深松整地作業(yè)深度檢測系統(tǒng)的設(shè)計

白洪波 ， 胡 軍

（1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163319；2.延軍農(nóng)場有限公司延興管理區(qū)，黑龍江 鶴崗 156109）

0 前言

農(nóng)業(yè)是我國第一大產(chǎn)業(yè)，也是基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè)，近年來更是成為國家重點的發(fā)展對象。隨著農(nóng)業(yè)技術(shù)的發(fā)展和農(nóng)機(jī)裝備的進(jìn)步，大農(nóng)機(jī)、大信息化、自動化的農(nóng)業(yè)已成為目前農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要形式[1-3]。在農(nóng)業(yè)機(jī)械的發(fā)展進(jìn)程中，農(nóng)機(jī)信息智能化裝備的注入大大提高了農(nóng)業(yè)機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)、標(biāo)準(zhǔn)化管理水平，減輕了農(nóng)機(jī)駕駛員的工作量和工作強(qiáng)度，也使得農(nóng)業(yè)機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)化管理步入了新時代。農(nóng)機(jī)信息智能化管理對于數(shù)字農(nóng)業(yè)的發(fā)展有著強(qiáng)大的支撐作用，隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的農(nóng)機(jī)管理將更加便捷，對于農(nóng)機(jī)合作社、作業(yè)車組、農(nóng)機(jī)管理部門管理農(nóng)機(jī)將起到強(qiáng)大的輔助作用，節(jié)省了大量的人力，有利于惠農(nóng)強(qiáng)農(nóng)政策的落實。國務(wù)院也在政府工作報告中強(qiáng)調(diào)，深松作業(yè)補(bǔ)助要建立在定期、專業(yè)人工抽查模式的基礎(chǔ)上，并利用先進(jìn)的信息技術(shù)手段，對深松整地全作業(yè)流程進(jìn)行實時監(jiān)測，確保整地檢測質(zhì)量及工作的效率，杜絕虛假測試檢測結(jié)果[4-6]。

綜上，針對當(dāng)前深松作業(yè)面臨的諸多問題，有計劃地開展深松作業(yè)深度監(jiān)測技術(shù)研究具有重要意義。為了解決以上問題，農(nóng)機(jī)的信息化監(jiān)管、農(nóng)機(jī)深松監(jiān)控系統(tǒng)等的應(yīng)用日益增加，通過對農(nóng)機(jī)的信息化監(jiān)管可以使農(nóng)機(jī)擁有戶實時掌握農(nóng)業(yè)機(jī)械的工作地點、工作狀態(tài)、工作時間等信息，而農(nóng)機(jī)深松監(jiān)控系統(tǒng)的使用，則可以避免虛報作業(yè)模式及補(bǔ)貼面積等問題[7-9]。本文通過研究深松機(jī)的機(jī)械構(gòu)造與幾何尺寸，結(jié)合拖拉機(jī)深松鏟的運動過程，探究了拖拉機(jī)的三點懸掛系統(tǒng)及其運動過程；并根據(jù)實際作業(yè)流程中深松機(jī)具的機(jī)械構(gòu)造等效幾何變換，尋找了深松作業(yè)深度變化和深松機(jī)械高度及角度變換間的關(guān)聯(lián)，推導(dǎo)出有關(guān)計算公式；再通過建立模式，以檢驗測量方法的可行性，最后確定了深松作業(yè)深度檢測手段。

