土下作物自動對行挖掘收獲試驗臺研制

王申瑩，胡志超，陳有慶，顧峰瑋，彭寶良，呂小蓮

土下作物自動對行挖掘收獲試驗臺研制

王申瑩1,2，胡志超1,2※，陳有慶1,2，顧峰瑋1,2，彭寶良1,2，呂小蓮3

（1. 農業農村部南京農業機械化研究所，南京 210014； 2. 農業農村部現代農業裝備重點實驗室，南京 210014；3. 滁州學院機械與電氣工程學院，滁州 239000）

為了提高土下作物機械化收獲質量和效率，解決土下作物收獲機械田間試驗成本高、效率低、數據采集不便且受天氣因素影響大等問題，該研究設計了一種土下作物機械收獲自動對行挖掘試驗臺。該試驗臺主要由傳動裝置、速度調節裝置、偏離行中心距調節裝置、塊根固定及株距調節裝置、偏離探測裝置、液壓糾偏執行機構和挖掘模擬裝置以及測控系統和液壓系統組成。在分析試驗臺工作原理的基礎上，進行了關鍵部件的結構設計及參數確定，設計了集成角度傳感器、位移傳感器、速度傳感器的機電液一體化測控系統。以甜菜收獲為研究對象，以株距、偏離行中心距離和前進速度為試驗因素，以漏挖率為指標進行試驗臺準確性田間對比正交試驗。試驗結果表明，在不同前進速度、偏離行中心距離、株距等參數組合下，試驗臺試驗漏挖率為2.33%～2.72%，田間試驗漏挖率為2.38%～2.92%。與田間試驗相比，漏挖率絕對偏差率范圍為2.10%～6.85%，平均偏差率為3.67%，且漏挖率越大，偏差率越大，試驗臺具有較好的準確性。該研究可為甜菜、蘿卜、土豆等土下作物的自動對行挖掘收獲系統設計提供參考。

農業機械；收獲；土下作物；試驗臺；自動對行；雙閾值；PD控制

0 引 言

為提高產量，甜菜、白蘿卜、花生、馬鈴薯等土下作物的主產區多采用壟作模式，但由于中國土下作物種植機械化水平低，仍以人工和半機械化為主，種植行距不等、收獲期土下作物的直線性差（塊根偏離行中心線）等問題突出[1-3]。挖掘作業時如挖掘鏟前進方向出現偏差，會造成漏挖、少挖或塊根破損，需要人工再次挖掘，損失大、效率低。收獲機駕駛員為減少漏損，需高度集中精神，盡力對行收獲，實時調整前進方向，導致駕駛員勞動強度高，且對行作業性能易受人為因素影響，難以保證收獲作業效果和效率。因此，亟需自動對行挖掘收獲技術以解決上述問題。

國外對土下作物自動對行挖掘收獲系統的研究起步較早[4-6]。一些產品已采用電子電磁液壓控制、挖掘器松土振動等技術，實現了降阻、自動對行限深收獲，提高了生產效率、作業精度和機具適應性，減輕了駕駛員勞動強度[7-10]；具有控制精度高、適應性好的特點，但價格昂貴，難以在中國等發展中國家應用推廣。

國內對土下作物自動對行收獲系統的研究起步晚，進展緩慢，成果少。已有的甜菜、白蘿卜等土下作物機械化收獲技術的研究多集中在切頂機構等部件設備的研發[11-14]。對自動對行挖掘收獲作業的基礎研究雖然取得了一定的成績，但大多還處在試驗測試和定性分析階段[15-18]，自動對行挖掘收獲系統靈敏性、適應性和可靠性低的問題依然突出，不能滿足生產要求。而大量的田間試驗成本高、試驗重復性差、數據采集難度大、精度低，且易受天氣、收獲季節等因素影響，長期以來一直影響著土下作物收獲機械的田間試驗效率和試驗數據的獲取。

