水田平地機自動平地系統設計與試驗

摘要：針對水田平地機作業姿態調節的問題，研制一款基于IMU慣性測量單元和GNSS—RTK的水田自動平地系統。通過電磁溢流閥實現液壓系統的保壓和卸荷功能，解決作業時油溫過高等問題；采用GNSS—RTK差分定位技術以及RT—Thread實時操作系統實現平地機自動控制；利用數學幾何關系設計出既能高程調節也能水平調節的平地機構，且高程幅度可達1 085.7 mm，水平傾角幅度可達-21.4°～19.9°。為驗證該平地系統的工作性能，進行水田平整試驗。結果表明，在1 m/s、1.4 m/s、1.8 m/s、2.2 m/s作業速度下，平地鏟傾角均方根誤差分別為0.514°、0.573°、0.656°、0.710°，小于3 cm的高差分布列由20.6%提高到79.3%，傾角在-1.5°～1.5°范圍內占比由35.4%提高到84.6%，平整度由13.9 cm提高到2.88 cm，滿足水田農藝要求，故該自動平地系統可有效改善水田平整度且機具結構設計合理。

關鍵詞：水田平地機；姿態調節；自動平地系統；實時操作系統；平整度

中圖分類號：S222.5+1" " " 文獻標識碼：A" " " 文章編號：2095?5553 （2025） 04?0058?07

Design and test of automatic grading system of paddy field grader

Li Le Wang Yanqing Wang Luwei Yang Guangyou Liao Longxiang Wang Benfu

（1. Institute of Agricultural Machinery Engineering Research and Design， Hubei University of Technology， Wuhan， 430068，

China; 2. Intelligent Engineering Technology Research Center for Agricultural Machinery Equipment， Wuhan， 430068， China； 3. Key Laboratory of Crop Molecular Breeding， Ministry of Agriculture and Rural Affairs， Wuhan， 430068， China）

Abstract： To address the issue of adjusting the operating attitude of paddy field grader， an automatic grading system for paddy fields based on IMU （inertial measurement unit） and GNSS—RTK was developed. The hydraulic system uses electromagnetic relief valves to achieve pressure holding and unloading functions， addressing the issue of high oil temperature during operation. Automatic grader control is achieved through the use of GNSS—RTK differential positioning technology and RT—Thread real?time operating system. The grader mechanism was designed with adjustable elevation and level by using mathematical geometrical relations， allowing for an elevation range of up to 1 085.7 mm and a level inclination range of -21.4° to 19.9°. To verify its working performance， a paddy field levelling test was conducted. The test results showed that the root mean square error of the rake angle was 0.514°， 0.573°， 0.656°， and 0.710° at operating speeds of 1 m/s， 1.4 m/s， 1.8 m/s， and 2.2 m/s. The elevation distribution column of less than 3 cm increased from 20.6% to 79.3%. The range of inclination angle from -1.5°-1.5° increased from 35.4% to 84.6%. The flatness decreased from 13.9 cm to 2.88 cm. These values meet the agronomic requirements of paddy fields. Therefore， this automated levelling system can effectively improve the flatness of paddy fields. The machine structure is well?designed.

Keywords： paddy field grader; posture adjustment; automatic grading system; real?time operating system; flatness

0 引言

傳統的平地機姿態自動調節能力較低，通常只具備單一的姿態調節功能，不能適應于復雜的水田作業環境。作業時，因水田硬底層凹凸不平，導致拖拉機跟隨地勢上下波動，懸掛于拖拉機后方的平地鏟也產生姿態變化。不僅導致空載、平地過深等現象的發生[1]，還嚴重破壞水田平整度，不利于水田灌溉、施肥，降低水稻產量[2]。

