智能避讓旋耕機機械產品的設計與應用

高夢星

（揚州工業職業技術學院，江蘇 揚州 225000）

旋耕機作為農業生產中不可或缺的農機具之一，其作業效率和性能直接影響著我國農業生產的效率和質量。然而傳統的旋耕機需要人工駕駛操控，遇到復雜場地和環境時其作業效率低下，且易受到地形和作業環境的限制。如果能夠在旋耕機上添加智能避讓系統，實現自動避讓功能，將有助于提高其作業效率，降低作業成本，對于推進我國農業生產方式的轉型升級具有重要的研究意義和應用價值[1]。

1 智能旋耕機的工作流程

旋耕機作為一種耕整地機械，其作用是將耕翻后的土壤耙碎、整平和鎮壓，使地面平整，并使作物根系能充分伸展，為農作物生長發育創造良好的條件[1]。旋耕機主要由機架、傳動系統、動力輸出軸、刀片等部件組成。旋耕機的作業過程是一個動態過程，作業時要根據土壤的堅硬程度，對動力輸出軸進行適當調節，使刀片與土壤接觸處形成光滑的刀盤，這樣就可以將切碎的土壤顆粒粉碎并將其均勻地拋撒到地表，形成良好的耕作層。旋耕機一般在較大負荷下工作，作業速度不能太快，否則會使刀片承受很大的彎矩而損壞。在田間作業時，由于地面狀況變化很快，對動力輸出軸進行調速是十分必要的[2]。

2 智能避讓系統的設計

為解決傳統旋耕機在田間作業時，由于旋耕機與拖拉機的干涉造成拖拉機工作效率低下的問題，采用了基于單片機技術的智能避讓系統[2]。該系統的設計思路是通過對拖拉機和旋耕機工作原理進行分析，確定了避碰控制方式、避碰控制算法和控制流程。當拖拉機前進時，系統以輪速作為控制信號，發出避讓信號給單片機，單片機接收到信號后輸出脈沖寬度調制信號到電機驅動模塊，接收到信號后驅動滾珠絲杠，通過轉動帶動刀盤的轉動從而帶動旋耕機工作，達到自動避讓的目的[3]。

2.1 智能避讓系統組成

智能避讓系統主要由傳感器部分、單片機控制部分、電機驅動部分和人機交互部分組成。其中，傳感器部分主要檢測拖拉機和旋耕機工作時的狀態；單片機控制部分是該系統的核心部分，通過對數據進行處理來實現避碰功能；電機驅動部分通過電機驅動器來實現滾珠絲杠的轉動；人機交互部分由觸摸屏和鍵盤組成，通過人機交互界面來實現拖拉機和旋耕機之間的避讓功能。在系統工作過程中，由單片機控制驅動模塊把脈沖寬度調制信號輸送到滾珠絲杠上帶動滾珠絲杠轉動。傳感器在智能避讓系統中，首先需要對拖拉機和旋耕機工作狀態進行檢測，傳感器主要包括輪速傳感器、輪距傳感器和旋耕深度傳感器。輪速傳感器是一種利用電動機和齒輪傳動來產生旋轉磁場的傳感器，它的核心部件是一塊永久磁鐵，它能夠檢測出拖拉機和旋耕機旋轉時所產生的磁場。通過對輪速傳感器的研究，結合實際情況確定了拖拉機和旋耕機工作時的轉速。當旋耕機工作時，其旋轉產生的磁場會影響輪速傳感器輸出信號，根據公式（1）可以得出輪速變化和旋耕機轉速變化成正比關系，從而得到輪速傳感器輸出信號。

式中，n表示旋耕機旋轉刀片時的實時轉速，單位為r/min；V表示旋耕機的前進速度，單位為km/h；D表示旋轉刀片的直徑長度，單位為m；π 表示圓周率，約等于3.14。

例如，一臺旋耕機當前的前進速度為7 km/h，旋轉刀片的直徑長度為1 m，其轉速為：

需要注意的是，旋耕機本身自帶的轉速不宜過高，通常情況下，需要將其控制在2 000 r/min~3 000 r/min 之間，如果轉速過高，就會導致土質松軟，從而影響植物的生長，同時這也會進一步增加機器的磨損率和使用能耗，削減機器的使用壽命。