1 耕深測算原理概述

農(nóng)用深松機(jī)在進(jìn)行田間工作時，作為動力輸出的拖拉機(jī)液壓系統(tǒng)，通過操控深松機(jī)的液壓懸掛系統(tǒng)進(jìn)而操控作業(yè)部件進(jìn)行往復(fù)式升降運動[10]。拖拉機(jī)的液壓懸架裝置，一般根據(jù)方式和作用不同區(qū)分為全分置式、半分置式和整體式液壓裝置這三類。拖拉機(jī)的液壓懸掛機(jī)構(gòu)一般由液壓系統(tǒng)和懸架結(jié)構(gòu)組成，液壓系統(tǒng)一般由油泵、氣缸、燃油管、分電器和控制閥等裝置構(gòu)成。因為液態(tài)并不像固體那樣能夠互相擠壓，因此必須先利用油泵將氣缸的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)的內(nèi)能，而后利用氣缸又把液態(tài)的內(nèi)能轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)動機(jī)能量，最后再利用分電器調(diào)節(jié)液態(tài)的運動方式，從而達(dá)到間接控制油缸的動作的效果[11]。在農(nóng)機(jī)深松工作過程中，油缸的操作位置始終保持著高低浮動，深松機(jī)隨著地形的起伏進(jìn)行作業(yè)，但因為其實際工作深度無法由拖拉機(jī)的懸架體系自行調(diào)節(jié)，所以只能通過調(diào)節(jié)深松機(jī)的起伏操作。深松機(jī)橫梁相對地面的高度也可通過控制深松機(jī)的限深輪來調(diào)節(jié)[12]。

2 基于傾角傳感器和超聲波傳感器的耕深測算方法研究

2.1 耕深測量方法

由于深松作業(yè)是在大田中進(jìn)行，其作業(yè)環(huán)境較為特殊，并且日常工作中需考慮到其便利性與實用性，通過對國內(nèi)眾多學(xué)者對深松作業(yè)耕深監(jiān)測研究的深入分析，本文采用基于傳感器間接測量的方法，對耕深進(jìn)行監(jiān)測。通過深入研究拖拉機(jī)上液壓懸吊系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)機(jī)理，找出在拖拉機(jī)工作過程中提升深松機(jī)，以及深松機(jī)提鏟落鏟過程中三點懸掛結(jié)構(gòu)的運動變化規(guī)律，并對其按照作業(yè)深度所形成的數(shù)學(xué)幾何模擬，再通過分析，可以得出計算方法的和式子[13-14]。深松機(jī)是一款與大馬力牽引車配合使用的農(nóng)業(yè)機(jī)械，一般用于廣泛深度的土地耕種翻整作業(yè)。深松設(shè)備與牽引車之間使用如圖1所示的連接方法，利用拖拽機(jī)下拉桿與深松機(jī)械的懸架裝置相連，在作業(yè)過程中可通過調(diào)整拖拽機(jī)的下拉桿位置實現(xiàn)土壤深度的調(diào)整，以保證深松鏟具有一定的入土傾斜度。為使前后鏟的耕深一致，當(dāng)深松鏟入土層到達(dá)規(guī)定深度后，要保證深松機(jī)的前后深松鏟在相等水平位置上。通過解析深松機(jī)構(gòu)造和懸吊系數(shù)的幾何模型，可以選擇間接測量土地耕深方法。通過把超聲波傳感器裝在深松機(jī)大梁上，并且在犁架內(nèi)設(shè)置傾角感應(yīng)器，可以通過深松機(jī)及上下水平拉桿在作業(yè)過程中的運動狀況來間接地測量耕深情況。

圖1 深松裝置懸掛現(xiàn)場圖

如圖2所示，在深松機(jī)液壓懸掛系統(tǒng)的連接桿上，裝設(shè)了測量角度的傾角傳感器2，超聲波傳感器4被設(shè)置在拖拉機(jī)下拉桿和深松機(jī)接頭的下部。圖2中深松機(jī)固定的參數(shù)有：前后深松鏟中間的連接桿高度為L1；深松鏟尖端與鋤臂的距離為L2；深松鏟尖端與深松機(jī)連接桿的距離為h；超聲波傳感器與土壤的距離為L3。當(dāng)拖拉機(jī)牽引深松機(jī)進(jìn)行作業(yè)時，可視分析對象及分析條件不同，將拖拉機(jī)下拉桿和深松鏟看作共同進(jìn)行圓周運動。對深松鏟作業(yè)過程中的運動軌跡進(jìn)行分析可得，下拉桿和深松鏟的圓周運動軌跡決定了深松作業(yè)的耕深。

