3MDZJ-1型棉花智能精準打頂機的試驗研究

彭強吉，薦世春，宋和平，何青海，位國建，付乾坤，岳 會

(山東省農業機械科學研究院， 山東 濟南 250100)

3MDZJ-1型棉花智能精準打頂機的試驗研究

彭強吉，薦世春，宋和平，何青海，位國建，付乾坤，岳 會

(山東省農業機械科學研究院， 山東 濟南 250100)

針對現有棉花打頂機械作業過程中存在棉花高度仿形效果差，漏打頂、過打頂嚴重，智能化水平低等問題，提出了檢測裝置與打頂裝置分開、升降動力與切割動力分開的方案，研制了一種基于FPGA控制系統的3MDZJ-1型棉花智能精準打頂機。作業過程中，檢測裝置對棉花高度進行檢測，控制系統依據作業速度控制打頂裝置的響應升降時間，實現定量升降；觸屏控制系統能夠實時顯示作業速度、作業面積及監控棉花打頂過程。田間試驗表明：整機結構穩定，機具作業速度在3.24 km·h-1內時，打頂率在88%以上，打頂量接近設定值7 cm，符合設計要求，為棉花打頂機械化及智能化提供了技術支持。

棉花打頂機；智能控制；定量打頂；精準檢測

棉花是我國的重要經濟作物，全國植棉面積達3.17×106hm2[1]。棉花是無限生長植物，持續生長會影響果枝臺數及質量，進而影響棉花產量。棉花打頂是棉花增產增收的關鍵，適時打頂可消除棉株頂端優勢，促進大部分養分橫向運輸到結實器官，降低脫落和爛桃，增加鈴重，促進吐絮，達到早熟、高產、穩產的目的[2]。

打頂時間尤為重要，打頂過早會打掉棉花鈴數，過晚會導致無效果枝增加、失去養分調節的作用，失去打頂意義[3]。目前主要有三種打頂方式：人工打頂費時費力，貽誤農時[4]；化學藥物控制，技術性強，受棉花品種、天氣等因素影響顯著，多次噴灑增加了機具對土壤的有害壓實，不利于保護性耕作，同時污染環境及危害身體健康，其大面積推廣一直備受爭議[5-6]；機械化和自動化的物理方法打頂正成為精確農業科學領域的研究熱點。針對棉花打頂機械存在的問題，國內多所院校及相關企業對棉花打頂機械進行了研究，在超聲波傳感器、激光傳感器、圖像識別等多個方向進行了相應的探索，并取得了一定的效果[7-10]。由于棉花高度檢測精度、定量打頂、智能控制等問題的影響，打頂率及智能化水平有待提高，目前主要停留在試驗階段，沒有成熟的產品投放市場。

針對上述問題，本文研制了一種以FPGA控制系統為核心的棉花智能精準打頂機。該機通過檢測裝置與打頂裝置分開、升降動力與切割動力分開的方案，實現精準定量去頂，達到消除棉花頂端優勢的效果；同時智能觸屏控制系統能夠實現一鍵控制，實時顯示機具前進速度、作業面積、監控作業狀態等，大大提高了棉花機械打頂的智能化水平，對促進棉花打頂機械化技術的推廣應用提供理論依據。

1 整機結構、工作原理以及技術參數

1.1 整機結構

結構如圖1所示，主要由觸摸屏、控制柜、升降裝置、數字攝像頭、機架、導軌、拉桿、打頂裝置、滑塊、前懸掛裝置、加固裝置、檢測裝置、編碼器等組成。整機結構以機架為基準，控制柜固定于機架前端上部，對整機進行智能控制；觸摸屏安裝于駕駛室并通過電纜與控制柜連接，完成作業過程一鍵控制；升降裝置通過U型螺栓固定于機架中部，通過螺栓與打頂裝置連接，為打頂裝置提供升降動力并根據控制器實現精準位移；打頂裝置通過螺栓與滑塊固定，滑塊與導軌配合，導軌通過螺栓固定于機架上，保證垂直移動，完成打頂切割過程；檢測裝置通過螺栓固定于機架下部，左右對稱安裝，完成棉花高度檢測過程；編碼器與輪軸連接，將機具實時前進速度反饋給控制器；整機通過前懸掛裝置與拉桿固定于拖拉機前部。

