偉利國，車 宇，汪鳳珠，李 偉

(1.中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院，北京 100083；2.土壤植物機(jī)器系統(tǒng)技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

?

聯(lián)合收割機(jī)割臺地面仿形控制系統(tǒng)設(shè)計及試驗(yàn)

偉利國1,2，車 宇1，汪鳳珠1,2，李 偉1

(1.中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院，北京 100083；2.土壤植物機(jī)器系統(tǒng)技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

為了提高聯(lián)合收割機(jī)自動化水平、降低勞動強(qiáng)度，研發(fā)了割臺地面仿形控制系統(tǒng)，設(shè)計了割臺地面仿形機(jī)構(gòu)，采用角度傳感器獲取其隨地面的浮動情況，并結(jié)合位移傳感器檢測割臺油缸伸縮量，來推算得到割臺高度信息，并進(jìn)行了田間試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，割臺高度控制誤差不大于12mm，滿足聯(lián)合收割機(jī)田間作業(yè)要求。

免耕播種機(jī)；分體式；條帶旋耕；保護(hù)性耕作；一年兩熟

0 引言

隨著稻麥聯(lián)合收割機(jī)(簡稱聯(lián)合收割機(jī))日益向大型化、高速化發(fā)展，田間作業(yè)環(huán)境惡劣，勞動強(qiáng)度大，同時農(nóng)村勞動力日益減少，熟練駕駛?cè)藛T短缺，這就迫切需要研究相應(yīng)的自動控制技術(shù)與方法。如何提高田間谷物收獲自動化作業(yè)水平，減輕駕駛員的勞動強(qiáng)度，充分發(fā)揮現(xiàn)代收獲機(jī)械在保證國家糧食安全中的作用，是當(dāng)前國內(nèi)農(nóng)機(jī)收獲領(lǐng)域一個新的研究課題[1-5]。聯(lián)合收割機(jī)割臺是利用機(jī)械仿形機(jī)構(gòu)或人工方法控制液壓閥門操縱液壓缸來調(diào)整工作高度的，割臺高度自動控制系統(tǒng)就是在此基礎(chǔ)上再增設(shè)傳感機(jī)構(gòu)、電磁閥門和電氣控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的。為了實(shí)時獲取割臺高度數(shù)據(jù)、降低聯(lián)合收割機(jī)作業(yè)故障率，本文采用角度傳感器獲取地面仿形機(jī)構(gòu)浮動及位移傳感器檢測割臺油缸伸縮量來得到割臺高度，并設(shè)計了割臺高度手/自動控制系統(tǒng)，為提高聯(lián)合收割機(jī)割臺高度控制的自動化水平提供依據(jù)。

1 割臺仿形機(jī)構(gòu)

割臺地面仿形可以采用接觸式機(jī)械方式、非接觸傳感器探測及機(jī)器視覺等方法來實(shí)現(xiàn)。非接觸傳感器探測直接測量割臺離地高度，一般采用超聲波、紅外傳感器來實(shí)現(xiàn)；但該探測方式易受田間草桿、土塊等雜物的影響，并存在一定探測盲區(qū)，傳感器容易損壞。機(jī)器視覺方法通過圖像處理換算得到割臺離地高度，主要通過攝像頭采集收割機(jī)前方未收割作物圖像，自動識別作物的高度信息，以此調(diào)節(jié)割臺高度；該方法適合于倒伏作物，但測量成本較高，易受灰塵影響[6-9]。本文設(shè)計了一種接觸式機(jī)械仿形機(jī)構(gòu)，通過機(jī)械結(jié)構(gòu)接觸地面，隨著地形變化而起伏，將機(jī)械形變化轉(zhuǎn)換為電信號輸出，從而控制割臺進(jìn)行地面仿形動作。割臺仿形結(jié)構(gòu)主要由角度傳感器、地面仿形壓板、限位鉸鏈及鉸接連桿等組成，如圖1所示。地面仿形壓板安裝在割臺底部，與地面接觸，可隨地面的起伏而動作，從而改變地面仿形壓板打開的角度，壓板角度的變化通過機(jī)械連桿結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為擺桿擺角的變化；角度傳感器與擺桿連接，通過測量擺桿角度值，推算得到地面起伏變化。

圖1 割臺仿形結(jié)構(gòu)示意圖

角度傳感器采用Honeywell公司的RTY系列角度傳感器，轉(zhuǎn)角檢測范圍為[-90° 90°]，電壓信號輸出范圍為[0.5 4.5]，傳感器輸出特性如圖2所示。角度傳感器線性度好、測量精度高，防護(hù)等級IP67，能夠適用于田間作業(yè)環(huán)境。