本研究旨在設計一種土下作物自動對行挖掘收獲試驗臺，填補國內相應功能試驗平臺的空白，以期為土下作物收獲機械的研究提供基礎平臺和技術參考。主要研究內容有以下幾點：1）開發出一種可模擬田間挖掘收獲試驗、經濟有效的土下作物機械化收獲自動對行試驗臺；2）對關鍵部件及系統進行設計分析，以滿足不同作物試驗的參數調整；3）以甜菜收獲為例進行試驗臺田間對比正交試驗，以驗證試驗臺的準確性和可靠性。

1 總體結構與工作原理

1.1 結構組成

土下作物自動對行挖掘收獲試驗臺主要由機架、傳動鏈、變頻調速電機、偏離行中心距調節裝置、塊根固定及株距調節裝置、龍門架、偏離探測裝置、偏離探測裝置左右前后調節軌道、液壓糾偏執行機構（液壓缸、液壓缸作用點調節機構、挖掘模擬裝置連接桿）、挖掘模擬裝置及測控系統和液壓系統等組成，各機構均為無級可調，如圖1所示。試驗臺主要參數如表1所示。

1.變頻調速電機 2.皮帶輪 3.機架 4.傳動鏈 5.托鏈盒 6.塊根固定及株距調節裝置 7.偏離行中心距調節裝置 8.龍門架 9.偏離探測裝置 10.偏離探測裝置左右調節軌道 11.偏離探測裝置前后調節軌道 12.液壓缸 13.液壓缸作用點調節機構 14.挖掘模擬裝置連接桿 15.龍門架高度調節液壓缸 16.挖掘模擬裝置 17.挖掘機構左右移動軌道 18.高速攝影儀

表1 試驗臺主要參數

1.2 工作原理

作業時，偏離探測裝置感知土下作物塊根的左右偏離距離，并通過安裝在其旋轉軸上的角度傳感器將塊根的偏離情況轉換成電信號傳輸給控制器；控制器結合安裝在速度調節裝置上的速度傳感器的傳輸信號計算出挖掘模擬裝置應左右移動的距離和速度，并發出液壓電磁閥控制信號控制液壓糾偏執行機構動作，帶動挖掘模擬裝置左右移動，實現自動對行挖掘收獲。通過高速攝影儀對試驗過程進行檢測分析、統計，進而計算出自動對行挖掘收獲漏挖率。

2 關鍵部件設計

2.1 龍門架

龍門架是整個試驗臺的主要支撐框架，如圖2所示。偏離探測裝置和挖掘模擬裝置固定在龍門架上，兩者之間的距離可過通偏離探測裝置前后調節軌道調節；結合不同土下作物收獲的需求，設定調節軌道長度=1 200 mm。根據甜菜、白蘿卜等土下作物主產區實地調研，壟寬一般為500～800 mm，所以設計龍門架寬度0=600 mm，偏離探測裝置左右調節軌道長度1=1 000 mm。液壓糾偏執行機構通過固定座與龍門架連接，主要用來帶動挖掘模擬裝置在軌道上左右移動實現自動對行挖掘收獲。高速攝影儀安裝在挖掘模擬裝置處以對試驗過程進行拍攝分析。龍門架整體高度可通過液壓缸調節以滿足不同土下作物的試驗需求，參考國外相關收獲機械和中國實際生產情況，設定龍門架高度=800～1 300 mm。

1.龍門架高度調節液壓缸 2.支撐柱 3.偏離探測裝置前后調節軌道 4.偏離探測裝置左右調節軌道 5.偏離探測裝置安裝架 6.挖掘阻力模擬調節裝置 7.挖掘模擬裝置安裝架 8.挖掘模擬裝置左右移動軌道 9.液壓糾偏執行機構安裝座Ⅰ 10.液壓糾偏執行機構安裝座Ⅱ

1.Gantry frame height adjustment hydraulic cylinder 2.Support column 3.Deviation detection device front and rear adjustment track 4.Deviation detection device left and right adjustment track 5.Deviation detection device installation shelf 6.Digging resistance simulation adjustment device 7.Digging simulation device installation shelf 8.Digging simulation device left and right moving track 9.Hydraulic rectifying actuator installation seat I 10.Hydraulic rectifying actuator installation seat II

注：0為龍門架寬度，mm；1為偏離探測裝置左右調節軌道長度，mm；為偏離探測裝置前后調節軌道長度，mm；為龍門架高度，mm。

Note:0is the width of the gantry frame, mm;1is the length of the deviation detection device left and right adjustment track, mm;is the length of the deviation detection device front and rear adjustment track, mm;is the height of the gantry frame, mm.

