基于Automation Studio 的甘蔗收割機刀具高度自適應仿真

高鳴偉 ，陳 鑫

（長安大學工程機械學院，陜西 西安 710064）

0 引言

我國甘蔗種植農藝是一次播種可收獲三年[1]，收割后的甘蔗宿根將重新生長，在壟面上對甘蔗進行切割，會導致留茬過高，造成甘蔗宿根破損或者病壞，影響第二年發芽；割刀位置過低，會加大刀片的磨損且增加切割阻力，造成能量的浪費[2]，合適的切割高度為地面以下3 cm。我國90%的甘蔗種植在廣西、云南和廣東等南部省份，種植地的地形起伏較大，蔗壟高低不平，加上田間甘蔗莖葉和雜草密布，遮擋操作人員視線，割刀高度完全取決于操作人員的經驗，造成收割質量無法滿足農藝要求，導致我國甘蔗機械化收割率較低[3]。為促進甘蔗生產機械化進程，迫切需要甘蔗地形的感知和割刀高度控制方法，提升甘蔗收割質量。

現有的地形感知方法有接觸式和非接觸式兩種，其中非接觸的地形檢測包括激光、超聲波、視覺、探地雷達和三維點云等方法，并在車輛導航、農機的地形感知上得到應用。張偉東等[4]提出了一種基于視覺特征的地形感知方法，利用雙目視覺將近景的地形樣本分為障礙與地面實現地形感知，但識別結果受光線強度影響大。鄒展曦等[5]利用超聲波測量甘蔗地壟間地形變化來控制刀盤切割高度，但在實際工作過程中易受甘蔗葉等的干擾。非接觸式方法可以感知地形，但是在蔗田里易受甘蔗葉、桔梗和雜草的干擾，難以實際應用。相比之下，接觸式方法可以有效解決雜草等遮擋物干擾的問題，如Neves 等[6]通過在切割刀底部平面設計一個凸起“圓轂”來調節切割器的高低，以適應蔗田的起伏變化，然而該浮動“圓轂”的重量會對切割后的宿根造成損壞。Palmute[7]設計了一種倒殼形機構與地面接觸，利用蔗壟高度變化引起該機構位移電信號改變來調節切割刀盤高度，該方法僅適用處理較大范圍的地形變化識別，如斜坡、凹坑等，無法用于小范圍的地形變化感知。以上研究表明接觸式可有效用于地形感知，可以為甘蔗收割機的割刀高度自適應調整提供依據，但是現有的方法未考慮到機器工作中車身姿態和割刀裝置的影響，從而導致了地形感知結果存在較大誤差，有效的蔗田地形感知方法仍在探索中。

針對甘蔗收割機缺乏高效的地形感知方法而導致甘蔗收割不能滿足農藝要求的問題，本文提出應用拖板式傳感器獲取地面高度變化情況，結合車身所裝的傾角傳感器所檢測的車身姿態變化及地形坡度變化，利用數據處理模型計算出收割機刀具離地高度。并開展了地形感知試驗，采用Automation Studio 機電液仿真軟件，驗證最優PID 參數的工作性能和切割高度自適應系統的可靠性，實現甘蔗收割過程中割刀高度的自適應調控。此地形感知方法還可推廣到其他農機，用于提升農機的智能化水平。

1 接觸式地形感知系統設計

1.1 甘蔗收割機工作原理

針對丘陵地帶的甘蔗按照壟栽培種植特點，主要采用小型甘蔗收割機收割。為此，文中以小型切段式甘蔗收割機為研究對象，如圖1 所示，收割機主要包括動力系統、行走驅動系統、收獲系統及控制系統。

圖1 小型切段式甘蔗收割機

收割機配備了60 kW 的柴油發動機，通過將機械能轉為液壓能，實現車輛的移動和工作。行走驅動系統采用履帶行走裝置，可較好地應對我國甘蔗種植區域的坡度大且土壤承載能力差的問題。收獲系統為甘蔗收割機的工作裝置，負責將甘蔗按照圖1 中箭頭指引流程順序完成收獲，如分蔗/扶蔗→壓倒→切割→喂入→剝葉→輸送→切段→除雜→收集。本文研究的割刀機構在收割機的前端，處于分蔗/扶蔗中間，通過伸縮油缸實現割刀的升降。

1.2 地形感知原理

在前期接觸式地形傳感器的基礎上[8]，根據甘蔗收割機的特點進一步提出整機的地形感知方法，設計了一種如圖2 所示的接觸式地形高度檢測傳感器。工作時隨著收割機的移動，拖板由于自身重力和單向阻尼器的作用，能始終保持與蔗田地形的良好接觸；拖板將安裝于壓蔗輥單側，該安裝位置不僅位于割刀前方，且盡可能地靠近割刀的切割路徑，保證了檢測的有效性；拖板底部弧形結構可以避免被蔗葉、雜草、泥土及滴管纏繞，而且中部的彎曲結構也能夠盡可能降低對突變地形檢測時的提前響應。但在甘蔗收割機田間收獲時，地形傳感器檢測的地形高度并不能準確反映實際的地形高度，其還會因切割機構升降與地形傳感器產生的相對夾角，導致升降的不可控；地形起伏產生的機身姿態角，造成地形傳感器反饋的地形高度數據失真且誤差大。因此，當地形發生變化時，接在刀架裝置上的拖板角度變化，其變化角度大小與地形起伏有關，結合安裝在刀架裝置及駕駛室上的傾角傳感器以感知車身姿態，從而實現地形起伏感知。