圖2 角度傳感器輸出特性

2 割臺高度控制系統(tǒng)設(shè)計

聯(lián)合收割機(jī)割臺控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)手自動切換，手動優(yōu)先。割臺自動控制系統(tǒng)具有根據(jù)仿形機(jī)構(gòu)的浮動情況，自動調(diào)節(jié)割臺高度的功能。

2.1 割臺高度控制系統(tǒng)原理

聯(lián)合收割機(jī)割臺的液壓控制機(jī)構(gòu)具有完成割臺提升、保持和下降等功能，一般采用手動操作電磁換向閥來完成[10-11]。割臺液壓控制部分包括電液換向閥、溢流閥、液壓泵、液壓缸及手動翹板開關(guān)。液壓缸與換向閥相連接，通過對換向閥兩端電磁鐵分別通電，來實(shí)現(xiàn)割臺的升降，如圖3所示。

圖3 割臺仿形控制結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)對換向閥左側(cè)電磁鐵通電，進(jìn)入液壓缸的壓力油增多，油缸活塞向右側(cè)移動，液壓油缸伸長，控制割臺上升；反之，當(dāng)對換向閥右側(cè)電磁鐵通電，油缸活塞向左側(cè)移動，液壓油缸縮短，控制割臺下降，從而實(shí)現(xiàn)控制割臺的升降。

在保持手動控制割臺升降的功能基礎(chǔ)上，設(shè)計了割臺高度自動控制系統(tǒng)。電控部分主要包括割臺仿形控制器、電磁閥驅(qū)動模塊、角度傳感器模塊及位移傳感器模塊等。角度傳感器模塊完成將地面仿形機(jī)構(gòu)的浮動情況轉(zhuǎn)換為電信號，傳送給控制器。位移傳感器與液壓缸活塞桿機(jī)械并聯(lián)，當(dāng)液壓缸動作時將帶動位移傳感器拉桿伸縮，兩者行程一致，位移傳感器模塊所反饋回的模擬電壓信號，可以反映油缸伸縮情況，從而得到割臺高度的變化信息。角度傳感器與地面仿形機(jī)構(gòu)相連接，用于感知地面起伏變化情況，作為割臺高度微控制的重要依據(jù)。電磁閥驅(qū)動模塊可輸出驅(qū)動電流，控制電磁閥動作，通過二極管和手動控制信號進(jìn)行隔離，防止相互影響。

割臺仿形控制器如圖4所示?？刂破魇轻槍r(nóng)業(yè)機(jī)械智能裝備自主組裝開發(fā)的一款多功能PC一體機(jī)，集成GPS定位模塊和CAN接口模塊，作為系統(tǒng)的人機(jī)交互接口，可進(jìn)行作業(yè)參數(shù)的設(shè)置及數(shù)據(jù)分析與保存，通過處理傳感器信息實(shí)現(xiàn)智能行為決策，輸出控制策略。割臺仿形控制器通過采集傳感器組信號，獲取割臺高度信息，并根據(jù)事先割臺高度設(shè)定值，采用PID控制算法，推算出控制策略，輸出控制量給電磁閥驅(qū)動模塊，控制電磁閥動作，驅(qū)動液壓油缸伸縮，從而實(shí)現(xiàn)割臺高度的控制。其控制原理如圖5所示?？刂破魍瑫r檢測驅(qū)動電流的大小，異常情況啟動自動保護(hù)功能。割臺仿形控制器具有檢測駕駛員手動操作情況，并自動進(jìn)行自動到手動切換的功能。

圖4 割臺仿形控制器

圖5 割臺高度控制原理圖

2.2 電磁閥驅(qū)動模塊

圖6為電磁閥驅(qū)動電路圖。電磁閥驅(qū)動模塊主要包括微控器、電流驅(qū)動芯片及CAN接口芯片等。電流驅(qū)動芯片選用L298N，最大驅(qū)動電流可達(dá)4A，采用兩兩電橋并聯(lián)驅(qū)動方式，具有較強(qiáng)的電流驅(qū)動能力，芯片輸出端外圍為快速二極管D20-D23組成的整流電路，提高了電流換向速度，滿足換向閥驅(qū)動實(shí)時性的需要。電磁閥的驅(qū)動信號通過電壓隔離芯片U301和U302反饋到微控制器的輸入端，從而檢測出駕駛員手動控制情況，實(shí)現(xiàn)自動手動的切換。微控制器采用Microchip公司PIC18F25K80，該處理器采用納瓦技術(shù)，功耗低、抗干擾能力強(qiáng)、外圍接口豐富，如CCP模塊(PWM)、MSSP模塊(SPI，I2C)、EUSART模塊、ECAN模塊、AD模塊等，可滿足系統(tǒng)應(yīng)用需求。電磁閥驅(qū)動模塊采用CAN總線通訊方式，布線簡單、抗干擾能力強(qiáng)，其CAN接口芯片選用高速收發(fā)器TJA1050，支持CAN技術(shù)規(guī)范2.0A/B, 最高傳輸速率達(dá)到1Mbps；內(nèi)部CAN協(xié)議模塊主要包括CAN協(xié)議驅(qū)動、過濾器、屏蔽器及收發(fā)緩存器，完成與CAN總線上模塊間的數(shù)據(jù)傳輸[12-15]。

