甘蔗收獲機(jī)割臺(tái)隨動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

宮元娟 金忠博 白曉平 王思佳 吳 玲 黃婉媛

(1.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，沈陽 110866；2.中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所，沈陽 110169)

0 引言

甘蔗是一種廣泛種植于我國南部的宿根類作物[1-2]，收獲作業(yè)后留在蔗樁上的蔗芽在適宜的溫濕條件下可以萌芽出新苗繼續(xù)生長。我國雖是甘蔗種植大國，但機(jī)械化收獲率和收獲質(zhì)量并不高，且甘蔗收獲機(jī)智能化水平偏低，關(guān)鍵部件及技術(shù)存在瓶頸，致使宿根破頭率增高，影響作物羿年出芽率，嚴(yán)重制約著我國蔗糖產(chǎn)業(yè)發(fā)展[3-6]。綜上，提高甘蔗收獲機(jī)自動(dòng)化、智能化水平，降低宿根破頭率，提高收割質(zhì)量[7-8]，對(duì)保障我國戰(zhàn)略原料安全具有重要意義。

甘蔗收獲機(jī)工作時(shí)主要包括扶禾、壓倒、切割、切斷、輸送及切梢等環(huán)節(jié)，在實(shí)際生產(chǎn)工作過程中，切割環(huán)節(jié)是最難控制的工序之一[9-10]。甘蔗收獲機(jī)工作時(shí)的割臺(tái)高度是影響收獲質(zhì)量和宿根破頭率的關(guān)鍵參數(shù)，割臺(tái)過高，會(huì)使破頭率增高，降低收獲質(zhì)量和作物產(chǎn)量；割臺(tái)過低，會(huì)對(duì)收割機(jī)及割臺(tái)關(guān)鍵部件造成一定損害[11-12]，嚴(yán)重影響收獲效率，且容易傷害作物宿根，使作物無法正常生長，造成生產(chǎn)成本增加和勞動(dòng)強(qiáng)度增大。割臺(tái)高度控制技術(shù)主要有4種：機(jī)械式、電液式、自動(dòng)控制式和圖像采集式。目前國外用于甘蔗種植的土地面積大、坡度小且平坦，對(duì)于割臺(tái)高度自動(dòng)控制的要求不高，對(duì)該方面研究較少，具有割臺(tái)高度控制功能的收獲機(jī)不適用于我國國情，在國內(nèi)應(yīng)用較少[13]。而目前國內(nèi)甘蔗收獲機(jī)以機(jī)械式割臺(tái)高度控制技術(shù)為主，即采用平行四桿機(jī)構(gòu)控制割臺(tái)高度，可根據(jù)實(shí)際使用需求人為任意調(diào)節(jié)收割裝置距離地面的高度，但機(jī)械式平行四桿機(jī)構(gòu)實(shí)時(shí)仿形精度低、控制穩(wěn)定性也較差。其他種類都處于研發(fā)階段，文獻(xiàn)[14]基于非接觸式紅外光電傳感器，在碧浪4LZ-1.2型履帶自走式聯(lián)合收獲機(jī)上設(shè)計(jì)安裝了一種割臺(tái)高度自適應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，但光電傳感器易受到灰塵、雜草及復(fù)雜工作環(huán)境的影響，造成檢測(cè)結(jié)果不準(zhǔn)確，且未進(jìn)行田間試驗(yàn)，相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)不充足。文獻(xiàn)[15]設(shè)計(jì)了一種甘蔗收割機(jī)刀盤浮動(dòng)控制系統(tǒng)，通過角位移傳感器配合改進(jìn)的新型液壓系統(tǒng)來調(diào)整割臺(tái)高度，但缺少整機(jī)測(cè)試數(shù)據(jù)，僅停留在理論階段。文獻(xiàn)[16]提出了一種基于圖像處理技術(shù)的倒伏小麥檢測(cè)方法，根據(jù)攝像頭采集的圖像實(shí)現(xiàn)割臺(tái)高度的控制，但攝像頭易受田間復(fù)雜環(huán)境影響，造成檢測(cè)結(jié)果不準(zhǔn)確。綜上，我國甘蔗收獲機(jī)所采用的這些割臺(tái)高度控制技術(shù)不能滿足實(shí)際生產(chǎn)需求，亟需改進(jìn)和突破。

針對(duì)國內(nèi)現(xiàn)有甘蔗收獲機(jī)割臺(tái)高度無法自動(dòng)控制和收獲后破頭率高等問題，本文基于廣西農(nóng)業(yè)機(jī)械研究院有限公司的4GZQ130-A型甘蔗收獲機(jī)設(shè)計(jì)一種割臺(tái)隨動(dòng)控制系統(tǒng)，所設(shè)計(jì)的自重?cái)[動(dòng)式仿形機(jī)構(gòu)可以不依賴外力貼附于地表行走，且可依靠外廓曲面減小收獲機(jī)倒退時(shí)地面對(duì)自身的沖擊，建立收獲機(jī)割臺(tái)高度與傳感器信號(hào)間的數(shù)學(xué)模型，基于PID控制理論設(shè)計(jì)割臺(tái)高度控制方法，完成割臺(tái)隨動(dòng)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，綜合運(yùn)用傳感器和單片機(jī)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)地面高度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和收獲機(jī)割臺(tái)高度的自動(dòng)控制。