圖2 地形傳感器安裝示意圖

拖板的高度作為割刀裝置離地面距離的反饋信號，在收割機工作時，根據當前地形設定一個初始目標高度，則可通過計算初始目標高度與實際高度的差值來調控割刀油缸，通過閉環反饋控制保持割刀與地面的距離不變，實現割刀裝置的高度自適應控制。

2 刀具高度自適應仿真

通過構建的多源感知方法可有效感知地形高度起伏，為實現割刀高度的快速調整，避免收割過程中刀具升降頻繁而破壞宿根的問題，對割刀機構的控制進行仿真分析[9-10]。

2.1 模型構建

將甘蔗收割機割刀部分的SolidWorks 模型導入Automation Studio 仿真軟件，并對各部件進行約束設定，如表1 所示。由于仿真中并未考慮車體移動情況，因此車架設置為固定約束。

表1 子模型之間的約束

收割機的割刀位于切割機構的最底端，通過電液比例閥實現高度調節。仿真中僅對割刀升降機構進行分析，液壓系統主要包括液壓泵、電液比例換向閥、平衡閥以及液壓油缸等。電液比例換向閥開口大小由PWM（Pulse Width Modulation）占空比的大小控制，將一定量的液壓油泵入油缸，以驅動活塞升降移動。參照實際樣機，仿真中液壓系統的相關參數如表2所示。

切割高度控制是依靠地形起伏對地形傳感器的反作用力產生轉角而建立的調節關系，以形成閉環的反饋來工作的。采用ST 語言編程，以信號發生器的形式關聯地形傳感器角度，并加入PID 控制模塊，為樣機的PID參數尋優提供參考。

在Automation Studio 仿真軟件中先后加載液壓元件、電氣接口元件、3D 結構件（添加運動副）和編程文檔（IEC-ST 語言）等，并設定運動關聯和運動參數，搭建的仿真模型如圖3所示。

圖3 切割機構高度控制仿真模型

2.2 割刀高度控制仿真結果

在仿真環境中，使用最小二乘法和單一變量調整的方法找到最優的kp、ki和kd，為控制策略中PID 參數尋優提供參考。為驗證該參數對系統穩定的作用，給系統一個階躍信號，系統超調量和響應時間如圖4所示。

圖4 階躍信號控制結果

控制器給出階躍信號，在活塞伸出過程中，油缸經過0.17 s 后完成全行程收縮，在活塞收縮過程中全行程238 mm，歷時0.2 s，整個收縮和伸出過程超調量幾乎為0，響應時間迅速，充分證明了割刀高度自適應控制系統的穩定性。

對切割機構的上升和下降兩個動作進行仿真，觀察提升油缸系統啟動瞬間至穩態的魯棒性、響應時間和油缸行程，仿真時間為6 s，切割機構升降仿真控制結果如圖5所示。

圖5 切割機構升降控制結果

在提升過程中，油缸歷時3 s 完成全行程收縮，行程為211 mm，由于提升過程中受到切割結構重力的影響，速度整體波動較為劇烈，但仍收斂于70 mm/s。在下降過程中，全行程238 mm，歷時3.3 s，由于在回油路加入平衡閥，可以明顯看出，油缸的下降速度波動起伏比起提升過程平穩性提升了65%，速度收斂于70 mm/s，與收縮時的速度基本一致。整個過程中油缸提升和下降的行程接近，而且并未超過油缸的最大行程285 mm。

切割機構是雙缸并聯的形式，電液控制中需要考慮雙缸同步的問題，防止因缸運動的不同步導致扭矩不同，造成機器的損壞。如圖6 所示，分別給出了兩個油缸伸出到30%、60%、90%時的位置對比，以及兩個油缸收縮到70%、50%時的位置對比。

圖6 雙缸同步性仿真結果

從圖6 中可以明顯看出，兩個油缸的位置始終保持同步，保證了切割機構的正常運行。

3 結論

1）設計了一種接觸式地形高度檢測傳感器，提出了以接觸拖板、割刀轉動角度和收割機車身姿態為反饋的地形感知方法和系統，為甘蔗收割機的地形感知提供了理論方法。

2）在Automation Studio 軟件中建立了切割機構高度自適應的機電液聯合仿真系統，該結果為控制策略中PID 參數尋優提供了參考。本研究證實了刀具高度自適應方法的可行性，為后續收割樣機確定了有效的割刀高度調整算法和參數，從而為甘蔗收割機刀具高度自適應控制系統的設計提供了一種方法。