丘陵山區(qū)小型收割機防撞裝置設(shè)計與試驗

吳瑜 邵偉興 張磊 劉汶樹 龐有倫 宋樹民

摘要：針對丘陵山區(qū)地塊小，零星分散，道路條件差，收割機頻繁調(diào)頭、轉(zhuǎn)場，割臺前端零部件易發(fā)生碰撞損壞，嚴重影響整機可靠性的問題，基于小型水稻收割機集成設(shè)計碰撞檢測裝置、行走機構(gòu)動力切換裝置、防撞控制箱。碰撞檢測裝置運用激光傳感器檢測反射板中心孔位置變化，達到檢測碰撞目的，通過行走機構(gòu)動力切換裝置和防撞控制箱實現(xiàn)對行走動力切斷與恢復(fù)的自動控制。最后對收割機防撞裝置進行驗證試驗，結(jié)果表明：收割機Ⅰ檔、Ⅱ檔的防撞成功率分別為98.00%和98.67%，響應(yīng)時間分別為0.020s和0.015s。驗證理論分析及結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性，可實現(xiàn)收割機碰撞保護。

關(guān)鍵詞：碰撞檢測裝置；激光傳感器；柔性連接；電磁鐵；防撞控制

中圖分類號：S233.4

文獻標識碼：A

文章編號：20955553 （2023） 12009207

Design and test of anti-collision device for small harvesters in hilly and mountainous areas

Wu Yu， Shao Weixing， Zhang Lei， Liu Wenshu， Pang Youlun， Song Shumin

（Chongqing Academy of Agricultural Sciences， Chongqing， 401329， China）

Abstract：

In view of the problems of small plots， scattered plots， poor road conditions， frequent turns and transitions of the harvester， and collision damage to the front-end parts of the header that seriously affected the reliability of the whole machine， based on the integrated design of small rice harvester， collision detection device， walking mechanism power switching device， anti-collision control box， collision detection device cleverly used laser sensor to detect the position change of the center hole of the reflector to achieve the purpose of detecting collision. Through the walking mechanism power switching device and anti-collision control box， the automatic control of the cutting off and recovery of walking power was realized. The verification test of the anti-collision device of the harvester showed that the success rate of the harvester Ⅰ gear and Ⅱ gear was 98.00% and 98.67%， and the response time was 0.020s and 0.015s， respectively. The rationality of theoretical analysis and structural design was verified， and the collision protection of harvester could be realized.

Keywords：

collision detection device; laser sensor; flexible connection; electromagnet; anti-collision control

0 引言

水稻是我國第一大糧食作物，種植面積約30000khm2，約占世界水稻種植面積的21%，年產(chǎn)量近1.6億t，占世界總產(chǎn)量的34%［1］，南方丘陵地區(qū)水稻種植面積約占全國的一半，水稻機械化收獲是機械化生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)［2］。由于丘陵山區(qū)地塊小，零星分散，道路條件差，收割機頻繁調(diào)頭、轉(zhuǎn)場，割臺前端零部件易發(fā)生碰撞損壞，影響整機可靠性，嚴重制約了丘陵山區(qū)水稻產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

國外對自動避障技術(shù)研究較早［35］，如北美、西歐、澳洲等地發(fā)達國家，應(yīng)用自動導(dǎo)航駕駛系統(tǒng)來實現(xiàn)拖拉機、聯(lián)合收割機等自動化作業(yè)，配備全方位感應(yīng)和探測裝置，能夠偵測并避開障礙物，具備遠程配置、監(jiān)測及操作功能，但體積龐大，價格昂貴，不適宜我國丘陵山區(qū)使用；日本先后上市了帶有自動駕駛功能的水稻收獲機、拖拉機，以減輕機手長時間作業(yè)體力負擔(dān)、提高農(nóng)機作業(yè)精度，但價格昂貴、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，仍無法推廣使用。

