng)工作質(zhì)量，仍無法使割臺達到最佳工作狀態(tài)，割臺損失不能達到最低。因此只對單一部件控制系統(tǒng)進行開發(fā)研究已經(jīng)無法滿足發(fā)展要求，各部件根據(jù)工況進行全面自動調(diào)整成為割臺智能化發(fā)展的重要方向。為此，國內(nèi)學者通過研究割臺整體控制系統(tǒng)，研發(fā)新型控制裝置，達到了全面控制各項參數(shù)的目的，提高了割臺和聯(lián)合收獲機控制能力，控制系統(tǒng)可靠性也進一步加強。

侯安康等[44]對割臺控制系統(tǒng)進行了設(shè)計，采用直流無刷電機和工控機進行控制，建立了割臺控制模型，實現(xiàn)了對收獲機割臺各部件轉(zhuǎn)速的控制，將控制系統(tǒng)在聯(lián)合收割機上進行改裝后，在農(nóng)田進行了水稻收割實驗。實驗結(jié)果表明，收割時的電機功率比改裝前的機械功率小，割臺各部件速度控制的相對誤差平均值小于5%，響應(yīng)時間在0.2s左右，滿足了農(nóng)田作物收割的速度、精度以及實時性要求。陳進等[45]對水稻聯(lián)合收獲機割臺參數(shù)調(diào)節(jié)裝置及撥禾輪轉(zhuǎn)速自動控制方法進行了研究，針對目前我國稻麥聯(lián)合收獲機割臺自動化程度較低的問題，采用聯(lián)合收獲機割臺參數(shù)電控和自動控制方法，設(shè)計了稻麥聯(lián)合收獲機割臺參數(shù)調(diào)節(jié)裝置，其總體結(jié)構(gòu)組成如圖8所示，實現(xiàn)了聯(lián)合收獲機割臺參數(shù)電動調(diào)節(jié)和撥禾輪轉(zhuǎn)速隨作業(yè)速度變化自動調(diào)整，經(jīng)過驗證表明調(diào)整后各項參數(shù)誤差較小，割臺高度、撥禾輪高度、前后位置及轉(zhuǎn)速參數(shù)調(diào)節(jié)相對誤差分別為7.4%、3.4%、2.0%和7.8%；作業(yè)速度相對誤差為3.4%；撥禾輪轉(zhuǎn)速自動控制響應(yīng)時間≤0.8 s,調(diào)整時間≤1.7 s,最大相對誤差8.5%,控制精度達到91.5%。蔡陽陽[46]設(shè)計了以嵌入式ARMS3C2440A處理器為硬件平臺，以Linux操作系統(tǒng)為軟件平臺的聯(lián)合收割機多功能一體化操控手柄控制裝置，能夠?qū)Ω钆_、撥禾輪、糧倉、魚鱗篩、前進速度、風機調(diào)風板進行控制，其中對割臺及撥禾輪控制誤差分別小于4%和1%。張孝然[47]針對傳統(tǒng)割臺可靠性低的問題，對割臺進行了創(chuàng)新，并設(shè)計了總體控制方案，用FMEA對控制系統(tǒng)可靠性進行了分析，保證了控制效果。師帥兵等[48]設(shè)計了一種電驅(qū)動聯(lián)合收割機的控制系統(tǒng)，此系統(tǒng)可以進行作物高度識別，割臺高度監(jiān)測，控制和調(diào)整撥禾輪位置和轉(zhuǎn)速等工作，使得收獲機智能化得到提高。曹翀等[49]設(shè)計了一種能夠適應(yīng)玉米不同種植行距的新型割臺，運用PLC技術(shù)進行自動控制，由液壓系統(tǒng)作用實現(xiàn)割臺整體折疊、升降和摘穗輥的間距在450～650 mm范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。王剛等[50]通過對比國內(nèi)外單一型和通用型互換割臺式收割機，分析割臺作業(yè)過程中的工作參數(shù)，對獨立割臺液壓傳動系統(tǒng)的配置方案、液壓元件選型、重要參數(shù)和性能進行了研究，對我國獨立割臺液壓系統(tǒng)發(fā)展有重要意義。

圖8 割臺參數(shù)調(diào)節(jié)裝置總體結(jié)構(gòu)組成Fig. 8 Overall construction of the cutting Table parameter adjustment device

4 國內(nèi)割臺存在的問題及不足

國內(nèi)谷物聯(lián)合收獲機割臺智能化研究在眾多學者不斷努力下已經(jīng)得到了快速發(fā)展，智能化水平相對之前有所提高。但目前國內(nèi)割臺智能化研究水平相比于國外割臺研究和技術(shù)而言仍處于發(fā)展初期，在結(jié)構(gòu)和整體控制性上也存在一些問題及不足，主要表現(xiàn)為以下方面。

