陳智鍇，吳惠昌，張延化，彭寶良，顧峰瑋，胡志超

（農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京 210014）

0 引 言

花生是中國(guó)最具國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的優(yōu)質(zhì)優(yōu)勢(shì)油料作物，據(jù)中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒顯示，2016年中國(guó)花生種植面積為472.7萬(wàn)hm2，約占全球種植面積的17%，產(chǎn)量為1 729萬(wàn)t，約占全球產(chǎn)量的40%，分別位居世界第2位和第1位[1-2]。

花生是一種生產(chǎn)勞動(dòng)強(qiáng)度較大的土下作物，尤其是收獲作業(yè)，其用工量占整個(gè)花生生產(chǎn)過(guò)程的1/3以上，作業(yè)成本占整個(gè)生產(chǎn)成本的50%左右[3]。目前，中國(guó)花生收獲仍以人工為主，機(jī)械化收獲水平僅為 30%左右，其中以挖掘犁和簡(jiǎn)式挖掘機(jī)為主，集成度較高的半喂入兩行花生聯(lián)合收獲機(jī)在主產(chǎn)區(qū)也獲得一定應(yīng)用[4-8]。近年來(lái)，隨著人力成本的上升和規(guī)模化生產(chǎn)發(fā)展，對(duì)高效花生收獲機(jī)械設(shè)備需求日趨迫切。為此中國(guó)相關(guān)科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)研制了半喂入四行花生聯(lián)合收獲機(jī)、秧果兼收六行花生聯(lián)合收獲機(jī)和八行花生撿拾聯(lián)合收獲機(jī)等集成度高的高效聯(lián)合收獲裝備，使生產(chǎn)效率大幅提升，但目前這些收獲設(shè)備仍然存在著挖掘深度一致性較差、收獲時(shí)果實(shí)漏挖率和破損率較高等問(wèn)題[9-11]。

限深技術(shù)是降低收獲時(shí)果實(shí)破損率和漏挖率的關(guān)鍵技術(shù)之一，亦是減阻降耗、提高收獲機(jī)械經(jīng)濟(jì)性的有效措施[12-14]。在歐美發(fā)達(dá)國(guó)家中僅美國(guó)有規(guī)?；N植花生，種植土地集中、平整，收獲方式多采用兩段式收獲且收獲設(shè)備以大型為主，能為中國(guó)研究半喂入聯(lián)合收獲限深技術(shù)所借鑒的較少[15]。但歐美在甜菜、馬鈴薯等其他土下果實(shí)收獲設(shè)備上采用了比較先進(jìn)、成熟的自動(dòng)限深技術(shù)，具有一定的借鑒意義[16-18]。如德國(guó) ROPA公司生產(chǎn)的 uero-tiger V8-3大型甜菜收獲機(jī)采用的地面起伏量可視化的限深技術(shù)；德國(guó)Grimme公司生產(chǎn)的GT170型馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)裝備的 TERRA-CONTROL挖掘深度自動(dòng)控制系統(tǒng)等[19]。目前，中國(guó)花生聯(lián)合收獲機(jī)上采用的限深技術(shù)多為機(jī)械式和液壓式，如限深輪、限深板等，精度低、反應(yīng)慢[20]。而自動(dòng)限深技術(shù)尚處于研發(fā)階段且主要針對(duì)兩行花生聯(lián)合收獲機(jī)研制，如尚書(shū)旗等[21]發(fā)明了一種裝有位移測(cè)量機(jī)構(gòu)的自動(dòng)限深裝置；游兆延等[22]基于超聲波測(cè)距實(shí)現(xiàn)挖掘深度自動(dòng)控制等。粗獷落后的限深技術(shù)已成為制約中國(guó)花生機(jī)械化收獲作業(yè)性能的主要瓶頸之一，亟待突破與提升。