1.觸摸屏；2.控制柜；3.升降裝置；4.數字攝像頭；5.機架；6.導軌；7.拉桿；8.打頂裝置；9.滑塊；10.前懸掛裝置；11.加固裝置；12.檢測裝置；13.編碼器

機具與43 kW以上的高地隙拖拉機配套使用。控制系統以FPGA構建的控制器為核心元件，主要由速度檢測編碼器、檢測光幕、數字攝像頭、伺服電機、通訊電路、電源開關、FPGA控制器等組成。傳感器電路實現檢測指標的信號采集；數字攝像頭實現數字信號實時采集；伺服電機驅動電路實現升降控制及刀軸轉速控制；觸摸屏由輸入、輸出、顯示電路等組成，主要實現人機交互、顯示即時指標信息及實時監控；由拖拉機自帶電池提供電源。

1.2 工作原理

作業前，根據棉花生長高度將機架調整到合理位置，檢查機械結構及各連接電線，各部分均正常后，接通電源開啟觸摸屏，設置打頂機控制系統參數；按下啟動按鈕后，打頂伺服電機開始工作。作業過程中，檢測裝置開始檢測棉花實際生長高度，將高度信號發送到控制器，同時編碼器采集機具前進速度，將信號傳遞到控制器；控制器根據信號計算分析后，一方面將速度及作業面積顯示在觸摸屏，同時控制器可以根據機具前進的速度判斷響應打頂時間向驅動器發送驅動信號，通過驅動器控制升降伺服電機完成正反轉，即上升或下降動作，完成打頂作業。

其中，控制器通過脈沖信號的頻率控制電機轉動圈數，在絲杠導程一定的情況下通過絲杠旋轉圈數實現定量位移，達到定量打頂的目的；升降裝置上面安裝有安全限位點，打頂裝置因意外超出移動范圍時，升降伺服電機將立刻停止運轉，同時發出報警信號。數字式攝像頭采集作業過程錄像后直接將數字信號傳遞到觸屏顯示；打頂裝置的打頂范圍固定，起始點可以采用默認設置，也可采用手動按鈕進行設定。

1.3 主要技術參數

3MDZJ-1型棉花智能精準打頂機主要技術參數如表1所示。

2 試驗研究

2.1 試驗條件

2.1.1 試驗地基本情況 以濱州市無棣縣機采棉基地處于打頂期內的棉花作為試驗樣品，品種為中棉915，前茬作物為棉花，種植模式為一膜六行機采棉模式，棉田種植密度1.2×105株·hm-2，供試小區地表較為平整。

表1 棉花智能精準打頂機主要技術參數

2.1.2 試驗儀器 米尺(0～2 m)、卷尺(0～50 m)、電子秒表(0.0001～9999 s)、數碼攝像機；配套動力選用福田雷沃M1000H.D高地隙拖拉機，輪距2 250 mm，最小離地間隙900 mm(見圖2)。要求拖拉機技術狀態良好，駕駛員駕駛技術熟練，并了解打頂機的使用與要求。機具為自制3MDZJ-1型棉花智能精準打頂機，要求結構完整，各連接件牢固，動力傳遞可靠安全，工作狀態良好。

圖2 試驗樣機

2.2 試驗方法

試驗設3個測試區(A、B、C)，每組面積228 m2(2.28 m×100 m)，每個測試區長為100 m，依次按前進檔快Ⅰ、快Ⅱ、快Ⅲ速度區排開，在地頭和地尾處分別留出20 m的調頭預備區。每個測試區各行間隨機布置6個處理小區，小區面積為0.76 m×3 m，用準備好的標識牌標記各小區，并記錄小區內棉花有效株數。對于棉花高度的測量方法為人工測量自然狀態下棉株頂部到地面的垂直距離。具體試驗方法參照《農作物田間試驗實用手冊》[11]。

進地前，在地頭先進行刀片旋轉試驗，確保打頂刀旋轉自由且上下升降自如，無任何運動干涉后，依據棉株高度確定并調整打頂機架實際高度。

2.3 試驗內容及評價指標

試驗內容：驗證樣機各部分可靠性和工作情況；棉花打頂前實際生長高度、棉花打頂后高度，在不同作業速度狀態下打頂率、打頂量，驗證整機速度與作業質量關系情況；發現存在問題以便改進設計。

