國內(nèi)仿形技術(shù)在農(nóng)用機(jī)械上的應(yīng)用分析

王金武 楊會(huì)民 陳毅飛 周欣 蔣永新 張佳喜

摘要：農(nóng)業(yè)的發(fā)展離不開農(nóng)機(jī)，為滿足農(nóng)用機(jī)械自動(dòng)化及優(yōu)良的作業(yè)性能，各類技術(shù)層出不窮，其中就有仿形技術(shù)。仿形技術(shù)對(duì)農(nóng)用機(jī)械在作業(yè)時(shí)的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和作業(yè)效果等各方面起到重要作用，同時(shí)也對(duì)農(nóng)機(jī)的優(yōu)化起到關(guān)鍵作用。本文對(duì)現(xiàn)階段國內(nèi)仿形技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行分析，將應(yīng)用到農(nóng)用機(jī)械上的仿形技術(shù)分為主動(dòng)仿形技術(shù)和被動(dòng)仿形技術(shù)兩大類，同時(shí)總結(jié)歸納兩種仿形技術(shù)各自的優(yōu)缺點(diǎn)。被動(dòng)仿形技術(shù)成本較低，一般為純機(jī)械仿形，結(jié)構(gòu)簡單且容易檢修，但受地面環(huán)境影響較大，精確度和靈敏度都不高。主動(dòng)仿形技術(shù)水平要求較高，一般需要電、液配合工作，仿形精度及穩(wěn)定性都較高，但成本較高而且農(nóng)用機(jī)械領(lǐng)域還沒有大范圍推廣。由于田間環(huán)境復(fù)雜多變，目前仿形技術(shù)中的滯后問題依然存在、傳感效果比較一般以及調(diào)控起來還相對(duì)困難等問題仍然急需解決。隨著精尖技術(shù)的加入，仿形技術(shù)正在朝著更加智能化、簡易化的方向穩(wěn)步發(fā)展。

關(guān)鍵詞：仿形技術(shù)；自動(dòng)化；調(diào)控；智能化；農(nóng)用機(jī)械

中圖分類號(hào)：S22

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-5553 （2023） 04-0031-09

Abstract： Agricultural development is inseparable from agricultural machinery， in order to meet the automation and excellent performance of agricultural machinery， various technologies emerge in an endless stream， among which there is copying technology. Copying technology plays an important role in the stability， accuracy and operation effect of agricultural machinery in operation， and also plays a key role in the optimization of agricultural machinery. This paper analyzes the application of copying technology in China at present， divides the copying technology applied to agricultural tools into active copying and passive copying， and summarizes the advantages and disadvantages of the two copying technologies. Passive copying technology has low cost， is generally pure mechanical copying， simple structure and easy maintenance， but is greatly affected by the ground environment， the accuracy and sensitivity are not high. The level of active copying technology is relatively higher， and generally requires electrical and hydraulic cooperation， with high copying accuracy and stability， but the cost is higher and the field of agricultural machinery has not been widely promoted. Due to the complex and changeable field environment， the lag problem of copying technology still exists in the current， the sensor effect is relatively general， and relatively difficult to control and other problems are still urgently needed to solve， although copying technology has been developed in the field of agricultural machinery， but there is still a long way to go in order to realize the intelligent and simple copying technology. With the addition of precision technology， copying technology is developing steadily towards a more intelligent and easy direction.

Keywords： copying technology; automation; regulate and control; intelligent; agricultural machinery

0 引言

仿形技術(shù)對(duì)農(nóng)用機(jī)械向自動(dòng)化、智能化發(fā)展有著非常重要的意義。目前國內(nèi)擁有的農(nóng)用機(jī)械裝備涉及眾多領(lǐng)域，絕大多數(shù)農(nóng)作物從播種開始一直到收獲整個(gè)過程都可通過機(jī)械設(shè)備來完成，但是由于田間環(huán)境和地面質(zhì)量有所不同而導(dǎo)致農(nóng)機(jī)在不同環(huán)境下作業(yè)效果不穩(wěn)定等問題，而這些弊端將會(huì)對(duì)農(nóng)作物的生長和豐收產(chǎn)生一定的影響。

為了解決由于田間環(huán)境而導(dǎo)致農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)不佳的問題，仿形技術(shù)被應(yīng)用的越來越多，目前我國的仿形技術(shù)總的可以分為主動(dòng)仿形和被動(dòng)仿形兩大類型。被動(dòng)仿形的結(jié)構(gòu)較為簡單，應(yīng)用于環(huán)境一般的情況下，一般是由純機(jī)械部件構(gòu)成且需要有仿形輪緊貼地面。主動(dòng)仿形的主要組成部分為機(jī)械傳感機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)及液壓執(zhí)行系統(tǒng)等，需要的技術(shù)要求比較高，適用于環(huán)境比較惡劣的田間。兩種仿形技術(shù)的應(yīng)用使農(nóng)機(jī)在田間作業(yè)時(shí)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性等得到保障，對(duì)農(nóng)機(jī)自動(dòng)化進(jìn)程具有一定的推動(dòng)作用。

