拖拉機作業速度檢測裝置研究

徐峰 李廣宇 孟長伊 楊少奇 李玲玲 張磊 張云碩 張含思 于彭濤 李劍飛 郝宇佳

摘要：針對拖拉機田間作業速度信息采集不到或者采集不準確等農機應用過程中的實際問題，基于工業控制計算機、數字量三軸加速度傳感器以及增量編碼器設計開發拖拉機作業速度實時檢測裝置，數字量加速度傳感器通過串口通訊實時輸出加速度數據信息，輸入到工業控制計算機中，經卡爾曼濾波器算法處理后，積分計算得到速度信息。

Abstract： Aiming at the practical problems in the application of agricultural machinery， such as inaccurate or inaccurate collection of tractor field speed information， the real-time detection device for tractor operation speed was developed based on industrial control computers， digital triaxial acceleration sensors and incremental encoders. Acceleration sensors output acceleration data information in real time through serial communication， and input them into the industrial control computer. After processing by the Kalman filter algorithm， the velocity information is obtained by integral calculation.

關鍵詞：拖拉機;速度;加速度傳感器;編碼器;測量方法

Key words： tractor;speed;acceleration sensor;encoder;measurement method

中圖分類號：S219? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）03-0226-02

0? 引言

拖拉機作業機組在田間實際作業過程中，需要對實際行駛速度進行監控，如犁耕作業過程中需要對速度進行檢測，控制拖拉機驅動輪的打滑率在合理范圍，保證拖拉機工作效率和犁耕作業質量;其他作業如精準植保作業、精準施肥作業和智能收獲作業等農機智能作業都需要實時速度的信息來控制藥液、肥料施用劑量、速度和收獲機的各個工作部件運轉速度。另外，通過該裝置檢測到的拖拉機作業機組實時速度信息，可為我國農業機械智能管理數據平臺提供數據支撐。

1? 系統組成

速度檢測系統的硬件組成如圖1所示，AKE392B三軸加速度傳感器采用瑞士先進工業技術，廣泛應用于振動測試、撞擊測試等多個領域。產品采用數字接口輸出，RS232/485/TTL多種接口可選，可設不同地址碼，多個傳感器長距離串在一起使用，便于多點測量和數據分析。產品結構堅固，輸出穩定可靠。編碼器是用來設置速度積分起點和結束，同時可以修正積分誤差，避免速度偏離過大。工業控制計算機具有較強的計算和數據處理能力，可以滿足積分計算量的需求。

2? 系統工作原理

通過將加速度傳感器的一軸定位始終和拖拉機水平機架所在的平面平行，就可以測得拖拉機在前進方向上的加速度，而且不論是上坡還是下坡，均不受影響。

將加速度傳感器安裝平面與拖拉機水平機架保持一平，即將加速度傳感器所測一軸一直保持為拖拉機前進方向，這樣就可以測得拖拉機前進方向的加速度數值。

編碼器是用來測得拖拉機實時的理論速度，通過編碼器信號可以分析出拖拉機運動的時間起點，同時也可分析出一個拖拉機的速度信息。

加速度信息和編碼器信息發送到工業控制計算機，工業控制計算機就可以進行積分運算，得到拖拉機作業的實時速度信息。

3? 軟件設計

速度檢測裝置首先采集到加速度信息和編碼器數據，接著采用卡爾曼數字濾波技術對數據進行加工處理，然后再利用Simpson公式進行數值積分，系統流程圖如圖2所示。

綜合考慮運算效率和積分精度，我們采取了Simpson 公式進行積分，通用公式如式（1）。

由公式（1）可以看出，沒得到一個Simpson 積分數值，必須有數據細分后得到連續的三個數據點，所以我們速度積分運算時，加速度信息需要采集至少3個信息以后才可以進行，為了編程實現速度實時獲取，我們對公式做如下遞推處理：

其中T是加速度采樣周期，a為采集到的加速度，n為速度計算周期。

4? 試驗與結果

為了驗證速度檢測裝置的基本性能，我們設計了速度檢測試驗。在吉林省農機院機電所實驗室室內進行。共進行了5次試驗，試驗地面每次都是同一位置。試驗結果如表1所示。

由表1數據可以分析出，速度檢測裝置輸出的速度信息誤差在5%以下（系統認為編碼器測得速度為真實準確速度），可以滿足使用要求。

5? 結論

拖拉機作業速度檢測裝置融合加速度傳感器信息和編碼器信息積分拖拉機實時行駛速度，克服了拖拉機打滑時速度測不準的困難，解決了拖拉機實時速度檢測技術難題，對智能農業機械發展過程中農機速度檢測技術研究具有一定的指導意義。

參考文獻：

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