為了能夠有效地檢測旋耕機旋轉時產生的磁場對輪速傳感器的影響，在拖拉機兩側安裝了兩個環形線圈，在環形線圈內充入一定頻率的電磁場。當旋耕機旋轉時，其產生的磁場會作用于環形線圈上產生感應電動勢。由于旋耕機工作時其轉速是有固定值的，因此可以通過測量旋耕深度來判斷旋耕機與拖拉機是否有發生碰撞的可能。為了實現智能避讓系統中對拖拉機和旋耕機工作狀態檢測的功能，需要對旋耕機和拖拉機進行避碰控制[4]。

2.2 避碰控制算法

本文采用基于模糊控制的避碰控制算法，將系統分成兩個部分：一個是對輪速信號進行處理，并通過對輪速信號進行模糊化處理，然后將模糊化的輪速信號與設定的距離進行比較，根據比較結果判斷是否需要采取避碰動作。另一個是通過單片機輸出脈沖寬度調制信號到電機驅動器，根據電機驅動器的轉速來控制滾珠絲杠的轉動，從而實現對旋耕機的避讓[5]。具體實現過程如下：首先，根據輪速信號判斷是否需要避碰；如果需要避碰，則發出避讓信號給單片機，單片機接收到信號后，通過計算輪速和距離值之間的偏差值來判斷是否需要避碰；如果不需要避碰，則繼續進行下一步。判斷輪速和距離值之間是否有偏差時，可根據公式（2）來計算。

式中，P是輪速與距離的比值，T是拖拉機和旋耕機之間的距離。當P>T時，拖拉機需要避讓；當PT時，則向拖拉機發出避讓信號；當P

2.3 控制流程

智能避讓系統主要是通過輪速信號來實現避碰的功能。輪速信號通過單片機發送出去，單片機接收到輪速信號后輸出脈沖寬度調制到電機驅動模塊，接收到脈沖寬度調制后輸出一個脈沖信號給單片機，單片機會根據預設的算法和邏輯，生成相應的脈沖信號。這個脈沖信號會被傳送到驅動模塊，通過驅動模塊的控制將脈沖信號傳遞給滾珠絲杠來驅動刀盤轉動，從而帶動刀盤轉動來實現避碰。在拖拉機前進時，由于旋耕刀刀盤與拖拉機輪速信號有一定的差值，所以當輪速信號大于或等于旋耕機輪速信號時，單片機控制驅動模塊把脈沖寬度調制信號輸送到滾珠絲杠上帶動滾珠絲杠轉動，從而帶動刀盤轉動來實現避碰功能[6]。

3 人機交互界面設計

人機交互界面設計是對智能避讓系統的人機交互功能進行設計，通過對系統的界面進行設計，來實現旋耕機和拖拉機的自動避讓功能，從而提高旋耕機的作業效率，降低其作業成本[3]。人機交互界面主要由兩個部分組成，即控制模塊和顯示模塊。控制模塊主要實現系統運行過程中的各個控制功能，顯示模塊則負責顯示系統運行的狀態[7]。

為了滿足用戶對旋耕機智能避讓功能的需求，在人機交互界面上顯示系統運行狀態時應設置相應的參數來表示旋耕機運行狀態：0~10 為自動工作狀態，0~20 為正常工作狀態，20~50 為自動避讓狀態，50~100 為自動恢復狀態。首先選擇控制模式（單模式或者多模式），然后選擇旋耕作業的模式（單模式或者多模式）。在單模運行或多模運行時，均需選擇旋耕作業的模式；在單模運行時，需選擇旋耕作業的速度范圍；在多模運行時，可根據旋耕機當前的位置和速度來進行相應的選擇。其中，旋耕機工作狀態的改變通過觸摸屏上相應按鍵來實現[8]。

當旋耕機出現故障時，也可通過觸摸屏輸入相應的指令來實現故障原因查找及問題解決：首先選擇故障報警模式（報警代碼顯示），然后選擇故障代碼，最后選擇相應的解決方案。

當用戶按下觸摸屏上對應按鍵時，會彈出一個對話框提醒用戶操作此項功能；當用戶想要退出該功能時，點擊觸摸屏上對應按鍵后會彈出一個對話框提醒用戶需要退出該功能[9]；當用戶再次按下觸摸屏上對應按鍵，系統會自動進入到保護模式中。如果旋耕機出現故障并伴有相應報警信號時，系統將會自動關閉該系統并進入到恢復模式中[10]。

