甘蔗收獲機(jī)切割器入土切割深度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

何馮光　陳自宏　鄧干然　李騰輝　周思理　李國(guó)杰　崔振德　鄭爽　李玲　覃雙眉　王翔　楊少應(yīng)　周德強(qiáng)

摘要：入土切割是降低甘蔗收獲機(jī)破頭率的重要方法。為了實(shí)現(xiàn)甘蔗收獲機(jī)切割器隨地面起伏自動(dòng)調(diào)控入土深度，保持切割器入土深度的一致性，基于4GQ-1型甘蔗收獲機(jī)，設(shè)計(jì)一種甘蔗收獲機(jī)切割器入土切割深度監(jiān)測(cè)與自動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)切割器入土深度自動(dòng)調(diào)控及其參數(shù)可視化，并通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)和田間試驗(yàn)檢驗(yàn)系統(tǒng)的監(jiān)控性能。室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果表明，監(jiān)控系統(tǒng)的入土深度監(jiān)測(cè)精度平均值為98.90%，自動(dòng)控制精度平均值為97.7%，監(jiān)測(cè)精度和自動(dòng)控制精度達(dá)到95.0%以上。田間試驗(yàn)結(jié)果表明，在20、30和50 mm入土深度的條件下，監(jiān)控系統(tǒng)的自動(dòng)控制精度的平均值分別是85.3%、90.6%、94.1%，自動(dòng)控制精度達(dá)到85.0%以上，監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)合理，性能良好。研究結(jié)果可為甘蔗收獲機(jī)切割器入土切割深度控制系統(tǒng)研究提供理論參考，對(duì)甘蔗收獲機(jī)優(yōu)化升級(jí)具有重要的參考意義。

關(guān)鍵詞：甘蔗收獲機(jī)；切割器；監(jiān)測(cè)；控制；入土深度

doi：10.13304/j.nykjdb.2023.0110

中圖分類號(hào)：S225.8 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：10080864（2024）05010109

甘蔗是我國(guó)主要糖料作物，常年種植約135萬(wàn)hm2，占我國(guó)糖料作物種植面積85%以上，其產(chǎn)量占糖料總產(chǎn)量90%以上[1]。隨著農(nóng)村動(dòng)力短缺、勞動(dòng)力老齡化問(wèn)題日益嚴(yán)重，生產(chǎn)成本不斷上漲，甘蔗機(jī)械化生產(chǎn)技術(shù)與裝備的需求愈發(fā)強(qiáng)烈。目前，我國(guó)甘蔗生產(chǎn)機(jī)耕、機(jī)種、機(jī)管、機(jī)收的全程機(jī)械化取得突破，全國(guó)甘蔗生產(chǎn)綜合機(jī)械化率達(dá)到50%，但機(jī)收率僅為2%左右[1]，因此，機(jī)械化收獲已經(jīng)成為我國(guó)甘蔗生產(chǎn)全程機(jī)械化發(fā)展的瓶頸問(wèn)題。由于甘蔗是多年生植物，機(jī)械化收獲的破頭率大小直接影響甘蔗宿根的發(fā)芽率，當(dāng)前在用甘蔗收獲機(jī)的宿根破頭率20%以上[2]，嚴(yán)重影響蔗農(nóng)的經(jīng)濟(jì)效益和甘蔗收割機(jī)的可靠性，是制約甘蔗機(jī)械化收獲發(fā)展的重要因素[3-6]。