本文以本團(tuán)隊(duì)研制的 4HLB-4型半喂入四行花生聯(lián)合收獲機(jī)為載體，采用集成創(chuàng)新的方法，綜合利用多領(lǐng)域成熟技術(shù)設(shè)計(jì)了一套自動(dòng)限深系統(tǒng)，以期提高4HLB-4型半喂入四行花生聯(lián)合收獲機(jī)的作業(yè)性能、降低果實(shí)漏挖率和破損率，并為其他土下果實(shí)收獲機(jī)械自動(dòng)限深技術(shù)研究提供參考。

1 自動(dòng)限深系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

1.1 花生種植模式與生長(zhǎng)特性

中國(guó)花生主產(chǎn)區(qū)河南、山東、河北以及遼寧四大省份大多采用壟作種植方式[23]。壟作是田間起壟，將花生播種在壟上的種植方式，如圖 1所示，一般規(guī)格為壟距700～900 mm，壟高 100～150 mm，壟底寬 600～800 mm，壟面寬 400～600 mm，窄行距 250～300 mm，寬行距550～650 mm[3]。壟作可改善土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，有利于提高地溫和晝夜溫差，有利于合理密植和田間通風(fēng)透光，從而提高產(chǎn)量，同時(shí)排灌也較為方便，能有效防止積水爛果。隨著起壟機(jī)械的推廣和配套技術(shù)的完善，花生壟作栽培的面積呈逐漸增加的趨勢(shì)，同時(shí)壟作栽培技術(shù)亦日益規(guī)范，這為花生機(jī)械化收獲提供了便利條件。

圖1 花生種植方式和植株性狀Fig.1 Planting mode and plant character of peanut

目前，中國(guó)在主產(chǎn)區(qū)大面積推廣的花生品種如魯花系列、豫花系列等大多為直立型，主莖垂直于地面，植株高度為350～600 mm，結(jié)果范圍為φ150～250 mm，結(jié)果深度為60～100 mm[3]?；ㄉ纳L(zhǎng)特性參數(shù)為自動(dòng)限深裝置設(shè)計(jì)提供參考。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2a所示，自動(dòng)限深系統(tǒng)由限深仿形機(jī)構(gòu)、挖掘深度調(diào)整機(jī)構(gòu)、液壓執(zhí)行系統(tǒng)、單片機(jī)控制系統(tǒng)和控制軟件組成。

圖2 自動(dòng)限深系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖與原理框圖Fig.2 Block diagram and diagram of automatic depth control system

系統(tǒng)工作原理框圖如圖2b所示，限深仿形機(jī)構(gòu)感知壟面起伏變化，并將起伏變化量轉(zhuǎn)化為角度信息傳至角度編碼器，角度編碼器將角度信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)傳輸給控制器，控制器根據(jù)程序分析角度信號(hào)后輸出電磁閥控制信號(hào)，打開(kāi)液壓缸驅(qū)動(dòng)油路，由液壓缸驅(qū)動(dòng)挖掘深度調(diào)整機(jī)構(gòu)，調(diào)整挖掘鏟高度，同時(shí)并行于收獲臺(tái)驅(qū)動(dòng)液壓缸安裝的鉸接式直線(xiàn)位移傳感器將液壓缸伸縮位移量反饋回控制器，控制器經(jīng)分析處理后調(diào)整輸出控制信號(hào)，確保挖掘深度穩(wěn)定一致，使整個(gè)自動(dòng)限深系統(tǒng)形成閉環(huán)反饋系統(tǒng)[24]。

2 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 限深仿形機(jī)構(gòu)

