農田地面不平度測量與分析

徐竹鳳，薛新宇，崔龍飛

(1.農業部 南京農業機械化研究所，南京 2100141；2.安徽農業大學，合肥 230036)

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農田地面不平度測量與分析

徐竹鳳1,2，薛新宇1，崔龍飛1

(1.農業部 南京農業機械化研究所，南京 2100141；2.安徽農業大學，合肥 230036)

農田地面高低不平是導致農機行駛時產生振動的原因，想要研究各種農機在不同農田地面行駛時的振動問題，不可避免地要研究不同農田的地面不平度。針對目前國內還未開始系統全面地研究不同農田地面不平度及科研工作者在研究農機振動問題時受限于沒有農田地面不平度作為隨機激勵的現狀，設計開發了一套適用于不同類型拖拉機且安裝方便的測量系統，并對陜西海升現代農業園區中的3種地面(果園軟路面、堅實土路、石子路)的不平度進行了測量與分析，得到3種地面的不平度與功率譜密度曲線。經與標準等級功率譜密度比較，得出軟路面和堅實土路的地面等級介于C級和D級之間，石子路的地面等級介于B級和C級之間，表明石子路地面較其他兩種地面平整。其結果與所觀察到的真實地況相符，從而驗證了該套測量系統的可靠性，為以后建立農田地面不平度數據庫和研究農機行駛振動奠定了基礎。

農田；地面不平度；功率譜密度；慣性基準；測量系統

0 引言

農業機械(以下簡稱農機)在田間工作時通過各種復雜路面，路面凹凸不平使農機行駛機構如輪胎或履帶對地面的附著能力降低，不利于對農機穩定操縱，給操作者人身安全帶來隱患；同時，路面不平使得農機在行駛中產生振動，長時間振動會導致機身零部件過早地出現磨損、疲勞和損壞現象，不僅會縮短農機使用壽命，還會導致農機維修次數增加，耗時費力，不利于農業生產。在作業過程中，農機的振動會降低作業效果，比較顯著的就是噴桿噴霧機噴灑農藥時由于路面不平引起噴桿振動，容易發生噴桿與地面接觸產生擠壓變形；噴桿振動還會不斷改變噴嘴與植株的距離，造成一部分植株施藥不足，一部分植株施藥過量，達不到噴霧機在作業過程中施藥均勻性的要求，施藥效果就會降低。因此，研究農田地面不平度對于農機具的使用壽命及作業穩定性研究具有重要意義。

對農田地面不平度的研究，記錄較早的有20世紀90年代,以鄭聯珠[1-4]為代表的幾位學者利用專門研制的軟路面不平度測定儀, 測量了幾種田間軟地面的路面譜, 根據試驗數據并經系列換算，統計出考慮了土壤和輪胎特性影響的有效軟路面譜計算表達式，雖然年代較早，所使用的測量設備也相對落后，但其提供的理論基礎為以后工作者的研究起到了一定的參考作用。隨著傳感器技術、計算機技術和信號處理技術的發展，人們也一直在不斷更新和改進地面不平度的測量和分析方法。謝斌[5]等采用五輪儀對某塊耕作地的路面不平度進行測量，得到該地塊的三維模型，用于研究某國產聯合收割樣機在該模型路上行駛平順性。韓愈[6]等提出一種軟路面識別方法，用于提高軍用越野車在軟路面的機動性。劉姝[7]等利用Solid Works 軟件建立車輪和土壤模型，在土壤模型的定義材料當中輸入所測得的土壤特性參數(包括土壤試樣的內摩擦角φ，粘聚力c，彈性模量E及應力應變曲線)，再使用Solid works Simulation(Solid works 插件) 對車輪碾壓土壤過程進行有限元分析，最終得出輪胎與土壤相互作用時的應力、應變、位移分布圖。魯植雄[8]利用激光式不平度測試儀測定犁耕耕地地面、圓盤耙耙地地面和驅動耙耙地地面的不平度。這些學者們的研究對于今后農田地面不平度的采集工作提供了寶貴的借鑒參考價值。為此，在以上一些工作者的研究基礎上，自行設計了一套相對簡便的測量系統，并對陜西省海升現代農業園區中的軟路面、堅實土路及石子路進行了測量，以驗證系統的可靠性。

1 試驗項目

1.1 慣性基準測量原理[9]