國內有不少研究人員將液壓技術、衛星技術、傳感技術、控制算法融入智慧農業的研究，以推進農業機械的發展[3?7]。目前，在發達國家已具備較為完善的平地機自動控制系統，如美國的Field Level系統[8]和NEW IGradeTM[9]、日本的Stytem5土地平整系統[10]、瑞士的GNSS平地控制系統[11]等均已占據大部分市場。而國內適用于多種工況的水田平地機研究較少，缺乏成熟的產品。周浩等[12]設計了一種旋耕機自動調平系統，該系統通過傳感器采集拖拉機的橫滾角，控制調平油缸始終保持旋耕機的橫滾角趨于水平狀態，同時以油缸位移作為反饋信號，實現閉環控制。萬松等[13]研制了與水田旋耕機配套使用的自動平地系統，通過傾角傳感器采集平地托板的水平和俯仰傾角，控制油缸調節托板的姿態，有效改善了水田平整度，但平地托板的高程調節任需手動操作。楊青豐等[22]設計了激光平地機自動調平系統，采用雙油缸代替提升桿的策略，實現平地機的姿態調節，有效改善了水田平整度，但該策略不僅破壞原有拖拉機的結構，還無法匹配不同型號的拖拉機進行作業。周俊等[15]研制了一種水田旋耕平地一體機，采用雙天線RTK GNSS獲取機具的高程和角度信息，通過調節姿態油缸完成機體的高程和水平調節，同時采用蓄能器解決液壓系統中油溫過高等問題，并在不同工況下進行田間試驗，平整度均可達到農藝平整要求。但平地功能主要由旋耕機托板承擔，不能根據不同工況調節旋耕機與平地鏟的相對位置，且需要配備大功率拖拉機進行使用，缺乏通用性。

針對上述問題，本文設計一套水田自動平地系統，對整機結構、液壓系統及控制系統進行優化設計，并進行不同速度下的田間試驗，驗證其實用性、可靠性。

1 系統組成與工作原理

1.1 系統組成

水田衛星平地機主要由姿態調節機構、平地鏟機構、液壓系統、自動控制系統4部分組成，如圖1所示。姿態調節機構分為高程和水平姿態調節，高程姿態調節通過單油缸驅動平行四邊形懸掛機構，實現高程姿態調節，在滿足高層調節幅度的同時還時刻保證GNSS天線的水平豎直姿態，提高定位精度。水平調節機構由調平油缸、減震彈簧、旋轉固定板組成，通過油缸、減震彈簧和旋轉軸實現平地鏟相對旋轉固定板擺動，同時左側配備減震彈簧來減緩由水平調節過快所產生的震蕩，提高機構的穩定性。通過天線延長桿來提高GNSS天線相對于平地鏟的水平高度，避免信號遮擋，同時采用延長桿將IMU安裝在高于平地鏟300 mm處，以確保平地鏟左右傾斜時IMU不受水田環境的影響。為方便拆卸，將液壓集成閥體焊接在固定底座上，然后通過U型螺栓固定在平地鏟定位安裝條上。自動控制系統主要包括RTK GNSS定位系統、嵌入式集成控制板、車載顯示器。RTK GNSS定位系統主要包括千尋網絡基站、GNSS移動接收天線、4G網絡接收天線。嵌入式集成控制板與車載顯示器集成為控制箱安裝于拖拉機駕駛室內。另外，為便于運輸和增大平地寬幅，平地鏟左右裝配兩個伸縮油缸，可實現平地鏟寬幅的伸展調節。

1.2 工作原理

作業前，將GNSS天線吸附在旋轉固定架上，通過操作控制面板進行撥號，搭建4G網絡模塊與千尋服務器的Ntrip通訊協議。初耕打漿作業中，將平地鏟設定為浮動狀態采集田間地勢的數據信息發送至集成控制箱，得到測量基準面，同時操作人員通過實際工況對該基準面進行修整，確定作業基準面，進入作業狀態。平地作業過程中，通過RTK GNSS定位系統、IMU慣性測量單元實時采集平地鏟的高程和水平傾角信息，并傳輸至集成控制箱，其對收到的信息與作業基準面進行處理并形成控制信號。電磁驅動器將控制信號轉變為對應液壓換向閥開度調節的電信號，集成閥根據電信號控制姿態調節油缸的伸縮，實現平地鏟的姿態調節。同時配備人機交互功能實現用戶不同的需求，通過手動切換工作模式完成對應的功能。手動模式下，用戶憑借實際工況手動調節平地鏟的高度和角度，完成水田作業；測量模式下，初耕打漿階段，調節平地鏟為浮動狀態，采集水田地勢信息并得到測量基準面，同時用戶根據實際工況對當前測量的基準面進行修整，確定工作基準面；自動模式下，控制系統將當前測量的姿態數據與設定姿態基準進行比較，驅動液壓集成閥完成平地鏟的姿態調節，進而實現自動控制。平地鏟工作原理如圖2所示。

