基于人工智能技術(shù)的深松機(jī)械智能化控制研究

張亞超,徐 洋,李素敏

(許昌電氣職業(yè)學(xué)院,河南 許昌 461000)

0 引言

我國(guó)作為農(nóng)業(yè)大國(guó),國(guó)土面積位居世界第三,但我國(guó)也是一個(gè)人均耕地位于較低水平的國(guó)家之一。隨著現(xiàn)代化城市的建設(shè),耕地面積不斷被城市用地占用,為保證土壤質(zhì)量,國(guó)家出臺(tái)一系列耕地保護(hù)政策,提高耕地質(zhì)量。深松機(jī)作為保護(hù)性耕作的主要整地機(jī)械之一,如圖1所示,在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域使用廣泛。深松機(jī)特殊的深松鏟能夠在保證原有土壤結(jié)構(gòu)較為完整的基礎(chǔ)上,作業(yè)過(guò)程能夠有效破壞堅(jiān)實(shí)的犁底層,使土壤變得松散,增加土壤儲(chǔ)水保墑能力[1]。

圖1 深松機(jī)

深松機(jī)保證作業(yè)耕深是衡量深松作業(yè)好壞的重要指標(biāo)。但是由于一些地區(qū)土質(zhì)或地表前茬作物殘留的緣故,導(dǎo)致傳統(tǒng)的深松機(jī)深淺不一,作業(yè)深度過(guò)淺,達(dá)不到犁底層深度影響作物生長(zhǎng),不符合農(nóng)藝要求;作業(yè)深度過(guò)深,牽引動(dòng)力增加,油耗提高導(dǎo)致成本上升[2-5]?，F(xiàn)階段,測(cè)量作業(yè)深度分為自動(dòng)測(cè)量和人工測(cè)量?jī)煞N。自動(dòng)測(cè)量可分為直接和間接,目前多數(shù)采用超聲波原理測(cè)量作業(yè)機(jī)具與原地面標(biāo)定平面高度差計(jì)算深度的控制系統(tǒng)屬于直接測(cè)量;采用傾角傳感器借助數(shù)學(xué)幾何關(guān)系,計(jì)算地面與當(dāng)前作業(yè)機(jī)具的位置狀態(tài)的角度關(guān)系,進(jìn)而計(jì)算作業(yè)深度的方法屬于間接測(cè)量。

隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展,國(guó)內(nèi)學(xué)者逐漸開(kāi)展了對(duì)作業(yè)深度自動(dòng)化測(cè)量的研究。丁瑞華[6]利用測(cè)量作業(yè)機(jī)具上設(shè)計(jì)的測(cè)力臂與地面的角度建立數(shù)學(xué)模型計(jì)算作業(yè)深度。但此類(lèi)方法對(duì)于地面平整度精度不高的地塊誤差較大。蔣哮虎等[7]為測(cè)量地面平整度不高地塊的作業(yè)耕深,利用超聲波和紅外傳感器結(jié)合的方式,測(cè)量準(zhǔn)確度得到一定程度上的保證。杜新武及其團(tuán)隊(duì)[8]為解決旋耕機(jī)作業(yè)過(guò)程中的旋刀組形變和車(chē)輪位置變化引起結(jié)果的影響,利用傾角傳感器并且建立機(jī)具下拉桿與機(jī)具平臺(tái)平面之間的角度數(shù)學(xué)模型關(guān)系間接計(jì)算作業(yè)深度。

本文在前人研究成果基礎(chǔ)上,在深松機(jī)上安裝傾角傳感器以及輔助監(jiān)測(cè)系統(tǒng),對(duì)深松過(guò)程中的傾角變化量進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè),根據(jù)深松機(jī)傾角變化量計(jì)算深松機(jī)入土深度,利用智能控制技術(shù)調(diào)節(jié)深松機(jī)的入土深度,達(dá)到精準(zhǔn)深松作業(yè)控制的目的,從而提高深松作業(yè)質(zhì)量,降低深松機(jī)的動(dòng)力消耗。

1 系統(tǒng)組成設(shè)計(jì)

本文所述深松機(jī)作業(yè)系統(tǒng)主要包括拖拉機(jī)、車(chē)載控制器、升降裝置、深松鏟、智能化控制系統(tǒng)。根據(jù)深松機(jī)械智能化控制系統(tǒng)的功能需求,將傳感器技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)相結(jié)合,確定智能深松機(jī)械控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與各部分主要作用。監(jiān)控系統(tǒng)主要包括傳感器、車(chē)載終端、服務(wù)器、監(jiān)控終端四個(gè)部分。深松機(jī)械智能化控制系統(tǒng)的主要組成如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

深松機(jī)械智能化控制系統(tǒng)主要由農(nóng)具識(shí)別、作業(yè)角度采集、農(nóng)具圖像監(jiān)測(cè)、農(nóng)具作業(yè)控制、歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)、報(bào)警6個(gè)功能模塊組成,系統(tǒng)組成框圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)功能組成框圖

本文在拖拉機(jī)以及深松鏟各安裝了一傾角傳感器,兩傾角傳感器之間的數(shù)據(jù)差值即為深松鏟的入土角度,通過(guò)運(yùn)算處理可得到深松鏟的實(shí)際入土深度,如深松鏟實(shí)際入土深度偏離理想深松土壤深度范圍,車(chē)載終端將驅(qū)動(dòng)升降裝置完成深松機(jī)作業(yè)系統(tǒng)入土深度精確控制,并產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)發(fā)送至監(jiān)控終端;車(chē)載終端還可將監(jiān)測(cè)到的深松鏟作業(yè)深度信息存儲(chǔ)到服務(wù)器內(nèi),供操作人員查詢(xún)歷史數(shù)據(jù)。

