根莖類作物收獲機自動對行系統設計與試驗

李 濤 周 進 徐文藝 張 華 劉存根 姜 偉

(1.山東省農業機械科學研究院， 濟南 250100； 2.山東省農業機械試驗鑒定站， 濟南 250100;3.山東建筑大學信息與電氣工程學院， 濟南 250101)

0 引言

甜菜、花生、馬鈴薯、甘薯等根莖類作物是我國重要的經濟作物，種植面積及產量均居世界首位[1-2]。根莖類作物果實埋于地下，不同于稻麥、玉米等地上作物，收獲時需要挖掘收獲。挖掘收獲時若挖掘鏟前進方向出現偏差，就會導致漏挖、少挖，作業效率低。為了提高產量，根莖類作物主產區基本采用壟作方式，由于農藝不規范，各地壟作模式不統一，為了對行行走，相應增加了駕駛員的勞動強度。對行作業準確性易受個體因素影響，同時由于機組較長，即使拖拉機能夠準確對行，也難以保證后面的收獲機進行準確的對行作業。為了提高根莖類作物收獲機械自動化水平和作業性能，有必要進行自動對行控制技術的研究[3-4]。

根莖類作物自動對行收獲技術按照研究對象的不同可分為兩種，即以地壟為研究對象的地壟自動對行技術和以作物塊根為研究對象的塊根自動對行技術。目前，發達國家充分運用機、電、液一體化收獲技術，已將自動對行裝置產品化，并將其廣泛應用到農業裝備領域[5-7]。KARTOFFEL型馬鈴薯收獲機使用的地壟自動對行技術，采用機械探桿采集壟的軌跡信息，通過液壓控制轉向裝置調整行航軌跡，使挖掘鏟對正。近幾年，國內對根莖類作物收獲機自動對行裝置也有一定的研究，吳惠昌等[8]以TBH45T 型牽引式甜菜聯合收獲機為載體，運用電子控制技術構建甜菜聯合收獲自動對行系統；王方艷等[9]針對圓盤式甜菜收獲機的結構特點和甜菜種植方式，研制了一種機械式液壓對行控制系統。國內根莖類作物收獲機自動對行裝置大都以作物塊根為研究對象，通過導向機構與作物輪廓接觸獲得偏轉信息，這種方式受作物的生長狀況影響較大，其適應性和可靠性還需要進一步驗證。

目前，國內以地壟為研究對象的地壟自動對行技術尚不多見。本文以所研制的4UGS2型雙行薯類收獲機為載體，以壟行截面走向為研究對象，綜合利用機械、液壓和電子控制等技術，設計一種自動對行控制系統，以提高4UGS2型雙行薯類收獲機的作業性能。

1 結構與工作原理

1.1 系統結構

根莖類作物收獲機自動對行系統由地壟仿形機構、牽引機構、液壓系統和控制系統等組成[10-12]。系統結構圖如圖1所示。

圖1 自動對行系統結構圖Fig.1 Structure diagram of auto-follow row system1.前牽引架 2.銷軸Ⅰ 3.牽引座 4.液壓油缸 5.銷軸Ⅱ 6.液壓閥和控制器箱 7.銷軸Ⅲ 8.收獲機機架總成 9.地壟仿形機構 10.地壟 11.拖拉機下拉桿

1.2 主要工作原理

在地壟仿形機構左右連接架上各安裝一個角度傳感器，傳感器觸桿前端安裝有弧形探測板。啟動自動對行系統開始收獲時，弧形探測板與壟側面接觸，控制器根據角度傳感器輸出的壟側面偏移角度，通過PID速度控制算法輸出液壓電磁閥控制信號，驅動液壓油缸動作，帶動牽引座左右移動，使挖掘位置始終對準壟的中間位置，同時集成在油缸中的位移傳感器將油缸伸縮位移實時反饋給控制器，進而在人機交互界面中動態顯示牽引座偏轉角度，控制器根據實時檢測的信號來判斷牽引座偏轉角度是否達到要求，構成對行閉環控制系統。自動對行系統工作原理圖如圖2所示。