1 割臺(tái)隨動(dòng)控制系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)收獲機(jī)割臺(tái)高度的自動(dòng)控制，降低收獲機(jī)在生產(chǎn)過程中的破頭率，設(shè)計(jì)了甘蔗收獲機(jī)割臺(tái)隨動(dòng)控制系統(tǒng)。隨動(dòng)控制系統(tǒng)包括手動(dòng)控制和自動(dòng)控制兩種工作模式，駕駛員可以根據(jù)實(shí)際使用需求通過按鍵切換工作模式。手動(dòng)控制是駕駛員根據(jù)工作經(jīng)驗(yàn)通過操作手柄對(duì)割臺(tái)高度實(shí)施控制；自動(dòng)控制則是在收獲機(jī)工作過程中，根據(jù)地面起伏變化甘蔗收獲機(jī)自動(dòng)完成對(duì)割臺(tái)高度的調(diào)控。

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

甘蔗收獲機(jī)割臺(tái)隨動(dòng)控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要由自重?cái)[動(dòng)式仿形機(jī)構(gòu)、STM32控制器、位移傳感器、上位機(jī)模組、按鍵模塊、電磁閥及驅(qū)動(dòng)模組組成。

圖1 甘蔗收獲機(jī)割臺(tái)隨動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

自重?cái)[動(dòng)式仿形機(jī)構(gòu)安裝于車體底部，通過機(jī)械結(jié)構(gòu)與地面直接接觸并貼合，隨地面起伏變化而擺動(dòng)，因甘蔗種植過程中需要二次培土，且壟臺(tái)較寬，為避免單個(gè)仿形機(jī)構(gòu)無法準(zhǔn)確檢測(cè)割臺(tái)距離地面的高度，在同一直線上均布設(shè)置了3個(gè)仿形機(jī)構(gòu)用于檢測(cè)地形變化趨勢(shì)，仿形機(jī)構(gòu)將采集到的地面高度變化數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳輸至控制系統(tǒng)。位移傳感器采用WXXY公司的WXY31系列產(chǎn)品，精確度較高，通過標(biāo)定試驗(yàn)確定液壓缸伸長量與割臺(tái)高度的比例關(guān)系，將采集到的液壓執(zhí)行部件的伸縮量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸入控制系統(tǒng)。STM32f4系列單片機(jī)作為主要控制單元，具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理功能，能夠滿足使用需求[17-19]。上位機(jī)模組采用10.1英寸LCD液晶顯示屏，方便駕駛員設(shè)置有關(guān)割臺(tái)高度控制的相關(guān)參數(shù)及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)隨動(dòng)控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)。割臺(tái)高度執(zhí)行部件采用液壓控制技術(shù)，主要由液壓缸、電磁閥及驅(qū)動(dòng)模組組成。割臺(tái)隨動(dòng)控制系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖2 割臺(tái)隨動(dòng)控制系統(tǒng)構(gòu)成圖

1.2 系統(tǒng)工作原理

割臺(tái)隨動(dòng)控制系統(tǒng)工作原理圖如圖3所示，駕駛員將工作模式調(diào)整為自動(dòng)控制模式，啟動(dòng)割臺(tái)隨動(dòng)控制系統(tǒng)并開始執(zhí)行收獲作業(yè)，仿形機(jī)構(gòu)實(shí)時(shí)檢測(cè)地面起伏變化，將角度傳感器所采集到的電信號(hào)傳遞給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)根據(jù)控制算法輸出電磁閥控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)液壓缸工作并帶動(dòng)割臺(tái)刀盤上下浮動(dòng)，控制割刀距離地面的高度，同時(shí)安裝在液壓缸上的位移傳感器將液壓缸的伸縮量信息在一定時(shí)間內(nèi)反饋給控制器，控制器根據(jù)實(shí)時(shí)檢測(cè)的信號(hào)來判斷割臺(tái)刀盤距地面高度是否達(dá)到控制要求，上述工作流程構(gòu)成割臺(tái)高度控制的閉環(huán)系統(tǒng)，保證割臺(tái)高度的精確控制。

圖3 隨動(dòng)控制系統(tǒng)工作原理圖

2 隨動(dòng)控制系統(tǒng)檢測(cè)部件設(shè)計(jì)