我國的仿形技術(shù)最早是從20世紀(jì)50年代才開始萌芽的。當(dāng)時(shí)只有液壓的仿形，而且基本上所有的技術(shù)和設(shè)備都是靠進(jìn)口。當(dāng)時(shí)一些機(jī)械廠主要進(jìn)口的是蘇聯(lián)等國的仿形機(jī)床，而且這些機(jī)床一直沿用至今。當(dāng)進(jìn)入到60年代，長征和長城這兩個(gè)當(dāng)時(shí)國內(nèi)最大的專業(yè)仿形機(jī)床廠的相繼成立，意味著我國的仿形技術(shù)進(jìn)入全新的發(fā)展階段，即已經(jīng)不依賴國外進(jìn)口且能夠自主研發(fā)生產(chǎn)。尤其是進(jìn)入到70年代的中期之后，由于我國科技水平的突飛猛進(jìn)，眾多高端技術(shù)被廣泛應(yīng)用，仿形技術(shù)也得到了前所未有的飛躍式發(fā)展［1］。經(jīng)過科研人員的努力和國家的重視，進(jìn)入90年代后各類仿形裝置層出不窮。隨著這么多年的不斷完善發(fā)展和創(chuàng)新，新時(shí)代的仿形技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用到機(jī)械加工、工程機(jī)械、生物科學(xué)等眾多領(lǐng)域，并且一度扮演著較為重要的角色，在農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域，對(duì)播前準(zhǔn)備、作物播種和作物收獲等農(nóng)作物整個(gè)生長周期的各方面工作均被頻繁應(yīng)用。

近些年來，在加速發(fā)展農(nóng)業(yè)機(jī)械化的整個(gè)進(jìn)程中，各種各樣的問題和挑戰(zhàn)都需要去面對(duì)和解決。農(nóng)機(jī)的發(fā)展離不開土地和農(nóng)作物，由于土地的凹凸不平或作物枝葉生長的不規(guī)律，一般農(nóng)機(jī)的作業(yè)性能、穩(wěn)定性等都會(huì)大打折扣，從而影響農(nóng)機(jī)的作業(yè)效果和作物的產(chǎn)量，這就使許多農(nóng)機(jī)在田間作業(yè)時(shí)面臨較大挑戰(zhàn)。目前隨著對(duì)仿形技術(shù)的不斷完善和參與，上述問題都得到了很大的改善，可以有效解決由于仿形問題帶來的困擾，使農(nóng)機(jī)可以更好達(dá)到預(yù)期的作業(yè)效果。

本文主要通過梳理國內(nèi)應(yīng)用仿形技術(shù)的各農(nóng)機(jī)中的典型機(jī)型，分析各農(nóng)機(jī)中仿形裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及技術(shù)，簡述仿形裝置安裝在農(nóng)機(jī)上的具體作用，最后總結(jié)了兩種不同類型仿形技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)和意義。

1 被動(dòng)仿形技術(shù)在農(nóng)機(jī)上的應(yīng)用

被動(dòng)仿形具體是指農(nóng)業(yè)機(jī)械在工作時(shí)能夠一直使限深裝置保持受力平衡狀態(tài)，使需仿形的主要部件的作業(yè)深度可以保持一致，是控制作業(yè)深度的一種較常見仿形方式，這類仿形主要適用于旱地農(nóng)機(jī)作業(yè)。農(nóng)用機(jī)械中使用被動(dòng)仿形技術(shù)典型的有殘膜回收機(jī)的主要部件仿形、旱地移栽機(jī)仿形等。被動(dòng)仿形的整體結(jié)構(gòu)是比較簡單的，其結(jié)構(gòu)一般是由機(jī)架、下壓彈簧、擺動(dòng)機(jī)構(gòu)以及可手動(dòng)調(diào)節(jié)的仿形部件等構(gòu)成。其中手動(dòng)調(diào)節(jié)的仿形部件有仿形地輪、鎮(zhèn)壓輪以及其他可直接接觸地面的滾動(dòng)部件等。