圖2 龍門架結構組成

Fig.2 Structure components of the gantry frame

2.2 偏離探測裝置

偏離探測裝置主要用來探測土下作物塊根偏離行中心線的距離（防止由于土下作物種植或收獲機的跑偏而引起漏挖和破損），并將此距離通過安裝在四連桿機構上的角度傳感器轉換成電信號傳輸給控制器。偏離探測裝置采用前期設計的結構，如圖3所示。試驗時，左右探測桿位于土下塊根的兩側，當與偏離的土下塊根接觸碰撞而產生偏離位移±時，四連桿機構將位移變化量±轉化為角度傳感器的角度變化量±Δ（設逆時針為正），并傳輸給控制器。當探測桿與塊根脫離后，在復位彈簧的作用下，偏離探測裝置回正。

1.四連桿機構 2.角度傳感器 3.復位彈簧 4.探測桿

1.Four-bar linkage 2.Angle sensor 3.Return spring 4.Detection rods

注：1為探測桿出口寬度，mm；2為探測桿入口寬度，mm；為探測桿旋轉的角度，(°)：為作物塊根引起的探測桿偏移量（將探測桿擺動的弧線長度近似為直線長度），mm；為探測桿擺動半徑，=350 mm。

Note:1is the exit width of the detection rods, mm;2is the entrance width of the detection rods, mm;is the rotation angle of the detection rods, (°);is the detection rod offset caused by the crop roots (approximate the arc length of the detection rod swing to linear length), mm;is the swing radius of the detection rod,=350 mm.

圖3 探測機構工作原理圖

Fig.3 Working schematic of the detection mechanism

本文偏離探測裝置的結構與前期研究結果相同，通過對探測桿的替換，即可構成花生、馬鈴薯等土下作物果實的自動對行探測裝置。

經調研，甜菜、白蘿卜等土下果實偏離行中心距1=0～90 mm，塊根直徑=50～120 mm。為保證偏離的塊根均能順利通過偏離探測裝置，減少探測桿與偏離距離小的塊根的頻繁碰撞，探測桿設計為后傾倒八字形，且出、入口寬度1、2滿足以下條件：

2≥(1+/2)×2 （1）

1≥（2）

結合經驗取2=400 mm，1=250 mm。

角度傳感器采用美國EPC公司生產的三相方波輸出光電增量式編碼器VLH11，最高轉速7 500 r/min，啟動力矩15×10-5N·m，響應頻率100 kHz，分辨率1 024 C/R，且具有角度變化方向指示。由圖3可知，角度傳感器收到的脈沖數和探測桿的擺動距離關系如下：

式中Δ為傳感器角度變化量，(°)；為角度傳感器轉過角度時所輸出的脈沖數。

由公式（3）和公式（4）可知：

2.3 挖掘模擬裝置

挖掘裝置是土下作物收獲機械的關鍵部件之一，主要完成對土下作物塊根的挖掘。叉式挖掘鏟由于其入土性能好、挖掘阻力小而廣泛采用；影響其挖掘收獲質量（主要為漏挖率）的主要因素有土壤阻力和挖掘鏟的有效挖掘寬度。本文設計的挖掘模擬裝置如圖4所示，主要由龍門架、挖掘阻力模擬調節機構、直線滑軌和挖掘叉組成。

挖掘叉的寬度應滿足以下條件：

3≥1（6）

式中3為挖掘鏟的有效寬度，mm；為減少功耗，3應盡量小，考慮挖掘后續輸送工作需求，設計3=320 mm。

1.龍門架橫梁 2.摩擦滑塊 3.摩擦阻力標尺 4.壓縮彈簧 5.導向桿 6.挖掘叉 7.摩擦阻力調節螺栓 8.彈簧壓板 9.直線外滑軌 10.直線內滑軌 11.挖掘叉

1.Gantry frame beam 2.Friction slider 3.Friction resistance scale 4.Compression spring 5.Guide rod 6. Digging fork 7.Friction resistance adjusting bolt 8.Spring pressure plate 9.Straight outer slide track 10.Straight inner slide track 11.Digging fork

注：3為挖掘叉的有效寬度，mm。

Note:3is the effective width of the digging fork, mm.