1) 在割臺仿形和高度控制智能化研究方面：國內(nèi)主要以縱向高度控制研究為主，對于割臺左右高度仿形結(jié)構(gòu)和智能化控制研究投入較少。在現(xiàn)有研究成果的推動作用下，國內(nèi)割臺在縱向控制上響應(yīng)速度更快，割臺高度控制實時性更強。研究割臺左右仿形和控制能夠提高大割幅割臺適應(yīng)性，減小工作過程中因地面左右不平整造成的割茬不齊、割臺一端起土或漏割現(xiàn)象，同時對減少較大割幅割臺工作過程中因地面左右高度存在偏差所造成的割臺損失，提高工作效率有重要意義。由于國內(nèi)對割臺左右仿形及控制研究較少，技術(shù)相比于國外大型農(nóng)機制造企業(yè)較為落后，一定程度上限制了國內(nèi)大割幅谷物收獲機割臺發(fā)展。

2) 在影響割臺損失重要因素的智能化控制方面：如撥禾輪轉(zhuǎn)速及位置調(diào)整、輸送攪龍轉(zhuǎn)速和割刀頻率等工作參數(shù)控制研究較少，控制系統(tǒng)應(yīng)用范圍小，在智能化控制方面仍存在很大上升空間。有研究表明小麥、大豆等谷物收獲過程中，撥禾輪和割刀對作物打擊易產(chǎn)生較多割臺損失[51]。當前有國內(nèi)學者利用PLC等技術(shù)實現(xiàn)了對割臺部分參數(shù)的控制，相比較國外較為成熟的割臺運動參數(shù)控制技術(shù)和成型的割臺機型，國產(chǎn)割臺的研發(fā)和實際工作過程中未能實現(xiàn)深入的研究以及廣泛的應(yīng)用，仍需要根據(jù)收獲作業(yè)過程中的割臺運動參數(shù)特點，深入分析同時結(jié)合現(xiàn)有或不斷創(chuàng)新的控制技術(shù)，加強對各部件實際工作中的控制，以達到減少因撥禾輪轉(zhuǎn)速等因素產(chǎn)生的割臺損失。

3) 在多種作物兼收及喂入量適應(yīng)智能化方面：國內(nèi)所研發(fā)生產(chǎn)的割臺收獲專一性強，主要以單種作物收獲為主，多種作物兼收自適應(yīng)性割臺較少。國外眾多成熟割臺機型已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)通過伸縮割臺底板改變割臺容量、撥禾輪前后移動自動適應(yīng)不同種類作物及不同喂入量的收獲作業(yè)。國內(nèi)多種作物兼收收獲機搭配的割臺相比較國外綜合性收獲割臺在喂入量變化適應(yīng)上有短板，進行收獲作業(yè)可滿足的喂入量范圍小，提高前進速度增加喂入量時容易產(chǎn)生割臺堵塞，造成割臺損失以及割臺零件損壞。

5 發(fā)展趨勢

國內(nèi)對于聯(lián)合收獲機割臺智能化研究主要包括割臺仿形和高度控制、關(guān)鍵部件運動參數(shù)控制和割臺整體參數(shù)控制，通過理論分析、田間試驗，借助MATLAB、ANSYS等仿真軟件驗證了相關(guān)控制系統(tǒng)的有效性。多種控制算法及傳感器在割臺控制上的廣泛應(yīng)用，搭配優(yōu)化的控制裝置，逐步提高了控制系統(tǒng)精度。割臺智能發(fā)展研究上取得了一定成果，并呈現(xiàn)出了以下發(fā)展趨勢。

1) 提高割臺仿形和高度控制精度及響應(yīng)速度。通過在割臺各部分加裝多種精度較高的傳感器，割臺各項參數(shù)獲取更加精準便利，通過優(yōu)化控制方式和控制算法，完善了割臺控制系統(tǒng)整體性能，提高了割臺控制精度和響應(yīng)速度。

2) 提高割臺適應(yīng)性，減少割臺損失。撥禾輪等割臺主要組成裝置的不斷優(yōu)化及其控制系統(tǒng)的研發(fā)，能夠在收獲不同作物和不同工況下及時調(diào)整參數(shù)組合，逐漸減少了割臺在收獲作業(yè)中的損失率，降低了功率消耗，提高了割臺適應(yīng)性，谷物聯(lián)合收獲機作業(yè)更加高效。

3) 提高割臺整體智能化水平。在大喂入量谷物聯(lián)合收獲機不斷發(fā)展前提下，對減少收獲損失，提高割臺作業(yè)水平提出更高要求。因此研究割臺整體智能控制系統(tǒng)，符合當前發(fā)展趨勢，有助于提高聯(lián)合收獲機自動化水平，保障收獲作業(yè)效果。

在農(nóng)業(yè)快速發(fā)展背景下，提高收獲質(zhì)量，減少收獲損失是必然發(fā)展要求，因此有必要在現(xiàn)有研究成果基礎(chǔ)上繼續(xù)加大割臺智能化研究，以此提高谷物聯(lián)合收獲機工作效率和智能化水平。