1.1 被動(dòng)仿形技術(shù)在油菜撿拾裝置上的應(yīng)用

油菜的主要機(jī)械收獲方式是分段收獲，在分段收獲環(huán)節(jié)中，油菜撿拾器為撿拾脫粒環(huán)節(jié)的主要工作部件，其性能的好壞對(duì)整機(jī)的作業(yè)質(zhì)量來說至關(guān)重要。仿形裝置在油菜撿拾裝置上的應(yīng)用還較少，2020年江濤等［2］設(shè)計(jì)了一套仿形裝置，由于油菜撿拾裝置的結(jié)構(gòu)尺寸特殊，齒帶的撿拾器多采用與割臺(tái)蝸殼鉸接，仿形輪與割臺(tái)蝸殼形成撿拾機(jī)構(gòu)的前后支撐，這樣撿拾器可以繞著鉸接點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，便于調(diào)整撿拾姿態(tài)。此仿形裝置采用整體仿形，目的是為了解決機(jī)器在田間工作時(shí)，撿拾器出現(xiàn)的振動(dòng)和彈跳現(xiàn)象，造成漏撿狀況。加入整體仿形結(jié)構(gòu)后，收獲的含雜率明顯減低，撿拾率明顯增高，作業(yè)時(shí)整機(jī)的振動(dòng)和彈跳得到了有效控制，保證了撿拾器的作業(yè)質(zhì)量和作業(yè)效率。

1.2 被動(dòng)仿形技術(shù)在移栽機(jī)上的應(yīng)用

部分移栽機(jī)采用被動(dòng)仿形的方式，此類移栽機(jī)的仿形裝置在作業(yè)前，為了保證作業(yè)時(shí)的仿形靈敏度和初始栽培深度，需要根據(jù)作業(yè)田區(qū)的具體情況來有效調(diào)節(jié)限深地輪的高度和彈簧預(yù)緊力大小，如果機(jī)型是懸掛式的，為保證較合適的栽苗角度，還需要適當(dāng)調(diào)節(jié)拖拉機(jī)3點(diǎn)懸掛上的拉桿長度，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。作業(yè)過程中，栽植器隨牽引力、自身重力和多種外力的共同作用隨著地面的起伏進(jìn)行仿形栽苗，這就有效地實(shí)現(xiàn)了植苗過程中對(duì)栽深一致性的穩(wěn)定控制［3］。

國內(nèi)外采用類似被動(dòng)仿形原理的移栽機(jī)機(jī)型有很多，國內(nèi)較出名的如2ZQ型鏈夾式移栽機(jī)、2YZ1型開溝導(dǎo)苗管式煙草移栽機(jī)等都是采用的被動(dòng)仿形原理。這種被動(dòng)仿形全是由機(jī)械部件構(gòu)成，仿形的技術(shù)原理也較為簡單，成本相對(duì)來說要低很多，并且可以在一定范圍內(nèi)有效控制植苗的深度，能夠較好地達(dá)到作業(yè)要求［4］。

1.3 被動(dòng)仿形技術(shù)在棉花打頂機(jī)上的應(yīng)用

棉花打頂工作是整個(gè)棉花收獲過程中必不可少的步驟之一，棉花打頂效果的優(yōu)良與否可直接影響到棉花生長發(fā)育的好壞。胡斌等根據(jù)要求開發(fā)了3MDZK-12型組控式單行仿形棉花打頂機(jī)。這款棉花打頂機(jī)的研究與開發(fā)，有效地解決了無論是在行內(nèi)或者行間棉花頂部作業(yè)的時(shí)候，棉花機(jī)械打頂能夠獨(dú)立仿形這一困難，同時(shí)也很好地解決了在持續(xù)提供動(dòng)力的情況下，棉花打頂機(jī)中全部的切割器能夠根據(jù)棉株的相對(duì)高度的高低自主完成升降仿形工作這一技術(shù)難點(diǎn)。在棉株有較高整齊度并且地面沒有很明顯凹凸起伏的時(shí)候，這款棉花打頂機(jī)能夠持續(xù)高效作業(yè)并且可以保持穩(wěn)定可靠。

以上述棉花打頂機(jī)機(jī)型為例，其應(yīng)用的仿形技術(shù)也是純機(jī)械被動(dòng)仿形。此機(jī)由懸掛架、套筒式平衡仿形機(jī)架、滾筒式切割器、升降控制機(jī)構(gòu)、扶禾器以及齒帶組合的傳動(dòng)系統(tǒng)等多個(gè)部件和機(jī)構(gòu)組成。其整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。此機(jī)在進(jìn)行工作啟動(dòng)時(shí)，聯(lián)軸器會(huì)將拖拉機(jī)所傳入的動(dòng)力直接傳送至下一級(jí)機(jī)構(gòu)變速箱，經(jīng)變速箱的處理后再經(jīng)過一對(duì)錐齒輪的增速將動(dòng)力變速輸出，隨即小帶輪轉(zhuǎn)動(dòng)皮帶驅(qū)使大帶輪進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，緊接著全部位于6組滾筒式切割器上邊的帶輪被6個(gè)皮帶輪帶動(dòng)進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)，這樣使全部滾筒都高速旋轉(zhuǎn)工作。另外，扶禾器的作用就是把雜亂無章的棉花枝桿、枝葉聚攏到一起，將其扶至切割器的可切割范圍之內(nèi)，隨即由裝在滾筒之間的4把切割刀具通過高速旋轉(zhuǎn)切割掉棉株的枝頂，完成打頂作業(yè)。