4 試驗驗證

為了驗證本系統的正確性和有效性，對產品進行了中間試驗。試驗采用型號為KT650 型輪式拖拉機作為牽引動力，選用兩臺相同型號的旋耕機分別進行試驗。在相同的地形條件下，選擇田間作業時的天氣情況作為試驗條件。試驗場地的長度約為25 m，寬度約為15 m，采用拖拉機牽引動力，以控制速度進行作業。為保證測試結果的可靠性和準確性，選取3 個測試點分別進行測試，并對試驗結果進行統計分析[4]。

4.1 旋耕作業

從試驗數據可以看出，在同樣的作業條件下，兩臺旋耕機在完成旋耕作業后，機器的速度和方向都保持一致，表明該系統能夠在相同的工作條件下進行旋耕作業。旋耕后的土壤具有良好的作業質量，并且與旋耕前相比，土壤表面平整度有所提高。但也發現了一些問題，主要有以下幾點：

1）機器在旋耕過程中的速度是變化的。例如：機器在進行旋耕作業時，速度基本保持在3 m/s 左右；當機器進入自動避讓道后，速度開始增加，達到15 m/s。

2）旋耕機在旋耕作業過程中存在較大的橫向抖動現象。當旋轉刀片與土壤之間的接觸面積增大時，由于拖拉機行駛速度較快，實際接觸時間變短。同時，刀片與土壤之間存在摩擦力、剪切力和滑移力等，在這些力的作用下，機器在旋耕過程中出現橫向抖動現象，橫向抖動會降低旋耕機的工作穩定性。

3）雖然沒有出現明顯的動力輸出現象，但是機器在進入自動避讓道后會有一個很大的動力輸出，在旋耕機工作質量較差、刀片磨損嚴重等情況下會出現動力不足的現象。

4）系統檢測到機器在自動避讓道內時會發生碰撞現象。從試驗數據統計分析結果可以看出：兩臺旋耕機在自動避讓道內發生碰撞時距離保持在15 cm左右。這是由于機器在旋耕作業時處于自動避讓狀態，發生碰撞時距離較近；而當機器進入自動避讓道后發生碰撞時距離較遠。

4.2 旋耕效果

在實際的旋耕過程中，為了保證旋耕質量，需要對土地進行兩次旋耕，每次旋耕時間為2 h。在兩次旋耕后，拖拉機的牽引動力都不會超過2 N。兩臺旋耕機的最大耕作深度分別為17.2 cm和18.7 cm，最大作業高度為46.4 cm。經統計，在兩次旋耕后，兩臺旋耕機的作業高度和作業深度都沒有超過旋耕機的安全保護范圍。

在田間試驗時，將兩臺旋耕機置于同一水平面上進行作業，在兩個方向上分別測定不同的耕作深度和作業高度。在這種工作狀態下，由于旋耕深度較大而產生了很大的離心力和牽引力，而此時拖拉機的牽引動力卻非常小。通過對兩次旋耕后土壤情況進行分析發現土壤的情況有了明顯改善，在旋耕至15 cm時，土壤中基本沒有土塊存在，表面變得更加細膩平整。這表明旋耕機在高速旋轉狀態下產生的離心力和牽引力能有效地將土壤顆粒細化，使土壤更加適宜作物生長。

4.3 成本核算

筆者設計的自動避讓旋耕機機械產品的成本包括傳感器成本、系統控制芯片成本、整機組裝成本。整體的成本核算包括生產支出的審核、確定成本計算對象及成本項目，開設相應的產品成本明細賬、進行要素費用的分配，并為其配置各類要素費用分配表。其中，傳感器的成本約為5 000 元，占整個產品成本的70%以上，因此傳感器的成本控制是系統設計和生產中需要重點關注的工作。

5 結語

筆者針對旋耕機在田間作業過程中存在的問題，設計了智能避讓系統，在人機交互界面上設置了旋耕機與拖拉機自動避讓功能，實現了旋耕機與拖拉機的自動避讓。改進后的旋耕機工作效率高，且對硬質土壤的適應性強，性能穩定可靠。在實際生產應用中，智能避讓系統能夠對拖拉機和旋耕機進行識別，當有拖拉機接近時能及時做出反應，從而實現自動避讓功能，有效地解決了旋耕機在田間作業過程中存在的問題。