圖4 挖掘模擬裝置

Fig.4 Digging simulation device

通過對甜菜、白蘿卜等土下作物主產區的實地調研測試，并參考文獻[19]，不同土壤條件下叉式挖掘鏟的橫向挖掘阻力一般在100～500 N內。所以設計挖掘裝置最大摩擦阻力為500 N。龍門架橫梁和摩擦滑塊都采用Q235A型鋼材制作而成，且無潤滑，取兩者之間滑動摩擦系數=0.15[20]。壓縮彈簧的彈性系數可由以下公式推導得出（忽略摩擦滑塊的質量）。

Fmax≈Nmax（7）

Nmax=max（8）

式中Fmax為最大摩擦阻力，N；為滑動摩擦系數；Nmax為摩擦滑塊承受的最大壓力，N；為壓縮彈簧個數，=4；max為壓縮彈簧的最大壓縮量，m；為壓縮彈簧彈性系數，N/m。

由式（7）和（8）可得：

由上述可知Fmax=500 N，=0.15，max由結構空間決定，設計為max=80 mm，由此計算得出=10 416.7 N/m，取整為=10 420 N/m。

2.4 塊根固定及株距、偏離行中心距調節裝置

自動對行挖掘收獲試驗時，如何更真實地模擬土下塊根實際生長情況是試驗成功與否的關鍵。本文將偏離行中心距調節裝置、果實固定及株距調節裝置設計成一體，如圖5所示，主要由偏離行中心距調節滑槽、鎖緊方塊、鎖緊螺母、塊根固定螺桿以及傳動鏈掛板等組成。

1.塊根固定螺桿 2.鎖緊螺母 3.鎖緊方塊 4.調節滑槽 5.傳動鏈掛板 6.傳動鏈

試驗時，通過在不同傳動鏈掛板之間安裝調節滑槽來設定不同的株距，株距最小調節間隔為1個傳動鏈掛板長度即25 mm，滿足按實際生產調節株距的不同需求；調節鎖緊螺母和方塊在滑槽內左右移動，可實現按實際生產情況布置不同偏離距離土下塊根的目標；將土下塊根通過螺紋固定在螺桿上，同時制作不同螺距的螺桿，以適應質地疏松程度不同的土下作物塊根安裝需求（質地疏松的作物塊根采用大螺距的螺桿，質地緊實的采用小螺距的螺桿，這樣固定更牢固）。

2.5 液壓糾偏執行機構

液壓糾偏執行機構主要用來將測控系統的輸出信號轉換成挖掘裝置的左右擺動以實現對行挖掘。主要由液壓缸、挖掘機構連接桿和液壓缸作用點調節機構等組成，如圖6a所示。

工作時，挖掘模擬裝置位于中間位置，即連接桿位于圖6a中位置；當偏離探測裝置感知到土下塊根偏離，需調整挖掘模擬裝置左右位置時，挖掘機構連接桿繞點擺動并帶動挖掘模擬裝置滑動到虛線′′位置。液壓缸也由初始位置1繞1點旋轉到1′位置。調整液壓缸作用點調節機構在連接桿上距點的距離可改變液壓缸伸縮量和挖掘模擬裝置移動量之間的關系。為分析液壓糾偏執行機構的運動，對圖6a進行簡化，并建立坐標系如圖6b所示。

1.挖掘模擬裝置連接桿 2.液壓缸作用點調節機構 3.液壓缸

1.Digging simulation device connecting rod 2.Hydraulic cylinder action point adjustment mechanism 3.Hydraulic cylinder