圖2 自動對行系統工作原理圖Fig.2 Schematic of auto-follow row system

2 地壟仿形機構和牽引機構設計

2.1 根莖類作物種植模式

甜菜、花生、馬鈴薯、甘薯等根莖類作物多為一年一季種植，種植方式以單行壟作為主。壟作有利于作物合理密植和田間通風透光，獲得高產，有利于灌溉和排水，同時壟作種植模式便于機械化收獲。種植壟距S為650～950 mm，株距為150～300 mm，一般壟體高h1為150～250 mm，壟上寬W3為200～350 mm，壟下寬W1為400～600 mm，生長深度一般在300 mm土層以上[13-14]。

根莖類作物種植模式如圖3所示。其中，h2為弧形探測板作用高度，W2為弧形探測板作用寬度，即對行弧形探測板在此位置與壟側面接觸，角度傳感器可實時輸出壟側面偏移角度。

圖3 根莖類作物種植模式示意圖Fig.3 Planting mode diagram of root and stem crops

根莖類作物整地作業一般用起壟機起壟，起壟時不僅具有較好的壟面成形能力，而且能對壟床起到很好的鎮壓作用；中耕作業時，中耕機在除草的同時進行培土作業，修壟效果良好。根莖類作物在收獲季節時，一般地壟形狀良好，為自動對行裝置的順利工作提供了良好的作業條件。

2.2 地壟仿形機構

地壟仿形機構主要功能是對壟側面進行仿形，采集壟側面左右偏移量信息傳遞至控制器，地壟仿形機構結構如圖4所示。

圖4 地壟仿形機構示意圖Fig.4 Structure diagram of ridge profiling mechanism1.機架安裝座 2.豎支座 3.橫支座 4.左右連接架 5.傳感器觸桿 6.弧形探測板 7.角度傳感器 8.地壟

地壟仿形機構機架安裝座通過螺栓與收獲機橫梁連接，其位置可根據壟行位置進行左右調整。地壟仿形機構豎支座豎梁上有一排間距相等的水平孔，橫支座豎梁上分別有單個孔與之配合，豎支座豎梁外套在橫支座豎梁上，通過快速掛接銷軸連接，調整方便，通過豎梁上不同孔的配合，可以調整改變弧形探測板與挖掘鏟的縱向距離，保證弧形探測板與地壟側面相對位置不變，從而滿足收獲機不同挖掘深度的需要[15]。

地壟仿形機構橫支座橫梁上左右各有一排間距相等的豎直孔，左右連接架橫梁上分別有單個孔與之配合，橫支座橫梁外套在左右連接架橫梁上，通過快速掛接銷軸連接，調整方便，通過橫梁上不同孔的配合，可以調整改變左右傳感器座的橫向距離，從而滿足不同壟行截面尺寸的需要。

地壟仿形機構左右連接架上各安裝一個角度傳感器，傳感器觸桿前端通過螺栓和壓板安裝有弧形探測板，傳感器觸桿與壟側面的安裝角度可以調整，同時優化弧形探測板的幾何參數，保證弧形探測板與壟側面良好的接觸[16]。

針對個別地壟塌陷等情況，仿形機構兩觸桿安裝到位并與壟面良好接觸后，采用限位結構形成一個兩觸桿接觸壟面距離的最小值，其值可根據壟面形狀調整，因此探桿不會接觸塌陷嚴重的壟面，同時兩觸桿只有沿壟側向外擺動時，對行系統才啟動工作，不會造成對行動作的誤操作。

如圖5所示，對行系統工作時，弧形探測板與地壟側面緊密貼合，當地壟走向發生左右偏移時，弧形探測板相應從中間位置轉動角度δ，即固定在弧形探測板上的角度傳感器軸也轉動了相同角度，控制器根據偏轉角度大小，采用PID速度控制方式調節比例換向閥的閥芯開度，控制液壓缸活塞桿的速度，使牽引機構發生偏轉，實現自動對行功能。