圖1中，包括質量M，彈簧剛度K，阻尼C，測量輪w。測量儀安裝在農機上(農機后車橋位置為宜)，隨著農機行駛，測量輪跟隨地面的起伏而升降，測量過程中，為確保測量輪始終保持與地面接觸， 要求測量輪組件的質量小，以提高其自振頻率；控制測量行駛的速度，使所測量的地面諧量的激勵頻率低于測量輪的自振頻率。測量時，由于測量輪跟隨地面不平而運動，所以測量輪產生的垂直位移W就是被測地面的不平度。圖2為自行設計研制的測量儀三維圖。

圖1 慣性基準測量原理

圖2 慣性基準測量儀三維圖

1.2 地面不平度測量系統

有了測量儀，還需要有對地面不平度數據進行采集并保存的儀器，本試驗采用DAHAS測試系統。如圖3所示：測量儀安裝在拖拉機后橋上，直線位移傳感器固定在測量儀上，測試端緊貼測量儀底部的圓盤，通過數據線連接位移傳感器與DAHAS測試硬件；打開硬件電源和計算機上的DAHAS測試軟件，待測試界面顯示，設置好各項參數后，即可開始測量農田地面不平度。

1.連接板 2.基于慣性基準的測量儀 3.直線位移傳感器(200mm量程) 4.DHDAS信號采集器(硬件) 5.DHDAS測試系統界面(軟件)

該測試系統有以下幾個優點：

1)滿足不同離地間隙農機具的測量。連接板上的滑動槽長度為40cm,滿足離地高度范圍在0.3～0.7m的拖拉機，還可根據實際需要進行改進。

2)跟隨輪是裝有小直徑橡膠輪子，輪子的直徑為100cm。選擇小直徑的理由是：①減輕輪子的質量；②小輪的包容效應較小，對地面幾何形狀的濾波作用小；③小測量輪圓度誤差的輸出信號為高頻，處于分析頻帶之外，從而可以排除圓度誤差的影響。

3)無線傳送。信號采集器可以通過無線連接將采集到的數據傳送至電腦中并保存，無線傳送的距離約為100m。

2 試驗過程

2.1 地面不平度數據采集

測試前，設置測試系統的分析參數如下：①分析方法，快速傅里葉變換(FFT)；②抗混淆濾波衰減率，40分貝/倍頻程(40db/oct)；③伯特沃斯濾波器(Butterworth)，低通截斷頻率 80Hz；④采樣頻率為1 000Hz；⑤采樣窗函數，海寧窗(Hanning)。

測試系統安裝在拖拉機的后車橋位置并固定，確保測試輪不離地面并隨地面起伏而升降。安裝在測試儀上的直線位移傳感器測試端緊貼測試儀底部的圓盤，測試端伸出約100mm，保證測試系統能夠測得±100mm的位移。

測試系統安裝完畢、分析參數設定完成后，對海升現代農業園區中存在的3種地面(果園軟路面、果園堅實土路以及果園石子路)進行測量，試驗場景如圖4所示。

圖4 試驗場景

試驗測得3種地面的不平度如圖5所示。

(a) 軟路面

(b) 堅實土路

(c) 石子路

2.2 數據預處理

數據預處理是在數據準備完成之后進行，以測得的3種地面的試驗數據為分析對象，對數據進行預處理分析，即提取路面不平度曲線的趨勢項、去除所有數據中的毛刺、進行分段路面數據間的平滑過渡連接、將等時間間隔采樣數據轉換為等距離間隔數據，得到有效的地面不平度曲線，如圖6所示。

(a) 軟路面

(b) 堅實土路

(c) 石子路

2.3 地面功率譜密度

得到3種地面的不平度之后，需要對其進行描述?，F有描述路面不平度的方法主要是功率譜密度函數。在空間頻域，路面不平度的功率譜密度函數可以反映路面不平度能量的分布，以及路面波的結構與路面的總體特征[10]。因此，研究者一般通過研究路面譜來研究路面不平度。同樣地，可以通過研究農田地面功率譜密度來研究農田地面不平度。根據標準ISO/TC108[11]和標準《車輛振動輸入—路面平度的表示方法》[12]兩個文件，擬定路面不平度的路面位移功率譜密度函數的表達式為

(1)

考慮車輛行駛速度u對汽車振動系統的影響，對式(1)空間功率譜進行轉換，得到時間功率譜密度函數為

(2)