為了使結(jié)構(gòu)更加緊湊且作業(yè)效果更加良好，6組滾筒切割器通過平行四桿機(jī)構(gòu)各自分別套在中間軸和機(jī)架的固定軸上。而中間軸帶輪以及平行四桿機(jī)構(gòu)一起安裝在中間軸上，這樣減少傳動(dòng)裝置的安裝，使結(jié)構(gòu)更加簡單。機(jī)器工作時(shí)，操作員可以通過操縱桿和升降踏板來控制滾筒切割器，令其可以在動(dòng)力不斷的情況下向下端移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)在打頂工作時(shí)，6組切割器可以互不影響，各自獨(dú)立仿形。

使用套筒將仿形機(jī)架的主梁與懸掛架的下端連接起來，利用卡板限制上端前后移動(dòng)，這樣可以起到限位的作用，因?yàn)樾枰惺艿米⊥侠瓩C(jī)的牽引力，上端和下端之間可以以套筒為軸進(jìn)行左右隨意擺動(dòng)，從而可以確保機(jī)器和內(nèi)部裝置高速工作的時(shí)候，機(jī)架可以保持相對(duì)穩(wěn)定的同時(shí)能夠相對(duì)于地面隨機(jī)仿形。

1.4 被動(dòng)仿形技術(shù)在殘膜回收機(jī)上的應(yīng)用

作業(yè)過程中，由于地面的高低起伏和整機(jī)的顛簸不定，殘膜回收機(jī)夾指的入土得不到保障，時(shí)深時(shí)淺或者入土困難，這就造成了殘膜的少收漏收，致使收膜量達(dá)不到最大化，導(dǎo)致整體殘膜回收率不穩(wěn)定［5-9］。為解決上述問題，在殘膜回收裝置上安裝仿形機(jī)構(gòu)是必不可少的一部分［10］。夾指鏈?zhǔn)綒埬せ厥諜C(jī)的仿形方式也屬于純機(jī)械式被動(dòng)仿形，而且采用的是單鉸接式機(jī)械仿形機(jī)構(gòu)，此仿形機(jī)構(gòu)大量應(yīng)用于播種機(jī)械的開溝作業(yè)，在此之前，還沒有廣泛應(yīng)用于殘膜回收機(jī)中［11-16］，但近年來被應(yīng)用的越來越多。

構(gòu)成此仿形裝置的機(jī)構(gòu)有仿形架、仿形輪、切膜圓盤、壓緊機(jī)構(gòu)以及刮土板等，其中仿形輪的一邊安裝有切膜圓盤，其可以將地面上邊的殘膜切割成絲帶狀的同時(shí)也可以起到仿形作用，而壓緊彈簧本身所產(chǎn)生的預(yù)壓力可以使仿形輪等仿形機(jī)構(gòu)一直緊緊地貼著地表工作。

1.4.1 仿形架

仿形架要與主傳動(dòng)軸相連接，連接方式為軸承連接（需2個(gè)雙面球軸承）。同時(shí)仿形架的前端鉸接在主動(dòng)軸上邊，主動(dòng)軸與機(jī)架相連接，其后端則與切膜圓盤、仿形輪以及收膜架的下端同軸相接。機(jī)器在工作的過程中，由于仿形架的拖曳，仿形輪則能夠跟隨整機(jī)在地表上邊向前自由滾動(dòng)，并且會(huì)隨著壓緊彈簧受的壓力大小上下浮動(dòng)，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)地面高低起伏程度的仿形。仿形架的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1.4.2 仿形輪與切膜圓盤

機(jī)具在工作的過程中，仿形輪由于壓緊彈簧的預(yù)緊力能夠緊貼于地表進(jìn)行滾動(dòng)，它的主要作用是要確保同軸一側(cè)的下收膜鏈輪在途經(jīng)凹凸不平的地面時(shí)，確保下收膜鏈輪能夠同地面之間的距離在合理的間距范圍中，從而可以保證回收裝置的夾指在夾取殘膜的時(shí)候能夠輕松有效入土，且入土深度能夠保持相對(duì)穩(wěn)定。切膜圓盤固定聯(lián)接于仿形輪的側(cè)面，同時(shí)切膜圓盤的內(nèi)圈可以作為仿形輪的輪輻，這樣安裝設(shè)計(jì)可以契合機(jī)具的空間大小，令結(jié)構(gòu)更加緊湊、更加簡單。這樣切膜圓盤在進(jìn)行整個(gè)切膜工作的過程中就能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)地面的仿形。此外，切膜圓盤的側(cè)面安裝的有碎土齒，以便更好地疏松位于地表中的殘膜。

1.4.3 壓緊機(jī)構(gòu)