限深仿形機(jī)構(gòu)主要功能是對(duì)壟面進(jìn)行仿形，提取壟面起伏變化信號(hào)并傳遞給角度編碼器，并由角度編碼器轉(zhuǎn)化后輸出。傳統(tǒng)的仿形機(jī)構(gòu)有限深板和限深輪，限深板前行阻力大，限深輪質(zhì)量較大容易下陷，前置時(shí)均會(huì)因?yàn)閴涸诨ㄉ砺隙绊懱崛⌒盘?hào)準(zhǔn)確度。本文設(shè)計(jì)了一種較為新穎的隨壟前置輻桿式仿形輪，能有效提取壟面起伏變化信號(hào)，保證提取信號(hào)的準(zhǔn)確度和精度。限深仿形機(jī)構(gòu)如圖3a所示，結(jié)構(gòu)及工作原理如下：工作時(shí)，輻桿式仿形輪 5在壟面秧蔓間滾動(dòng)而不壓倒秧蔓，并隨壟面起伏變化帶動(dòng)擺桿4上下擺動(dòng)，然后擺桿4將由輻桿式仿形輪 5傳遞來(lái)的壟面起伏信號(hào)轉(zhuǎn)化為角度信號(hào)傳至角度編碼器3，角度編碼器3再將角度信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)并傳輸至控制器[25-26]。

以左限深仿形機(jī)構(gòu)為例，工作過(guò)程如圖3b所示，輻桿式仿形輪沿壟面滾動(dòng)前進(jìn)，由C點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到D點(diǎn)，并帶動(dòng)擺桿隨著壟面起伏轉(zhuǎn)動(dòng)，擺桿與垂直方向的夾角由初始值α0變?yōu)棣?。根據(jù)幾何關(guān)系可得

則左側(cè)壟面起伏量LhΔ

設(shè)計(jì)值取L=460 mm，R=340 mm，代入（2）式可簡(jiǎn)化為

同理可得，右限深仿形機(jī)構(gòu)探測(cè)的壟面起伏量hΔR與角度編碼器的角度值β0、β1的關(guān)系如下

式中hΔR為右壟面起伏高度，β0為右擺桿與垂直方向的初始夾角，β1為右擺桿與垂直方向的實(shí)時(shí)夾角，Δβ=β1-β0＜0時(shí)表示右壟面下凹。

左、右限深仿形機(jī)構(gòu)安裝在收獲架上，位于挖掘鏟正前方，實(shí)現(xiàn)超前仿形。參考花生結(jié)果深度范圍并保留一定的系統(tǒng)控制余量，一般設(shè)置挖掘深度為120 mm，根據(jù)仿形輪與挖掘鏟安裝位置關(guān)系得到限深仿形機(jī)構(gòu)的超前仿形量為450 mm。收獲機(jī)常用收獲作業(yè)速度為1.0～1.5 m/s，即仿形提取信號(hào)超前0.30～0.45 s，可與系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間適當(dāng)?shù)窒?/p>

圖3 限深仿形機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖和工作示意圖Fig.3 Structural diagram and working diagram of depth-control profiling mechanism

2.2 挖掘深度調(diào)整機(jī)構(gòu)

本系統(tǒng)以 4HLB-4型半喂入四行花生聯(lián)合收獲機(jī)為載體，4HLB-4型半喂入四行花生聯(lián)合收獲機(jī)的主要部件與性能參數(shù)如表1所示。

表1 4HLB-4型半喂入四行花生聯(lián)合收獲機(jī)的主要部件及性能參數(shù)Table1 Major components and performance parameters of 4HLB-4 type semi-feeding four-row peanut combine harvester