切割器是甘蔗收獲機(jī)直接對(duì)甘蔗產(chǎn)生作用的部件，其切割質(zhì)量直接決定甘蔗宿根破頭率。切割器的切割方式、結(jié)構(gòu)參數(shù)、工作參數(shù)等方面進(jìn)行了大量研究研究[7-12]，有效降低了甘蔗宿根破頭率。研究發(fā)現(xiàn)，切割器入土切割能有效降低破頭率，提高甘蔗切割質(zhì)量60%，保證甘蔗宿根發(fā)芽率[13-18]。由于我國(guó)甘蔗多種植在丘陵地帶，地勢(shì)崎嶇變化大，甘蔗收獲機(jī)無(wú)法依據(jù)地勢(shì)實(shí)時(shí)有效地控制切割器入土切割深度，存在過(guò)切或者切深不足現(xiàn)象，導(dǎo)致甘蔗收獲機(jī)收割損失和破頭率高。目前，我國(guó)的甘蔗收獲機(jī)切割器自動(dòng)控制系統(tǒng)研究處于起步階段，張亮[19]研制了一種甘蔗收割機(jī)刀盤仿形隨動(dòng)控制系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)驗(yàn)證該系統(tǒng)可滿足作業(yè)要求；徐莉萍等[20]通過(guò)虛擬樣機(jī)技術(shù)進(jìn)行了刀盤仿形系統(tǒng)的研究和仿真，得出系統(tǒng)響應(yīng)速度和穩(wěn)定性基本能滿足設(shè)計(jì)要求的結(jié)果；宮元娟等[21]設(shè)計(jì)了甘蔗收獲機(jī)割臺(tái)隨動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)割臺(tái)高度隨地形起伏變化自動(dòng)控制，使甘蔗收獲機(jī)平均破頭率降低18.5%。

以上切割器仿形自動(dòng)控制系統(tǒng)研究較好地保證了甘蔗留茬高度的一致性，為甘蔗收獲機(jī)的性能優(yōu)化升級(jí)提供重要的技術(shù)支撐和理論依據(jù)。但由于甘蔗收獲機(jī)切割器留茬作業(yè)與入土切割作業(yè)的條件與要求不一樣，亟需借助現(xiàn)有技術(shù)、方法和理論基礎(chǔ)，深入探索研究甘蔗收獲機(jī)切割器入土切割深度自動(dòng)控制系統(tǒng)。同時(shí)，入土切割深度實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)及其數(shù)值可視化可使駕駛員直接獲取作業(yè)參數(shù)，操控調(diào)整入土審讀，提高甘蔗收獲機(jī)作業(yè)質(zhì)量。因此，本研究基于4GQ-1型甘蔗收獲機(jī)，設(shè)計(jì)一種切割器入土切割深度監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)切割器作業(yè)參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和入土切割深度自動(dòng)控制，為駕駛員調(diào)整作業(yè)參數(shù)提供參考，旨在提高甘蔗收獲機(jī)切割質(zhì)量，降低甘蔗宿根破頭率。

1 材料與方法

1.1 4GQ-1 型甘蔗收獲機(jī)總體結(jié)構(gòu)與主要參數(shù)

4GQ-1型甘蔗收獲機(jī)由雷州雷寶機(jī)械有限公司研發(fā)生產(chǎn)，主要由切梢器、扶倒器、切割器、輸送裝置、切段裝置、風(fēng)機(jī)部件、集蔗裝置等部件組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。工作時(shí)，先將切割器部分抬起一定的高度，然后調(diào)整連接切割器的液壓馬達(dá)，使其達(dá)到額定的轉(zhuǎn)速，根據(jù)甘蔗的高度和蔗地的地形，調(diào)節(jié)切割器到合適高度，實(shí)現(xiàn)入土切割的功能。扶倒器將倒伏或交錯(cuò)的甘蔗分開并扶起，壓蔗輥將甘蔗壓倒并送至切割器切割，輸送裝置將切段的甘蔗輸送拋出，并由風(fēng)機(jī)將蔗葉、雜草等雜物分離，甘蔗段落入集蔗裝置內(nèi)。4GQ-1型甘蔗收獲機(jī)主要參數(shù)如表1所示。