圖5 地壟仿形機構工作示意圖Fig.5 Working diagram of ridge profiling mechanism1.傳感器連接軸 2.傳感器座 3.傳感器觸桿 4.壓板 5.弧形探測板 6.地壟

比例閥速度控制信號u為

(1)

其中，當左傳感器觸發時，sign=1，當右傳感器觸發時，sign=-1，δ(t)為左角度傳感器或右角度傳感器的偏移角度，是取樣時間t的函數，kp、ki、kd分別為比例項、積分項和微分項系數。

2.3 牽引機構

牽引機構的主要功能是連接拖拉機和收獲機，同時其上安裝有液壓系統以實現整機自動對行功能。自動對行系統以4UGS2型雙行薯類收獲機為載體，4UGS2型薯類收獲機的主要技術參數如表1所示。

表1 4UGS2 型薯類收獲機主要技術參數Tab.1 Technical parameters of 4UGS2 potato harvester

如圖1所示，牽引機構前牽引架通過左右懸掛軸分別與拖拉機三點懸掛機構下懸掛點連接，其后端通過快速掛接銷軸連接收獲機牽引座，牽引座后端通過銷軸連接在收獲機機架總成上，牽引座可以繞銷軸旋轉，從而控制收獲機的行進路線。液壓系統液壓缸一端連接在機架總成上，另一端連接在牽引座上，液壓缸根據控制信號可以伸長和縮短，從而控制牽引座的左右偏擺角度，保證自動對行裝置順利工作[17-18]。

牽引機構工作示意如圖6所示，O1為油缸缸體端鉸接點，O2為牽引座鉸接點，O3為油缸活塞桿端鉸接點，O4為前牽引架鉸接點，L1為牽引座鉸接點與油缸缸體端鉸接點的距離，L2為牽引座鉸接點與油缸活塞桿端鉸接點的距離，L3為油缸活塞桿的伸出長度，L4為油缸缸體端長度，θ為牽引座鉸接點與油缸缸體端鉸接點的連線和牽引座鉸接點與油缸活塞桿端鉸接點的連線之間角度。

圖6 牽引機構工作示意圖Fig.6 Working diagram of traction mechanism

當地壟仿形機構探測到壟側面偏移時，控制器根據探測板偏轉角度大小，通過液壓油缸來驅動牽引座偏移，即牽引座以O2為中心進行旋轉，根據幾何關系可求得θ與油缸活塞桿伸出長度L3的對應關系，由三角形余弦定理可知

(2)

對公式(2)移項、變換后可得

(3)

式中，L1、L2和L4為已知數據，油缸活塞桿的實時伸出長度L3可通過位移傳感器及時反饋給控制器。定義當牽引座縱梁與機架橫梁垂直時，θ值為初始角，設計初始角θi=85°，則θ變化量為

θp=θ-θi

(4)

式中θp——牽引座角度變化值，(°)

θp為正值和負值時分別表示收獲機左偏和右偏。θp為自動對行性能的重要評價指標。

3 液壓系統

液壓系統原理圖如圖7所示，自動對行系統工作時，控制器將指令信號由比例放大器進行功率放大后傳遞給比例電磁換向閥，比例閥電磁鐵按比例移動閥芯的位置，即可按比例控制液流的流量和改變液流的方向，進而控制液壓缸活塞桿的速度和位移，最終實現牽引機構的偏轉。即比例電磁換向閥接收到控制信號后，高壓油經球閥、過濾器、減壓閥和比例電磁換向閥進入液壓缸活塞桿端腔體或缸體端腔體，驅動液壓缸縮短或伸長完成對行動作。同時安裝在液壓缸上的位移傳感器將油缸的縮短或伸長數據反饋給控制器，控制器根據實時檢測的信號來判斷牽引機構偏轉角度是否達到要求，構成對行閉環控制系統[19-20]。