圖6 電磁閥驅(qū)動電路圖

2.3 割臺高度檢測模塊

割臺油缸伸長量檢測選用KTC-700拉桿式位移傳感器。該傳感器直接將位移變化量轉(zhuǎn)換為0～5V電壓信號輸出，測量精度較高、重復(fù)性好，通過檢測割臺驅(qū)動油缸伸長量，來推算割臺離地高度。為了保證推算結(jié)果的精確度，需要對傳感器輸出值和割臺高度進(jìn)行一個校正，找出割臺高度與傳感器輸入量的一個對應(yīng)關(guān)系，通過校正試驗(yàn)來完成。圖7為位移傳感器校正試驗(yàn)曲線，橫坐標(biāo)為傳感器輸出值xs，縱坐標(biāo)為割臺高度值yg。校正試驗(yàn)分為割臺上升過程和下降過程，從圖7中可以看出：上升和下降過程重合度較高、誤差小，實(shí)際操作過程中可任選其中某一過程校正曲線。這里選用下降校正過程的線性擬合曲線，則有

yg=258.03·xs-245.03

(1)

相關(guān)系數(shù)為

R2≈0.999

(2)

圖7 傳感器校正曲線

3 試驗(yàn)分析

為了檢測割臺自動仿形控制控制系統(tǒng)性能可靠性及控制精度，2015年10月在河南省洛陽市孟津縣會盟鎮(zhèn)試驗(yàn)田中進(jìn)行聯(lián)合收割機(jī)割臺仿形控制田間試驗(yàn)，作業(yè)機(jī)具為4LZ-10稻麥聯(lián)合收割機(jī)，割臺寬度為5.8m，如圖8所示。

圖8 田間試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)步驟

首先，查看安裝在聯(lián)合收割機(jī)上的地面仿形機(jī)構(gòu)、割臺高度傳感器及驅(qū)動控制器等位置是否固定好，并對割臺仿形控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試；然后，選取一段比較平坦的田塊，啟動聯(lián)合收割機(jī)開始收割作業(yè)，通過軟件系統(tǒng)界面設(shè)定割臺作業(yè)高度，該值與割茬高度相對應(yīng)。聯(lián)合收割機(jī)進(jìn)行正常收割作業(yè)后，按下割臺自動控制按鍵，割臺高度由自動控制系統(tǒng)來進(jìn)行調(diào)控，同時軟件系統(tǒng)實(shí)時采集并保存割臺高度信息，以便于后續(xù)分析處理；最后，用米尺對收割作業(yè)后的割茬高度進(jìn)行測量，得到割臺高度測量值，與割臺設(shè)定高度進(jìn)行比較，以此對割臺高度自動控制系統(tǒng)性能進(jìn)行評價。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

圖9為割臺高度控制試驗(yàn)曲線，進(jìn)行了兩段控制試驗(yàn)，割臺高度分別設(shè)定為300mm和200mm。其中，圖9(a)顯示為割臺高度設(shè)定為300mm控制試驗(yàn)結(jié)果，圖9(b)顯示為割臺高度設(shè)定為200mm控制試驗(yàn)結(jié)果。從圖9中可以看出：割臺高度自動控制系統(tǒng)性能相對穩(wěn)定，割臺高度控制相對比較平滑，達(dá)到預(yù)期設(shè)計目標(biāo)。

(a) 割臺高度300mm

(b) 割臺高度200mm

對每段收割作業(yè)完成后的留茬高度進(jìn)行測量。沿著收割作業(yè)方向，每5m選一個測量位置，取6個測量位置；然后在測量位置處，再垂直收割作業(yè)方向上取3個割茬測量值，并進(jìn)行平均處理，作為收割作業(yè)方向上的一個割茬測量值，即為割臺高度測量值，與設(shè)定的割臺高度標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，如表1所示。經(jīng)數(shù)據(jù)分析，割臺高度自動控制系統(tǒng)控制誤差不大于12mm，可以滿足聯(lián)合收割機(jī)田間作業(yè)要求。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