圖2 耕深測量方法

根據(jù)幾何原理，可得耕深等于h1+h2，其中運算公式如（1）和（2）中所示：

公式中h、L1、L2的值固定不變，因此本文只需求得a及L3的值即可計算出耕深。

2.2 傳感器選型及卡爾曼濾波姿態(tài)解算

該項目中耕深數(shù)據(jù)的收集設(shè)備，主要是由傾角感應(yīng)器和超聲波傳感器構(gòu)成，這兩個感應(yīng)器可根據(jù)作業(yè)參數(shù)的不同實時更新耕深信息，為實時監(jiān)測耕深信息提供了數(shù)據(jù)支撐。電源模塊即供電系統(tǒng)，是運行傳感器及設(shè)備各組成部分的能量輸出裝置。在傳感器進(jìn)行測距試驗時，其內(nèi)部敏感元件與地面的姿態(tài)角會發(fā)生變化，這種傾角變化產(chǎn)生的模擬信號和脈沖信息會經(jīng)過處理后轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號輸出。本項目選用的傾角感應(yīng)器是MPU6050傾斜度感應(yīng)器模塊，此傾角傳感器模塊的測距穩(wěn)定且測試精度高。在MPU6050傾角傳感器模塊的內(nèi)部，設(shè)計有穩(wěn)壓電路并支持3.3 V/5 V的電源模塊。這樣的設(shè)計使其更加適用于大田深松作業(yè)，以及較為惡劣的工作環(huán)境。該模塊還配置有I2C端口，客戶可通過I2C端口開發(fā)底層應(yīng)用。該模塊內(nèi)自帶的數(shù)字濾波電路，能夠提高傳感器的準(zhǔn)確度，有效減小噪聲對測量數(shù)據(jù)的干擾。在動態(tài)條件下，該系統(tǒng)采用卡爾曼濾波方法檢測出系統(tǒng)的真實狀態(tài)，其準(zhǔn)確度最大能夠超過0.01°，具備高度的安全性。

姿態(tài)解算是利用姿態(tài)計算來對姿勢坐標(biāo)系加以修改，利用姿態(tài)矩陣I調(diào)整姿勢角度（俯視角、方向角、滾轉(zhuǎn)角），飛行器的狀態(tài)數(shù)據(jù)將由這三種角度加以反映。設(shè)定了一個地理坐標(biāo)系n系，向東為x軸，北為y軸。MPU6050的定義中b系是載體坐標(biāo)系，所以將n系和b系相對的轉(zhuǎn)動狀態(tài)也稱為b系的狀態(tài)，一般采用姿態(tài)矩陣T為3×3，四元數(shù)Q=(q0，q1，q2，q3)表示這種旋轉(zhuǎn)關(guān)系。那么表示狀態(tài)的四要素是歸一化的，方程如式（3）所示：

根據(jù)式（3）定義的信息（橫滾和俯仰），結(jié)合姿態(tài)偏差6態(tài)卡爾曼濾波算法矯正得到相應(yīng)估計，表明上述傳感器及相應(yīng)的算法適用于深松作業(yè)狀態(tài)下運動或振動狀態(tài)下的傾角測量。

3 總結(jié)

本文根據(jù)當(dāng)前深松機(jī)械化作業(yè)技術(shù)過程中的實際情況，研究發(fā)展出了基于農(nóng)機(jī)具幾何模型的深松整地技術(shù)的深度測量方法，并根據(jù)深松機(jī)懸吊系統(tǒng)和在深松工作中的機(jī)械操作特性構(gòu)建并處理了相應(yīng)的幾何模型，研究發(fā)展出了將傳感器采集模型與深松工作機(jī)械操作原理相結(jié)合的深松工作技術(shù)深度測量方法，并導(dǎo)出了深度測試計算公式。