打頂率：試驗小區內已打頂棉株數占總有效棉株數的比值，以%表示。

(1)

其中，η為打頂率；ns為已打頂的有效棉株數；n為試驗小區內有效棉株數。

打頂量：同一試驗小區內對應棉花打頂前后的高度差值。

Δh=Lq-Lh

(2)

其中，Δh為去頂量；Lq為打頂前的棉株有效高度；Lh為打頂后的棉株有效高度(cm)。棉花打頂要求為一葉一芯，經田間測量可得一葉一芯的棉頂高度在4～8 cm內，結合棉花打頂量范圍[12]，設定打頂量為7 cm。

作業速度：通過機具在測試區內往返2次以上測得的平均速度。

3 試驗結果及分析

樣機在試驗基地進行多次作業驗證后，于2015年8月7日進行了本次試驗數據的統計，選取棉花生長情況良好、長勢均勻的大地塊，且符合打頂作業時期內的農藝要求，即果枝臺數7臺以上。田間管理按照機采棉區高產田要求進行。具體作業性能指標如表2所示。

表2列出了樣機田間試驗的部分數據，為了比較直觀地對試驗結果進行分析，利用統計學軟件minitab進行圖形化描述[3]，效果圖如圖3所示。由圖3可知，在不同速度下的打頂率有明顯的差異性，當作業速度在2.88 km·h-1和3.24 km·h-1下的打頂率沒有差異性，打頂率在90%左右；對此速度內的打頂前標準差與打頂量的關系進行相關性分析，通過標準差和誤差絕對值的Pearson相關系數為0.3，小于0.8，呈不顯著的線性相關關系；打頂量接近設定值。該機是基于FPAG控制系統的智能精準打頂機，檢測裝置檢測棉花高度后，打頂裝置能夠根據機具前進速度進行自動調整響應時間及升降高度；由此可知當作業速度在3.24 km·h-1內，該機打頂效果較好，能夠較好地完成打頂作業。

表2 田間作業性能指標

圖3 不同速度下的打頂率箱線圖

當速度達到3.52 km·h-1時，打頂率差異性明顯，打頂率下降到70%左右，說明在此速度下檢測裝置對棉花高度檢測后，打頂裝置不能在預定的響應時間到達相應位置，升降速度有待提高。通過對比此速度內打頂率與打頂前標準差的關系可以發現，當打頂前棉花高度標準差較小時，打頂率明顯高于高度標準差變化較大的時候；對打頂前高度標準差與打頂量進行分析，利用Minitab軟件對該數據進行相關分析可知，標準差和誤差絕對值的Pearson相關系數為0.989，大于0.8，呈顯著的線性相關關系，如圖4所示，即棉花高度標準差越小，打頂精度越高，也就是說，打頂前棉花高度離散程度越低，打頂量越接近設定值。在此速度內打頂率及打頂量受打頂前棉花高度標準差影響明顯。

綜上分析可知：基于FPAG控制系統的棉花智能精準打頂機，在速度3.24 km·h-1范圍內能夠較好地完成打頂作業，打頂率在90%左右，打頂量接近設定值，且在此范圍內打頂前棉花高度標準差對其影響較小。當速度達到3.52 km·h-1時，打頂率差異性明顯，打頂量與打頂前高度標準差呈現相關性；機具作業速度與打頂前棉花高度標準差的大小共同成為影響棉花打頂率及定量打頂的主要因素。

圖4 棉花高度標準差與打頂誤差相關圖

4 結論及建議

1) 試驗結果表明，本文提出的檢測裝置與打頂裝置分開、升降動力與切割動力分開的方案通過試驗驗證，切實可行，對促進棉花打頂機械化技術的推廣應用提供了理論與實踐依據。

2) 該機具控制系統能夠根據前進速度實時調整打頂響應時間，實現精準定量打頂；同時觸屏控制系統能夠實時顯示作業速度、作業面積及監控作業過程，提高了棉花打頂機械的智能化水平。

3) 機具受作業速度影響顯著，作業速度在3.24 km·h-1內時，打頂率在90%左右，打頂量接近設定值，打頂效果較好；當作業速度增加到3.52 km·h-1時，打頂率下降明顯，打頂量誤差波動明顯，同時受棉花高度離散程度影響加大。

4) 該單行棉花智能精準打頂機可以通過增加機架寬度及整體結構組合成多行打頂機，進而提高作業效率。

5) 作業速度是作業效率的關鍵因素之一，尚需結合試驗進一步優化整機結構，提高作業速度。

[1] 2016年中國棉花種植面積同比下降20%[EB/OL].世界農化網-中文網.http://cn.agropages.com,2016-5-13.