注：為連接桿旋轉中心與液壓缸旋轉中心1之間的距離，mm；為連接桿旋轉中心與挖掘模擬裝置在方向上投影點2之間的距離，mm；為液壓缸與連接桿連接點到連接桿旋轉中心點的距離，mm；為連接桿與1連線的夾角，(°)；0是挖掘模擬裝置位于中間初始位置時連接桿與1連線的夾角，(°)；、′分別為液壓缸與挖掘模擬裝置連接桿鉸接點在糾偏前和糾偏后的位置；、′分別為挖掘模擬裝置與挖掘模擬裝置連接桿鉸接點在糾偏前和糾偏后的位置。

Note:is the distance between the rotation centerof the connecting rod and the rotation center1of the hydraulic cylinder, mm;is the distance between the rotation centerof the connecting rod and the projection point2of the digging simulation device in thedirection, mm;is the distance between the connection point of the cylinder and the connecting rod and the rotation centerof the connecting rod, mm;is the angle between the connecting rod and the line1, (°);0is the angle between the connecting rod and the line1when the digging simulation device is in the middle initial position, (°);and′ are respectively the positions of the hinge points of the hydraulic cylinder and the digging simulation device connecting rod before and after correction;and′ are respectively the positions of the hinge points of the digging simulation device and the digging simulation device connecting rod before and after correction .

圖6 液壓糾偏執行機構

Fig.6 Hydraulic correction actuator

設液壓缸的長度變化量為1′?1，挖掘機構的移動量為2′?2，則

式中為連接桿旋轉中心與液壓缸旋轉中心1之間的距離，mm；為連接桿旋轉中心與挖掘模擬裝置在方向上投影點2之間的距離，mm；為液壓缸與連接桿連接點到連接桿旋轉中心點的距離，mm；為連接桿與1連線的夾角，(°)；0是挖掘模擬裝置位于中間初始位置時連接桿與1連線的夾角，(°)；為液壓缸的長度變化量，mm；為挖掘機構的移動量，mm。

將設計值=640 mm、=1 020 mm、0=75°帶入式（10）計算并保留兩位有效小數，可得：

3 測控系統設計

測控系統主要用來監測各子系統試驗時的狀態參數并傳輸給主控制器控制液壓糾偏執行機構動作完成對行挖掘收獲，并記錄試驗過程和結果以便后續研究分析。

3.1 硬件設計與工作原理

測控系統硬件主要由控制箱、電腦、壓力傳感器、流量傳感器、位移傳感器、轉速傳感器、液壓電磁閥、液壓缸及高速攝影儀等組成，如圖7所示。其中，位移傳感器采用深圳市米朗科技有限公司生產的MPS-S型拉線式位移傳感器，拉線速度1 000 mm/s，測量行程100～1 000 mm；轉速傳感器采用上海貫金儀表有限公司生產的GJ70型磁電式轉速傳感器。其他器件有淄博西創測控技術開發有限公司生產的MC20A型壓力傳感器、LWGYC-20型流量傳感器和上海立新液壓有限公司生產的Z2FS10-30型流量調節閥、ZDB10VP2-L4X/31.5型壓力調節閥。流量、壓力傳感器安裝在液壓站輸出口處，實時測量液壓系統的流量和壓力。轉速傳感器安裝在皮帶輪軸上以測量作業前進速度。

圖7 測控系統硬件組成和結構框架

主控制器采用NEC公司的78K0/LD2系列8位單片機μPD78F0525微處理器，除了通過MAX232 RS232收發器直接與電腦顯示器通信外，還接收經過PC357光電耦合器（OC）隔離的增量編碼器脈沖信號以計算作業前進速度的當前值；根據角度傳感器的脈沖信號，計算出挖掘模擬裝置移動的目標值，并與位移傳感器測量的挖掘模擬裝置移動實際值作比較，決策液壓閥的開閉，帶動挖掘模擬裝置移動，實現自動對行。

