基于傾角傳感器的割臺高度自適應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)

龍震寰 向 陽 李亞軍 胡正方 劉安穩(wěn) 代秀峰

(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長沙 410128)

收獲機(jī)在收割過程中的作物損耗很大一部分原因是由于割臺高度調(diào)整不當(dāng)導(dǎo)致的[1-4]，合理的作物割茬高度有利于提高生產(chǎn)效率，減輕收獲機(jī)工作部件的負(fù)荷[5-6]。目前稻麥聯(lián)合收獲機(jī)在收割作業(yè)中割臺高度的調(diào)整基本依靠機(jī)手根據(jù)田間情況實時操作液壓控制閥門實現(xiàn)[2,7]，由于作業(yè)環(huán)境和條件復(fù)雜多變，對于操作人員的經(jīng)驗和技術(shù)要求較高。割臺高度的自動調(diào)節(jié)仍然是稻麥聯(lián)合收獲機(jī)研究和使用中亟待解決的一個問題。

收獲機(jī)的割臺離地高度決定割茬高度[8-10]，割臺高度調(diào)整的關(guān)鍵在于如何測得當(dāng)前實際離地高度。國外大多采用割臺仿形機(jī)構(gòu)實現(xiàn)收獲機(jī)割臺高度的自動調(diào)節(jié)，如約翰迪爾JD-1075H聯(lián)合收獲機(jī)的觸點(diǎn)式割臺高度仿形機(jī)構(gòu)[11]，通過割臺下方安裝的仿形板隨地面起伏上下擺動獲得離地高度變化信息。楊銀輝[12]設(shè)計了基于超聲波傳感器的割臺高度控制系統(tǒng)，通過在割臺底部安裝多個超聲波傳感器進(jìn)行高度檢測，采用電液比例閥進(jìn)行控制。廖勇等[13]采用紅外傳感器測量作物高度，在升降油缸上安裝位移傳感器間接測量割臺高度，并采用電磁換向閥控制割臺升降。而上述研究仍然存在一些問題，如割臺下方安裝仿形板的方法受地形變化影響較大；超聲波傳感器易受到作物的干擾，同時采用的電液比例閥成本較高；采用油缸位移測量割臺高度的方法對地面起伏適應(yīng)性不好，通過電磁換向閥控制割臺升降一方面容易超調(diào)，且電磁閥的頻繁開關(guān)容易造成閥芯損壞[14]。傾角傳感器在割臺高度的控制領(lǐng)域應(yīng)用較少，而在耕深檢測與控制[15-18]領(lǐng)域研究較為廣泛，如謝斌等[15]通過傾角傳感器檢測提升臂的水平傾角變化，并換算得到實際耕深。吳帆等[16]通過傾角傳感器測得旋耕機(jī)的水平傾角，并驅(qū)動調(diào)平油缸的伸縮對旋耕機(jī)具進(jìn)行調(diào)平控制。

基于以上問題與現(xiàn)狀，本研究擬采用俯仰傾角調(diào)節(jié)[19-20]割臺高度的方法，基于車身傾角和割臺傾角建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上設(shè)計一種割臺高度自適應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，以期為稻麥聯(lián)合收獲機(jī)割臺高度自適應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計提供參考。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理

