基于Automation Studio 的甘蔗收割機刀具高度自適應(yīng)仿真

高鳴偉 ，陳 鑫

（長安大學(xué)工程機械學(xué)院，陜西 西安 710064）

0 引言

我國甘蔗種植農(nóng)藝是一次播種可收獲三年[1]，收割后的甘蔗宿根將重新生長，在壟面上對甘蔗進(jìn)行切割，會導(dǎo)致留茬過高，造成甘蔗宿根破損或者病壞，影響第二年發(fā)芽；割刀位置過低，會加大刀片的磨損且增加切割阻力，造成能量的浪費[2]，合適的切割高度為地面以下3 cm。我國90%的甘蔗種植在廣西、云南和廣東等南部省份，種植地的地形起伏較大，蔗壟高低不平，加上田間甘蔗莖葉和雜草密布，遮擋操作人員視線，割刀高度完全取決于操作人員的經(jīng)驗，造成收割質(zhì)量無法滿足農(nóng)藝要求，導(dǎo)致我國甘蔗機械化收割率較低[3]。為促進(jìn)甘蔗生產(chǎn)機械化進(jìn)程，迫切需要甘蔗地形的感知和割刀高度控制方法，提升甘蔗收割質(zhì)量。

現(xiàn)有的地形感知方法有接觸式和非接觸式兩種，其中非接觸的地形檢測包括激光、超聲波、視覺、探地雷達(dá)和三維點云等方法，并在車輛導(dǎo)航、農(nóng)機的地形感知上得到應(yīng)用。張偉東等[4]提出了一種基于視覺特征的地形感知方法，利用雙目視覺將近景的地形樣本分為障礙與地面實現(xiàn)地形感知，但識別結(jié)果受光線強度影響大。鄒展曦等[5]利用超聲波測量甘蔗地壟間地形變化來控制刀盤切割高度，但在實際工作過程中易受甘蔗葉等的干擾。非接觸式方法可以感知地形，但是在蔗田里易受甘蔗葉、桔梗和雜草的干擾，難以實際應(yīng)用。相比之下，接觸式方法可以有效解決雜草等遮擋物干擾的問題，如Neves 等[6]通過在切割刀底部平面設(shè)計一個凸起“圓轂”來調(diào)節(jié)切割器的高低，以適應(yīng)蔗田的起伏變化，然而該浮動“圓轂”的重量會對切割后的宿根造成損壞。Palmute[7]設(shè)計了一種倒殼形機構(gòu)與地面接觸，利用蔗壟高度變化引起該機構(gòu)位移電信號改變來調(diào)節(jié)切割刀盤高度，該方法僅適用處理較大范圍的地形變化識別，如斜坡、凹坑等，無法用于小范圍的地形變化感知。以上研究表明接觸式可有效用于地形感知，可以為甘蔗收割機的割刀高度自適應(yīng)調(diào)整提供依據(jù)，但是現(xiàn)有的方法未考慮到機器工作中車身姿態(tài)和割刀裝置的影響，從而導(dǎo)致了地形感知結(jié)果存在較大誤差，有效的蔗田地形感知方法仍在探索中。

針對甘蔗收割機缺乏高效的地形感知方法而導(dǎo)致甘蔗收割不能滿足農(nóng)藝要求的問題，本文提出應(yīng)用拖板式傳感器獲取地面高度變化情況，結(jié)合車身所裝的傾角傳感器所檢測的車身姿態(tài)變化及地形坡度變化，利用數(shù)據(jù)處理模型計算出收割機刀具離地高度。并開展了地形感知試驗，采用Automation Studio 機電液仿真軟件，驗證最優(yōu)PID 參數(shù)的工作性能和切割高度自適應(yīng)系統(tǒng)的可靠性，實現(xiàn)甘蔗收割過程中割刀高度的自適應(yīng)調(diào)控。此地形感知方法還可推廣到其他農(nóng)機，用于提升農(nóng)機的智能化水平。

