果園升降作業(yè)平臺自動調(diào)平控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

姜新宇 唐 娟

（河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 河北 保定 071000）

果園升降作業(yè)平臺自動調(diào)平控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

姜新宇 唐 娟

（河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 河北 保定 071000）

果園升降作業(yè)平臺是果樹修剪和果實(shí)采收過程中使用廣泛的果園作業(yè)機(jī)械，我國果樹多種植于丘陵山地，由于地形結(jié)構(gòu)復(fù)雜，果園升降作業(yè)平臺在工作過程中是否能夠保持水平狀態(tài)就直接影響了果園作業(yè)人員的工作安全和效率。因此，本課題設(shè)計(jì)一種能夠快速穩(wěn)定調(diào)平作業(yè)平臺的調(diào)平裝置，來提高果園升降作業(yè)平臺的水平調(diào)節(jié)穩(wěn)定性，保障作業(yè)人員的安全和提高勞動舒適性。實(shí)驗(yàn)證明，本調(diào)平機(jī)構(gòu)能夠更高效的調(diào)節(jié)平臺水平，適應(yīng)更加復(fù)雜的地形。

果園；升降作業(yè)平臺；折臂式；自動調(diào)平

1 引言

近些年來，水果的密集化種植，使人們對果園作業(yè)機(jī)械的效率和穩(wěn)定性有了更高的要求。果園機(jī)械化水平得到了很大的發(fā)展，果園作業(yè)升降平臺的使用率不斷提高，而果園作業(yè)平臺的調(diào)平性能直接影響著果園工作人員的工作安全和勞作舒適性。因此，對果園作業(yè)升降平臺調(diào)平性能的提高具有十分重要的意義。本課題旨在通過單片機(jī)實(shí)現(xiàn)果園作業(yè)升降平臺的自動調(diào)平，保障果園勞動人員的安全。

果園作業(yè)升降平臺根據(jù)升降方式的不同可以分為剪叉式、伸縮式、折臂式和階梯式四種類型。國外果園因?yàn)橐?guī)劃得當(dāng)平整度和通過性比較好，故調(diào)平裝置的性能要求不高，如澳大利亞CRENDON公司，英國N．P．SEYMOUR公司生產(chǎn)的采摘平臺都不具備調(diào)平功能[1]。我國果園多位于丘陵山地，地形復(fù)雜。早期研制的LG-1型果園作業(yè)機(jī)、小型多功能遙控動力車等不具備調(diào)平功能。謝方平等人研制的小型果園作業(yè)升降平臺采用手動調(diào)平方式[2～6]。幾種類型的果園升降作業(yè)平臺中，折臂式果園升降作業(yè)平臺的作業(yè)面最為廣闊，且操作簡單，平衡性能好，因此得到了廣泛的使用和發(fā)展。本課題即選用折臂式果園升降作業(yè)平臺進(jìn)行調(diào)平控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

隨著電控技術(shù)的發(fā)展，果園升降作業(yè)平臺的調(diào)平技術(shù)由最初的全手動調(diào)平到現(xiàn)在的可以全自動調(diào)平，實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。而對于折臂式果園作業(yè)平臺，先后出現(xiàn)利用平臺自重的調(diào)平機(jī)構(gòu)、平行四連桿調(diào)平機(jī)構(gòu)、鏈條鏈輪式調(diào)平機(jī)構(gòu)、靜液壓調(diào)平機(jī)構(gòu)。電液調(diào)平機(jī)構(gòu)是現(xiàn)在調(diào)平方式的主流，通過安裝在工作平臺上的水平傳感器來感知平臺的狀態(tài)，并產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的電流，控制調(diào)平液壓缸的動作，最終使平臺保持水平[7]。隨著傳感器和專用芯片的使用，調(diào)平機(jī)構(gòu)趨向于更加智能、更加迅速、更加穩(wěn)定。

2 調(diào)平方案設(shè)計(jì)

2.1 調(diào)平原理。本調(diào)平機(jī)構(gòu)旨在控制折臂式果園升降作業(yè)平臺的完全調(diào)平，以保障果園作業(yè)人員的安全性和舒適性。通過在與平臺直接相連接的操作臂上增加一個(gè)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，來實(shí)現(xiàn)作業(yè)平臺在左右方向的擺動調(diào)平。配合液壓缸的伸縮使平臺上下方向擺動調(diào)平，使平臺達(dá)到水平狀態(tài)。

平臺工作方式設(shè)計(jì)為手動+自動。即平臺的升降通過手動控制，平臺的調(diào)平自動控制。如圖1，上電后，平臺首先初步自動調(diào)平，使平臺初步為水平狀態(tài)，當(dāng)人員觸發(fā)升降操作或轉(zhuǎn)動操作時(shí)，位移傳感器檢測到信號，自動調(diào)平系統(tǒng)處于待命狀態(tài)，當(dāng)平臺上升到合適的位置，調(diào)平系統(tǒng)檢測位移傳感器的狀態(tài)確定到?jīng)]有升降或旋轉(zhuǎn)動作后再根據(jù)傾角傳感器輸出的信號驅(qū)動液壓缸和液壓馬達(dá)動作，進(jìn)行平臺角度的微調(diào)，使平臺在工作位置達(dá)到確實(shí)的水平。