圖7 液壓系統原理圖Fig.7 Schematic of hydraulic system1.油箱 2.球閥 3.過濾器 4.減壓閥 5.壓力表 6.比例電磁換向閥 7.液壓缸 8.位移傳感器

4 控制系統

4.1 系統結構

根莖類作物收獲機控制系統結構框圖如圖8所示，分為車載控制系統、無線通信單元和監控終端3部分。操作人員通過監控終端輸入收獲機工作參數和各種控制指令，并通過433無線通信單元發出。車載控制系統中控制器通過RS232接口接收控制指令，并轉換成模擬控制信號，進而通過模擬量輸出接口(AO)驅動比例電磁換向閥，控制液壓油缸的伸縮，從而實現牽引座的左右擺動動作，角度傳感器實時測量弧形探測板是否接觸田壟，并通過模擬量輸入接口(AI)上傳至控制器，以作為牽引座如何動作的控制依據，同時，根據油缸位移傳感器測量數據，使用牽引座偏移角度算法實時計算當前偏移角度，并通過433無線通信單元上傳至監控終端，以動態曲線方式實時顯示和存儲測量數據，監控終端還具有數據導出功能，方便進行數據分析，系統異常報警時(如偏移角度超過最大設定值)，監控終端自動聲光報警[21-22]。

圖8 控制系統結構框圖Fig.8 Block diagram of electronic control system

4.1.1監控終端

監控終端選用工業級安卓平板計算機，上位機軟件自行開發。操作人員登錄后進入主界面可以設置采樣周期和作業距離等工作指標；同時，可實時監測系統各工作參數，參數可繪制成動態曲線，或導出為Excel文件。

4.1.2無線通信單元

433無線射頻收發模塊選用SEMTECH公司的SX1278射頻芯片，通信距離大于100 m；該無線模塊支持LoRa調制模式，具有通信范圍大、抗干擾能力強、功耗低等優點。其通過RS232和USB接口分別和車載控制系統、監控終端相連，實現二者之間的數據通信。

4.1.3車載控制器

車載控制器MCU采用ATMEGA32A-AU單片機，擁有32KB閃存容量，1KB EEPROM存儲器容量，32 KB存儲器容量，2KB RAM，擁有32個IO接口，7組模數轉換器輸入，3組計時器，4通道PWM，最高16 MHz時鐘頻率，調試接口類型包括JTAG、SPI、USART等類型，可工作在2.7～5.5 V，采用44針腳數QFP封裝，可在-40～85℃溫度范圍工作，抗干擾能力強。

4.1.4角度傳感器

角度傳感器構件自主開發，輸出信號為0～5 V模擬電壓，其通過A0-和A0+端以差分方式接入信號調理電路，如圖9所示，經過處理后由CH0端送入MCP3208A/D轉換電路，共可實現8路模擬信號的A/D轉換，轉換后的數字信號直接送入微處理器進行數據處理。

4.1.5比例電磁換向閥

比例電磁換向閥選用VTOZ公司的MA-DLHZO-TES-PS-040-L71，其控制信號為0～10 V模擬電壓。為此，設計了一款基于LM358的模擬電壓輸出電路，如圖10所示。微處理器的模擬量輸出信號經過LM358后轉換為0～10 V模擬電壓，從而為比例電磁換向閥提供控制信號。BAV99用于提高控制信號的驅動能力。

圖9 信號調理電路Fig.9 Signal conditioning circuit

圖10 模擬量輸入電路Fig.10 Analog input circuit diagram

4.2 軟件設計

軟件設計主要包括車載系統控制程序和監控終端程序。其中，車載系統控制程序采用C語言編寫，主要包括初始化子程序、系統復位子程序、通信子程序、油缸控制子程序、擺角計算子程序和異常報警子程序等。監控終端程序采用C++語言開發，可實現工作參數的設定、傳感器信息動態曲線顯示和存儲、生成數據報表等功能。