將切膜圓盤和仿形輪整合到一起，為了確保整體收膜的質(zhì)量，在田間進(jìn)行收膜作業(yè)時(shí)，要保證切膜圓盤可以正常地切入地面，才能夠有效地將地表殘膜切成帶狀，這樣收膜時(shí)會(huì)比較方便，更需保證切膜圓盤進(jìn)入地面的同時(shí)仿形輪也能夠緊壓在地表進(jìn)行滾動(dòng)。因?yàn)樘镩g環(huán)境比較復(fù)雜，大多地表不平整，切膜圓盤的入土深度一旦達(dá)不到有效深度，仿形輪就會(huì)被迫離開地表，這樣的話會(huì)導(dǎo)致仿形工作失效，就有可能造成夾指不能充分有效地進(jìn)入土壤夾取殘膜的結(jié)果。安裝壓緊機(jī)構(gòu)的目的是要確保仿形輪可以穩(wěn)定可靠地緊壓在地面，導(dǎo)桿上邊安裝的有壓緊彈簧，導(dǎo)桿的上部與機(jī)架相連接，壓緊機(jī)構(gòu)的下壓力可以通過張緊螺母來進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而能夠調(diào)節(jié)壓緊機(jī)構(gòu)對(duì)仿形輪所施加的壓力大小。壓緊機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

1.5 被動(dòng)仿形技術(shù)在不同農(nóng)機(jī)上的應(yīng)用對(duì)比分析

被動(dòng)仿形技術(shù)在不同農(nóng)機(jī)上的應(yīng)用對(duì)比分析如表1所示。

1）? 被動(dòng)仿形結(jié)構(gòu)簡單，由純機(jī)械結(jié)構(gòu)組成，成本較低，能夠更好地接觸地面，可直接進(jìn)行仿形工作。

2）? 被動(dòng)仿形受土壤軟硬程度變化及地塊的整地質(zhì)量影響較大。如果作業(yè)地塊的耕地質(zhì)量或整地質(zhì)量較差，就會(huì)造成土壤表層的軟硬程度有差異，則將引起土壤表層的支撐力不夠穩(wěn)定，這樣對(duì)農(nóng)機(jī)的仿形能力會(huì)產(chǎn)生一定程度的影響。

3）? 作業(yè)時(shí)，被動(dòng)仿形動(dòng)作相對(duì)滯后。從理論上而言，滯后誤差應(yīng)當(dāng)與水平距離基本成正比關(guān)系，但是由于農(nóng)機(jī)行進(jìn)速度、農(nóng)機(jī)結(jié)構(gòu)的工藝等種種因素，這種滯后誤差幾乎沒有辦法消除，對(duì)仿形的精度會(huì)產(chǎn)生比較大的影響。

2 主動(dòng)仿形技術(shù)在農(nóng)機(jī)上的應(yīng)用

目前的主動(dòng)仿形大部分采用機(jī)械傳感和液壓執(zhí)行相結(jié)合的方式來實(shí)現(xiàn)，在水田、丘陵以及部分旱地等地形環(huán)境較差的田間應(yīng)用較多。這種仿形方式的主要組成部分為機(jī)械傳感機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)及液壓執(zhí)行系統(tǒng)等，機(jī)械傳感機(jī)構(gòu)大致包括仿形輪、仿形拖板及推拉連桿等，而液壓執(zhí)行系統(tǒng)則包括電磁閥、仿形閥及升降油缸等。

主動(dòng)仿形工作原理大致為：

1）? 通過機(jī)械傳感機(jī)構(gòu)和地表相接觸來感應(yīng)地面的高低起伏變化，將地面的變化傳遞到液壓系統(tǒng)，隨后液壓系統(tǒng)做出相應(yīng)反應(yīng)驅(qū)動(dòng)油缸實(shí)施伸縮動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)仿形動(dòng)作。

2）? 通過角度傳感器、激光傳感器、陀螺儀等一系列傳感裝置對(duì)機(jī)器作業(yè)時(shí)相對(duì)于地面或其他參照物的變化等做出一系列反饋，通過已經(jīng)編程好的設(shè)備驅(qū)使電磁閥體做出響應(yīng)，從而驅(qū)動(dòng)油缸的伸縮升降等，從而實(shí)現(xiàn)仿形動(dòng)作［17-19］。