2.1 自重?cái)[動(dòng)式仿形機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)前期的研究及對(duì)仿形機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)可知，圖4所示滾輪式側(cè)位仿形機(jī)構(gòu)，其優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡單，但易生銹，在工作一段時(shí)間后需要頻繁更換扭簧及其他零部件，若長時(shí)間工作會(huì)因蔗地的潮濕環(huán)境使泥土附著在表面，并隨時(shí)間的增長而增加，使采集的地面高度信息不準(zhǔn)確，降低仿形精度，甚至導(dǎo)致仿形失效。

圖4 滾輪式側(cè)位仿形機(jī)構(gòu)

為了解決此問題設(shè)計(jì)了一種自重?cái)[動(dòng)式仿形機(jī)構(gòu)，主要由觸地部件、連接套筒、左固定連接板、機(jī)架、右固定連接板及角度傳感器等組成，如圖5所示，其主要作用是對(duì)地壟表面進(jìn)行仿形，實(shí)時(shí)檢測(cè)地面起伏變化信息并傳遞至控制器。

圖5 自重?cái)[動(dòng)式仿形機(jī)構(gòu)示意圖

自重?cái)[動(dòng)式仿形機(jī)構(gòu)在自重的作用下貼附于地面，隨地面的起伏變化而動(dòng)作，帶動(dòng)連接套筒轉(zhuǎn)動(dòng)；角度傳感器通過連接套筒的花型孔與之緊密相連，控制器通過判斷連接套筒的旋轉(zhuǎn)角度，計(jì)算并解析數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)電磁閥及驅(qū)動(dòng)模組動(dòng)作，以實(shí)現(xiàn)對(duì)割臺(tái)高度的自動(dòng)調(diào)控。

滾輪式側(cè)位仿形機(jī)構(gòu)中的橡膠輪為關(guān)鍵部件，整體呈圓形，使用初期可以為控制器提供較平滑穩(wěn)定的地面高度變化信息，基于此，自重?cái)[動(dòng)式仿形機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵部件亦可設(shè)計(jì)為圓弧形態(tài)并可加大圓弧半徑使所采集數(shù)據(jù)曲線更為平滑，由原有的滾動(dòng)摩擦更改為滑動(dòng)摩擦，所產(chǎn)生的摩擦力會(huì)大大降低泥土附著在關(guān)鍵部件的可能性。

圖6為自重?cái)[動(dòng)式仿形機(jī)構(gòu)原理圖。圖中O為仿形機(jī)構(gòu)回轉(zhuǎn)中心；L為仿形機(jī)構(gòu)理論廓線圓心至點(diǎn)O的距離；R為仿形機(jī)構(gòu)理論廓線半徑；H為初始地面高度；θ0為仿形機(jī)構(gòu)初始角度。

圖6 自重?cái)[動(dòng)式仿形機(jī)構(gòu)原理圖

因所試驗(yàn)樣機(jī)的仿形機(jī)構(gòu)的機(jī)架位置距離地面高度為610 mm，為了適應(yīng)甘蔗收獲機(jī)實(shí)際工作情況，仿形機(jī)構(gòu)中的觸地部件作為關(guān)鍵部件，整體采用圓弧結(jié)構(gòu)，直徑為206 mm，寬度為45 mm。為了防止觸地部件損壞，觸地部件材料選用45鋼，密度為7.85×103kg/m3。

對(duì)觸地部件的危險(xiǎn)截面所能承受的最大彎曲應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，驗(yàn)證所設(shè)計(jì)寬度是否合理，觸地部件的危險(xiǎn)截面為矩形，寬度b為45 mm，高度h為25 mm。

查閱《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》，45鋼的許用彎曲應(yīng)力[σw]為270 MPa，彎曲強(qiáng)度計(jì)算公式為

(1)

式中σw——彎曲應(yīng)力，MPa

Mw——仿形機(jī)構(gòu)所受彎矩，N·mm

Wz——抗彎截面系數(shù)

F2——倒車時(shí)地面對(duì)仿形機(jī)構(gòu)的最大碰撞力，N

Lf——碰撞力到仿形機(jī)構(gòu)矩心的距離，mm

計(jì)算得出倒車時(shí)地面對(duì)仿形機(jī)構(gòu)的最大碰撞力F2≤2 260 N，滿足設(shè)計(jì)要求，該結(jié)果可為后續(xù)仿真試驗(yàn)提供參考。