1.1 系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

本研究基于碧浪4LZY-1.2履帶自走式聯(lián)合收獲機(jī)設(shè)計基于傾角傳感器的割臺高度自適應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由單片機(jī)控制器、多功能滑閥控制系統(tǒng)、車身傾角傳感器和割臺傾角傳感器組成(圖1)。本系統(tǒng)通過在車身和割臺上分別安裝傾角傳感器來獲得車身和割臺的傾角，并將傾角數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機(jī)控制器，單片機(jī)控制器通過建立的數(shù)學(xué)模型計算得到相應(yīng)設(shè)定割臺高度條件下對應(yīng)的目標(biāo)割臺傾角，并通過多功能滑閥控制系統(tǒng)控制割臺舉升油缸的進(jìn)出油實現(xiàn)割臺俯仰傾角的調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)收獲機(jī)在工作過程中割臺高度的自適應(yīng)調(diào)整[21]。本系統(tǒng)選擇的傾角傳感器為JY61P六軸姿態(tài)傳感器，其靜態(tài)測量平均值誤差為±0.01°。同時，該傳感器自帶姿態(tài)動力學(xué)核心算法，集成動態(tài)卡爾曼濾波[22-24]融合算法，有利于解決收獲機(jī)車身抖動導(dǎo)致的數(shù)據(jù)波動問題，從而提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。傾角傳感器屬于敏感性元件，由于收獲機(jī)在田間行駛中存在較小顛簸，因此，當(dāng)車身傾角變化量<0.75°時，不對割臺進(jìn)行調(diào)整；當(dāng)車身傾角變化量≥0.75°時，對割臺進(jìn)行調(diào)整。

1.單片機(jī)控制器;2.多功能滑閥控制系統(tǒng);3.車身傾角傳感器;4.割臺;5.割臺傾角傳感器;6.割臺舉升油缸1.Singlechip controller; 2.Multifunctional slide valve control system; 3.Body inclination sensor; 4.Header; 5.Header inclination sensor; 6.Header lifting cylinder圖1 基于傾角傳感器的割臺高度自適應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)安裝示意圖Fig.1 Installation schematic diagram of the adaptive adjustment system of header height based on inclination sensor

1.2 系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

模擬聯(lián)合收獲機(jī)在起伏不平地面上行駛通過障礙物，通過安裝在車身與割臺的傾角傳感器獲得車身與割臺的傾角，建立收獲機(jī)車身傾角、割臺傾角及割臺高度間的幾何關(guān)系(圖2)。

1.車身;2.履帶輪;3.割臺;4.障礙物;5.地面1.Vehicle body; 2.Track wheel; 3.Header; 4.Obstacle; 5.GroundA為割臺旋轉(zhuǎn)中心；L1為履帶輪觸地末端到割臺旋轉(zhuǎn)中心點(diǎn)A與履帶輪底面垂線交點(diǎn)的距離；L2為割臺旋轉(zhuǎn)中心點(diǎn)A到履帶輪底面的垂直距離；L3為割臺旋轉(zhuǎn)中心點(diǎn)A到割臺的距離；α為車身傾角；β為割臺傾角；H為割臺高度。A is the rotation center of the header; L1 is the distance from the end of the track wheel to the intersection of the center point of rotation of the header A and the vertical line of the bottom surface of the track wheel; L2 is the vertical distance from the center of rotation A of the header to the bottom plane of the track wheel; L3 is the distance from the rotation center point A of the header to the header; α is the inclination of the vehicle body; β is the inclination of the header; H is the height of the header.圖2 車身傾角、割臺傾角及割臺高度間的幾何關(guān)系Fig.2 The geometric relationship between the inclination of the body, the inclination of the header and the height of the header

割臺高度調(diào)節(jié)原理是當(dāng)聯(lián)合收獲機(jī)經(jīng)過障礙物時車身傾角α?xí)l(fā)生變化，本研究采用調(diào)節(jié)割臺俯仰傾角β的方式使割臺離地高度始終保持為H，因此，根據(jù)車身傾角、割臺傾角及割臺高度間的幾何關(guān)系可以得到割臺高度間接測量方法的數(shù)學(xué)模型表達(dá)式為：

H=L1sinα+L2cosα+L3sinβ

(1)

式中：H為割臺高度，mm；α為車身傾角，(°)；β為割臺傾角，(°)；L1為履帶輪觸地末端到割臺旋轉(zhuǎn)中心點(diǎn)A與履帶輪底面垂線交點(diǎn)的距離，mm；L2為割臺旋轉(zhuǎn)中心點(diǎn)A到履帶輪底面的垂直距離，mm；L3為割臺旋轉(zhuǎn)中心點(diǎn)A到割臺B的距離，mm。