2 平地鏟結構姿態參數及液壓系統

2.1 平地鏟結構姿態參數

2.1.1 高程調節幅度設計

田間試驗過程中，為防止因旋耕機抬起而導致平地鏟處于空載作業，故平地鏟處于最低位置時應低于旋耕機鉸刀最低端10 cm以上，同時方便機體上下田埂以及兩者相互獨立作業，平地鏟處于最高位置時應盡可能高于旋耕機上表面。結合研究分析，設計一款可以根據不同工況調節平地鏟和旋耕機的相對位置。圖3為水田平地機的高程機構運動簡圖。

平行四邊形OABC為平地鏟懸掛機構，O、A均為懸掛機構上的固定點，其中O為前連接板上轉動點，A為高程調節油缸無桿腔連接點。B、C均為平地鏟機構的連接點，D為高程調節油缸有桿腔連接點，BCE為平地鏟。高程調節油缸AD為原動件，A、D1為高程油缸伸長到最長時的位置，A、D2為高程油缸收縮到最短的位置，高程油缸的伸縮運動驅動平地鏟上下擺動。

平地鏟的高度H與高程調節油缸的伸長量L的關系為

將L的長度470～670 mm代入式（1）可得，平地鏟高程調節幅度為1 085.7 mm，當平地鏟運動到最低位時，低于旋耕機鉸刀最低端213.2 mm，運動到最高位置時，高于旋耕機上表面772.5 cm，均符合平地機作業的高程調節幅度的要求。

2.1.2 水平傾角范圍設計

試驗過程發現由于拖拉機左右傾斜而導致平地鏟將水田刮出一條凹槽，為防止該現象的發生，初步確定調平結構的角度為-20°～20°，圖4為水田平地機的調平機構運動簡圖。

四邊形OABC簡化為曲柄搖塊機構，調平油缸AB為搖塊，O、A均為旋轉支撐架上的固定點，其中O為固定架轉動點，A為調平油缸無桿腔鉸接點。A、B1為水平調節油缸伸到最長時的位置，A、B2為水平調節油缸縮到最短的位置，水平調節油缸收縮運動驅動平地鏟相對于固定支撐架左右擺動。

油缸伸長量L7與平地鏟相對于固定支撐架的傾斜角

2.2 液壓系統設計

水田衛星平地機的液壓系統主要由電磁溢流閥、壓力表、三位四通換向閥、二位四通換向閥、高程油缸、調平油缸、折疊油缸等組成。液壓系統原理圖如圖5所示，其中利用拖拉機自帶的液壓系統為平地機液壓系統提供液壓油源，將液壓快速接頭A1、B1與液壓集成閥塊的PT油口連接，然后通過油管和三通接頭將液壓集成閥塊的AB油口與油缸的進出油口連接，同時集成閥配備壓力表接口，不僅便于檢測液壓系統的油壓，還便于調節溢流閥的壓強。提升油路采用單油缸驅動，既節約成本，也無需考慮多油缸同步問題。通過H閥的工作機能實現平地鏟浮動仿形，串聯于三位四通換向閥實現平地鏟的高程調節。伸展調節和水平調節油路以并聯的方式串在油路中，避免因液壓泵長時間工作造成油溫過高等問題[16]。本液壓系統采用電磁溢流閥的二位二通電磁閥實現系統卸荷的功能，從而在解決上述問題的同時保證工作壓強。

3 系統硬件架構與軟件控制設計

3.1 系統硬件組成

控制系統采用集成控制板，其由GNSS定位板卡、4G網絡模塊以及核心控制器STM32F407組成，可實現厘米級定位精度和10 Hz的高刷率。通過控制器引腳和外設接口將IMU慣性測量單元、人機交互屏、GNSS天線、電磁閥驅動板以及液壓驅動模塊連接，同時配備數據儲存外設，為后期分析數據做準備。控制系統架構如圖6所示。

3.2 控制系統軟件設計

控制系統程序采用RT—Thread與STM32CubeMX聯合開發，利用RT—Thread實時操作系統進行模塊化編程。系統調度器根據各線程的優先級進行調度，通過信號量、互斥量等內核對象完成用戶要求的調度順序，同時通過郵箱、消息隊列實現線程之間數據傳輸[17]。控制系統的線程優先級如表1所示。

