土下果實收獲機械自動限深裝置研制與試驗

游兆延　胡志超　吳惠昌等

摘要：為了提高土下果實收獲時的挖掘效果，降低駕駛員勞動強度，設(shè)計了基于超聲波測距的自動限深系統(tǒng)，包括地面仿形裝置設(shè)計、關(guān)鍵器件的選擇、控制算法的設(shè)計、液壓設(shè)計、A/D采樣以及程序編寫等，檢測了超聲波傳感器的性能，將整套系統(tǒng)嫁接在花生聯(lián)合收獲機上，用傳感器兩端的電壓響應(yīng)曲線來反映耕深變化，并進行了限深收獲試驗。結(jié)果表明：手動收獲蘿卜平均挖掘深度12.50 mm，傷果率5.71%，漏挖率2.82%；改為自動限深方式收獲后，平均挖掘深度12.30 mm，傷果率3.40%，漏挖率1.10%。手動收獲甘薯平均挖掘深度15.30 mm，傷果率3.00%，漏挖率138%；改為自動限深方式收獲后，平均挖掘深度14.8 mm，傷果率1.95%，漏挖率1.08%。

關(guān)鍵詞：土下果實，超聲波測距，自動限深

中圖分類號： S225 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2015）03-0354-04

土下果實作物種類繁多，主要有馬鈴薯、花生、甘薯、甜菜、大蒜、洋蔥、胡蘿卜、生姜等20余種。近年來，在消費結(jié)構(gòu)、出口結(jié)構(gòu)不斷調(diào)整優(yōu)化的雙重拉動下，我國土下果實作物種植面積達數(shù)億畝，年產(chǎn)值達數(shù)千億元[1-4]。目前，我國土下果實生產(chǎn)機械化水平不僅低于發(fā)達國家，與稻麥等主要糧食作物機械化水平相比亦有較大差距。土下果實收獲機械在減輕勞動強度、降低收獲損失、提高生產(chǎn)率方面發(fā)揮著重要作用，在實際挖掘收獲中，機具手須時刻注意當前挖掘情況，工作強度大，無法實現(xiàn)精確控制，存在挖破、漏挖、破壞土質(zhì)等問題，有效降低機手的工作強度十分重要。國外限深方式多采用電液壓式，如德國Grimme農(nóng)機公司設(shè)計了由轉(zhuǎn)向油壓缸、液壓泵、比例換向閥、轉(zhuǎn)向控制器（ECU）組成的馬鈴薯收獲機，此裝置適用于大農(nóng)場收獲。加拿大薩斯徹溫大學(xué)控制工程系研制出1種超聲波深度控制系統(tǒng)，由安裝在農(nóng)具機架上部的3個高頻超聲波傳感器測量并提供平均作業(yè)深度信號，每個傳感器將超聲波直接發(fā)射到地面，并檢測出其反射的脈沖。江蘇宇成動力集團有限公司研制開發(fā)的大蒜聯(lián)合收獲機的限深系統(tǒng)由限深指示板、液壓調(diào)節(jié)機構(gòu)等組成。河南省開封市茂盛公司生產(chǎn)的花生聯(lián)合收獲機的限深裝置通過調(diào)節(jié)螺桿與限深輪安裝支架相連，調(diào)整范圍為150 mm，保證了挖掘深度的一致性。華南農(nóng)業(yè)大學(xué)羅錫文教授領(lǐng)導(dǎo)的團隊以東方紅X-804拖拉機為研究對象，開發(fā)了電控液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、作業(yè)機具升降控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了拖拉機自動轉(zhuǎn)向操縱控制以及作業(yè)機具自動升降控制[5]。本研究設(shè)計了基于超聲波測距的自動限深系統(tǒng)，整套裝置搭載于4HLB-2型花生聯(lián)合收獲機上，田間試驗檢測系統(tǒng)響應(yīng)性能、收獲性能，實現(xiàn)了土下果實挖掘深度的自動控制。

1 自動限深工作原理

地面作業(yè)環(huán)境比較復(fù)雜，以超聲波測距傳感器作為檢測工具時，聲波在傳播過程中如果遇到直徑小于超聲波半個波長的障礙物，聲波會繞過障礙物繼續(xù)傳播，即產(chǎn)生繞射現(xiàn)象[6]。為解決此問題，可以通過測量超聲波傳感器發(fā)射端距離地面仿形裝置的距離，間接得到地面起伏的變化，將測得的深度變化值與控制器設(shè)定的變化深度進行比較，由控制器發(fā)出控制信號至電磁閥，由電磁閥控制油缸進行動作，循環(huán)反饋完成控制任務(wù)，具體原理見圖1。

2 主要部件設(shè)計及參數(shù)確定

2.1 非剛性接觸仿形裝置設(shè)計

仿形裝置由地輪、導(dǎo)向管a、導(dǎo)向管b、焊接板、壓簧、長螺桿、測量基準板等組成（圖2）。壓簧嵌套在長螺桿上，始終運動于2個導(dǎo)向管之間；導(dǎo)向管b隨著地面的起伏在導(dǎo)向管a內(nèi)上下滑動，活動距離為335 cm；導(dǎo)向管a與導(dǎo)向管b之間連接有六角頭螺栓，限制了導(dǎo)向管b繞長螺桿軸線方向轉(zhuǎn)動的自由度，起到導(dǎo)向作用；超聲波傳感器安裝在超聲波測量基準板上方，通過測量超聲波傳感器距離測量基準板的距離變化可以觀察機具作業(yè)深度的變化。