本系統(tǒng)通過調(diào)整割臺俯傾角β保證一定的割茬高度。對式(1)進(jìn)行變換可得到割臺高度自適應(yīng)調(diào)節(jié)數(shù)學(xué)模型表達(dá)式為：

(2)

2 關(guān)鍵部件原理與性能分析

2.1 多功能滑閥控制系統(tǒng)原理

傳統(tǒng)的聯(lián)合收獲機(jī)割臺升降大多通過手動控制換向閥實現(xiàn)?？紤]到割臺高度控制的精度和經(jīng)濟(jì)性，本研究對碧浪4LZY-1.2履帶自走式聯(lián)合收獲機(jī)原多功能滑閥操作部分進(jìn)行改裝，采用直流電動推桿替代了手動操作桿，設(shè)計了多功能滑閥控制系統(tǒng)(圖3)。其中，電動推桿底部固定，電動推桿的伸縮運(yùn)動帶動連接架,再通過操作杠桿帶動閥芯往復(fù)運(yùn)動，進(jìn)而控制割臺升降液壓缸油的進(jìn)出油方向與流量，實現(xiàn)割臺的升降運(yùn)動及升降速度控制。

1.閥芯;2.多功能滑閥;3.操作杠桿;4.連接架;5.電動推桿;6.直線位移傳感器1.Spool; 2.Multifunctional spool valve; 3.Operating lever; 4.Connection frame; 5.Linear actuator; 6.Linear displacement transducer圖3 多功能滑閥控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of the structure of multifunctional slide valve control system

本系統(tǒng)選用XTL小型電動推桿，工作電壓為12 V，有效行程100 mm，運(yùn)動速度48 mm/s。直線位移傳感器選用KTM-100型號，量程為100 mm，輸出0～5 V電壓信號，重復(fù)精度0.01 mm。直線位移傳感器平行安裝于電動推桿側(cè)面隨電動推桿與連接架同步運(yùn)動，同時實時測量電動推桿伸縮長度。為了提高電動推桿伸縮量控制的速度與精度，采用增量式PID控制算法對電動推桿的伸縮量進(jìn)行精確控制，公式[25]為:

Δu(k)=u(k)-u(k-1)=
KP[e(k)-e(k-1)]+KIe(k)+
KD[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]

(3)

式中：u(k)為系統(tǒng)的輸出量；KP為比例系數(shù)；e(k)為輸入信號的偏差量；KI為積分系數(shù)；KD為微分系數(shù)。在已知系統(tǒng)中的電動推桿的參數(shù)、割臺傾角變化范圍、割臺的速度相關(guān)要求的條件下，通過試驗采用臨界比例法[26]確定電動推桿伸縮量的PID控制參數(shù)為KP=50、KI=2.2、KD=10.7。

2.2 電動推桿控制精度

設(shè)位移傳感器測量的電動推桿伸縮量為0時作為起點(diǎn)，取9個目標(biāo)伸縮量，向單片機(jī)發(fā)送不同電動推桿目標(biāo)伸縮量控制指令，待電動推桿穩(wěn)定后，記錄位移傳感器實測數(shù)據(jù)，每個目標(biāo)伸縮量重復(fù)5組試驗并取平均值。結(jié)果表明(圖4)，電動推桿伸縮量控制的平均誤差為±0.025 mm，最大誤差為±0.1 mm，能夠滿足系統(tǒng)運(yùn)行的精度要求。

圖4 電動推桿實測伸縮量與目標(biāo)伸縮量的關(guān)系Fig.4 The relationship between the measured expansion amount of the linear actuator and the target expansion amount

2.3 閥芯控制原理

電動推桿帶動連接架推動操作杠桿使閥芯實現(xiàn)伸縮運(yùn)動，在電動推桿伸縮量實現(xiàn)精確控制后，通過操作杠桿可進(jìn)而實現(xiàn)閥芯位置的精確控制，原理見圖5。其中，閥芯和電動推桿帶動的連接架安裝在操作杠桿上；當(dāng)電動推桿伸縮量為N0時，閥芯處于初始位置M0，割臺舉升油缸油量不變，割臺停止調(diào)整。