自重?cái)[動(dòng)式仿形機(jī)構(gòu)上端通過螺栓與收獲機(jī)相連接，整體位置可根據(jù)實(shí)際使用需求調(diào)整。連接套筒通過軸承與左、右固定連接板連接，觸地部件上端有一排間距相等的垂直通孔與連接套筒的單個(gè)孔配合，采用螺栓連接，調(diào)整方便，以適應(yīng)不同地面的收獲需求及不同的機(jī)架高度。觸地部件隨地面起伏變化而運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)連接套筒在固定連接板前端的梯形塊限制下做圓周運(yùn)動(dòng)。為保證角度傳感器的檢測(cè)結(jié)果精確，利用花型孔結(jié)構(gòu)將連接套筒與角度傳感器固定，角度傳感器將地面起伏變化信息傳遞至控制器。自重?cái)[動(dòng)式仿形機(jī)構(gòu)可以依靠自身的機(jī)械結(jié)構(gòu)始終保持整體機(jī)構(gòu)重心處于末端，使觸地部件與地面緊密貼附，同時(shí)其尾端結(jié)構(gòu)也可以適應(yīng)地形狀況，在執(zhí)行倒車操作時(shí)，避免地面對(duì)仿形機(jī)構(gòu)產(chǎn)生沖擊及破壞。

圖7為仿形機(jī)構(gòu)工作示意圖，假設(shè)以速度v向前運(yùn)動(dòng)，仿形機(jī)構(gòu)的觸地部件沿著壟面由點(diǎn)A運(yùn)動(dòng)至點(diǎn)B，仿形機(jī)構(gòu)繞著回轉(zhuǎn)中心O轉(zhuǎn)動(dòng)，A、B兩點(diǎn)的壟面高度變化值為H2，仿形機(jī)構(gòu)角度變化值為Δθ；同時(shí)，觸地部件與垂直面間的夾角從θ1變化為θ2，則A、B兩點(diǎn)處仿形機(jī)構(gòu)安裝點(diǎn)距壟面的高度H0、H1與轉(zhuǎn)角θ1、θ2的關(guān)系為

圖7 仿形機(jī)構(gòu)工作示意圖

(2)

壟面高度變化量H2和仿形機(jī)構(gòu)角度變化量為

(3)

理論廓線的圓心距仿形機(jī)構(gòu)回轉(zhuǎn)中心點(diǎn)O的長度為理論廓線半徑L，因此L=103 mm，由此可得H2為

H2=H0-H1=103(sinθ2-sinθ1)

(4)

當(dāng)θ2>0°，θ1<θ2時(shí)，H2>0，表明地壟高度升高，則需要增大收獲機(jī)割臺(tái)距壟面高度；當(dāng)θ2<0°，θ1>θ2時(shí)，H2<0，表明地壟高度下降，則需縮小收獲機(jī)割臺(tái)距壟面高度。

2.2 角度傳感器選型

角度傳感器采用Elobau公司的424A型傳感器，采用霍爾原理的非接觸式測(cè)量，使用壽命長且可靠，IP67 防護(hù)等級(jí)，適用于惡劣的工作環(huán)境?？梢詸z測(cè)30°～120°的角度變化，并將其轉(zhuǎn)換為0～5 V的模擬電壓，經(jīng)過處理后輸入A/D轉(zhuǎn)換電路，如圖8所示，可實(shí)現(xiàn)8路0～10 V模擬電壓信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換，最后直接輸出至控制器中的微型處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

圖8 A/D轉(zhuǎn)換電路

2.3 基于ADAMS仿真的自重?cái)[動(dòng)式仿形機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

仿形機(jī)構(gòu)能否正常工作直接關(guān)系到地形高度檢測(cè)是否精準(zhǔn)，為了使仿形機(jī)構(gòu)適應(yīng)復(fù)雜的田間環(huán)境，對(duì)其受力情況和工作過程進(jìn)行分析，仿形機(jī)構(gòu)的受力分析如圖9所示。圖中O1為仿形機(jī)構(gòu)矩心；F為固定連接板對(duì)仿形機(jī)構(gòu)的支持力，N；G為仿形機(jī)構(gòu)重力，N；F1為地面的支持力，N；f1為前進(jìn)時(shí)地面對(duì)仿形機(jī)構(gòu)的摩擦力，N。

圖9 仿形機(jī)構(gòu)受力分析

仿形機(jī)構(gòu)在工作過程中，F(xiàn)1會(huì)受田間復(fù)雜環(huán)境影響而不斷變化，在不施加外力的作用下，若所設(shè)計(jì)的仿形機(jī)構(gòu)的機(jī)械結(jié)構(gòu)不能很好適應(yīng)地表的起伏變化，仿形機(jī)構(gòu)則會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng)，導(dǎo)致檢測(cè)信號(hào)不穩(wěn)定，致使檢測(cè)失效；此外，甘蔗收獲機(jī)割臺(tái)可提供安裝仿形機(jī)構(gòu)的盈余空間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其他各類型收獲機(jī)，仿形機(jī)構(gòu)只能安裝于割臺(tái)后側(cè)，因此甘蔗收獲機(jī)在執(zhí)行倒車操作時(shí)，仿形機(jī)構(gòu)不能隨割臺(tái)向上抬起，若F2過大會(huì)對(duì)仿形機(jī)構(gòu)造成沖擊或者損壞，嚴(yán)重影響仿形精度。為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的仿形機(jī)構(gòu)可以依靠自重緊貼附于地面行走并確定合適的尾端半徑，利用ADAMS/View軟件對(duì)其運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行仿真分析。