圖1 調(diào)平原理框圖

圖2 調(diào)平機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

2.2 調(diào)平機(jī)構(gòu)硬件設(shè)計(jì)。調(diào)平機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖2，動力機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)和液壓控制系統(tǒng)通過緊固件連接在一起。升降或旋轉(zhuǎn)操作的確定通過位移傳感器來確定。角度檢測采用動態(tài)傾角傳感器，實(shí)時(shí)檢測作業(yè)平臺的傾斜角度，輸出信號給單片機(jī)進(jìn)行處理，再由單片機(jī)控制液壓缸和液壓馬達(dá)進(jìn)而將工作平臺調(diào)平。

位移傳感器選用米郎KTC直線位移傳感器，具體參數(shù)如表1，通過對位移和長度進(jìn)行直接測量，輸出直流電壓信號或電流信號，可以滿足遠(yuǎn)距離傳輸控制要求，快速的將采集到的信號傳送給單片機(jī)進(jìn)行處理。較高的靈敏度足以保證在較短的時(shí)間內(nèi)檢測到升降信號，保證了調(diào)平過程中單片機(jī)能快速的接收信號并進(jìn)行相應(yīng)的指令。

表1 米郎KTC位移傳感器參數(shù)

角度傳感器選用動態(tài)傾角傳感器VG400垂直陀螺儀。圖3為傾角傳感器連接MAX485電路圖。VG400采用高質(zhì)量和可靠性的MEMS加速度計(jì)和陀螺儀，并通過最優(yōu)算法保證測量精度，通過多種補(bǔ)償大大消除誤差源，在惡劣的環(huán)境下仍能穩(wěn)定運(yùn)行，因此有效解決了調(diào)平機(jī)構(gòu)在運(yùn)動、振動過程中傾角傳感器精度喪失的問題，并且消除了由于振動而產(chǎn)生的傾角傳感器誤報(bào)的問題，大大增加了調(diào)平系統(tǒng)的調(diào)平穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。

圖3 傾角傳感器連接MAX485電路圖

本調(diào)平機(jī)構(gòu)所使用的單片機(jī)選用STC12C5A60S2單片機(jī)，圖4為單片機(jī)最小系統(tǒng)。該單片機(jī)有著體積小、重量輕、抗干擾能力強(qiáng)、擴(kuò)展性能好、便于實(shí)現(xiàn)嵌入式應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn)[8]，其指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機(jī)，而且?guī)缀醢藬?shù)據(jù)采集和控制中所需的所有單元模塊，能夠?qū)ξ灰苽鞲衅骱蛢A角傳感器采集的信號進(jìn)行快速處理，并下達(dá)相應(yīng)指令。在本調(diào)平系統(tǒng)中單片機(jī)是整個(gè)硬件結(jié)構(gòu)的核心控制部分。

圖4 STC12C5A 60S2單片機(jī)最小系統(tǒng)

液壓油缸選用徐工液壓件有限公司的高空作業(yè)車液壓油缸，此類油缸產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，焊接、防松等多項(xiàng)專利技術(shù)的應(yīng)用，使產(chǎn)品更可靠。液壓馬達(dá)選用的BMHS馬達(dá)，該液壓馬達(dá)采用鑲齒式定轉(zhuǎn)子副，正反轉(zhuǎn)換向方便，保持性好。本調(diào)平機(jī)構(gòu)中，液壓缸和液壓馬達(dá)的選用本著工作穩(wěn)定的原則，以保證調(diào)平過程的高效平穩(wěn)，加快調(diào)平速度的同時(shí)增加調(diào)平過程中人員的安全性和舒適性。

2.3 調(diào)平機(jī)構(gòu)軟件設(shè)計(jì)。本調(diào)平機(jī)構(gòu)系統(tǒng)控制如圖5。系統(tǒng)上電后進(jìn)行初始化，設(shè)置相關(guān)傳感器和外圍設(shè)備的參數(shù)。初始化結(jié)束后，首先進(jìn)行平臺的初步調(diào)平。初步調(diào)平結(jié)束后，當(dāng)有升降或旋轉(zhuǎn)平臺的操作時(shí)，位移傳感器產(chǎn)生信號，調(diào)平機(jī)構(gòu)響應(yīng)平臺的升降或旋轉(zhuǎn)操作，當(dāng)動作結(jié)束后再根據(jù)傾角傳感器的信號進(jìn)行平臺的最后調(diào)平。

圖5 系統(tǒng)軟件流程圖

2.4 實(shí)驗(yàn)測試。測試時(shí)將本調(diào)平機(jī)構(gòu)安裝在一個(gè)平穩(wěn)的可移動平臺上，并將平臺放置于斜坡模擬裝置上。此斜坡模擬裝置由四個(gè)支腿、支座和平臺支架組成，支腿可在支座內(nèi)上下自由滑動，調(diào)節(jié)螺栓可固定其在支座內(nèi)的相對位置。通過調(diào)節(jié)各個(gè)支腿的長度模擬0～15范圍內(nèi)的任意復(fù)雜角度。