O為操作杠桿末端固定點(diǎn)；M0為閥芯初始位置。N為閥芯的運(yùn)動行程對應(yīng)的電動推桿行程；N0為閥芯初始位置對應(yīng)的電動推桿伸縮量；d為閥芯初始位置M0到操作杠桿末端固定點(diǎn)O的距離；x為電動推桿行程N(yùn)的中點(diǎn)到操作杠桿末端固定點(diǎn)O的距離。O is the fixed point at the end of the operating lever;M0 is the initial position of the spool.N is the stroke of the linear actuator corresponding to the movement stroke of the spool; N0 is the expansion amount of the linear actuator corresponding to the initial position of the spool; d is the distance from the initial position M0 of the spool to the fixed point O at the end of the operating lever; x is the distance from the midpoint of the stroke N of the linear actuator to the fixed point O at the end of the operating lever.圖5 簡化閥芯位置控制原理圖Fig.5 Simplified spool position control principle diagram

根據(jù)閥芯位置控制的原理得到閥芯位置M與電動推桿的伸縮量N的關(guān)系為：

(4)

式中：d為閥芯初始位置M0到操作杠桿末端固定點(diǎn)O的距離；x為電動推桿行程N(yùn)的中點(diǎn)到操作杠桿末端固定點(diǎn)O的距離。

2.4 電動推桿伸縮量與割臺升降速度的關(guān)系

閥芯位置與割臺升降液壓缸流量相關(guān)，進(jìn)而直接影響割臺升降速度。為明確電動推桿伸縮長度與割臺升降速度之間的關(guān)系，進(jìn)行了相關(guān)的標(biāo)定試驗：首先將割臺位置調(diào)整至最高(低)點(diǎn)，然后控制電動推桿運(yùn)動到指定電動推桿伸縮量位置，記錄割臺運(yùn)動到最低(高)點(diǎn)的時間，再結(jié)合運(yùn)動高度范圍計算相應(yīng)的平均下降(上升)速度。

由試驗結(jié)果(圖6)可見：當(dāng)電動推桿伸縮量大于45 mm時，割臺向上運(yùn)動，當(dāng)電動推桿伸縮量小于45 mm，割臺向下運(yùn)動，電動推桿伸縮量為45 mm時，閥芯處于中心位置，割臺停止運(yùn)動。因此，當(dāng)割臺高度達(dá)到目標(biāo)高度時，閥芯回歸中心位置。隨著電動推桿向兩側(cè)移動，割臺升降運(yùn)動速度增大且與電動推桿的伸縮量之間呈非線性變化。通過人工標(biāo)定和記錄多個電動推桿伸縮量下的割臺升降運(yùn)動速度，再通過數(shù)據(jù)插值構(gòu)建相應(yīng)對應(yīng)關(guān)系表，采用軟件查表方式實現(xiàn)割臺升降運(yùn)動速度的控制。因此，采用多功能滑閥控制系統(tǒng)可在一定程度上取代電液比例閥，從而較大程度降低硬件成本和設(shè)備改裝難度。

圖6 電動推桿伸縮量與割臺升降速度的關(guān)系Fig.6 The relationship between the expansion amount of the linear actuator and the lifting speed of the header

3 割臺高度自適應(yīng)調(diào)節(jié)原理

割臺高度自適應(yīng)調(diào)節(jié)原理見圖7。由式(2)可知，系統(tǒng)的被控制量是根據(jù)設(shè)定的割臺高度H和車身的傾角α通過數(shù)學(xué)模型計算得到的目標(biāo)割臺傾角β。單片機(jī)控制器根據(jù)目標(biāo)割臺傾角與實測割臺傾角的偏差，采用增量式PID算法[25]計算并控制輸出相應(yīng)的電動推桿伸縮量，進(jìn)而控制油閥閥芯的位置、實現(xiàn)割臺高度的自適應(yīng)調(diào)整。

圖7 割臺高度自適應(yīng)調(diào)節(jié)原理Fig.7 The principle of self-adjusting height of header