2.2 超聲波測距傳感器

超聲波測距傳感器（深圳科利奧公司）型號為LM-200-010-DAC，安裝在測量基準板上方，工作電壓24 V，測量范圍為200～1 000 mm，盲區(qū)200 mm，頻率200 kHz，工作溫度-35～70 ℃，外殼材料ABS，通過發(fā)射超聲波信號與反饋信號的時間差得到距離信號，以無線通信的方式傳輸距離信息[7-8]。筆者對超聲波測距模塊進行了實際測量試驗。選用的超聲波傳感器連接方式為：棕線：電源正24 V；黑線：電源負；白線：大地；藍線（輸出線）：0～10 V，電源由美國Extech公司直流電源提供輸入，在示波器（美國Fluke公司）里觀察輸出特性，在1 m范圍內(nèi)測量9組數(shù)據(jù)（表1），將測量距離與實際距離進行比較，分別求出其相對誤差、絕對誤差。

3 田間試驗

2014年1月24日在江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗田進行試驗，檢測其自動限深響應(yīng)性能，選用304拖拉機后懸掛 4QL-1 甘薯起壟機[10]，在試驗田起壟，長20 m，壟高 250 mm，壟寬600 mm。在壟上選取長度為12 m的樣本，在起好的壟上修1條高低起伏的地面，模擬花生收獲時壟底地面高低起伏的變化。

3.1 示波器跟蹤結(jié)果

用示波器響應(yīng)的電壓曲線跟蹤地面高度的變化曲線，將示波器的兩端連接在超聲波傳感器上，收獲速度達0.33 m/s時，分別以不加入控制程序、加入控制程序通過取樣地面，測量超聲波傳感器電壓的變化情況（圖6），觀察機器的靈敏度、延時性。從示波器中可以看出，不用自動限深時，起伏變化較大，用自動限深控制，最大延時小于0.4 s，超調(diào)量小于10%，觀察發(fā)現(xiàn)其電壓范圍圍繞在某值附近，保證挖掘深度基本一致，提高了挖掘效果。當行駛速度達0.66 m/s時，帶自動控制時，示波器如圖7所示，系統(tǒng)滯后時間超過0.5 s，超調(diào)量大于15%，限深效果降低。

3.2 機器抗振性能檢測試驗

選用丹麥B&K2513測振儀記錄地面仿形裝置在田間的振動情況（圖8），人工限深時，收獲機行駛速度為 0.33 m/s，噪聲為162 dB，RMS（均方根）值為13 km/s2；收獲速度為0.66 m/s，噪聲為173 dB，RMS值為17 km/s2。自動限深時，收獲機行駛速度為0.33 m/s，噪聲為149 dB，RMS值為3 mm/s；收獲速度為0.66 m/s時，噪聲為161 dB，RMS值為11 km/s2[11]。振動測量結(jié)果驗證了示波器電壓曲線的變化情況。endprint

3.3 田間收獲試驗

分別用自動限深、人工手動收獲蘿卜、甘薯進行挖掘試驗，比較收獲傷果率、漏挖率等收獲參數(shù)。手動收獲蘿卜平均挖掘深度12.50 mm，傷果率5.71%，漏挖率2.82%；改為自動限深方式收獲后，平均挖掘深度12.30 mm，傷果率340%，漏挖率1.10%。手動收獲甘薯平均挖掘深度 15.30 mm，傷果率3.00%，漏挖率1.38%；改為自動限深方式收獲后平均挖掘深度14.80 mm，傷果率1.95%，漏挖率108%（表2）。

4 結(jié)論

本系統(tǒng)為獲得最佳的挖掘收獲效果，在提高各執(zhí)行裝置動作的順暢性、適應(yīng)性、靈敏性等方面有待改進。對于限深裝置而言，其作用是實時檢測收獲機械的挖掘深度。因此，有必要深入研究其靜特性，包括傳感器的線性度、靈敏度、滯環(huán)、重復(fù)性等參數(shù)；動特性中的振動分析、抗干擾分析等。超聲波傳感器從接受到信號到液壓缸開始動作，控制器的延時很短，電磁閥動作時間約60 ms，設(shè)計的液壓缸行程范圍為350 mm，缸徑40 mm，流量最大為120 L/min，以最大的活動范圍來計算[12]，液壓缸動作時間為0.21 s，收獲機正常行駛速度為 0.8 m/s，從開始檢測到信號到油缸完成動作，收獲機行走的路程為0.224 m。傳感器開始檢測到液壓缸執(zhí)行動作大約有0.28 s的延時，應(yīng)考慮將限深裝置前移，另外設(shè)計的限深裝置結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，可以考慮換成角度傳感器，設(shè)計旋轉(zhuǎn)鉸接加彈簧的機械結(jié)構(gòu)會更簡單。受試驗條件所限，本試驗并不能完全模擬實際作業(yè)時的一些干擾，包括振動、噪聲等。因此，參數(shù)自適應(yīng)模糊-PID 控制器的模糊控制規(guī)則還須進一步優(yōu)化調(diào)整。

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