近年來，國內(nèi)學(xué)者開展了自動避障相關(guān)技術(shù)的研究。劉羽飛等［6］設(shè)計了一種基于激光傳感器的防撞系統(tǒng)，配合IMU和云臺工作，可避免空氣動力船在水田作業(yè)時與水田邊緣及行進中的前方移動障礙物發(fā)生碰撞。奚小波等［7］通過2段三階Bezier曲線優(yōu)化了農(nóng)機避障路，通過鏈式控制理論建立農(nóng)機運動的線性控制模型，利用PI控制器進行轉(zhuǎn)角補償，提高農(nóng)機避障行駛精度，Bezier曲線部分的避障精度為5.21cm。洪瑛杰［8］設(shè)計機械接觸式探測裝置，提出了相應(yīng)的避障控制方法，并通過搭建避障系統(tǒng)模擬試驗平臺對其避障控制原理進行了可行性驗證。

目前國內(nèi)學(xué)者在農(nóng)機避障方面開展了大量研究，大多處于理論研究階段還沒有成熟產(chǎn)品［911］，為此本文提出內(nèi)置式激光傳感器碰撞檢測裝置，可有效避免農(nóng)作物等對傳感器的干擾，結(jié)合推桿式電磁鐵行走機構(gòu)動力切換裝置，實現(xiàn)收割機的碰撞停機保護功能。

1 防撞裝置結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 設(shè)計要求

以4LZ-0.6小型收割機為研究對象，在此基礎(chǔ)上進行設(shè)計防撞裝置。防撞裝置須滿足系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，控制邏輯簡單可靠、成本低，反應(yīng)靈敏，檢測精度高，防撞效果好的總體要求。水稻收割機主要參數(shù)如表1所示。

1.2 防撞裝置結(jié)構(gòu)

防撞裝置由分禾器及其內(nèi)置碰撞檢測裝置、扶禾器、履帶及其行走系統(tǒng)、變速箱、行走機構(gòu)動力切換裝置、控制線束、發(fā)動機、防碰撞控制箱、行走離合把手、收割機操作桿組成，如圖1所示。其中分禾器與扶禾器設(shè)計了彈簧柔性連接，內(nèi)置激光碰撞檢測傳感器能有效防止作物干擾，實現(xiàn)精準碰撞檢測；行走機構(gòu)動力切換裝置，實現(xiàn)整機的動力傳遞與行走功能；防撞控制箱由激光傳感器、繼電器、開關(guān)按鈕、控制線束、電磁鐵等電氣元件組成，實現(xiàn)收割機防撞控制。

1.3 防撞裝置工作原理

分禾器與扶禾器采用彈簧柔性連接，內(nèi)部增設(shè)分禾器彈性形變控制裝置，當(dāng)分禾器發(fā)生碰撞彈性變形時，內(nèi)置的激光反射板中心孔發(fā)生位移，激光傳感器發(fā)射的光速被遮擋，觸動激光傳感器，傳感器發(fā)出碰撞信號傳遞至控制箱，控制箱輸出電路驅(qū)動行走離合電磁鐵實現(xiàn)碰撞停機的功能，可預(yù)防分禾器及扶禾器塑性、斷裂變形的目的，以實現(xiàn)丘陵山區(qū)復(fù)雜地塊應(yīng)用場景的收割作業(yè)碰撞控制的要求。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 碰撞檢測裝置

2.1.1 結(jié)構(gòu)及工作原理

碰撞檢測裝置防撞系統(tǒng)的重要組成部分，主要功能是檢測外界對分禾器碰撞，給碰撞控制箱發(fā)出碰撞信號。其結(jié)構(gòu)主要由分禾器、激光傳感器反射板、彈簧、激光傳感器、傳感器安裝底座、扶禾器等組成，如圖2所示。反射板固定在分禾器的空腔內(nèi)，反射板的中心處設(shè)有貫穿的Φ4中心孔，激光傳感器的發(fā)射路徑與中心孔處于同一直線上，激光傳感器固定在安裝底座上并與扶禾器剛性連接，彈簧兩端分別連接反射板、傳感器安裝底座，實現(xiàn)分禾器與扶禾器彈性連接。

未發(fā)生碰撞時激光光束通過貫穿中心孔，當(dāng)分禾器與障礙物發(fā)生碰撞時，彈簧在外力作用下發(fā)生形變，由于分禾器為類似三角形狀，前端小后端大，撞擊產(chǎn)生的外力是傾斜的，導(dǎo)致反射板中心孔在與彈簧軸線垂直的方向發(fā)生位移，激光傳感器發(fā)射的激光被遮擋，進而使得激光傳感器傳遞一個碰撞信號至防撞控制箱，驅(qū)動行走機構(gòu)切斷動力切換裝置，切斷行走機構(gòu)動力傳遞，實現(xiàn)停機保護。