式中Gq(n)—路面位移功率譜密度(m3)；

n—空間頻率(m-1)；

n0—參考空間頻率，n0=0.1m-1；

Gq(n0)—路面不平度系數(m2/m-1)；

w—頻率指數,一般取w=2；

f —時間頻率；

u—車速。

將f=un代入式(2)，轉換得到

(3)

式(3)稱為速度功率譜密度。可以看出：速度功率譜密度幅值大小只與Gq(n0)和u有關。

對離散隨機數據進行Fourier變換可得到功率譜，公式為

(4)

式中 x(k)—離散傅里葉變換，k=0,1,2,…,N-1;

x(n)—采樣數據，本文中指采集到的地面不平度數據，n=0,1,2,…,N-1;

N—采樣點數。

對測得的3種地面不平度進行傅立葉計算，得到3種地面的功率譜密度曲線，如圖7所示。

2.4 功率譜密度平滑

圖7中，用固定帶寬計算振動譜密度，并取log-log坐標。圖形的高頻端表現出特別劇烈的波動，這是由真實功率分布和統計噪音所造成的功率譜密度的波動。因而，需要用平滑的形式來表示功率譜密度，即在以下頻率的帶寬中的功率譜密度進行平滑計算。

(a) 軟路面

(b) 堅實土路

(c) 石子路

1)倍頻程帶寬的計算區間：從最低的計算頻率(零頻率除外)到0.031 2周/m(0.196 3rad/m)中心頻率處；

2)1/3倍頻程帶寬的計算區間：從最后一個倍頻程帶寬到0.25周/m(1.570 8rad/m)中心頻率處；

3)其余：1/12倍頻程帶寬直到最高計算頻率。

表1為使用倍頻程平滑用的中心頻率和截斷頻率(以空間頻率表示)。其中，nl為截斷頻率下限，nc為中心頻率，nh為截斷頻率上限。nc=2EXP，EXP為指數。1/3倍頻程與1/12倍頻程的中心頻率與截斷頻率詳見參考文獻[9]。

在規定的帶寬內對功率譜密度進行平均，按下式計算，有

式中Gs(i)—在第i個頻帶內的平滑功率譜密度；

Be—頻率分辨率。

運用上式對圖7中的3條功率譜密度曲線進行計算即可完成功率譜密度的平滑處理，得到平滑后的曲線，再與標準等級功率譜密度進行比較，如圖8所示。

表1 倍頻程帶寬的中心頻率與截斷頻率

(a) 軟路面

(b) 堅實土路

(c) 石子路

3 結果分析與評價

試驗測得果園軟路面、堅實土路及石子路的地面不平度標準差分別為11.437、11.423、4.908mm，從圖5和圖6可以大致看出：石子路較其他兩種地面的平整度高，這與所觀察到的真實路況相符。圖8中，果園軟路面和堅實土路的路面等級都介于C級和D級之間，石子路的路面等級介于B級和C級之間，進一步說明所測的石子路地面質量高于其他兩種地面。

有了農田地面功率譜，就可以進行農機振動仿真試驗。在農業裝備設計階段，農田功率譜經過轉換可以用于主流的仿真分析軟件的輸入激勵，對農機進行各種仿真分析試驗。例如，農田地面功率譜室內模擬試驗，該試驗通過在振動試驗臺上模擬農機在實際農田地面上行駛時受到地面激勵產生的振動情況來研究分析農機及其各零部件的可靠性與疲勞損壞的原因，還可進行農機耐久性試驗。若能將采集到的不同等級的農田地面不平度應用到振動試驗臺，就可以觀察和分析農機在不同農田里作業時的振動情況，為提高農機設計水平和優化關鍵零部件提供依據。

4 結論與展望

1)設計制造了基于慣性基準測量的測量儀，通過直線位移傳感器和東華測試軟件來輸出農機行駛時產生振動的位移信號。該測量系統安裝方便，且適用于不同離地間隙的拖拉機，可用于多地區農田地面不平度的測量。

2)參照路面不平度測量的基本原理和步驟，結合國標GB/T 7031-2005中的要求，對采集到的數據進行分析處理，得到農田地面不平度與功率譜密度。結果表明：果園軟路面和堅實土路的路面等級都介于C級和D級之間，石子路的路面等級介于B級和C級之間，說明所測的石子路地面質量高于其他兩種地面。同時，該系統測得的農田地面不平度與實際地況相符，從而驗證了測試系統的可靠性，為以后建立農田地面不平度數據庫和研究農機行駛振動奠定了基礎。