2.1 主動(dòng)仿形技術(shù)在花生收獲機(jī)上的應(yīng)用

花生收獲機(jī)中所應(yīng)用的仿形技術(shù)主要是解決其挖掘鏟挖掘深度的問題，在作業(yè)時(shí)需要保證挖掘深度一直一致，這樣可以防止漏挖、挖破或者破壞土質(zhì)等問題的發(fā)生。代表機(jī)型為4HLB-2型花生聯(lián)合收獲機(jī)，其地面仿形裝置如圖5所示。超聲波傳感器測(cè)量距離時(shí)具有高效率、高精度的特點(diǎn)，是較為常用測(cè)量距離的工具之一，由于田間地表的環(huán)境相對(duì)比較復(fù)雜多變，從超聲波的傳播理論出發(fā)，超聲波在正常無遮擋途徑情況下傳播時(shí)，屬于正常無障礙傳播，但如果傳播過程中遇到其他物體，且碰到的物體直徑小于超聲波半個(gè)波長的時(shí)候，聲波就會(huì)把障礙物繞過去而繼續(xù)往前傳播，就是產(chǎn)生繞射現(xiàn)象［20］。接觸地表的仿形機(jī)構(gòu)直接焊接于清土裝置一旁的護(hù)梁上邊，這樣設(shè)計(jì)主要是為了花生收獲機(jī)在正常作業(yè)時(shí)能夠有效實(shí)現(xiàn)自動(dòng)限深的效果，超聲波傳感器發(fā)出來的聲波需要直接射到地面仿形機(jī)構(gòu)上面，這樣聲波傳播過程中就可以躲過花生植株體，從而避免繞射現(xiàn)象的發(fā)生，因而測(cè)量精度就會(huì)更高，作業(yè)更有效。

地面仿形機(jī)構(gòu)由地輪、導(dǎo)向管、焊接板、壓簧、長螺桿以及測(cè)量基準(zhǔn)板等組成。壓簧嵌套于長螺桿上，長螺桿位于導(dǎo)向管a和導(dǎo)向管b的內(nèi)部，跟隨地面的起伏不定，導(dǎo)向管b在導(dǎo)向管a內(nèi)上下不停滑動(dòng)，兩個(gè)導(dǎo)向管中間安裝有六角頭螺栓，其安裝目的是限制導(dǎo)向管b在長螺桿軸線方向旋轉(zhuǎn)的自由度，以確保實(shí)現(xiàn)更加有效的導(dǎo)向作用。

機(jī)具工作時(shí)，測(cè)量超聲波發(fā)射出來的一端至地面仿形機(jī)構(gòu)之間距離，就能夠間接地得到地表的凹凸程度和起伏變化，已經(jīng)測(cè)量得到的挖掘深度變化值會(huì)將輸入到模糊PID控制器中，模糊PID控制器中有模糊控制規(guī)則表，將此表當(dāng)作參考表，把測(cè)得的數(shù)據(jù)與其進(jìn)行對(duì)照，如若需要發(fā)出相應(yīng)動(dòng)作，則可以由控制器發(fā)射相應(yīng)控制信號(hào)至電磁閥，隨后用電磁閥去控制油缸進(jìn)行伸縮動(dòng)作，這樣整個(gè)循環(huán)反饋就可以完成相對(duì)應(yīng)的控制任務(wù)。

2.2 主動(dòng)仿形技術(shù)在自動(dòng)噴霧機(jī)上的應(yīng)用

風(fēng)送噴霧裝置是農(nóng)作物噴霧作業(yè)領(lǐng)域中最為重要和突出的技術(shù)裝備之一，多年來得到了廣泛的應(yīng)用，擁有非常好的應(yīng)用前景［21］。可是對(duì)于一般果園使用傳統(tǒng)的風(fēng)送式噴霧機(jī)在對(duì)果樹等施藥的過程中，其會(huì)連續(xù)不間斷噴藥，這就很容易造成農(nóng)藥的浪費(fèi)和環(huán)境污染的嚴(yán)重后果，最重要的是還會(huì)致使農(nóng)產(chǎn)品因噴藥過量而受到污染，影響到消費(fèi)者的身體健康［22-23］。

此自動(dòng)仿形噴霧機(jī)所采用的仿形技術(shù)是主動(dòng)仿形中的第2種仿形方式。把噴霧機(jī)和探測(cè)傳感器（紅外線傳感器等）結(jié)合起來，作物或雜草的冠層特征一經(jīng)改變，機(jī)器則可以自動(dòng)實(shí)時(shí)改變噴霧參數(shù)，比如可以自動(dòng)調(diào)節(jié)噴頭噴藥的流量或風(fēng)機(jī)的風(fēng)量等［24］，這樣能夠達(dá)到按需施藥的目的，從而不僅僅提高了農(nóng)藥的有效利用率，而且還有效降低了因?yàn)檗r(nóng)藥的流失對(duì)環(huán)境造成的危害［25］。