通過地面仿形機(jī)構(gòu)獲取地面起伏情況，采集連接仿形壓板的角度傳感器信息，實(shí)現(xiàn)微地貌仿形控制。結(jié)合檢測油缸伸縮長度的方法，準(zhǔn)確推算出割臺高度，設(shè)計了割臺高度自動控制系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)聯(lián)合收割機(jī)割臺工作高度調(diào)整實(shí)時性和準(zhǔn)確性較差，且不能進(jìn)行割臺高度數(shù)據(jù)獲取和分析等問題。試驗(yàn)結(jié)果表明：割臺高度自動控制系統(tǒng)性能相對穩(wěn)定，割臺高度控制誤差不大于12mm，可以滿足聯(lián)合收割機(jī)田間作業(yè)要求。由于聯(lián)合收割機(jī)田間作業(yè)情況復(fù)雜，對于起伏較大的田塊，達(dá)到理論的控制性能，還需要進(jìn)一步進(jìn)行試驗(yàn)研究。

[1] 汪懋華.精細(xì)農(nóng)業(yè)發(fā)展與技術(shù)創(chuàng)新[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，1999，15(1)：1-8.

[2] 瑞雪.國外谷物聯(lián)合收割機(jī)的發(fā)展趨勢[J].當(dāng)代農(nóng)機(jī)，2010(7)：22.

[3] 陶秀峰.淺議聯(lián)合收割機(jī)發(fā)展的必然趨勢[J].農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)，2013，39(3)：11-13.

[4] 張認(rèn)成，桑正中，張際先.聯(lián)合收割機(jī)自動控制研究現(xiàn)狀與展望[J].江蘇理工大學(xué)學(xué)報，1998(2)：11-16.

[5] 李君略，俞龍，劉華，等.聯(lián)合收割機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)研究現(xiàn)狀及展望[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備，2005(12)：46-48.

[6] 楊術(shù)明，楊青，楊銀輝，等.基于超聲波傳感器的割臺高度控制系統(tǒng)設(shè)計[J].農(nóng)機(jī)化研究，2008(3):134-136.

[7] 劉小艷，師帥兵，李彩峰，等.圖像處理在割臺高度控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].農(nóng)機(jī)化研究，2009,31(4):178-180.

[8] Carlin, Jerry F. Electro-hydraulic control of combine header height and reel speed[J]. SAE, 1984(6):37-41.

[9] 王熙，王新忠.收獲機(jī)割臺高度無觸點(diǎn)式傳感器[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2001,32(1)：122-123.

[10] 朱劍，尹文慶，謝蓓.基于嵌入式的電液比例控制系統(tǒng)在聯(lián)合收割機(jī)割臺高度控制中的應(yīng)用[J].液壓與氣動，2012(1):83-86.

[11] 孟為國，金文忻.聯(lián)合收割機(jī)割臺高度自動控制系統(tǒng)設(shè)計[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械，2013(31):129-132.

[12] 謝蓓，尹文慶，朱劍.基于CAN總線的聯(lián)合收割機(jī)工作狀態(tài)智能化監(jiān)測系統(tǒng)研究[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012，40(4)：382-386.

[13] 饒運(yùn)濤，鄒繼軍，鄭勇蕓.現(xiàn)場總線CAN原理與應(yīng)用技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版杜，2004.

[14] 安秋，姬長英，周俊，等.基于CAN總線的農(nóng)業(yè)移動機(jī)器人分布式控制網(wǎng)絡(luò)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2008，39(6)：123-126.

[15] 魏新華，李耀明，陳進(jìn)，等.聯(lián)合收割機(jī)工作過程智能監(jiān)控裝置的系統(tǒng)集成[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2009，25(增刊2)：56-60.

Design and Experiment of the Ground Profiling Control System of Combine Header

Wei Liguo1,2，Che Yu1，Wang Fengzhu1,2，Li Wei1

(1.Chinese Academy of Agricultural Mechanization Sciences，Beijing 100083，China; 2.State Key Laboratories in areas of Soil-Plant-Machine System Technology, Beijing 100083，China)

In order to improve the automation level of combine harvester and reduce labor intensity, the ground profiling control system of combine header was developed. The header ground profiling mechanism was designed. It can vary with the terrain. The ground floating is acquired by angle sensor. The header height information is calculated by the displacement sensor detecting header cylinder expansion amount and ground profiling angle sensor. The hand-automatic control system of the header height was developed, and control experiment carried out in field. The test results show that the system has the advantages of simple structure, stable performance, header height control error is less than 12mm, which meet the requirements of field operations combine harvester.

no-tillage seeding machine; separated type; strip rotary; conservation tillage; unnual double-crop rotation

2016-04-13

國家國際科技合作專項(2015DFA71560)

偉利國(1978-),男，黑龍江雞西人，研究員，博士，(E-mail)weilg78@126.com。

S225.3

A

1003-188X(2017)05-0150-05