圖4為4HLB-4型半喂入四行花生聯(lián)合收獲機(jī)自動(dòng)限深系統(tǒng)的挖掘深度調(diào)整機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖，結(jié)構(gòu)原理如下：左收獲臺(tái)15與總收獲臺(tái)支架14固定連接，由對(duì)稱(chēng)布置的總收獲臺(tái)液壓缸7、12驅(qū)動(dòng)，繞傳動(dòng)軸9轉(zhuǎn)動(dòng)；右收獲臺(tái)2與總收獲臺(tái)支架14通過(guò)右收獲臺(tái)支架3、4鉸接，并由右收獲臺(tái)液壓缸 6驅(qū)動(dòng)。系統(tǒng)工作過(guò)程中，控制器輸出右收獲臺(tái)調(diào)整信號(hào)時(shí)，右收獲臺(tái)液壓缸6驅(qū)動(dòng)右收獲臺(tái)2繞右收獲臺(tái)支架3、4轉(zhuǎn)動(dòng)，改變右挖掘鏟的高度以保證右壟挖掘深度不變；控制器輸出左收獲臺(tái)控制信號(hào)時(shí)，總收獲臺(tái)液壓缸7、12驅(qū)動(dòng)總收獲臺(tái)支架14并帶動(dòng)左、右收獲臺(tái)15、2繞傳動(dòng)軸9轉(zhuǎn)動(dòng)，改變左挖掘鏟的高度以維持左壟挖掘深度穩(wěn)定，同時(shí)，右收獲臺(tái)液壓缸 6反向驅(qū)動(dòng)右收獲臺(tái)2轉(zhuǎn)動(dòng)以抵消左收獲臺(tái)調(diào)整帶來(lái)的偏差。綜上，該調(diào)整機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了左、右收獲臺(tái)獨(dú)立控制且右收獲臺(tái)作為左收獲臺(tái)二級(jí)從動(dòng)機(jī)構(gòu)控制，有效降低了左右收獲臺(tái)調(diào)整機(jī)構(gòu)和液壓系統(tǒng)的復(fù)雜程度以及制造成本。

圖4 挖掘深度調(diào)整機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.4 Structural diagram of excavation depth adjustment mechanism

左挖掘鏟深度調(diào)整示意如圖5a所示，O1為傳動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)中心，O2為總收獲臺(tái)液壓缸與底盤(pán)下支架的鉸接點(diǎn)，A、A’為挖掘鏟刃的中點(diǎn)，B、B’為總收獲臺(tái)液壓缸位于總收獲臺(tái)上的力作用點(diǎn)。當(dāng)左限深仿形機(jī)構(gòu)探測(cè)到左壟面起伏時(shí)，控制器根據(jù)式（3）得出起伏變化量ΔhL。為保持左挖掘鏟挖掘深度一致，控制器通過(guò)驅(qū)動(dòng)總收獲臺(tái)液壓缸來(lái)調(diào)整左收獲臺(tái)并帶動(dòng)左挖掘鏟提升或下降相同的高度。左挖掘鏟調(diào)整的實(shí)時(shí)高度通過(guò)位移傳感器測(cè)得總收獲臺(tái)液壓缸的位移量反饋給控制器。根據(jù)幾何關(guān)系可求得左收獲臺(tái)需要調(diào)整的高度 ΔhL與總收獲臺(tái)液壓缸長(zhǎng)度d3i的對(duì)應(yīng)關(guān)系，求解過(guò)程如下

則

設(shè)計(jì)值取 d=2126 mm，d1=701 mm，d2=834 mm，θ=0.367 rad，且d3為總收獲臺(tái)液壓缸初始長(zhǎng)度，在系統(tǒng)工作前由控制器從位移傳感器采集得到，故可認(rèn)為是已知值，則

其中

右挖掘鏟深度調(diào)整示意如圖5b所示，O1’為右收獲臺(tái)支架的中心，O2’為右收獲臺(tái)液壓缸與總收獲臺(tái)支架的鉸接點(diǎn)，C、C’為挖掘鏟刃的中點(diǎn)，D、D’為右收獲臺(tái)液壓缸作用于位于右收獲臺(tái)上的力作用點(diǎn)。當(dāng)右限深仿形機(jī)構(gòu)探測(cè)到右壟面起伏時(shí)，控制器根據(jù)式（4）得出起伏變化量ΔhR。為保持右挖掘鏟挖掘深度穩(wěn)定，控制器驅(qū)動(dòng)右收獲臺(tái)液壓缸來(lái)調(diào)整右收獲臺(tái)并帶動(dòng)右挖掘鏟提升或下降相同的高度。右挖掘鏟調(diào)整的實(shí)時(shí)高度通過(guò)位移傳感器測(cè)得右收獲臺(tái)液壓缸的位移量反饋給控制器。根據(jù)幾何關(guān)系可求得右收獲臺(tái)需要調(diào)整的高度 ΔhR與對(duì)應(yīng)的右收獲臺(tái)液壓缸長(zhǎng)度l3i的對(duì)應(yīng)關(guān)系，求解過(guò)程如下