2.3 主動(dòng)仿形技術(shù)在玉米播種機(jī)上的應(yīng)用

精密播種是提高玉米產(chǎn)量的關(guān)鍵［26］﹐要實(shí)現(xiàn)精密播種就需要對(duì)玉米種子的粒距一致性、播深一致性提出更高要求［27］。播深影響玉米的出苗時(shí)間、出苗率、玉米冠層結(jié)構(gòu)以及光合特性，進(jìn)而影響到玉米的產(chǎn)量［28-31］。在特定的土壤環(huán)境中，保持合適且一致的播深和壓實(shí)度，就能夠確保種子與土壤較良好的接觸，使種子更加易于從土壤中汲取所需水分，對(duì)種子的快速出苗產(chǎn)生較大影響［32-34］。土壤的質(zhì)地變化與作業(yè)地面的地形變化是影響播深變異性的主要因素之一［35］。目前，在玉米播種機(jī)上大多是采用單體仿形技術(shù)來達(dá)到可以精確仿形的效果，并且通過下壓力控制技術(shù)能夠進(jìn)一步提高播種單體對(duì)田間土壤質(zhì)地變化的適應(yīng)性［36］。在直接測(cè)量控制方面，蔡國華［37］、Wen［38］采用超聲波傳感器對(duì)播深進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控檢測(cè)，并且還設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)，通過液壓系統(tǒng)來調(diào)節(jié)播深。趙金輝等［39］設(shè)計(jì)出了利用位移傳感器作為傳感機(jī)構(gòu)的播深控制系統(tǒng)，通過液壓執(zhí)行系統(tǒng)來靈活調(diào)節(jié)四連桿仿形機(jī)構(gòu)對(duì)地形的感知，并做出相應(yīng)的仿形動(dòng)作，以這樣的方式對(duì)播種深度進(jìn)行有效調(diào)節(jié)，測(cè)量得到的播種深度的穩(wěn)定性系數(shù)到達(dá)90%以上。

玉米播種機(jī)播深和壓實(shí)仿形技術(shù)通過實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)施加在四連桿仿形機(jī)構(gòu)上的液壓力調(diào)節(jié)下壓力，實(shí)現(xiàn)播深的間接控制，通過實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)鎮(zhèn)壓機(jī)構(gòu)處的彈簧伸長量調(diào)節(jié)鎮(zhèn)壓力，從而間接控制壓實(shí)度，提高玉米播深合格率和一致性，并保持適宜的壓實(shí)度，可以確保種子和土壤的良好接觸，這樣有效地為玉米在苗期階段的成長提供了保障，對(duì)其產(chǎn)量的提升有較大意義［40］。

整個(gè)系統(tǒng)主要是由測(cè)控系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和用于播深壓實(shí)的機(jī)械機(jī)構(gòu)三個(gè)部分組成。測(cè)控系統(tǒng)主要是由下壓力傳感器、油壓傳感器、鎮(zhèn)壓力傳感器、車載終端以及PLC控制器等組成，這些傳感器和構(gòu)件等各司其職，共同協(xié)作。播深和壓實(shí)度綜合控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。

在限深塊上安裝下壓力傳感器，限深塊帶有孔，與下壓力傳感器鉸接，限深塊的外壁與限深塊安裝座孔的內(nèi)壁之間留有空隙，限深輪拐臂所產(chǎn)生的作用力向上傳遞到限深塊上，然后限深塊可對(duì)下壓力傳感器產(chǎn)生作用力，這樣下壓力傳感器可測(cè)得限深塊和限深輪拐臂之間的作用力，即為下壓力。下壓力傳感器的安裝方式如圖7所示。

2.4 主動(dòng)仿形技術(shù)在不同農(nóng)機(jī)上的應(yīng)用對(duì)比分析

主動(dòng)仿形技術(shù)在不同農(nóng)機(jī)上的應(yīng)用對(duì)比分析如表2所示。

1）? 主動(dòng)仿形系統(tǒng)可以在一定程度上一直保持作業(yè)穩(wěn)定，仿形精度比較高，反應(yīng)時(shí)間可按需隨意調(diào)節(jié)，結(jié)構(gòu)也較為簡單，整個(gè)仿形動(dòng)作也更加主動(dòng)，滯后問題也得到大大改善。

2）? 對(duì)所有農(nóng)機(jī)而言，國內(nèi)主動(dòng)仿形技術(shù)還不夠成熟，同時(shí)因?yàn)榧夹g(shù)要求較高、成本較高，在農(nóng)用機(jī)械中并沒有大范圍推廣。但隨著智能化時(shí)代的到來，對(duì)主動(dòng)仿形技術(shù)有了更深入的研究，主動(dòng)仿形也將被應(yīng)用得越來越多。

3 存在問題

1）? 被動(dòng)仿形主要是由純機(jī)械機(jī)構(gòu)構(gòu)成，作業(yè)過程中的精度以及仿形效果會(huì)比較差，并且安裝上去之后將不可再控，根據(jù)要求不同，需要頻繁調(diào)試，對(duì)于一套裝置是否可以適用多種地形還需要深入研究。

2）? 主動(dòng)仿形中雖然利用電—液控制大大改善了仿形的滯后問題，但由于農(nóng)機(jī)行進(jìn)速度、地形狀態(tài)、液壓系統(tǒng)的響應(yīng)靈敏性等各種因素依然存在滯后問題，針對(duì)精準(zhǔn)快速控制還有待改善。

3）? 目前主動(dòng)仿形中應(yīng)用的傳感方式主要是角度傳感器和陀螺儀，安裝在農(nóng)用機(jī)械上的實(shí)用效果還不是太理想，是否可以利用其他精度更高的傳感方式令仿形效果更好，此問題也還有待研究。