在仿真試驗(yàn)開始前，對(duì)仿形機(jī)構(gòu)進(jìn)行簡化，以提高試驗(yàn)效率[20-22]。利用SolidWorks按照1∶1比例建立簡化三維模型，保存為.X_T格式并導(dǎo)入ADAMS/View。簡化后的模型主要包括左固定連接板、連接套筒、右固定連接板、觸地部件、橫梁及仿真地面。

將三維模型導(dǎo)入后根據(jù)實(shí)際使用情況設(shè)置相關(guān)仿真參數(shù)及添加約束關(guān)系，以保證試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確。觸地部件選用45鋼，其他零部件材料均設(shè)置為普通碳鋼。仿真地面材料為土壤，密度7.8×10-3kg/m3，泊松比0.29，彈性模量2.07×105N/mm2[23]。分析各零件之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，利用旋轉(zhuǎn)副實(shí)現(xiàn)觸地部件于左、右固定連接板之間的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；利用滑移副和滑移驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)仿形機(jī)構(gòu)的水平前進(jìn)運(yùn)動(dòng)；利用固定副將仿真地面與大地(ground)固定，并在仿形機(jī)構(gòu)與仿真地面間建立接觸約束以實(shí)現(xiàn)仿形機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過程[24-25]。仿真模型如圖10所示，仿真之前利用ADAMS/View中的Model Verify工具對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)自由度、未定義構(gòu)件以及過約束等情況進(jìn)行觀察，若有錯(cuò)誤方便進(jìn)行修改。

圖10 仿形機(jī)構(gòu)工作過程仿真模型

為了驗(yàn)證仿形機(jī)構(gòu)可以依靠自重與地面保持穩(wěn)定接觸，并為控制器提供穩(wěn)定的地面變化數(shù)據(jù)，試驗(yàn)以仿形機(jī)構(gòu)前進(jìn)速度為影響因素，根據(jù)甘蔗收獲機(jī)作業(yè)時(shí)常用前進(jìn)速度，選擇1.0 km/h(278 mm/s)、1.5 km/h(417 mm/s)、2.0 km/h(550 mm/s)共3個(gè)水平，以仿形機(jī)構(gòu)的前進(jìn)方向?yàn)閄軸正向，以垂直于仿真地面下表面向上的方向?yàn)閅軸正向，觀察仿形機(jī)構(gòu)Y軸方向質(zhì)心變化趨勢(shì)，探究不同前進(jìn)速度對(duì)仿形機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)的影響。

Y軸方向仿形機(jī)構(gòu)質(zhì)心位移曲線如圖11所示。在不同的前進(jìn)速度下，仿形機(jī)構(gòu)可以在不施加外力的作用下與地面保持較好的貼附，雖然隨著前進(jìn)速度的加大，抖動(dòng)情況也呈微小的正相關(guān)變化，誤差均在±3 mm內(nèi)，整體趨勢(shì)變化與仿真地面相符，這說明仿形機(jī)構(gòu)可以依靠自重貼附于地面對(duì)地形高度信息進(jìn)行采集，且所采集的數(shù)據(jù)是穩(wěn)定的、有效的，可以為控制器提供較準(zhǔn)確的檢測(cè)數(shù)據(jù)，滿足自重?cái)[動(dòng)式仿形機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求。

圖11 不同前進(jìn)速度對(duì)仿形機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的影響

在此基礎(chǔ)上優(yōu)化仿形機(jī)構(gòu)尾端結(jié)構(gòu)，以避免執(zhí)行倒車操作時(shí)產(chǎn)生的沖擊力使觸地部件發(fā)生彎折。根據(jù)式(1)計(jì)算可知，當(dāng)仿形機(jī)構(gòu)倒退時(shí)產(chǎn)生的最大碰撞力F2≤2 260 N時(shí)，仿形機(jī)構(gòu)的觸地部件不會(huì)產(chǎn)生破壞。綜上，進(jìn)行仿真試驗(yàn)，設(shè)置前進(jìn)速度為2 km/h(550 mm/s)，分別選擇尾端半徑75、85、95、105 mm總計(jì)4個(gè)水平，添加驅(qū)動(dòng)函數(shù)以實(shí)現(xiàn)仿形機(jī)構(gòu)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，設(shè)置總仿真時(shí)間5 s，步數(shù)為500步，仿形機(jī)構(gòu)受力曲線如圖12所示。