1.2 監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成和工作原理

甘蔗收獲機(jī)切割器入土切割深度監(jiān)控系統(tǒng)主要由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成，硬件系統(tǒng)包括主控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、入土深度控制模塊、上位機(jī)顯示模塊等；軟件系統(tǒng)包括下位機(jī)控制軟件和上位機(jī)顯示軟件等。根據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能要求，實(shí)現(xiàn)作業(yè)前進(jìn)速度、切割器入土深度、切割器轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)采集模塊通過(guò)傳感器獲取作業(yè)前進(jìn)速度、切割器入土深度、切割器轉(zhuǎn)速的參數(shù)，并傳輸至主控制模塊，經(jīng)過(guò)主控制模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，利用無(wú)線傳輸模塊將解算后的數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)顯示模塊。通過(guò)下位機(jī)控制軟件設(shè)計(jì)和電路設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集模塊數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集和傳輸，上位機(jī)顯示軟件實(shí)現(xiàn)參數(shù)的可視化顯示、記錄保存以及動(dòng)態(tài)曲線顯示等功能。

1.3 主控制模塊設(shè)計(jì)

主控制模塊選用STM32系列單片機(jī)控制器作為主控制器，單片機(jī)芯片選用STM32F103ZET6，該芯片配置傳感器接口、繼電器接口、程序下載接口、串口等接口。利用SPI1_SCK作為時(shí)鐘信號(hào)，SPI1_MISO作為SPI的主器設(shè)備數(shù)據(jù)輸入，從器件數(shù)據(jù)輸出接口SPI1_MOSI作為SPI的主器設(shè)備數(shù)據(jù)輸出，從器件數(shù)據(jù)輸出接口，使用PA4接口作為傳感器的使能信號(hào)接口，讀取傳感器ID。PD2接口作為傳感器中斷接口。PC6和PC7分別作為繼電器的輸入控制信號(hào)接口；PA9和PA10作為串口接口，經(jīng)SP3232 芯片轉(zhuǎn)換連接工控觸摸屏的RS232串口，該串口也可同時(shí)用于初始程序下載。為確保監(jiān)測(cè)系統(tǒng)正常穩(wěn)定運(yùn)行，需利用電源電路提供有效穩(wěn)定電壓。電源模塊選用TLE4296芯片將12 V電源轉(zhuǎn)換成5和3.3 V電源，TLE4296芯片輸入電壓和輸出電壓范圍分別為5～12 V和3.26～3.33 V。輸出電壓中，5 V電壓可滿足傳感器及無(wú)線傳輸模塊的電源需求，3.3 V電壓可滿足單片機(jī)的電源需求。電源模塊電路如圖2所示。

1.4 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集模塊采集切割器的入土深度和轉(zhuǎn)速、甘蔗收獲機(jī)作業(yè)前進(jìn)速度。

1.4.1 切割器入土深度檢測(cè)

距離測(cè)算方式主要分為間接測(cè)量和直接測(cè)算，由于直接測(cè)算易受到外界客觀因素影響，抗干擾能力差，因此，切割器入土深度采用間接測(cè)算方式。利用檢測(cè)機(jī)構(gòu)采集切割器的角度變化信息，通過(guò)角度與高度的數(shù)學(xué)運(yùn)算方式，獲得切割器入土深度，通過(guò)SPI通訊，現(xiàn)檢測(cè)機(jī)構(gòu)與單片機(jī)數(shù)據(jù)傳輸。檢測(cè)機(jī)構(gòu)由支撐連桿、仿形輪、減震墊片、MLX90363姿態(tài)傳感器等組成，采用鉸接方式與前機(jī)架連接，如圖3 所示。在MLX90363姿態(tài)傳感器采集到支撐連桿變化角度后，利用MLX90363內(nèi)部自帶DMP將采集到的角度數(shù)據(jù)進(jìn)行姿態(tài)解算，通過(guò)姿態(tài)解算以及角度與高度的數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換公式獲得切割器入土深度。

由于蔗地地面凹凸不平，在工作過(guò)程中，支撐連桿與仿形輪會(huì)隨著地面高度變化而發(fā)生上下運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)變化如圖4所示，高度變化由公式（1）計(jì)算可得。

h = L [sin（ β + θ0 ） - sin（θ0 - α） ] （1）

式中，h 為仿形輪高度變化量，mm；L 為支撐連桿長(zhǎng)度，mm；α 為支撐連桿上升變化角度，（°）；β 為支撐連桿下降變化角度，（°）；θ0為初始工作角度，（°）。

