水田打漿機水平控制器設計與試驗

張震 臧克江 王冬 孫悅

摘要：針對現有水田打漿機水平控制系統在耕作時機械的傾斜和振動會導致耕整后的地表平整精度低、可控性差等問題，設計了以STM32為主控芯片的平地系統控制器。為了消除振動對控制效果的影響，設計了基于限幅遞推平均濾波的PID算法并進行試驗研究，試驗結果證明，限幅遞推平均濾波對傾角數據處理有效地抑制了系統干擾和機具振動干擾;再此之后并進行了田間試驗以證明本設計的水平控制系統明顯比現有的平地系統耕整后的田間土壤起伏波動小，以期達到較好的控制效果。

關鍵詞：水田打漿機;水平控制器;控制系統;濾波器;限幅遞推平均濾波;PID算法;水田表面高程

中圖分類號： S222.5+1文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2020）04-0235-05

收稿日期：2018-11-26

基金項目：佳木斯大學學生科技創新創業項目（編號：X2YF2018-15）。

作者簡介：張?震（1994—），男，黑龍江齊齊哈爾人，碩士研究生，主要從事機械工程、液氣壓傳動與控制技術研究。E-mail：1458516851@qq.com。

通信作者：臧克江，博士，教授，碩士研究生導師，主要從事液氣壓傳動與控制技術、現代設計方法、機械設計制造及自動化教學與研究。E-mail：kjzang@163.com。

隨著自動控制技術的發展，農業自動化程度越來越高，水田地面平整機的控制系統亦多樣化發展[1]。打漿機作為平地方式的一種，采用先打漿再通過平地裝置將泥漿抹平的方式平整水田地面，以其成本低、效率高的特點被廣泛使用。李明金設計了水田打漿平地機[2];余水生設計了水田高茬秸稈還田耕整機[3];陳鑫研究了小型水田耕耙平地機等傳統平地機具，發現在耕作時無法根據田間復雜的地形狀況，對機具進行實時調整，平整精度有限[4]。為了提高水田的平整精度，萬松等設計了基于傳感技術的水田旋耕機平地系統[5];胡煉等設計了農機具自動調平控制系統[6]。之后又出現了激光平地技術，胡煉等設計了三點懸掛式1PJ-4.0型水田激光平地機[7];蘇焱等設計了JGP-2500型激光平地機[8]，試驗結果表明，能有效提高田面平整精度。但經研究，傳統平地機械雖造價便宜，但平整精度有限;現有的自動調平控制系統雖能滿足水稻種植的農藝要求，但是不能達到高精度調平。而激光平整精度雖然高但配套設備多且造價昂貴，不宜推廣使用。為了提高打漿機作業質量，實現打漿機自動調平控制，本研究設計了以STM32為主控芯片控制器，并采用了限幅遞推平均濾波的PID算法滿足平地要求。

1?水田打漿機水平控制器設計

1.1?硬件系統設計

系統硬件結構見圖1。系統的硬件包括STM32主控芯片、SST810傾角傳感器及SD卡存儲器（EEROM）等。STM32具有較高的性能和較低的動態功耗。從性能能上看，STM32 F103RCT6處理器可以作為本研究的融合算法以及控制算法的硬件實現。STM32主控芯片使用IIC總線接收來自SST810的數據并保存在SD卡存儲器。其采樣得到的三軸角速度和加速度計數據通過傳感器信息融合測量，從而得到平地鏟水平傾角;數碼管用于顯示當前測量角度和控制參數等，可通過按鍵改變顯示模式和參數調整，二者組成簡單的人機界面，易于調試。

1.2?濾波器設計

在傾角傳感器信號采集中，拖拉機與打漿機的振動都會干擾傳感器的數據采集，所以為了提高傾角傳感器的傾角信號采集精度，本研究應用限幅遞推平均濾波算法技術對采集到的信號進行濾波處理。本研究濾波過程是對所測量的參數進行B次采樣（圖3），然后再計算當前采樣數據Si與前1次Si-1的差值，若超過設定的閾值A，則用前1次Si-1代替本次采樣值;否則采用本次采樣值Si。將采樣的所有數據放進數組A[i]中，其中如果采樣值個數小于M，則繼續執行數據采樣;否則進行數據隊列移動，把隊首的數據擠掉，將新采樣值放在數據隊尾，然后進行M個數據求均值，當N>Nmax（其中Nmax為原始數據隊列長度最大值與濾波參數差值）時，則濾波結束見圖2。

1.3?軟件設計

主程序流程見圖3。主程序是調平系統工作過程中的主要運行程序，從動態傾角傳感器SST810中讀取傳感器角度數據，然后對數據進行限幅遞推平均濾波，之后再根據傾角數據作出調節。初始化完成后，進入調節程序，調節程序是一個死循環，每個循環從讀取傾角數據R開始，讀取到傾角數據后判斷傾角R是否為0，若傾角R為0則不須要進行調節，設置PWM波占空比為0。若傾角R不為0，則判斷傾角方向，若傾角R<0，設置M1_CW為高電平;若傾角R>0，則設置傾角M1_CW為低電平。方向設置完成后，須要設置電壓大小，即調節速度，由于是比例調節，因此設置PWM波占空比為Kp×R，Kp是比例調節系數。一個循環結束，開始下一個循環。