1 接觸式地形感知系統(tǒng)設(shè)計

1.1 甘蔗收割機工作原理

針對丘陵地帶的甘蔗按照壟栽培種植特點，主要采用小型甘蔗收割機收割。為此，文中以小型切段式甘蔗收割機為研究對象，如圖1 所示，收割機主要包括動力系統(tǒng)、行走驅(qū)動系統(tǒng)、收獲系統(tǒng)及控制系統(tǒng)。

圖1 小型切段式甘蔗收割機

收割機配備了60 kW 的柴油發(fā)動機，通過將機械能轉(zhuǎn)為液壓能，實現(xiàn)車輛的移動和工作。行走驅(qū)動系統(tǒng)采用履帶行走裝置，可較好地應(yīng)對我國甘蔗種植區(qū)域的坡度大且土壤承載能力差的問題。收獲系統(tǒng)為甘蔗收割機的工作裝置，負(fù)責(zé)將甘蔗按照圖1 中箭頭指引流程順序完成收獲，如分蔗/扶蔗→壓倒→切割→喂入→剝?nèi)~→輸送→切段→除雜→收集。本文研究的割刀機構(gòu)在收割機的前端，處于分蔗/扶蔗中間，通過伸縮油缸實現(xiàn)割刀的升降。

1.2 地形感知原理

在前期接觸式地形傳感器的基礎(chǔ)上[8]，根據(jù)甘蔗收割機的特點進(jìn)一步提出整機的地形感知方法，設(shè)計了一種如圖2 所示的接觸式地形高度檢測傳感器。工作時隨著收割機的移動，拖板由于自身重力和單向阻尼器的作用，能始終保持與蔗田地形的良好接觸；拖板將安裝于壓蔗輥單側(cè)，該安裝位置不僅位于割刀前方，且盡可能地靠近割刀的切割路徑，保證了檢測的有效性；拖板底部弧形結(jié)構(gòu)可以避免被蔗葉、雜草、泥土及滴管纏繞，而且中部的彎曲結(jié)構(gòu)也能夠盡可能降低對突變地形檢測時的提前響應(yīng)。但在甘蔗收割機田間收獲時，地形傳感器檢測的地形高度并不能準(zhǔn)確反映實際的地形高度，其還會因切割機構(gòu)升降與地形傳感器產(chǎn)生的相對夾角，導(dǎo)致升降的不可控；地形起伏產(chǎn)生的機身姿態(tài)角，造成地形傳感器反饋的地形高度數(shù)據(jù)失真且誤差大。因此，當(dāng)?shù)匦伟l(fā)生變化時，接在刀架裝置上的拖板角度變化，其變化角度大小與地形起伏有關(guān)，結(jié)合安裝在刀架裝置及駕駛室上的傾角傳感器以感知車身姿態(tài)，從而實現(xiàn)地形起伏感知。

圖2 地形傳感器安裝示意圖

拖板的高度作為割刀裝置離地面距離的反饋信號，在收割機工作時，根據(jù)當(dāng)前地形設(shè)定一個初始目標(biāo)高度，則可通過計算初始目標(biāo)高度與實際高度的差值來調(diào)控割刀油缸，通過閉環(huán)反饋控制保持割刀與地面的距離不變，實現(xiàn)割刀裝置的高度自適應(yīng)控制。

2 刀具高度自適應(yīng)仿真

通過構(gòu)建的多源感知方法可有效感知地形高度起伏，為實現(xiàn)割刀高度的快速調(diào)整，避免收割過程中刀具升降頻繁而破壞宿根的問題，對割刀機構(gòu)的控制進(jìn)行仿真分析[9-10]。

2.1 模型構(gòu)建

將甘蔗收割機割刀部分的SolidWorks 模型導(dǎo)入Automation Studio 仿真軟件，并對各部件進(jìn)行約束設(shè)定，如表1 所示。由于仿真中并未考慮車體移動情況，因此車架設(shè)置為固定約束。

表1 子模型之間的約束

收割機的割刀位于切割機構(gòu)的最底端，通過電液比例閥實現(xiàn)高度調(diào)節(jié)。仿真中僅對割刀升降機構(gòu)進(jìn)行分析，液壓系統(tǒng)主要包括液壓泵、電液比例換向閥、平衡閥以及液壓油缸等。電液比例換向閥開口大小由PWM（Pulse Width Modulation）占空比的大小控制，將一定量的液壓油泵入油缸，以驅(qū)動活塞升降移動。參照實際樣機，仿真中液壓系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)如表2所示。