激光具有方向性好、反射性強、相干擾性優(yōu)及能量密度高等特點，在自動導(dǎo)航及避障領(lǐng)域，激光傳感器響應(yīng)快速被廣泛用來探測周圍環(huán)境信息［6， 1214］。綜合考慮分禾器內(nèi)部空間尺寸、收割機作業(yè)速度、成本等因素，碰撞檢測裝置選用了一款洛施達M5微型紅外漫反射激光傳感器。該激光傳感器具有外形尺寸小、檢測距離可調(diào)、光斑大小穩(wěn)定、使用壽命長等特點，其主要技術(shù)參數(shù)如表2所示，其中檢測距離為0～100mm可調(diào)，光斑大小為2mm。

2.1.2 水稻莖稈彎曲力試驗

收割機收割作業(yè)時分禾器與水稻莖稈接觸產(chǎn)生相互作用力，為了避免作用力對檢測裝置的干擾，需對成熟期水稻莖稈進行彎曲力試驗［15］。試驗在重慶農(nóng)科院力學(xué)實驗室內(nèi)完成，考慮到收割機分禾器離地高度為260mm，因此隨機選取5株水稻并截取離地300mm莖稈為樣本，進行彎曲試驗，經(jīng)統(tǒng)計距地面260mm處水稻莖稈平均間距為12.7mm，為了模擬水稻田間真實生長情況需對5組樣本莖稈進行間隔化處理，間距12.7mm，如圖3所示。采用電子萬能試驗機分別對5組樣本進行彎曲試驗，試驗時將莖稈一端壓緊40mm，莖稈另一端伸出夾具260mm呈懸臂支撐結(jié)構(gòu)，試驗通過電子萬能試驗機40mm×200mm長條形壓板以0.5mm/s速度對莖稈懸臂端進行加載，分析莖稈彎曲破壞力與位移的關(guān)系，并測出最大彎曲力。采用電子萬能試驗機測試系統(tǒng)記錄數(shù)據(jù)，通過OriginPro2021 v9.8. 0對數(shù)據(jù)進行處理，獲得的試驗結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，水稻莖稈屈服點為位移65mm，彎曲力24.5N。初始階段水稻莖稈彎曲力隨著位移呈線性逐漸增大，當(dāng)彎曲位移至屈服點處彎曲力達到最大值，位移進一步增加，彎曲力驟降至5N左右直至水稻莖稈彎曲被折彎。這是由于達到屈服點后，只需克服水稻莖稈間摩擦力，較小的力就能發(fā)生較大位移。

2.1.3 碰撞檢測裝置受力分析

碰撞裝置彈簧A端固定，反射板固定在B端并呈懸臂結(jié)構(gòu)，可將模型簡化為懸臂梁，懸臂長H，彈簧重力以及分禾器重力較小對彈簧的彎曲影響較小，可以忽略不計，受力分析如圖5所示，彈簧在外力F作用下彈簧在y方向發(fā)生位移Δy。

根據(jù)撓度理論［16］位移公式如式（1）所示。

式中：

E——材料彈性模量，MPa；

F——外作用力，N；

I——彈簧慣性矩，kg·m2；

H——彈簧長度，mm。

式中：

D2——彈簧外徑，mm；

D1——彈簧內(nèi)徑，mm。

D2=D1+2d（3）

式中：

d——彈簧絲直徑，mm。

由上述理論可知，反射板位移量受彈簧直徑、彈簧內(nèi)徑、外力的綜合影響。考慮分禾器的空間尺寸，H取64mm，彈簧內(nèi)徑D1取21mm，結(jié)合水稻莖稈彎曲破壞力試驗結(jié)果，避免水稻莖稈作用力對傳感器的干擾，通過式（4）確定彈簧彈絲直徑d為4mm。查詢標準圓柱螺旋彈簧設(shè)計計算（GB/T 23935—2009），計算得中徑D為25mm，彈簧有效圈數(shù)n為16，螺旋升角α為0.000 8rad，彈簧參數(shù)如表3所示。