由式（1）可知，高度變化主要受支撐連桿長(zhǎng)度、初始工作角度影響，支撐連桿長(zhǎng)度越大，初始工作角度越小，檢測(cè)機(jī)構(gòu)作業(yè)也越穩(wěn)定，但支撐連桿長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)，會(huì)對(duì)切割器產(chǎn)生干擾，因此，根據(jù)蔗地地面高度最大變化量、支撐連桿長(zhǎng)度最大上升變化角度和最大下降變化角度，參考仿形檢測(cè)機(jī)構(gòu)[2223]設(shè)計(jì)支撐連桿長(zhǎng)度。設(shè)計(jì)最大上升變化角度為35°，最大下降變化角度為52°，初始工作角度為10°，高度最大變化量為300 mm，因此，計(jì)算可得支撐連桿長(zhǎng)度為420.79 mm，取支撐連桿設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為420 mm。

在檢測(cè)機(jī)構(gòu)作業(yè)前，需支撐連桿初始工作角度進(jìn)行標(biāo)定，明確支撐連桿初始工作狀態(tài)。在作業(yè)過(guò)程中，支撐連桿工作角度隨著地面的起伏變化發(fā)生改變。通過(guò)姿態(tài)傳感器檢測(cè)支撐連桿工作角度的變化，利用公式（2）轉(zhuǎn)換獲得切割器入土切割深度。

H0 = H - Lsin（θ - θ0 ） - R （2）

式中，H0為切割器入土深度，mm；R 為仿形輪半徑，mm；H 為切割器初始工作高度，mm；L 為仿形桿長(zhǎng)度，mm；θ 為支撐連桿工作角度，（°）。

由于甘蔗收獲機(jī)作業(yè)時(shí)，甘蔗植株位于切割器正前方，導(dǎo)致檢測(cè)機(jī)構(gòu)無(wú)法直接安裝在切割器正前方。為了更準(zhǔn)確地獲得甘蔗根部地面起伏情況信息，考慮甘蔗收獲機(jī)實(shí)際作業(yè)時(shí)分道擋板較接近甘蔗根部，結(jié)合4GQ-1型甘蔗收獲機(jī)結(jié)構(gòu)特征，將檢測(cè)機(jī)構(gòu)固定安裝在分道擋板外側(cè)，解決甘蔗對(duì)檢測(cè)機(jī)構(gòu)的直接干擾，并獲得較好的檢測(cè)效果。

1.4.2 切割器轉(zhuǎn)速檢測(cè)

切割器轉(zhuǎn)速利用旋轉(zhuǎn)編碼器獲取，選用OMRON E6B2-CWZ6 旋轉(zhuǎn)編碼器，每轉(zhuǎn)輸出1 000個(gè)脈沖，并將1 s內(nèi)的脈沖信號(hào)發(fā)送到單片機(jī)，通過(guò)公式（3）獲得切割器轉(zhuǎn)速。

W = N／T × n0（3）

式中，W 為切割器轉(zhuǎn)速，r·min-1；N 為T 時(shí)間內(nèi)的脈沖信號(hào)總數(shù)；T 為工作時(shí)間，s；n0為1 s內(nèi)脈沖數(shù)量。

1.4.3 作業(yè)前進(jìn)速度檢測(cè)

甘蔗收獲機(jī)作業(yè)前進(jìn)速度采用GPS定位直接獲取，選用ATGM332D型號(hào)的GPS/BDS 雙模定位模塊，主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。

1.4.4 入土深度控制模塊設(shè)計(jì)