4 試驗方法

試驗于2020年8月在湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)機(jī)實訓(xùn)中心進(jìn)行，試驗區(qū)域地面水平角度為0°。以碧浪4LZY-1.2履帶自走式聯(lián)合收獲機(jī)作為試驗對象，通過在割刀底部安裝超聲波測距傳感器測量割臺的離地高度，選用的超聲波傳感器型號是LGCB3000-30GM-D6-V1，工作電壓為0～5 V，檢測精度為2 mm。

4.1 數(shù)學(xué)模型驗證試驗

將聯(lián)合收獲機(jī)開至水平水泥地面上，割臺高度設(shè)定為350 mm，并關(guān)閉割臺高度自適應(yīng)調(diào)整系統(tǒng)，將長、寬、高為3 000、160、60 mm的木條放置收獲機(jī)正前方2.5 m處，駕駛收獲機(jī)以0.45 m/s的速度駛過木條，開機(jī)后實時記錄車身傾角數(shù)據(jù)、割臺傾角數(shù)據(jù)與割臺離地高度數(shù)據(jù)，并采用式(1)計算出對應(yīng)的割臺高度。將計算的割臺高度與割臺底部的超聲波傳感器測量的實際割臺高度數(shù)據(jù)進(jìn)行對比(圖8)，結(jié)果表明，計算割臺高度與實測割臺高度的最大誤差為44.1 mm，相關(guān)性系數(shù)為0.97，兩曲線呈高度相關(guān)性，驗證了式(1)和式(2)的準(zhǔn)確性。

4.2 割臺高度控制精度試驗

由單片機(jī)控制器發(fā)送不同目標(biāo)割臺傾角指令，待割臺調(diào)整并穩(wěn)定后，記錄割臺底部超聲波傳感器測得的實際割臺高度數(shù)據(jù)，并與由相應(yīng)目標(biāo)割臺傾角計算得到的計算割臺高度進(jìn)行對比，結(jié)果見表1。試驗結(jié)果分析表明，最大絕對誤差為18 mm，最大相對誤差為5.9%,相關(guān)性系數(shù)為0.98。

圖8 過障中割臺計算高度與實測高度Fig.8 The calculated height and measured height of the header in the obstacle course

表1 割臺高度控制精度試驗結(jié)果Table 1 Control accuracy test result of the header height

4.3 系統(tǒng)響應(yīng)速度試驗

系統(tǒng)響應(yīng)速度也是影響割臺高度自適應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)性能的重要因素，本試驗設(shè)割臺高度350 mm為起點(diǎn),給單片機(jī)控制器發(fā)送不同的割臺傾角變化量指令，并使用單片機(jī)控制器記錄割臺傾角從開始調(diào)整到穩(wěn)定的時間，待割臺調(diào)整并穩(wěn)定后，記錄超聲波傳感器實測的割臺離地高度數(shù)據(jù)，進(jìn)而計算割臺升降運(yùn)動速度，試驗結(jié)果表明(表2)，割臺平均上升速度為0.22 m/s,下降速度為0.17 m/s，滿足GB 16151.12—1996《農(nóng)業(yè)機(jī)械運(yùn)行安全技術(shù)條件》[27]對割臺提升速度不低于0.2 m/s，下降速度不低于0.15 m/s的標(biāo)準(zhǔn)要求，能夠滿足聯(lián)合收獲機(jī)在工作過程中的割臺調(diào)節(jié)速度要求。

表2 割臺高度自適應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)響應(yīng)速度Table 2 The response speed of header height adaptive adjustment system

4.4 模擬田間過障試驗

將聯(lián)合收獲機(jī)開至水平地面，設(shè)定割臺初始離地高度為350 mm，并將長、寬、高為3 000、160、60 mm 的木條放置于收獲機(jī)正前方2.5 m處，分別在開啟和不開啟割臺高度自適應(yīng)控制系統(tǒng)的條件下，從同一起點(diǎn)出發(fā)駕駛收獲機(jī)以0.45 m/s的速度駛過木條，開機(jī)后實時記錄割臺底部超聲波傳感器測得的割臺高度數(shù)據(jù)，結(jié)果見圖9。