3.2 軟件設計

測控系統軟件采用固定雙閾值死區PD控制算法。PD控制作為經典線性控制算法PID控制的一種，簡單實用，已廣泛應用于控制領域。雙閾值死區控制可減少調節次數、增加抗干擾能力、避免比較器頻繁跳變，從而避免液壓缸的頻繁動作，減少機器震動，提高系統的穩定性[21-23]。本文采用的自動對行雙閾值死區PD控制系統及主程序流程如圖8所示。主程序首先采集偏離信號檢測機構的偏轉角度，并據此判斷土下塊根偏離引起的角度變化量是否大于等于2°。若Δ≥2°，直接進行調節；若Δ<2°，控制器不會立即發出控制信號，而是讀取試驗臺作業前進速度，并根據收獲機的不同前進速度值區間和角度變化量Δ≥1°持續的相應時間進行微調（當收獲機前進速度在區間[0，0.8)時，角度變化量Δ≥1°持續2 s；當收獲機前進速度在區間[0.8,1.2)時，角度變化量Δ≥1°持續1.5 s；當收獲機前進速度在區間[1.2,+∞)時，角度變化量Δ≥1°持續1 s）。這樣有利于避免角度傳感器發出的脈沖信號抖動，減少動作機構頻繁振蕩。

圖8 自動對行雙閾值死區PD控制系統及主程序流程圖

根據前期調研統計數據（取甜菜塊根直徑的平均值=110 mm）、設計分析（探測桿轉動半徑=350 mm，兩探測桿開口寬度1=250 mm）和式（1）計算及仿真調試結果，確定控制系統的死區閾值為±70 mm，死區寬度為180 mm，比例系數為700，微分系數為15。

4 試驗臺準確性試驗

4.1 試驗設備與材料

為驗證所設計試驗臺的準確性和可靠性，利用農業農村部南京農業機械化研究所研制的4LT-A型甜菜聯合收獲機和約翰迪爾1054型拖拉機于2019年11月在江蘇省農業科學院試驗田對試驗臺試驗進行了田間對比收獲試驗。其他試驗器材有標桿、秒表、卷尺、電子秤等。

試驗材料為內蒙古省烏蘭察布市單壟單行移栽種植模式的吉甜系列甜菜。甜菜塊根直徑80～120 mm，塊根長度180～210 mm，塊根出土高度（高于地表）40～60 mm，塊根質量0.9～1.4 kg。土壤含水率為28.3%，土壤硬度為105.4 N/cm2。

4.2 試驗指標

甜菜、白蘿卜等土下作物機械化收獲時與自動對行挖掘收獲性能相關的指標主要是漏挖率。參考《JB/T6276-2007 甜菜收獲機械試驗方法》[24]和《NY/T 1412-2007甜菜收獲機作業質量》[25]，定義漏挖率如下：

G=m/×100% （12）

式中G為漏挖率，%；m為漏挖塊根質量，kg；為測定塊根總質量，kg。

4.3 試驗方案與結果

試驗臺如圖9所示，根據農業機械液壓系統中常用設計，設置系統壓力18 MPa，液壓流量20 L/min；根據對甜菜主產區實際生產情況調研結果，設定挖掘阻力為260 N（實際收獲時，挖掘鏟在土壤中左右擺動時會受到土壤的阻力）。

圖9 甜菜、白蘿卜等其他土下作物自動對行挖掘收獲試驗臺

通過前期單因素試驗結果分析，影響收獲質量的主要生產和工作因素有株距、偏離行中心距離和作業前進速度。

為驗證試驗臺在不同試驗參數下的準確性，將4LT-A型甜菜聯合收獲機的偏離探測裝置、液壓糾偏執行機構、控制系統及前進速度等結構和工作參數設置與試驗臺相同（按照試驗臺試驗時的株距、偏離行中心距在田間栽植甜菜塊根，田間試驗如圖10所示），并根據前期仿真試驗結果和甜菜主產區實際田間調研數據，設計三因素三水平的正交對比試驗，試驗因素和水平設計如表2所示[26-28]。試驗時利用高速攝影儀對挖掘鏟對甜菜的挖掘收獲情況進行攝像記錄分析。為了減小試驗誤差，試驗臺每次試驗的樣本為50個塊根，不包括試驗開始和停止時的10個。田間試驗和試驗臺試驗均重復3次，結果取平均值。選用9( 34) 正交表[29-31]，試驗結果如表3所示。