入土深度自動(dòng)控制依靠液壓控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，主要由雙作用液壓缸、液壓同步馬達(dá)、三位四通電磁換向閥、溢流閥、液壓油箱、油泵等組成。工作時(shí)，油泵中出來(lái)的液壓油過(guò)溢流閥可使液壓系統(tǒng)系統(tǒng)油壓力維持恒定，此時(shí)流經(jīng)三位四通電磁換向閥，一端通電經(jīng)過(guò)油路變換后進(jìn)入溢流閥控制出油液壓流量，經(jīng)由液壓同步馬達(dá)然后由有桿腔進(jìn)油，可液壓缸實(shí)現(xiàn)油缸伸出；當(dāng)電磁換向閥另一端通電時(shí)，無(wú)桿腔進(jìn)油，可實(shí)現(xiàn)油缸收縮動(dòng)作，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)甘蔗收獲機(jī)切割器入土深度的自動(dòng)控制功能。當(dāng)實(shí)際切割器入土深度小于設(shè)定切割器入土深度范圍時(shí)，電磁換向閥處于右位，液壓油缸無(wú)桿腔進(jìn)油，液壓缸活塞桿伸長(zhǎng)，切割器入土深度增加，控制到設(shè)定入土深度范圍內(nèi)；當(dāng)實(shí)際切割器入土深度滿足設(shè)定范圍要求時(shí)，電磁換向閥處于中位，液壓油缸無(wú)動(dòng)作，切割器入土深度滿足設(shè)定范圍要求；當(dāng)實(shí)際切割器入土深度大于設(shè)定切割器入土深度范圍時(shí)，電磁換向閥處于左位，液壓油缸有桿腔進(jìn)油，液壓缸活塞桿收縮，切割器入土深度減小，控制到設(shè)定入土深度范圍內(nèi)。

1.4.5 上位機(jī)顯示模塊設(shè)計(jì)

上位機(jī)顯示模塊采用處理器為J1800、運(yùn)行內(nèi)存為2 G、固態(tài)硬盤為32 G 的懸掛式工控觸摸屏，運(yùn)行系統(tǒng)環(huán)境為Windows 7，配備2 個(gè)COM 接口、4 個(gè)USB 接口、1個(gè)VGA接口、1個(gè)HDMI接口、1個(gè)LAN接口等。

1.5 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.5.1 采集數(shù)據(jù)處理軟件開發(fā)

采集數(shù)據(jù)由單片機(jī)完成，采用Keil開發(fā)軟件、C語(yǔ)言開發(fā)采集數(shù)據(jù)處理軟件。軟件由MLX90363姿態(tài)傳感器的原始數(shù)據(jù)讀取、SPI通信、DMP姿態(tài)解算、串口通信等主要程序模塊組成。原始數(shù)據(jù)的采集主要由初始化STM32的SPI、使用SPI協(xié)議發(fā)送GET1和NOP指令，并定時(shí)讀取SPI原始數(shù)據(jù)3個(gè)步驟完成。采集原始數(shù)據(jù)后，利用MLX90363姿態(tài)傳感器內(nèi)部自帶DMP對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行姿態(tài)解算，隨即緩存到FIFO中，同時(shí)外部生成中斷。在主程序接收到外部中斷信號(hào)后，利用IIC從FIFO緩沖或通過(guò)DMP寄存器直接讀取檢測(cè)機(jī)構(gòu)姿態(tài)的四元數(shù)并轉(zhuǎn)換成姿態(tài)角。原始數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)DMP姿態(tài)解算后，使用串口通信方式將實(shí)時(shí)狀態(tài)下的姿態(tài)角數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)。為了防止串口通信中數(shù)據(jù)發(fā)生錯(cuò)誤，保證數(shù)據(jù)收發(fā)質(zhì)量，因此，加入了串口通信協(xié)議，該協(xié)議發(fā)送到上位機(jī)的每幀數(shù)據(jù)由幀頭、功能字、長(zhǎng)度、主體數(shù)據(jù)、校驗(yàn)和組成，采用STATUS數(shù)據(jù)幀，“幀頭”用于表示數(shù)據(jù)包的開始，均使用2個(gè)字節(jié)的0xAA表示；“功能字”用于區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)幀的類型，0x01 表示STATUS 幀，0x02 表示SENSER 幀；“長(zhǎng)度”表示后面主體數(shù)據(jù)內(nèi)容的字節(jié)數(shù)；“校驗(yàn)和”用于校驗(yàn)，它是前面所有內(nèi)容的總和。

1.5.2 上位機(jī)顯示軟件開發(fā)