在開啟割臺高度自適應(yīng)控制系統(tǒng)后，可以較大程度減小障礙起伏引起的割臺高度變化。收獲機(jī)割臺高度自適應(yīng)控制效果可通過穩(wěn)定性變異系數(shù)V表示[28]，該系數(shù)反應(yīng)收獲機(jī)在收獲過程中割臺高度的變化程度，計算公式為：

圖9 自適應(yīng)控制系統(tǒng)開啟和關(guān)閉條件下割臺高度變化Fig.9 The height of the header changes when the adaptive control system is turned on and off

(5)

根據(jù)式(5)對聯(lián)合收獲機(jī)經(jīng)過障礙物階段(行駛距離為2.5～8.4 m)自適應(yīng)控制系統(tǒng)開啟和關(guān)閉條件下的實測割臺高度數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，得到割臺的性能參數(shù)，并進(jìn)行對比分析(表3)。

可見，割臺高度自適應(yīng)控制系統(tǒng)在有小障礙物的作業(yè)環(huán)境中能夠自適應(yīng)調(diào)整割臺高度，且有效提高了割臺高度的穩(wěn)定性。

表3 自適應(yīng)控制系統(tǒng)開啟和關(guān)閉條件下割臺高度調(diào)節(jié)效果性能評估Table 3 Performance evaluation of the adjustment effect of the header under the conditions of turning on and off the adaptive control system

5 結(jié) 論

本研究提出了一種基于車身傾角和割臺傾角的割臺高度間接測量方法，并以碧浪4LZY-1.2履帶自走式聯(lián)合收獲機(jī)作為試驗對象設(shè)計了一套割臺高度自適應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，通過試驗驗證了基于車身傾角和割臺傾角的割臺高度間接測量方法數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性，并對割臺高度自適應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的響應(yīng)速度、控制精度、割臺高度調(diào)整效果進(jìn)行了試驗分析。主要結(jié)論如下：

1)數(shù)學(xué)模型驗證試驗表明，基于該方法的計算割臺高度與實測割臺高度變化曲線相關(guān)性系數(shù)為0.97，驗證了基于車身和割臺傾角間接測量高度方法的可行性與準(zhǔn)確性。

2)采用電動推桿設(shè)計的多功能滑閥控制系統(tǒng)實現(xiàn)了對閥芯位置的精確控制，為后續(xù)割臺高度調(diào)整方式的研究提供了基礎(chǔ)，并且較大程度降低了硬件成本和設(shè)備改裝難度。割臺高度控制精度試驗表明，割臺高度控制最大誤差為18 mm，相對誤差最大為5.9%,相關(guān)性系數(shù)為0.98，實現(xiàn)了對割臺高度的精確控制；系統(tǒng)響應(yīng)速度試驗表明，割臺平均上升速度為0.22 m/s，下降速度為0.17 m/s，滿足相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)要求。

3)模擬田間過障試驗結(jié)果表明，相比未啟用本割臺高度自適應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，開啟本系統(tǒng)條件下最大割臺高度差降低了77.9 mm，平均割臺高度穩(wěn)定性變異系數(shù)由10.77%降低為2.79%，提高了割臺高度變化的穩(wěn)定性。

本研究提出的的數(shù)學(xué)模型是以水平地面行駛條件為基準(zhǔn)的，適用于有小障礙物且較為平整的作業(yè)環(huán)境，當(dāng)作業(yè)地面起伏較大或者在斜坡作業(yè)時，自適應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)會在一定程度上的失準(zhǔn)，后續(xù)可針對相關(guān)作業(yè)條件開展進(jìn)一步研究。另外，本研究提出的多功能滑閥控制系統(tǒng)響應(yīng)速度相比電液比例閥仍然較慢，在不考慮經(jīng)濟(jì)性的條件下，本系統(tǒng)可換用電液比例閥[29-31]進(jìn)一步提高調(diào)節(jié)性能。