[2] 楊成勛.化學打頂對棉花植株形態、冠層結構及群體光合生產的影響[D].石河子大學,2016.

[3] 范修文,張 宏,蘭海鵬，等.新疆棉花打頂機存在問題及建議[J].新疆農機化,2016，(4):30-31.

[4] 陳昭陽,石 磊.棉花打頂機研發歷程及其研發重點探析[J].農機化研究,2016,(1):251-256.

[5] 周桂鵬,張曉輝,范國強，等.棉花打頂機械化的研究現狀及發展趨勢[J].農機化研究,2014,4(4):242-245.

[6] 劉 燕.棉花縮節胺處理與整枝效應的研究[D].武漢：華中農業大學,2013.

[7] 李 霞,王維新,宋海堂，等.基于超聲波技術棉株高度自動測量的研究[J].農機化研究,2008，(6):187-189.

[8] 李亞兵．基于群體數字圖像的棉花生長發育監測研究[D].北京：中國農業科學院，2007.

[9] 鄧勁松,石媛媛,陳利蘇，等.基于近紅外傳感器和面向對象光譜分割技術的田間棉株識別與提取[J].光譜學與光譜分析,2009,29(7):1754-1758.

[10] 瞿端陽,王維新.基于機器視覺技術的棉株識別定位[J].中國棉花,2013,40(2):16-19.

[11] 李自學.農作物田間試驗實用手冊[M].北京:中國農業科學技術出版,2007:18-20.

[12] 彭強吉,胡 斌,羅 昕，等.不同打頂時間和高度對北疆高產棉花產量的影響[J].中國棉花,2012，(5):23-25.

[13] 仝維維,賈 寧,張晨陽，等.基于Minitab的TFT-LCD產品標準化率影響因素分析及改進[J].現代制造工程,2015,(3):90-94.

Experimentalresearchof3MDZJ-1typeintelligentprecisecuttingcottontopmachine

PENG Qiang-ji, JIAN Shi-chun, SONG He-ping, HE Qing-hai, WEI Guo-jian, FU Qian-kun, YUE Hui

(ShandongAcademyofAgriculturalMachinerySciences,Jinan, 250100,China)

Aimed at the existing problems in the operating process of cutting cotton top machine as poor effect of simulating cotton height, missed out cutting top, over cutting top and low intelligence level etc, proposed the scheme of separating the detection device and cutting top device, and separating the lifting power and cutting power, developed the 3MDZJ-1Type intelligent precision cutting cotton top machine based on the FPGA control system. In the operating process, the detection device is checking the cotton height, the control system is responding the lifting time according to the operating speed to cutting top device to realize the quantitative lifting.The touch screen control system can be actually displayed the operating speed, working areas and monitored the process of cutting cotton top. The field test indicated that the whole structure of machine was stabilization, when the machine operating speed was within 3.24 km·h-1, the cutting top rate was more than 88%, the cutting top volume was close to set value 7 cm, accord with the design requirements. It can be provided the technical support for the mechanization of cutting cotton top and intellectualization.

cutting cotton top machine; intelligent control; quantitative cutting top; precision detection

1000-7601(2017)03-0292-05doi:10.7606/j.issn.1000-7601.2017.03.45

2016-04-14

：2017-03-15

：山東省自然科學基金項目(ZR2014EEP005)

彭強吉(1984—)，男，山東臨沂人，研究生，工程師，研究方向為農業機械化工程。 E-mail：pengqiangji1984@126.com。

薦世春(1963—)，男，山東青島人，研究員，從事農機設計研究。 E-mail:jscsh2002@163.com。

S224.9

： A