圖12 不同尾端半徑對(duì)仿形機(jī)構(gòu)受力的影響

由圖12可知，當(dāng)尾端半徑dw為105 mm時(shí)，地面對(duì)仿形機(jī)構(gòu)造成的最大碰撞力為1 976 N，隨著仿形機(jī)構(gòu)觸地部件尾端半徑的增大，倒車時(shí)對(duì)仿形機(jī)構(gòu)造成的最大碰撞力變小，當(dāng)尾端半徑dw=105 mm時(shí)，最大碰撞力小于彎曲強(qiáng)度校核公式所計(jì)算的2 260 N，符合仿形機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，最終確定尾端半徑dw=105 mm。

3 隨動(dòng)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 隨動(dòng)控制系統(tǒng)方法

割臺(tái)隨動(dòng)控制系統(tǒng)需要根據(jù)仿形機(jī)構(gòu)所檢測(cè)到的地面起伏變化實(shí)時(shí)調(diào)整割臺(tái)高度，系統(tǒng)控制策略的優(yōu)劣直接影響整套系統(tǒng)的調(diào)控性能[26]。因此，研究收獲機(jī)割臺(tái)高度與仿形機(jī)構(gòu)采集信號(hào)的關(guān)系模型，用以設(shè)計(jì)割臺(tái)高度控制PID算法，利用Matlab軟件中的Simulink模塊建立PID控制仿真模型，對(duì)PID控制器比例系數(shù)Kp、積分系數(shù)Ki、微分系數(shù)Kd等控制參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

3.1.1PID控制器設(shè)計(jì)

根據(jù)仿形機(jī)構(gòu)標(biāo)定試驗(yàn)，角度傳感器輸出的模擬電壓信號(hào)呈線性，由此得到仿形機(jī)構(gòu)偏移角與輸出電壓的數(shù)學(xué)模型為

U=k1α

(5)

式中U——角度傳感器輸出電壓，V

k1——角度傳感器輸出電壓與偏移角的標(biāo)定系數(shù)

α——仿形機(jī)構(gòu)偏移角，(°)

割臺(tái)高度與仿形機(jī)構(gòu)偏移角之間的數(shù)學(xué)模型為

Hs=k2cosα+q

(6)

式中Hs——收獲機(jī)割臺(tái)高度，m

k2——收獲機(jī)割臺(tái)高度與偏移角度的標(biāo)定系數(shù)

q——常數(shù)，m

結(jié)合式(5)、(6)可知，收獲機(jī)割臺(tái)實(shí)際高度為

(7)

其中，割臺(tái)隨動(dòng)控制系統(tǒng)通過自重?cái)[動(dòng)式仿形機(jī)構(gòu)檢測(cè)地形的起伏變化，再與預(yù)設(shè)高度和位移傳感器的反饋值比較得到控制偏差e(t)，采用PID控制方法得到割臺(tái)高度控制的輸出值，控制器發(fā)送信號(hào)至電磁閥驅(qū)動(dòng)模組，驅(qū)動(dòng)電磁閥工作，控制割臺(tái)液壓執(zhí)行元件伸縮，并與位移傳感器的反饋信號(hào)進(jìn)行比較，檢測(cè)割臺(tái)是否到達(dá)預(yù)設(shè)高度，由此實(shí)現(xiàn)收獲機(jī)割臺(tái)高度的自動(dòng)控制。PID控制原理圖如圖13所示。

圖13 收獲機(jī)割臺(tái)自動(dòng)控制PID控制原理圖

3.1.2割臺(tái)隨動(dòng)控制系統(tǒng)仿真

為了優(yōu)化控制系統(tǒng)工作參數(shù)，驗(yàn)證控制策略的可靠性，實(shí)時(shí)觀察系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，根據(jù)上述所設(shè)計(jì)的割臺(tái)隨動(dòng)控制系統(tǒng)，利用Matlab軟件中的Simulink模塊搭建仿真模型，如圖14所示。

圖14 PID控制仿真模型

搭建仿真模型后，設(shè)置仿真時(shí)間為3 s，采樣時(shí)間為0.015 s，對(duì)PID控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式多次調(diào)整PID控制參數(shù)，再通過tune運(yùn)算優(yōu)化后得知，當(dāng)比例系數(shù)Kp=0.41，積分系數(shù)Ki=0.76，微分系數(shù)Kd=0.009時(shí)，PID控制器輸出量穩(wěn)態(tài)值為92.6 mm，最大值為98.7 mm，穩(wěn)定時(shí)間為0.95 s，超調(diào)量為6.83%。超調(diào)量小，系統(tǒng)響應(yīng)速度快，滿足割臺(tái)隨動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，控制器階躍響應(yīng)曲線如圖15所示。

圖15 PID控制器階躍響應(yīng)曲線

3.2 控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

割臺(tái)隨動(dòng)控制系統(tǒng)中，左、中、右3個(gè)仿形機(jī)構(gòu)的角度傳感器輸出0～5 V模擬電壓信號(hào)，用于反饋割臺(tái)高度的位移傳感器輸出4～20 mA模擬電流信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過濾波、保護(hù)電路處理后分別接入A/D轉(zhuǎn)換電路的接口VIN0、VIN1、VIN2和IIN0，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，通過SPI串行通信接口傳輸?shù)絊TM32控制器，隨動(dòng)控制系統(tǒng)的控制流程如圖16所示。