車載系統控制程序軟件流程圖如圖11所示。

圖11 軟件流程圖Fig.11 Software flow chart

首先，上電后，系統自動對車載控制器進行初始化，主要包括各模塊(輸入輸出模塊、RS232接口等)參數初始化，牽引座調整居中，工作標志位置零等。然后，接收并解析控制終端發送的控制指令，從而完成相應操作。如果接收到急停指令，首先停止液壓油缸動作，然后發送聲光報警指令至控制終端進行報警，程序停止運行，斷電檢修后重新上電運行。如果接收到設置參數指令，則根據控制終端輸入的參數信息進行設置，此功能在收獲機開始工作前設置。如果收到啟動命令，則置工作標志位為1，系統進入工作狀態，開始實時采集左右角度傳感器數據，如果左傳感器觸發，則牽引座右擺；如果右傳感器觸發，則牽引座左擺；如果左右傳感器均未觸發，則牽引座停止動作。牽引座動作控制方式采用PID控制方式，當誤差大于設定閾值時，只采用比例(P)控制，以提高系統的響應速度，當誤差小于等于設定閾值時，加入積分(I)和微分(D)控制，從而提高穩態誤差，減小振蕩。同時，根據偏移角度算法，實時計算偏移角度并上傳至監控終端進行顯示和存儲。如果偏移角度大于設定閾值，則停止牽引座動作，程序停止運行，斷電檢修后重新上電運行。如果收到停止命令，則置工作標志位為0，系統結束工作。

5 仿真試驗與田間試驗

5.1 仿真試驗

4UGS2型雙行薯類收獲機配套動力為雷沃1804型拖拉機，功率為132 kW。將收獲機通過牽引架連接在拖拉機懸掛機構上。根據甘薯實際種植模式和收獲情況，試驗模擬正弦信號輸入，監測反饋信號對輸入信號的跟蹤。即在地壟仿形機構角度傳感器上軟件模擬輸入正弦波信號，控制反饋信號來源于牽引機構液壓油缸上的位移傳感器，經數據上傳可得牽引座角度變化值θp曲線，其輸出信號實時反映對輸入信號的動態跟蹤。θp理想工作曲線與輸入信號的幅值比例由仿形機構和牽引機構設計參數決定，如圖12所示。試驗結果表明，輸入信號跟蹤最大誤差為2°，平均誤差為0.3°，最大延遲小于0.5 s。

圖12 正弦波響應曲線Fig.12 Sine wave response curves

5.2 田間試驗

5.2.1試驗條件

2018年10月在山東省農業機械科學研究院章丘市棗園鎮甘薯試驗基地進行了田間收獲試驗，種植模式為單壟單行，壟距為850 mm、收獲時壟高為250 mm，壟上寬為220 mm，壟下寬為500 mm，壟長度大于100 m，品種為濟薯26和北京553，壟播株距為200 mm，結薯深度為250～300 mm，薯蔓平均長度為2 600 mm。試驗前采用人工割除方法進行藤蔓收獲作業，保證試驗順利進行。樣機和田間試驗情況如圖13所示。

圖13 樣機和田間試驗Fig.13 Prototype and field experiment

圖14 自動對行系統監測數據曲線Fig.14 Monitoring data curves of auto-follow row system

5.2.2試驗方法

參照標準NY/T 1130—2006《馬鈴薯收獲機械》規定和有關農業機械試驗方法，在甘薯壟播旱地進行收獲試驗。試驗按照安裝自動對行裝置和不安裝自動對行裝置等兩種狀態進行。使用自動對行裝置收獲 3 壟，停止使用自動對行裝置依靠拖拉機駕駛員人工對行收獲 3 壟，交錯進行，共收 6 壟進行對比試驗，收獲速度為 5.02 km/h(即1.40 m/s)。導出地壟仿形機構左角度傳感器偏移角度、右角度傳感器偏移角度、牽引座角度變化值θp和收獲機作業軌跡曲線，實際測量地壟走向中心值曲線，分析和驗證自動對行裝置的工作可靠性。同時測定薯類收獲機明薯率、傷薯率、漏挖率指標，考察自動對行裝置及整機的性能[23]。