4）? 主動(dòng)仿形中的電—液配合控制對(duì)部分農(nóng)機(jī)操作者來說技術(shù)難度相對(duì)較高，按照所需控制要求不能對(duì)仿形參數(shù)進(jìn)行正常調(diào)控，因此針對(duì)主動(dòng)仿形系統(tǒng)的操作簡易化、輕松化還應(yīng)加強(qiáng)研究。

4 發(fā)展趨勢(shì)

1）? 目前由于考慮到對(duì)于仿形精度和仿形質(zhì)量要求較高，在被動(dòng)仿形技術(shù)的基礎(chǔ)上添加各種類型的控制系統(tǒng)，使其過渡為較為完善的主動(dòng)仿形技術(shù)。在此過程中，還需繼續(xù)研究探索，在原有的基礎(chǔ)上添加合適的精尖技術(shù)，如選取更加適合的傳感方式，使其與主動(dòng)仿形技術(shù)較好的結(jié)合，更加縮短信號(hào)傳遞所需時(shí)間，實(shí)現(xiàn)更加精準(zhǔn)快速地控制，這樣可以將仿形技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)發(fā)揮到最大化。

2）? 當(dāng)前主動(dòng)仿形將配套電控系統(tǒng)廣泛引入其中，采用多種類型的電控傳感器將地形凹凸變化等轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)過控制器的運(yùn)算后，再經(jīng)信號(hào)放大電路直接傳遞給電—液轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，隨后使液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)來驅(qū)動(dòng)部件執(zhí)行相對(duì)應(yīng)的伺服動(dòng)作。這樣的仿形結(jié)構(gòu)也不是很復(fù)雜，調(diào)試起來也比較方便快捷，響應(yīng)速度更加快，并且可以根據(jù)不同算法（如模糊PID）對(duì)農(nóng)機(jī)主要部件進(jìn)行更加精準(zhǔn)的位置控制，對(duì)農(nóng)用機(jī)械自動(dòng)化進(jìn)程的加速有著重要意義。

3）? 隨后在仿形技術(shù)方面，需在電—液配合的基礎(chǔ)上加入更加便捷的控制調(diào)節(jié)裝置，如控制面板等控制技術(shù)，使整個(gè)仿形技術(shù)在參數(shù)調(diào)節(jié)、反應(yīng)時(shí)效等問題上得到較為明顯的改善，對(duì)于不同地形、不同環(huán)境可以隨意調(diào)節(jié)反應(yīng)時(shí)間等參數(shù)，就可以進(jìn)一步改善農(nóng)機(jī)在作業(yè)時(shí)的穩(wěn)定性以及其本身的功能，也可以使整個(gè)系統(tǒng)操控起來變得簡單快捷。仿形技術(shù)也在朝著智能化、簡易化方向穩(wěn)步發(fā)展。

5 結(jié)語

被動(dòng)仿形適合用于農(nóng)機(jī)作業(yè)類型中的露地作業(yè)，此類仿形結(jié)構(gòu)相對(duì)更加簡單，調(diào)試起來也更加簡單方便。如果作業(yè)的田間地塊沒有較大凹凸起伏且整地質(zhì)量較好，機(jī)具工作能力和加工的質(zhì)量、精度也比較高，那么應(yīng)用到被動(dòng)仿形技術(shù)的農(nóng)機(jī)，可以在人工參與的情況下達(dá)到較好的作業(yè)效果。

隨著液壓系統(tǒng)的完善與發(fā)展，主動(dòng)仿形也在逐步完善及應(yīng)用。通過對(duì)原理和結(jié)構(gòu)的深入研究和大量試驗(yàn)、對(duì)機(jī)構(gòu)的不斷改進(jìn)和優(yōu)化、對(duì)液壓系統(tǒng)的響應(yīng)靈敏度進(jìn)行更加穩(wěn)定的控制，仿形傳感機(jī)構(gòu)信號(hào)的傳遞效率有較明顯的提升，同時(shí)也大大改善了在工作過程中農(nóng)業(yè)機(jī)械的穩(wěn)定性和可靠性，使農(nóng)機(jī)操作和維護(hù)起來更加簡單，間接提升了農(nóng)作物的產(chǎn)量，從而使主動(dòng)仿形技術(shù)得到逐步完善和更廣泛的應(yīng)用。

仿形機(jī)構(gòu)的研究與發(fā)展會(huì)快速推動(dòng)我國農(nóng)業(yè)機(jī)械向自動(dòng)化、智能化發(fā)展，大大改善了農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)性能，對(duì)農(nóng)機(jī)作業(yè)效率及作物的收成有重要意義，對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械的優(yōu)化也提供了巨大幫助。隨著智能化時(shí)代的到來，仿形越來越成為機(jī)械設(shè)備中必不可少的技術(shù)，并且對(duì)其研究將會(huì)愈加深入。

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