圖16 控制流程圖

因在同一水平線布置了3個(gè)仿形機(jī)構(gòu)，因此控制器需對(duì)仿形機(jī)構(gòu)所采集到的信號(hào)進(jìn)行處理，在工作過程中，若其中某一個(gè)仿形機(jī)構(gòu)突然抬升幅度過大且大于其他兩仿形機(jī)構(gòu)的角度和，可判定為受到復(fù)雜環(huán)境影響而產(chǎn)生的瞬時(shí)變化，控制系統(tǒng)將其采集的數(shù)據(jù)忽略，并計(jì)算其余兩仿形機(jī)構(gòu)角度的平均值作為輸出信號(hào)，但抬起高度超出規(guī)定范圍且時(shí)間超過3 s則向上抬起割臺(tái)，避免割臺(tái)與地面發(fā)生碰撞。以下兩種情況下判定地面整體起伏產(chǎn)生變化：①若兩個(gè)或兩個(gè)以上仿形機(jī)構(gòu)同時(shí)大幅度抬升或下降且超過一定時(shí)間。②3個(gè)仿形機(jī)構(gòu)同時(shí)抬升且所采集的地形高度數(shù)據(jù)差值小于5 cm，控制器驅(qū)動(dòng)電磁閥工作帶動(dòng)割臺(tái)上浮或下降。

隨動(dòng)控制系統(tǒng)啟動(dòng)后，上位機(jī)顯示系統(tǒng)狀態(tài)，系統(tǒng)初始化。若檢測(cè)到系統(tǒng)處于復(fù)位狀態(tài)，首先停止液壓執(zhí)行元件動(dòng)作，并發(fā)送聲光報(bào)警指令，檢修、重新通電后系統(tǒng)運(yùn)行。若駕駛員對(duì)工作參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，則根據(jù)設(shè)定要求設(shè)置調(diào)整仿形機(jī)構(gòu)初始工作角度θ0。若收到停止指令，工作標(biāo)志位置為0，系統(tǒng)停止工作重新初始化；若收到啟動(dòng)指令后，工作標(biāo)志位置為1，仿形機(jī)構(gòu)實(shí)時(shí)采集地面高度數(shù)據(jù)，根據(jù)式(2)，若仿形機(jī)構(gòu)變化角度θ2≥3°，則記錄數(shù)據(jù)并通過A/D轉(zhuǎn)換電路將采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，輸送至STM32控制器?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)上文的控制規(guī)則，對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行處理再通過控制器數(shù)據(jù)解析后，與設(shè)定值比較，再經(jīng)STM32分析處理，若為地面上升信號(hào)則通過電磁閥驅(qū)動(dòng)模組使液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作，帶動(dòng)刀盤上浮，反之，則驅(qū)動(dòng)刀盤下降，再將當(dāng)前割臺(tái)高度控制的輸出值與位移傳感器的反饋信號(hào)進(jìn)行比較，誤差小于等于1 cm時(shí)，完成割臺(tái)高度調(diào)整動(dòng)作，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)割臺(tái)高度的自動(dòng)調(diào)整和控制。

4 田間試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)條件

為了檢測(cè)甘蔗收獲機(jī)割臺(tái)隨動(dòng)控制系統(tǒng)性能、可靠性及控制精度，2021年12月在廣西壯族自治區(qū)武鳴區(qū)甘蔗試驗(yàn)基地進(jìn)行田間實(shí)地收獲試驗(yàn)，試驗(yàn)壟長度大于120 m。收獲作業(yè)機(jī)具為廣西農(nóng)業(yè)機(jī)械研究院有限公司研制的4GZQ130-A型甘蔗收獲機(jī)，割臺(tái)寬度為700 mm，功率為130 kW，田間試驗(yàn)情況如圖17所示。

圖17 田間試驗(yàn)

4.2 試驗(yàn)方法

參照標(biāo)準(zhǔn)JB/T 6275—2007《甘蔗收獲機(jī)械》規(guī)定及其他相關(guān)農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)方法設(shè)計(jì)收獲試驗(yàn)流程。試驗(yàn)在兩種不同狀態(tài)下進(jìn)行，分別為收獲機(jī)啟動(dòng)割臺(tái)隨動(dòng)控制系統(tǒng)和不啟動(dòng)割臺(tái)隨動(dòng)控制系統(tǒng)。首先，駕駛員啟動(dòng)機(jī)具，啟動(dòng)割臺(tái)隨動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行收獲作業(yè)，設(shè)定切割高度，收獲3壟，隨后，關(guān)閉割臺(tái)隨動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行收獲作業(yè)，設(shè)定切割高度，收獲3壟，二者交替進(jìn)行，每收獲一壟觀察留茬高度，記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)，設(shè)定收獲速度為1.5 km/h(0.42 m/s)。最后，測(cè)量地面至甘蔗被切點(diǎn)距離及計(jì)算破頭率，用以考察割臺(tái)隨動(dòng)控制系統(tǒng)和整機(jī)的性能。破頭率是指完成收獲作業(yè)后破頭甘蔗宿根數(shù)量與該壟甘蔗有效株數(shù)百分比。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果如表1～3所示，偏差為實(shí)際高度與設(shè)定高度差值，結(jié)果取絕對(duì)值。