上位機(jī)顯示軟件在Visual Studio Code 的環(huán)境下搭建的開發(fā)平臺(tái)，運(yùn)用Python語(yǔ)言開發(fā)，基于Wxpython架構(gòu)設(shè)計(jì)登錄界面、數(shù)據(jù)顯示主頁(yè)面。登錄界面包括用戶登錄、用戶注冊(cè)2部分，在進(jìn)入系統(tǒng)時(shí)，用戶可首先進(jìn)入用戶注冊(cè)界面注冊(cè)自己的用戶名和密碼，然后返回登陸界面即可登陸，系統(tǒng)自動(dòng)保存已注冊(cè)用戶的用戶名和密碼，保證了系統(tǒng)的安全使用。數(shù)據(jù)顯示主頁(yè)面主要由通信接口、信息顯示模塊、視頻監(jiān)測(cè)模塊、參數(shù)設(shè)置模塊、數(shù)據(jù)保存模塊組成，實(shí)現(xiàn)作業(yè)數(shù)據(jù)記錄與保存、通信端口、作業(yè)速度監(jiān)測(cè)、切割器轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)、姿態(tài)角度監(jiān)測(cè)、入土切割深度監(jiān)測(cè)、動(dòng)態(tài)曲線顯示、參數(shù)設(shè)置、入土深度自動(dòng)控制等功能。

1.6 試驗(yàn)方法

通過(guò)室內(nèi)臺(tái)架試驗(yàn)和田間試驗(yàn)檢驗(yàn)監(jiān)控系統(tǒng)的工作性能。試驗(yàn)臺(tái)架主要由仿形壟面、支撐臺(tái)架、液壓工作站、液壓缸、監(jiān)控系統(tǒng)、電源等組成，采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)仿形壟面移動(dòng)、檢測(cè)機(jī)構(gòu)固定的方式，形成仿形壟面與檢測(cè)機(jī)構(gòu)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。室內(nèi)臺(tái)架試驗(yàn)在廣東省湛江市中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械所開展，田間試驗(yàn)在廣東省湛江市雷州市火炬農(nóng)場(chǎng)甘蔗種植基地開展。

1.6.1 入土深度監(jiān)測(cè)精度臺(tái)架試驗(yàn)

為了檢驗(yàn)監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)精度，采用單因素試驗(yàn)方法，在不同的前進(jìn)速度下分析上位機(jī)顯示值與入土深度實(shí)際值的差值，獲得監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的偏差值，并計(jì)算入土深度監(jiān)測(cè)精度（式4）。利用高速攝影儀記錄液壓缸伸縮運(yùn)動(dòng)軌跡，測(cè)量測(cè)機(jī)構(gòu)在仿形壟面最高點(diǎn)時(shí)的壟面信息。前進(jìn)速度設(shè)置0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5 m·s-1，共進(jìn)行9組試驗(yàn)，每組試驗(yàn)重復(fù)測(cè)量3次取平均值。

式中，Q 為入土深度監(jiān)測(cè)精度，%；LT為上位機(jī)顯示值，mm；LS為液壓缸實(shí)際伸縮變化量，mm。

1.6.2 自動(dòng)控制精度臺(tái)架試驗(yàn)

為了檢驗(yàn)甘蔗收獲機(jī)前進(jìn)速度和傳感器安裝高度對(duì)控制系統(tǒng)的控制精度，以仿形壟面前進(jìn)速度和傳感器安裝高度為因素（表3），以系統(tǒng)入土深度預(yù)設(shè)值與入土切割實(shí)際深度值的相對(duì)誤差為指標(biāo)進(jìn)行正交試驗(yàn)。利用高速攝影儀記錄液壓缸伸縮運(yùn)動(dòng)軌跡，測(cè)量采集檢測(cè)機(jī)構(gòu)在仿形壟面最高點(diǎn)和最低點(diǎn)時(shí)液壓缸伸縮變化值，獲得入土切割實(shí)際深度值，由公式（5）計(jì)算自動(dòng)控制精度。每組試驗(yàn)采集10個(gè)數(shù)據(jù)樣本，取平均值作為該組試驗(yàn)結(jié)果。根據(jù)前期研究結(jié)果[17]，選取系統(tǒng)入土深度預(yù)設(shè)值為20 mm。