圖10 田間試驗

表2 正交試驗因素與水平

表3 試驗方案和結果

從表3可以看出，在不同試驗參數下，土下作物收獲機械自動對行挖掘收獲試驗臺具有較好的準確性。試驗臺試驗的漏挖率為2.33%～2.72%，對應條件下的田間試驗漏挖率為2.38%～2.92%，絕對偏差率范圍為2.10%～6.85%，平均偏差率為3.67%。同時，從表3可以看出，漏挖率越大，偏差率越大，試驗臺的準確性降低。

通過對高速攝影儀獲取的試驗過程錄像分析可知，隨前進速度、偏離距離的增加，漏挖率逐漸增大，偏差率增大；隨株距的增加，漏挖率逐漸減小，偏差率減小。

前進速度的增加，使收獲機通過相鄰2顆甜菜塊根的時間減少，以致挖掘機構在該時間內還沒有調整到位，挖掘機構已前進到了偏離甜菜塊根的前方，導致漏挖率的增加。偏離距離的增加，使探測桿的擺動角度增加，液壓糾偏執行機構的運動距離增加，致使自動對行系統在通過相鄰2顆甜菜塊根的時間內未及時糾偏到位，導致漏挖率的增加。株距的增加，增大了收獲機通過相鄰2顆甜菜塊根的時間，給液壓糾偏執行機構提供了更多的動作時間，使自動對行系統能及時糾偏到位，進而降低了漏挖率。前進速度和偏離行中心距離的增加均縮小了自動對行系統的處理時間，實際田間收獲時，自動對行系統單位時間內相對于試驗臺遇到的土壤阻力不確定性、土塊雜草阻礙及機器震動等外界干擾增加，自動對行處理能力降低，漏挖率較試驗臺試驗增大，偏差率增大；而株距的增加，為自動對行系統提供了較充裕的處理時間，外界干擾的密度降低，使其自我調整、抵抗外界干擾的能力增加，所以偏差率降低。

5 討　論

花生、馬鈴薯等完全埋于土中的土下作物試驗時，上述試驗臺已不適應。為提高試驗臺的通用性，需將試驗臺的偏離探測裝置更換為如圖11a所示的壟形檢測機構（主要由機架、四連桿機構、探測滾輪和壟形探測桿組成，即只需將原探測桿更換為壟形探測桿和探測輪即可）；并將果實固定裝置（如圖5所示）更換為壟形模擬調節裝置（如圖11b所示，主要由偏離行中心距調節滑槽、壟形調節支撐板和壟形模擬橡膠板組成）。試驗臺實物如圖11c。

1.機架 2.四連桿機構 3.探測滾輪 4.探測桿

試驗時，左、右壟形探測桿通過上面安裝的滾輪與壟溝側壁的相互接觸，感知壟溝的偏移，帶動壟形探測桿旋轉，并通過四連桿機構，將偏移變化量轉換為角度傳感器的角度變化量，傳輸給控制器控制液壓糾偏執行機構，實現花生、馬鈴薯等完全埋于土下的作物自動對行收獲。

6 結 論

1）本文設計了一種土下作物自動對行挖掘收獲試驗臺，主要由機架、傳動裝置、速度調節裝置、偏離行中心距調節裝置、果實固定及株距調節裝置、龍門架、偏離探測裝置、探測裝置左右前后調節裝置、對行調節執行機構和挖掘機構以及測控系統和液壓系統等組成。

2）對偏離探測裝置、帶阻力模擬挖掘裝置、液壓糾偏機構進行了結構設計和參數分析, 滿足不同試驗對不同參數調整的需要。對測控系統進行了硬件設計，并采用固定雙閾值死區PD控制算法進行了軟件設計。

3）以甜菜收獲為研究對象，以株距、偏離行中心距離和前進速度為試驗因素，以漏挖率為指標進行了試驗臺與田間作業的對比試驗。試驗結果表明，在不同的前進速度、偏離行中心距離、株距等參數組合下，試驗臺的漏挖率為2.33%～2.72%，田間試驗漏挖率為2.38%～2.92%，試驗臺具有較好的挖掘準確性，絕對偏差率范圍為2.10%～6.85%，平均偏差率為3.67%，且漏挖率越大，偏差率越大。