2.1.4 彈簧自振頻率計算

分禾器與扶禾器采用彈簧連接，收割機割臺前端的振動將直接影響檢測裝置的可靠性與精確度，避免對檢測裝置的干擾。彈簧基本自振頻率［17］計算如式（5）～式（8）所示。

式中：

kp——彈簧剛度，N/mm；

ms——彈簧質(zhì)量，kg；

C——彈簧環(huán)繞比。

由式（9）可得彈簧基本自振頻率fb為45.2Hz。收割機割臺激振頻率為5～18.5Hz，彈簧的基本自振頻率不在割臺基振頻率范圍內(nèi)，彈簧不會發(fā)生共振。因此正常行進過程中不會因割臺振動引起反射板中心孔的位置發(fā)生偏移，行走機構(gòu)的動力傳輸不會被切斷，收割機能正常地行駛，不易發(fā)生意外停機。

2.2 行走機構(gòu)動力切換裝置

2.2.1 結(jié)構(gòu)及工作原理

行走機構(gòu)動力切換裝置是實現(xiàn)碰撞停機的重要的執(zhí)行機構(gòu)，其主要結(jié)構(gòu)由主動輪、從動輪、皮帶、張緊輪、張緊輪支架、推桿式電磁鐵等組成，如圖7所示。

主動輪連接發(fā)動機，主動輪與從動輪之間通過皮帶傳動連接，張緊輪對皮帶的壓緊與松弛實現(xiàn)發(fā)動機與行走機構(gòu)的動力傳遞與切斷。為了實現(xiàn)收割機防碰撞自動控制，選用推桿式電磁作為張緊輪的驅(qū)動元件替代傳統(tǒng)的機械拉桿，防撞控制箱通過信號線連接切換裝置，動力切換裝置接收防撞控制箱信號后電磁體將皮帶置于位置A松弛或位置B繃緊狀態(tài)，實現(xiàn)對行走機構(gòu)動力傳遞的切斷或者恢復(fù)的自動控制。

2.2.2 推桿式電磁鐵參數(shù)確定

張緊輪在電磁鐵推力的作用下置于位置B，此時張緊輪受到皮帶張緊反作用力F1，電磁鐵推力F2，張緊輪自身重力影響小，可忽略不計，受力分析如圖8所示。

張緊輪結(jié)構(gòu)為典型的杠桿結(jié)構(gòu)，由杠桿平衡理論可得式（10）。

F1·u·sinβ=F2·w·sinθ（10）

式中：

u——皮帶張緊反作用力臂，mm；

w——電磁鐵推力臂，mm；

β——皮帶張緊反作用力與張緊輪支架夾角，rad；

θ——電磁鐵推力與張緊輪支架夾角，rad。

張緊輪保持壓緊皮帶的條件如式（11）和式（12）所示。

由上述理論可知，電磁鐵主要受到皮帶張緊反作用力的影響。根據(jù)張皮帶張緊反作用力和安裝空間尺寸，電磁鐵選擇推力60N，行程100mm，參數(shù)見表4。

2.3 防撞裝置控制流程與電路設(shè)計

2.3.1 防撞控制流程

通過碰撞檢測裝置檢測外界碰撞信號，當(dāng)收割機割臺發(fā)生碰撞后，分禾器及其內(nèi)部激光傳感器反射板發(fā)生變形，反射板貫穿中心孔發(fā)生位移，激光傳感器發(fā)射的激光被遮擋，觸發(fā)激光傳感器輸出電信號至防撞控制箱，控制箱驅(qū)動行走機構(gòu)動力切換裝置回路，推桿式電磁鐵失電，行走動力切斷實現(xiàn)停機保護。防撞控制流程如圖9所示。