式中，y 為自動(dòng)控制精度，%；LS為液壓缸實(shí)際伸縮變化量，mm；20為入土深度預(yù)設(shè)值，mm。

1.6.3 田間試驗(yàn)

通過(guò)田間試驗(yàn)檢驗(yàn)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)際作業(yè)的自動(dòng)控制性能。試驗(yàn)前，將系統(tǒng)安裝到4GQ-1型甘蔗收獲機(jī)。選取長(zhǎng)度為100 m的試驗(yàn)區(qū)間，中間80 m為試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集區(qū)間，并在試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集區(qū)間內(nèi)間隔15 m標(biāo)記數(shù)據(jù)采集點(diǎn)，數(shù)據(jù)采集點(diǎn)共6個(gè)。試驗(yàn)時(shí)，選用1.50 m·s-1作為田間試驗(yàn)的前進(jìn)速度，選取系統(tǒng)入土深度預(yù)設(shè)值20、30和50 mm為試驗(yàn)條件[24]。試驗(yàn)后，測(cè)量統(tǒng)計(jì)每個(gè)試驗(yàn)條件下的6 個(gè)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)的入土切割深度，在每個(gè)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)的不同位置測(cè)量3組數(shù)據(jù)，取3組數(shù)據(jù)的平均值作為該采集點(diǎn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。分析測(cè)量結(jié)果與系統(tǒng)入土深度預(yù)設(shè)值相對(duì)誤差，評(píng)價(jià)控制系統(tǒng)田間作業(yè)的控制性能（式6）。

式中，yT 為自動(dòng)控制精度，%；LK 為實(shí)際入土深度，mm；LC為入土深度預(yù)設(shè)值，mm。

1.7 數(shù)據(jù)分析

采用Origin軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，

2 結(jié)果與分析

2.1 入土深度監(jiān)測(cè)精度分析

由表4可知，監(jiān)控系統(tǒng)入土深度監(jiān)測(cè)精度的最大值為100.00%（前進(jìn)速度為0.5 m·s-1），最小值為98.18%（前進(jìn)速度為4.0 m·s-1），平均值為98.90%，監(jiān)測(cè)精度的極差為1.82%，監(jiān)測(cè)精度總體變化趨勢(shì)較平穩(wěn)，表明前進(jìn)速度對(duì)入土深度的監(jiān)測(cè)精度影響不大，入土深度檢測(cè)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)合理以及監(jiān)測(cè)性能可靠，符合甘蔗收獲機(jī)切割器入土切割深度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

2.2 入土切割深度自動(dòng)控制精度分析

入土切割深度自動(dòng)控制精度試驗(yàn)結(jié)果如表5所示，可以看出，監(jiān)控系統(tǒng)的入土切割深度自動(dòng)控制精度均大于95.0%，控制精度平均值為97.7%，前進(jìn)速度1.50 m·s-1，安裝高度30 mm時(shí)控制精度高達(dá)99.8%。

采用Origin軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表6所示?？梢钥闯?，前進(jìn)速度和安裝高度的P 值均大于0.05，因此，前進(jìn)速度與安裝高度對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的控制精度的影響不顯著，表明監(jiān)控系統(tǒng)的自動(dòng)控制性能受前進(jìn)速度與安裝高度的影響極小，符合甘蔗收獲機(jī)切割器入土切割深度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