農(nóng)業(yè)機(jī)械識(shí)別系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)了對(duì)各種農(nóng)機(jī)具的識(shí)別,并對(duì)各種農(nóng)機(jī)具的工作角度信息進(jìn)行了存儲(chǔ)。不同農(nóng)機(jī)具在收到車(chē)載終端命令后,會(huì)根據(jù)自己的ID數(shù)據(jù)類(lèi)型向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)。作業(yè)角度采集功能是對(duì)犁具下放以及提升的角度信息進(jìn)行采集并儲(chǔ)存到數(shù)據(jù)庫(kù)中。

農(nóng)具圖像監(jiān)測(cè)功能能夠?qū)崿F(xiàn)利用車(chē)載終端接收服務(wù)器查看作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)圖像命令后,將當(dāng)前農(nóng)機(jī)具的圖像等信息參數(shù)實(shí)時(shí)發(fā)送給服務(wù)器,或無(wú)需指令,車(chē)載終端保持一定時(shí)間間隔采集當(dāng)前農(nóng)機(jī)具作業(yè)情況圖像參數(shù)發(fā)送至服務(wù)器。農(nóng)具作業(yè)控制功能是通過(guò)農(nóng)具安裝的傳感器進(jìn)行作業(yè)數(shù)據(jù)采集,深松機(jī)械控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析,并生成控制指令,由車(chē)載終端控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行深松作業(yè)狀態(tài)調(diào)整,或按照控制指令進(jìn)行系統(tǒng)報(bào)警與狀態(tài)顯示。

2 深松機(jī)傾角監(jiān)測(cè)原理

當(dāng)拖拉機(jī)角度傳感器讀數(shù)為0時(shí),深松機(jī)角度傳感器讀數(shù)實(shí)際反映深松鏟入土角度。當(dāng)機(jī)組在坡面上作業(yè)行進(jìn)時(shí),安裝于拖拉機(jī)上的角度傳感器讀數(shù)為坡面角度,深松機(jī)上角度傳感器讀數(shù)與拖拉機(jī)上角度傳感器讀數(shù)的差值為深松鏟入土角度。

綜合考慮地面角度波動(dòng)和深松目標(biāo)深度,對(duì)深松機(jī)傾角進(jìn)行修正,得出深松機(jī)傾角目標(biāo)角度控制模型[9],即式(1)。

(1)

式中θ—深松機(jī)上角度傳感器讀數(shù),(°);

θ1——深松機(jī)傾角目標(biāo)角度,(°);

β—拖拉機(jī)上的角度傳感器讀數(shù),(°);

Δβ—作業(yè)過(guò)程拖拉機(jī)角度變化量,(°);

h0—深松機(jī)與拖拉機(jī)連接點(diǎn)到深松鏟尖點(diǎn)的垂直高度,mm;

a—深松機(jī)與拖拉機(jī)連接點(diǎn)到深松鏟尖點(diǎn)的水平距離,mm。

3 深松機(jī)智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

深松機(jī)精準(zhǔn)控制時(shí),通過(guò)前端傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,車(chē)載終端進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析,并生成控制指令,由后端執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行深松作業(yè)狀態(tài)調(diào)整,或按照控制指令進(jìn)行系統(tǒng)報(bào)警與狀態(tài)顯示。深松機(jī)控制系統(tǒng)采用高性能STM32F103ZET6作為車(chē)載終端核心處理芯片,選用傾角傳感器要求采集精度不低于±0.3°,且能夠同時(shí)進(jìn)行多通道數(shù)據(jù)處理,傳感器與車(chē)載終端之間通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)通訊方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。執(zhí)行機(jī)構(gòu)電氣控制系統(tǒng)接收車(chē)載終端生成的控制指令,驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行深松作業(yè)。本文深松機(jī)構(gòu)電氣控制系統(tǒng)采用STM32單片機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì),以車(chē)載終端內(nèi)部單片機(jī)所發(fā)送的控制指令作為輸入信號(hào),以深松機(jī)構(gòu)的作業(yè)狀態(tài)作為輸出。圖4為深松機(jī)智能控制系統(tǒng)的主要控制流程圖。

圖4 系統(tǒng)控制流程圖

4 結(jié)論

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化建設(shè)的發(fā)展和農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力的轉(zhuǎn)移,農(nóng)業(yè)機(jī)械的應(yīng)用數(shù)量會(huì)越來(lái)越多,國(guó)家對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械的補(bǔ)貼投入越來(lái)越大,因而,應(yīng)通過(guò)現(xiàn)代化的技術(shù)手段加強(qiáng)對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)質(zhì)量的管理。深松機(jī)械智能化控制系統(tǒng),有效改變了無(wú)法真實(shí)掌握農(nóng)田深松機(jī)械的實(shí)際情況的狀況,加強(qiáng)了對(duì)作業(yè)機(jī)手的管理,提高了土地深松質(zhì)量,避免了與機(jī)手因面積和質(zhì)量產(chǎn)生糾紛,有效地使國(guó)家補(bǔ)貼政策真正的保質(zhì)保量的惠及到每個(gè)參與深松作業(yè)的農(nóng)機(jī)手,效果良好。通過(guò)本技術(shù)的應(yīng)用,使我們初步看到了科技創(chuàng)新與農(nóng)業(yè)機(jī)械相結(jié)合的廣泛應(yīng)用前景,對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械智能化控制研究了提供參考。