表1 預(yù)設(shè)留茬高度50 mm時(shí)自動(dòng)控制性能測(cè)試結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明：留茬高度為50 mm時(shí)，人工控制割臺(tái)高度的偏差平均值為18.7 mm，破頭率平均值為39%；自動(dòng)控制割臺(tái)高度偏差平均值為7.0 mm，破頭率平均值為18%。留茬高度為100 mm時(shí)，人工控制割臺(tái)高度的偏差平均值為14.8 mm，破頭率平均值為38.5%；自動(dòng)控制割臺(tái)高度偏差平均值為8.8 mm，破頭率平均值為18.5%。留茬高度為150 mm時(shí)，人工控制割臺(tái)高度的偏差平均值為16.4 mm，破頭率平均值為41%；自動(dòng)控制割臺(tái)高度偏差平均值為8.3 mm，破頭率平均值為26.5%。啟用隨動(dòng)控制系統(tǒng)后，3組試驗(yàn)預(yù)設(shè)留茬高度所對(duì)應(yīng)的割茬實(shí)際測(cè)量高度的平均值分別為55.8、104.8、156.9 mm，破頭率得到有效控制，平均破頭率為21%，通過與人工控制收獲試驗(yàn)對(duì)比，平均破頭率下降18.5個(gè)百分點(diǎn)。以上測(cè)量偏差均在合理范圍內(nèi)，滿足田間實(shí)際使用需求。由于安裝了割臺(tái)隨動(dòng)控制系統(tǒng)，在實(shí)際收獲作業(yè)中收獲機(jī)可以根據(jù)地勢(shì)的起伏變化自動(dòng)調(diào)整割臺(tái)刀盤與地面之間的相對(duì)位置，實(shí)現(xiàn)收獲作業(yè)的精準(zhǔn)控制，從而降低破頭率及人工勞動(dòng)強(qiáng)度。

表2 預(yù)設(shè)留茬高度100 mm時(shí)自動(dòng)控制性能測(cè)試結(jié)果

表3 預(yù)設(shè)留茬高度150 mm時(shí)自動(dòng)控制性能測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)論

(1)針對(duì)國內(nèi)現(xiàn)有甘蔗收獲機(jī)割臺(tái)高度調(diào)整困難且無法自動(dòng)控制等問題，以4GZQ130-A型甘蔗收獲機(jī)為載體，設(shè)計(jì)了甘蔗收獲機(jī)割臺(tái)隨動(dòng)控制系統(tǒng)，取代原有人工操作，實(shí)現(xiàn)割臺(tái)高度的自動(dòng)調(diào)控。

(2)為了實(shí)現(xiàn)割臺(tái)可以實(shí)時(shí)跟隨地面起伏變化而自動(dòng)調(diào)節(jié)高度，設(shè)計(jì)了自重?cái)[動(dòng)式仿形機(jī)構(gòu)，利用ADAMS仿真軟件對(duì)仿形機(jī)構(gòu)進(jìn)行受力及運(yùn)動(dòng)過程分析，驗(yàn)證了仿形機(jī)構(gòu)可以較好地貼附地面并對(duì)仿形機(jī)構(gòu)尾端結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，解決了收獲機(jī)在倒車操作時(shí)可能對(duì)仿形機(jī)構(gòu)造成沖擊或損壞的問題，當(dāng)仿形機(jī)構(gòu)觸地部件的尾端半徑為105 mm，倒車操作時(shí)地面對(duì)仿形機(jī)構(gòu)造成的碰撞力最小，為1 976 N。

(3)進(jìn)行田間試驗(yàn)，結(jié)果表明4GZQ130-A型甘蔗收獲機(jī)安裝割臺(tái)隨動(dòng)控制系統(tǒng)后，割茬高度與預(yù)設(shè)留茬高度偏差在20 mm內(nèi)；破頭率得到有效控制，平均破頭率為21%。通過與人工控制收獲試驗(yàn)對(duì)比，平均破頭率下降18.5個(gè)百分點(diǎn)，進(jìn)一步提升了收獲機(jī)性能，割臺(tái)隨動(dòng)控制系統(tǒng)整體性能滿足設(shè)計(jì)及使用需求。