2.3 田間驗(yàn)證結(jié)果分析

由表7 可知，監(jiān)控系統(tǒng)入土深度20、30 和50 mm 的控制精度分別為85.3%、90.6%、94.1%，均達(dá)到85.0%以上。隨著入土深度預(yù)設(shè)值增大，實(shí)際入土深度極差值越小，控制精度越高。由式（6）可知，入土深度預(yù)設(shè)值越小，控制精度要求越高，在同等比例的實(shí)際入土深度條件下，實(shí)現(xiàn)的控制精度相對(duì)偏低，因此，監(jiān)控系統(tǒng)入土深度預(yù)設(shè)值越大，其控制精度性能越好。田間試驗(yàn)控制精度與室內(nèi)臺(tái)架試驗(yàn)的平均控制精度相對(duì)誤差分別是12.7%、7.3%、3.7%，其原因是甘蔗地條件復(fù)雜多變，檢測(cè)機(jī)構(gòu)受倒伏甘蔗、雜草等干擾，引起檢測(cè)獲取錯(cuò)誤信息情況；同時(shí)由于4GQ-1型甘蔗收獲機(jī)的切割器升降液壓系統(tǒng)與整機(jī)升降功能一體，升降液壓系統(tǒng)的負(fù)載相對(duì)較大，執(zhí)行控制過(guò)程的伸縮速度相對(duì)室內(nèi)臺(tái)架試驗(yàn)液壓系統(tǒng)的速度慢，反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，導(dǎo)致田間試驗(yàn)的精度與室內(nèi)臺(tái)架試驗(yàn)的精度相對(duì)誤差大。

3 討論

入土切割是甘蔗收獲機(jī)降低甘蔗破頭率的有效措施，研究切割器入土切割深度監(jiān)控系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)入土深度參數(shù)可視化和自動(dòng)化控制。本研究基于4GQ-1型甘蔗收獲機(jī)，采用仿形檢測(cè)方法和單片機(jī)控制技術(shù)，設(shè)計(jì)甘蔗收獲機(jī)切割器入土切割深度監(jiān)控系統(tǒng)，使甘蔗收獲機(jī)切割器可隨地面起伏情況自動(dòng)調(diào)控入土切割深度及其參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)切割器入土深度自動(dòng)控制和參數(shù)可視化。室內(nèi)臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果表明：監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)精度和自動(dòng)控制精度達(dá)到95.0%以上，表明監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)合理。與張亮[19]室內(nèi)試驗(yàn)研究結(jié)果一致，其研發(fā)了甘蔗收割機(jī)刀盤仿形隨動(dòng)控制系統(tǒng)，在割茬高度為0～10 cm條件下，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)偏差值約為1.4 mm，檢測(cè)值和人工測(cè)量值最大誤差為1 mm，控制精度和檢測(cè)精度均為90%以上。宮元娟等[21]在留茬高度為50、100、150 mm條件下開展甘蔗收獲機(jī)割臺(tái)隨動(dòng)控制系統(tǒng)田間試驗(yàn)研究，在留茬高度為50 mm時(shí)，控制精度為86.0%；留茬高度為100 mm 時(shí)，控制精度為91.2%；留茬高度為150 mm時(shí)，控制精度為94.5%。本研究田間試驗(yàn)結(jié)果表明，在入土深度為20、30和50 mm的條件下，自動(dòng)控制精度分別是85.3%、90.6%、94.1%，表明監(jiān)控系統(tǒng)整體性能滿足設(shè)計(jì)及使用需求。

監(jiān)控系統(tǒng)的自動(dòng)控制精度仍有較大的提升空間。在田間試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，切割器升降控制系統(tǒng)的響應(yīng)速率對(duì)自動(dòng)控制精度的影響較大，后期需通過(guò)優(yōu)化改進(jìn)切割器升降控制系統(tǒng)，使其與整機(jī)升降系統(tǒng)分開控制，縮短切割器升降自動(dòng)控制響應(yīng)時(shí)間，以達(dá)到提高切割器升降控制系統(tǒng)的響應(yīng)速率，提升監(jiān)控系統(tǒng)的自動(dòng)控制精度。同時(shí)，倒伏甘蔗或者雜草對(duì)仿形檢測(cè)機(jī)構(gòu)采集地面信息具有一定程度的干擾，后期需通過(guò)配置仿形檢測(cè)機(jī)構(gòu)防干擾機(jī)構(gòu)或者雜草清理機(jī)構(gòu)，降低外界因素對(duì)仿形檢測(cè)機(jī)構(gòu)信息采集精度的影響。

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（責(zé)任編輯：溫小杰）

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