切割高度控制是依靠地形起伏對地形傳感器的反作用力產(chǎn)生轉(zhuǎn)角而建立的調(diào)節(jié)關(guān)系，以形成閉環(huán)的反饋來工作的。采用ST 語言編程，以信號發(fā)生器的形式關(guān)聯(lián)地形傳感器角度，并加入PID 控制模塊，為樣機的PID參數(shù)尋優(yōu)提供參考。

在Automation Studio 仿真軟件中先后加載液壓元件、電氣接口元件、3D 結(jié)構(gòu)件（添加運動副）和編程文檔（IEC-ST 語言）等，并設(shè)定運動關(guān)聯(lián)和運動參數(shù)，搭建的仿真模型如圖3所示。

圖3 切割機構(gòu)高度控制仿真模型

2.2 割刀高度控制仿真結(jié)果

在仿真環(huán)境中，使用最小二乘法和單一變量調(diào)整的方法找到最優(yōu)的kp、ki和kd，為控制策略中PID 參數(shù)尋優(yōu)提供參考。為驗證該參數(shù)對系統(tǒng)穩(wěn)定的作用，給系統(tǒng)一個階躍信號，系統(tǒng)超調(diào)量和響應(yīng)時間如圖4所示。

圖4 階躍信號控制結(jié)果

控制器給出階躍信號，在活塞伸出過程中，油缸經(jīng)過0.17 s 后完成全行程收縮，在活塞收縮過程中全行程238 mm，歷時0.2 s，整個收縮和伸出過程超調(diào)量幾乎為0，響應(yīng)時間迅速，充分證明了割刀高度自適應(yīng)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

對切割機構(gòu)的上升和下降兩個動作進(jìn)行仿真，觀察提升油缸系統(tǒng)啟動瞬間至穩(wěn)態(tài)的魯棒性、響應(yīng)時間和油缸行程，仿真時間為6 s，切割機構(gòu)升降仿真控制結(jié)果如圖5所示。

圖5 切割機構(gòu)升降控制結(jié)果

在提升過程中，油缸歷時3 s 完成全行程收縮，行程為211 mm，由于提升過程中受到切割結(jié)構(gòu)重力的影響，速度整體波動較為劇烈，但仍收斂于70 mm/s。在下降過程中，全行程238 mm，歷時3.3 s，由于在回油路加入平衡閥，可以明顯看出，油缸的下降速度波動起伏比起提升過程平穩(wěn)性提升了65%，速度收斂于70 mm/s，與收縮時的速度基本一致。整個過程中油缸提升和下降的行程接近，而且并未超過油缸的最大行程285 mm。

切割機構(gòu)是雙缸并聯(lián)的形式，電液控制中需要考慮雙缸同步的問題，防止因缸運動的不同步導(dǎo)致扭矩不同，造成機器的損壞。如圖6 所示，分別給出了兩個油缸伸出到30%、60%、90%時的位置對比，以及兩個油缸收縮到70%、50%時的位置對比。

圖6 雙缸同步性仿真結(jié)果

從圖6 中可以明顯看出，兩個油缸的位置始終保持同步，保證了切割機構(gòu)的正常運行。

3 結(jié)論

1）設(shè)計了一種接觸式地形高度檢測傳感器，提出了以接觸拖板、割刀轉(zhuǎn)動角度和收割機車身姿態(tài)為反饋的地形感知方法和系統(tǒng)，為甘蔗收割機的地形感知提供了理論方法。

2）在Automation Studio 軟件中建立了切割機構(gòu)高度自適應(yīng)的機電液聯(lián)合仿真系統(tǒng)，該結(jié)果為控制策略中PID 參數(shù)尋優(yōu)提供了參考。本研究證實了刀具高度自適應(yīng)方法的可行性，為后續(xù)收割樣機確定了有效的割刀高度調(diào)整算法和參數(shù)，從而為甘蔗收割機刀具高度自適應(yīng)控制系統(tǒng)的設(shè)計提供了一種方法。