3)由于時間限制，文中只測量了一個地區的3種農田地面不平度，還遠遠達不到建立農田地面不平度數據庫的要求，這項工作需要相關單位更多科研工作者從事研究，才有可能建立起我國的農田地面不平度數據庫。因此，本文的一個主要目的是呼吁相關行業對農田地面不平度研究的重視。中國的農田地面不平度數據，同中國的基礎地理信息數據一樣，屬于基礎數據，不能照搬國外農田的數據來研究我國的農田，也不能簡單地把我國某一地區農田地面振動譜數據應用到另一地區的農田，只能實地測量，采集各地區不同農田的地面不平度，這方面的工作可以參考借鑒公路部門在采集典型道路路面譜的經驗。隨著我國農業機械的發展，采集典型農田地面振動譜，建立農田路面不平度數據庫將是農業領域未來發展的一個重要方向。

[1] 鄭聯珠,劉明樹,張友坤，等.田間有效軟路面譜形成過程分析[J].農業工程學報, 1994,10(2):29-34.

[2] 鄭聯珠,殷涌光,郁工瑞，等.軟路面譜的田間實測和結果分析[J].農業機械學報,1991(3):65-71.

[3] 鄭聯珠,程悅蓀,梅雷軍，等.田間有效軟路面譜的統計分析[J].農業工程學報,1991,7(4):20-27.

[4] 鄭聯珠,梅雷軍,程悅蓀，等.軟路面有效不平度形成機理探討[J].農業機械學報,1991,(4):67-73.

[5] 謝斌,魯倩倩，毛恩榮，等.基于ADAMS的聯合收割機行駛平順性仿真[J].農機化研究,2014,36(11):38-41,50.

[6] 韓愈,孟廣偉,黃朝勝，等.基于滾動阻力實時監測的軟路面識別方法[J].農業工程學報,2014,30(11):45-52.

[7] 劉姝,李永奎.基于Solidworks 車輪-土壤相互作用的有限元分析[J].農機化研究,2012,34(11):42-45.

[8] 魯植雄,吳平, U D Perdok，等.耕作土壤表面不平度分析[J].農業機械學報,2004,35(1):112-116.

[9] 趙濟海，王哲人，關朝靂.路面不平度的測量分析與應用[M]. 北京：北京理工大學出版社，2000.

[10] 黃亮，閆維明，張向東，等．北京東六環路面不平度實測及數值模擬[J]．施工技術，2008,8(2):191-193.

[11] International Organization for Standardization,ISO/TC 108/ WG9,BSI proposals for generalized road inputs to vehicles.Document No.5,1972[S].

[12] GB/T 7031-2005/ISO8608:1995 機械振動道路路面譜測量數據報告[S].

Measurement and Analysis of Farmland Surface Roughness

Xu Zhufeng1，2，Xue Xinyu1，Cui Longfei1

(1.Nanjing Research Institute for Agriculture Mechanization, Nanjing 210014，China; 2.Anhui Agricultural University,Hefei 230036,China)

The uneven farmland is easy to cause vibration of the agricultural machinery when traveling, and it is necessary to study the surface roughness of different farmland for studying the vibration of various agricultural machinery in different fields. In view of the present situation that the research on the surface roughness of different fields in China has not been carried out systematically and researchers studying agricultural machinery vibration problems don’t have the ground vibration spectrum as a random excitation, in this paper, a set of measuring system which is not only for different types of tractors, but also installed easily is designed and made to measure three kinds of ground roughness (that is soft pavement, hard dirt road and cobblestone street) in the modern agricultural park of Shaanxi Haisheng. Three kinds of different ground roughness and power spectral density curve are obtained by measurement and analysis. By comparing standard grade power spectral density, it is concluded that the ground level of soft pavement and hard dirt road is between class C and class D, and the ground level of cobblestone street is between class B and class C, indicating that the gravel surface flatness is higher than the other two kinds of pavement, which is consistent with the actual situation we have observed. The test verifies the reliability of the measurement system and is helpful to establishment of farmland surface roughness database and research of agricultural machinery driving vibration for the future.

farmland; surface roughness; power spectral density curve; inertial reference; measurement system

2016-02-01

公益性行業(農業)科研專項(201203025)

徐竹鳳(1988-)，女，安徽安慶人，碩士研究生，(E-mail)1092461058@qq.com。

薛新宇(1969-)，女，江蘇蘇州人，研究員，博士，博士生導師，(E-mail)735178312@qq.com。

S29;U416

A

1003-188X(2017)01-0171-06