5.2.3試驗結果與分析

地壟中心線走向曲線、左角度傳感器偏移角度、右角度傳感器偏移角度、牽引座角度變化值θp曲線和收獲機作業軌跡曲線如圖14所示。從地壟走向中心值曲線可知，實測距離42 m，地壟在6～12 m處發生了左向偏離，偏移量0.57 m；地壟在26～32 m處發生了右向偏離，偏移量0.69 m；地壟其余位置未有偏移。從導出的左角度傳感器擺動角度曲線可知，其擺動角度在時間4.3 s處發生了變化，最大偏擺角度15°，隨著對行動作的完成，探測桿復位，偏轉角度逐漸變化到0°。從導出的右角度傳感器擺動角度曲線可知，其擺動角度在時間18.5 s處發生了變化，最大偏擺角度18°，隨著對行動作的完成，探測桿復位，偏轉角度逐漸變化到0°。由牽引座角度變化值θp曲線可知，其角度變化值在時間4.3 s發生了變化，正向最大偏移角度9°，在時間18.5 s處再次發生了變化，負向最大偏移角度11°。從導出的收獲機作業軌跡曲線可知，其走向在時間4.3 s處發生了變化，最大偏移量0.59 m；在時間18.5 s處發生了變化，最大偏移量0.71 m。

由于拖拉機作業速度為1.40 m/s，當作業時間為t時，其作業距離為1.4t，則5幅曲線圖的橫坐標可以相對應。角度傳感器探測桿長度與牽引座長度杠桿比為0.6，角度傳感器與牽引座角度變化值符合設計要求。從曲線圖可知，當地壟發生左、右偏移時，則緊貼在壟側的探測桿左、右角度傳感器擺動角度發生變化，控制器采用基于PID的控制模式伸長或縮短油缸，則牽引座角度變大或變小，相應調整收獲機作業軌跡，實現機器自動對行功能。

4UGS2型薯類收獲機在不同試驗條件下，取得的試驗結果如表2所示。

表2 不同試驗條件下4UGS2型薯類收獲機主要性能參數Tab.2 Main performance index of 4UGS2 potato harvester under different test conditions %

試驗結果表明：該機型對土質濕潤、板結較少的壟作旱地適應性較好，其自動對行裝置及整機各部件工作性能良好，明薯率、傷薯率、漏挖率等各項指標均達到或超過了合格要求。通過對比可以看出收獲過程中采用自動對行裝置后，平均明薯率提升了2.16個百分點，平均傷薯率降低了1.40個百分點，平均漏挖率降低了1.81個百分點。收獲作業中由于安裝了自動對行裝置，收獲機可以根據地壟行走變化自動調整工作姿態，進行對正挖掘，實現收獲作業的精確控制，從而提高明薯率、降低傷薯率和降低漏挖率，提高農戶的經濟效益。同時發現試驗過程中如果壟行截面尺寸變化較大，會影響自動對行裝置的工作穩定性。

6 結論

(1)以4UGS2型雙行薯類收獲機為載體，以壟行截面走向為研究對象，綜合運用傳感器技術、液壓控制技術和單片機控制技術，設計了一種自動對行控制系統。

(2)設計了地壟仿形機構、牽引機構、液壓系統和控制系統，采用基于PID控制技術的收獲機作業路線實時調整算法，建立作業路線調節模型，實現收獲機作業路線最優控制，進一步提高了薯類作物收獲機械自動化水平。

(3)田間試驗表明： 4UGS2型雙行薯類收獲機安裝自動對行系統后，平均明薯率提升了2.16個百分點，平均傷薯率降低了1.40個百分點，平均漏挖率降低了1.81個百分點，進一步提高了收獲作業性能指標，該系統性能和可靠性指標滿足設計要求。