本試驗臺可通過探測桿和壟形模擬裝置的簡單替換，實現花生、馬鈴薯等完全埋于土下的土下作物自動對行收獲試驗。

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Development of the test bench for automatic alignment digging harvest of subterranean crops

Wang Shenying1,2, Hu Zhichao1,2※, Chen Youqing1,2, Gu Fengwei1,2, Peng Baoliang1,2, Lü Xiaolian3

(1.,s,210014,; 2.210014,; 3.239000,)

In order to improve the quality and efficiency of the mechanical harvest of subterranean crops, and to solve the problems of high cost, low efficiency, inconvenient data collection and greatly affected by weather on the field test of harvest machines for crops under soil in China, an automatic alignment digging harvest test bench for crops under soil harvesting is designed in this paper. The test bench is mainly composed of a transmission device, speed adjustment device, off-centerline distance adjustment device, root fixed and plant spacing adjustment device, deviation detection device, hydraulic correction actuator and digging simulation device, measurement control system and hydraulic system. The overall structure and working principle of the test bench are briefly analyzed, and the structural design and parameter analysis of key components are especially introduced. A gantry with adjustable front and back distance and height between the deviation detection device and the digging simulation device is designed. Using four-bar linkage, a deviation detection device is designed to detect the distribution of subterranean crops in the soil and transfer it to the controller. An digging simulation device with resistance is designed to simulate the soil resistance of the digging device during the process of digging and harvesting. A device with root fixing, plant spacing and off-centerline distance adjustment is designed to simulate the actual plant spacing, off-centerline distance and other growth conditions in the field. The mathematical relationship between the expansion and contraction of the hydraulic cylinder and the moving distance of the digging mechanism is established. The hardware of the measurement and control system is mainly composed of control box, computer, pressure sensor, flow sensor, displacement sensor, speed sensor, hydraulic solenoid valve, hydraulic cylinder and high-speed camera. The software adopts the fixed dual-threshold dead-zone PD control algorithm. In order to improve the generality of the test bench, it is only to replace the original detecting rod with ridge shaped detecting rod and detecting wheel, and replace the root fixing device with ridge shaped simulating adjusting device when the peanut, potato and other crops completely buried in the soil are dug. Taking the beet harvest as the research object, the plant spacing, off-centerline distance and forward speed as the experimental factors, and the missed digging rate as the index, the comparative tests between the test bentch and field operation was carried out. The test results showed that the leakage rate of the test bentch is 2.33%-2.72%, and the leakage rate of the field test is 2.38%-2.92%. The test bentch has good excavation accuracy, the absolute deviation rate range is 2.10%-6.85%, the average deviation rate is 3.67%, and the larger the leakage rate is, the larger the deviation rate is. This study can provide reference for the design of automatic alignment digging harvest system of underground crops such as beet, radish, potato, etc.

agricultural machinery; harvest; subterranean crops; test bench; automatic alignment; dual-threshold; PD control

2019-10-02

2020-02-10

中國農業科學院農科英才經費；國家重點研發計劃項目（2016YFD0701604）；中國農業科學院科技創新工程項目（綠色耕作與土下果實收獲機械化創新團隊）

王申瑩，助理研究員，主要從事農業機械裝備機電液一體化技術和虛擬仿真技術研究。Email：465499517@qq.com

胡志超，研究員，博士生導師，主要從事土下果實生產機械化技術與裝備研究。Email：nfzhongzi@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.05.004

S225.7

A

1002-6819(2020)-05-0029-09

王申瑩，胡志超，陳有慶，顧峰瑋，彭寶良，呂小蓮. 土下作物自動對行挖掘收獲試驗臺研制[J]. 農業工程學報，2020，36(5)：29－37. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.05.004 http://www.tcsae.org

Wang Shenying, Hu Zhichao, Chen Youqing, Gu Fengwei, Peng Baoliang, Lü Xiaolian. Development of the test bench for automatic alignment digging harvest of subterranean crops[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(5): 29－37. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.05.004 http://www.tcsae.org