平地機控制系統多線程調度如圖7所示。

程序啟動后，系統先對內核對象、外設以及4G模塊進行初始化，完成后系統通過任務調度器進行調度，將當前優先級最高的4G登錄線程喚醒，該線程完成4G與千尋服務器的搭建，關閉該線程。系統喚醒當前就緒態最高優先級的數據處理線程，該線程將接收到的數據進行解析，并通過郵箱將自動平地線程、手動平地線程所需要的數據發送，同時保存到SD卡中。用戶點擊屏幕按鍵喚醒HMI線程，該線程通過串口下發用戶操作指令給控制器，如0xAA 0x03 12 45 23 0xBB，由6個十六進制格式字節組成，前后位是幀頭幀尾，第二位是命令位，其他位是數據位。系統通過對指令位進行判斷，對Work_" "flag的值進行賦值，當Work_" "flag=1進入田塊測量模式，將郵箱發送的高程數據和角度數據進行加權遞推平均濾波處理，得到基準高度和基準角度，同時操作人員可以通過工作經驗對當前計算得出的數據進行修改得到工作基準值；當Work_ flag=2進入手動平地模式，手動線程通過解析HMI下發的指令，對液壓閥進行控制，實現手動模式下的姿態調節；當Work_" " flag=3進入自動平地模式，通過信號量喚醒自動平地線程，該線程將當前高度與基準面進行比較，對當前平地鏟的高程進行控制，同時控制調平電磁閥實現平地鏟的水平控制。為保證串口數據接收不被打斷，配置串口為DMA串口空閑中斷模式。同時為保證千尋服務器持續輸出差分數據，定時向服務器發送GNSS數據。

4 試驗與結果分析

4.1 田間試驗

于2023年6月在鄂州市進行田間試驗。采用幅寬4.2 m的水田平地機懸掛于東方紅LX904拖拉機進行試驗；試驗設備包括集成控制箱、GNSS天線、液壓集成閥等。作業流程：第1遍進行水田初耕打漿采集基準信息，確定作業基準面。第2遍開啟自動平地模式，對水田進行自動平地作業。

4.2 試驗結果

水田平整度可衡量田面地形起伏程度的指標，可以直觀反映水田平整度的情況。通常用采樣點與基準面垂直距離的標準偏差Sd來體現。標準偏差越小則水田越平整，Sd值越大則水田地勢起伏越明顯[18，19]。

4.2.1 自動調平性能

為驗證平地鏟水平自動調平的穩定性，分別選取1 m/s、1.4 m/s、1.8 m/s、2.2 m/s的速度進行田間試驗。不同作業速度下平地機傾角變化曲線如圖8所示。

將平地鏟下降到指定高度獲取基準高度，手動確定作業高度和作業角度（0°），開啟自動平地模式。試驗結果表明，平地鏟的水平傾角基本保持在-1.5°～1.5°，均方根誤差分別為0.514°、0.573°、0.656°、0.710°。在不同作業速度下，平地機自動控制系統具有較好的穩定性，滿足工作要求。

4.2.2 水田平整效果

根據保存于SD卡中的經緯度、高程、角度信息，通過MATLAB軟件對數據進行插值處理，繪制成如圖9所示的水田三維地勢圖與如圖10所示的傾角分布圖。試驗結果統計如表2、表3所示，水田平均高度由平整前的29.486 m變為平整后的29.345 m，最大高差由41.8 cm下降到12.2 cm，小于3 cm的高差分布列由平整前的20.6%提高到79.3%，平整度由13.9 cm提高到2.88 cm，滿足平地精度要求。該自動平地系統可有效改善水田平整度且機具結構設計合理。

5 結論

為改善平地機作業時姿態調節問題，設計水田自動平地裝置，既能實現高程調節也能實現水平調節。

1） 平地鏟高程幅度可達到1 085.7 mm，最低位置低于旋耕機最低端213.2 mm，最高位置高于旋耕機上表面772.5 cm。水平傾角幅度可達到-21.4°～19.9°，均達到作業要求。

2） 采用電磁溢流閥可以很好地實現液壓油路的保壓和卸荷功能。同時通過RT-Thread與STM32CubeMX聯合開發的控制系統程序可以實現平地鏟的各項功能。

3） 在不同作業速度條件下進行田間平整試驗。試驗結果表明，小于3 cm的高差分布列由平整前的20.6%提高到79.3%，平整度由13.9 cm提高到2.88 cm，滿足水稻種植的農藝要求。

參 考 文 獻

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