2.3.2 系統(tǒng)控制電路

整套系統(tǒng)電路由控制邏輯簡單可靠、成本低的常用繼電器、微動開關(guān)等電器元件組成，控制電路如圖10所示。收割機正常運行時，行走離合把手處微動開關(guān)SM閉合，推桿式電磁鐵線圈YA通電，張緊輪壓緊行走機構(gòu)皮帶，行走機構(gòu)實現(xiàn)動力輸出；當(dāng)分禾器前端與障礙物發(fā)生碰撞時，激光傳感器觸發(fā)動作，激光傳感器常開觸點閉合，繼電器KA的電磁線圈得電，與SB1并聯(lián)的KA常開觸點閉合，實現(xiàn)電路自鎖保持；同時與推桿式電磁鐵線圈YA串聯(lián)的KA常閉觸點斷開，推桿式電磁鐵線圈YA失電，張緊輪回到位置A，皮帶松弛行走機構(gòu)動力切斷，實現(xiàn)保護停機；同時，與碰撞指示燈L串聯(lián)的KA常開觸點閉合，碰撞指示燈L得電點亮；按下常閉按鈕SB1，KA線圈回路斷開，自鎖功能解除，行走機構(gòu)功能恢復(fù)正常。

3 樣機試驗與結(jié)果分析

3.1 試驗基本條件

2022年8月在重慶市農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)機所農(nóng)機中試基地水稻田進行田間性能試驗。試驗田為成熟期水稻田，土壤為黏土，試驗水稻品種為渝香203，水稻平均含水率為9.7%。

3.2 試驗方法

本次試驗以收割機Ⅰ檔、Ⅱ檔（行進速度分別為0.6m/s、0.9m/s）分別進行3次防撞試驗，每次試驗均選取長×寬：50m×1m水稻為測試區(qū)，測試區(qū)內(nèi)沿長方度向分兩行均布各25個障礙物，兩行障礙物錯開布置，統(tǒng)計防撞停機次數(shù)、成功率、停機響應(yīng)時間為試驗指標。

停機響應(yīng)時間測量方法：通過在分禾器外側(cè)布置微動開關(guān)（調(diào)整至無空行程），微動開關(guān)與指示燈L1相連，分禾器與障礙物接觸時微動開關(guān)閉合，指示燈L1點亮。圖10中碰撞指示燈L與L1均采用LED指示燈，響應(yīng)時間在微秒級對停機響應(yīng)時間的影響可忽略不計。采用卡西歐ZR300相機短片拍攝（選擇HS：224 ×64，1 000fps）圖像采集頻率為1000fps，即每一幀為1ms，記錄試驗中指示燈L與L1狀態(tài)，通過統(tǒng)計指示燈L1點亮至L1、L指示燈均點亮區(qū)間幀數(shù)，即為防撞裝置停機響應(yīng)時間。統(tǒng)計后試驗結(jié)果如表5、表6所示。

3.3 試驗結(jié)果

由表5、表6可知：收割機Ⅰ檔、Ⅱ檔的防撞成功率分別為98.00%和98.67%，響應(yīng)時間分別為0.020s和0.015s。響應(yīng)時間Ⅱ檔比Ⅰ檔短0.005s，這是因為Ⅱ檔行進速度快，碰撞檢測裝置的彈簧發(fā)生形變至激光被反射板遮擋的用時短。響應(yīng)時間段內(nèi)通過計算可得收割機前進的距離，Ⅰ檔、Ⅱ檔分別為12mm和13.5mm，前進的距離轉(zhuǎn)化為分禾器內(nèi)彈簧的彎曲形變，可有效避免對碰撞對割臺的損壞，實現(xiàn)收割機碰撞保護。

4 結(jié)論

1）基于鑫源小型水稻收割機集成研發(fā)了碰撞檢測裝置、行走機構(gòu)動力切換裝置、防撞控制系統(tǒng)，實現(xiàn)收割機碰撞保護；整套防撞技術(shù)可推廣應(yīng)用于丘陵山區(qū)小型收獲類機械。

2） 通過對收割機防撞關(guān)鍵部件設(shè)計，確定了相關(guān)參數(shù)及控制流程。碰撞檢測裝置激光傳感器參數(shù)選擇為光斑2mm，檢測距離1～100mm，彈簧中徑、鋼絲直徑分別為25mm、4mm；動力切換裝置推桿式電磁鐵參數(shù)選擇為DC24 V，推力100N，行程100mm。

3） 對收割機防撞裝置進行驗證試驗，結(jié)果表明：收割機Ⅰ檔、Ⅱ檔的防撞成功率分別為98.00%和98.67%，響應(yīng)時間分別為0.020s和0.015s。驗證了理論分析及結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性，可實現(xiàn)收割機碰撞保護。

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