2?濾波算法試驗研究

2.1?試驗過程

傾角傳感器信號采集中，振動干擾主要來源于正常工作的拖拉機與打漿機，試驗過程中為了保證采集數據的準確，必須保證拖拉機與打漿機正常工作（但是為了采集數據方便只須將拖拉機與打漿機原地啟動）。驗證試驗如下：（1）在打漿機上安裝水平控制系統，并用平衡儀測量打漿機是否處于水平狀態（通過田間試驗發現，由于土地平整度與打漿機質量問題，打漿機常保持在0.15°左右，而無法保持在0°左右，所以本研究把打漿機保持在0.15°左右默認為水平狀態。）;（2）開啟拖拉機與打漿機，將傳感器與計算機連接并采集數據（采集時間為10 s，0.05 s采集1次，共采集200次）;（3）計算機運行Matlab融合程序對采集的數據進行處理。濾波算法試驗現場見圖4，可以看出拖拉機與打漿機處于水平狀態。

2.2?試驗分析

拖拉機與打漿機正常啟動原始傾角數據狀態見圖5，該圖中的曲線是由機具處于水平狀態（0.15°）時采集到的原始傾角數據繪制而成的（圖中縱坐標為機具實時的傾斜角度，橫坐標為采樣時間）。從圖5可以看出，水平狀態下曲線的變化趨勢以及幅值變化，如果將未濾波的數據直接用于機具調平控制，會嚴重影響打漿機正常工作。

融合濾波算法后的傾角數據曲線見圖6（圖中縱坐標為機具實時的傾斜角度，橫坐標為采樣時間）。原始數據曲線經過濾波處理后，曲線都變得比較平滑（未產生圖4中角度大幅度跳動的情況），誤差值在0.15° 附近跳動，經過試驗驗證，濾波算法對傾角數據處理有效地抑制了系統干擾和機具振動干擾。

3?田間試驗

3.1?試驗過程

3.1.1?水田準備?用圓盤耙將水田耕整1遍，然后淹水泡3 d。

3.1.2?田間試驗?用全站儀測量水田的地理位置信息并記錄數據;計算水田的平均高程，并以該高程作為水田平整的參考相對高程;運用現有的控制系統與打漿機配套使用進行平整水田作業;水田平整完后，利用全站儀測量平整過后水田并記錄數據。然后運用本研究設計的控制系統與打漿機配套使用再進行平整水田作業;水田平整完后，利用全站儀測量平整過后水田并記錄數據。

3.1.3?數據處理與分析?運用Matlab軟件對試驗前后采集到的數據進行處理，計算出耕整平地后田地的平整度。運用griddata（）函數的差值原理進行曲面擬合生成三維地形圖，觀察2次耕整平地后水田地形圖的地貌起伏情況，評估平地效果。觀察平整前后水田地形的變化情況，計算出平整前后水田的平均高程和平整度Sd，評估平地效果。平整度一般可采用田塊內所有測點處地面相對高程的標準偏差值Sd來定量描述。

Sd=∑ni=1（hi-h）2/n-1。（1）

式中：hi為田間的第i個采樣點的相對高程，cm;h為該田間相對期望高程，cm;n為田塊內所有采樣點的數量。

現有的控制系統平整后采樣數據見表1，本研究設計的控制系統平整后采樣數據見表2。其中，水田的面積為長50 m、寬30 m，采樣間隔為5 m，采樣點為60個。

3.2?試驗分析

（根據土地實際尺寸縮小5倍）分別為現有的平地系統（圖7）和本研究設計的平地系統田間試驗后（圖8），用Matlab對采集的數據進行曲面擬合模擬的地形。由模擬的地形圖可知，本研究設計的平地系統耕整后的田面相比現有的平地系統較為平整，田面起伏波動小。由平均相對高程可知，本研究設計的平地系統比現有的平地系統減小了0.081 cm，由平整度結果分析可得現有的平地系統試驗后的平整度2.52 cm（平整度不超過3 cm），本研究設計的平地系統試驗后的平整度為2.13 cm，滿足平整精度要求，平整度明顯比現有的平地系統小，平整效果好。因此，本研究設計的平地系統耕整后的平地精度與現有的平地系統相比，有明顯的提高。

4?結束語

為滿足水稻種植的農藝要求，筆者設計了水田打漿機水平控制系統。通過試驗可知，該系統所使用的濾波技術能有效減小振動對傳感器的影響，并可通過按鍵改變顯示模式和參數調整實現簡單的人機界面。由田間試驗可知，本研究設計的水平控制系統明顯比現有的平地系統耕整后田間的土壤起伏波動小。但是控制系統的超調效果仍存在問題，并在田間試驗時發現當農機具轉彎時，調平控制系統會出現不工作狀態等問題，還須進一步研究改進。

參考文獻：

[1]李益農，許?迪，李福祥. 田面平整精度對畦灌性能和作物產量影響的試驗研究[J]. 水利學報，2000（12）：82-87.

[2]李明金. 水田攪漿機平地裝置的設計與試驗研究[D]. 大慶：黑龍江八一農墾大學，2014.

[3]余水生. 水田高茬秸稈還田耕整機的研制[D]. 武漢：華中農業大學，2012.

[4]陳?鑫. 小型水田耕耙平地機關鍵部件設計與建模[J]. 農機使用與維修，2011（2）：23-25.

[5]萬?松，陳子林，展鵬程，等. 基于傳感技術的水田旋耕機平地系統的設計與試驗[J]. 華中農業大學學報，2016，35（4）：129-135.

[6]胡?煉，林潮興，羅錫文，等. 農機具自動調平控制系統設計與試驗[J]. 農業工程學報，2015，31（8）：15-20.

[7]胡?煉，羅錫文，林潮興，等. 1PJ-4.0型水田激光平地機設計與試驗[J]. 農業機械學報，2014，45（4）：146-151.

[8]蘇?焱，王永輝. JGP-2500型激光平地機工作機理研究[J]. 農業科技與裝備，2012（6）：36-37.