圖5 左右挖掘鏟深度調(diào)整示意圖Fig.5 diagram of left and right digging shovel depth adjustment

挖掘深度由輻桿式仿形輪底部至挖掘鏟刃的垂直距離決定，且限深仿形機(jī)構(gòu)的擺桿與固定安裝在收獲架上的安裝基座鉸接。無(wú)論是壟面起伏變化引起的仿形輪上下浮動(dòng)并帶動(dòng)擺桿轉(zhuǎn)動(dòng)，還是底盤(pán)俯仰帶動(dòng)收獲架擺動(dòng)，都會(huì)使角度編碼器角度值發(fā)生變化，并觸發(fā)限深系統(tǒng)控制液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)整挖掘鏟高度，以維持挖掘深度穩(wěn)定。因此，該裝置在底盤(pán)俯仰角度及變化速率較小的情況下具有自動(dòng)調(diào)整的能力。而當(dāng)收獲機(jī)姿態(tài)突然發(fā)生改變，即俯仰角度和速率較大時(shí)，系統(tǒng)可能會(huì)反應(yīng)不及時(shí)，造成較大的系統(tǒng)控制誤差，此時(shí)，需放慢收獲機(jī)作業(yè)速度，為控制系統(tǒng)提供足夠的反應(yīng)時(shí)間。

3 液壓執(zhí)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)

液壓執(zhí)行系統(tǒng)原理如圖 6所示，三位四通電磁換向閥 10、11為主控制閥，液壓缸 12、13為執(zhí)行元件。當(dāng)自動(dòng)限深系統(tǒng)啟動(dòng)后，控制器首先輸出二位二通電磁換向閥 5的控制信號(hào)，使高壓油進(jìn)入到控制油路。然后再根據(jù)左、右限深仿形機(jī)構(gòu)探測(cè)的壟面起伏信號(hào)，輸出三位四通電磁換向閥10、11的控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)液壓缸12、13調(diào)整挖掘鏟高度，從而維持挖掘鏟挖掘深度穩(wěn)定[27-29]?；ㄉ?lián)合收獲機(jī)前進(jìn)速度以及壟面起伏量的不同，液壓缸的調(diào)整動(dòng)作速度和調(diào)節(jié)量也有所區(qū)別，因此，在液壓系統(tǒng)中增加了二位三通電磁換向閥8、9與節(jié)流閥6、7。當(dāng)左或右挖掘鏟調(diào)整量較小，需要放慢調(diào)整速度、精確調(diào)整時(shí)，控制器輸出二位三通電磁換向閥8或9的控制信號(hào)，使高壓油經(jīng)過(guò)節(jié)流閥6或7流回油箱，使液壓缸12或者13動(dòng)作平穩(wěn)、精確。溢流閥4的主要作用是保證系統(tǒng)油路的安全和油壓穩(wěn)定[30-31]。

圖6 液壓執(zhí)行系統(tǒng)原理圖Fig. 6 diagram of hydraulic actuating system

4 電子控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 硬件設(shè)計(jì)

電子控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖 7所示，主要由微處理器、供電電路、信號(hào)采集電路、電磁閥驅(qū)動(dòng)電路、顯示和報(bào)警電路及電子元器件等組成。

圖7 電子控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.7 Block diagram of electronic control system

4.1.1 微處理器

本系統(tǒng)采用宏晶公司 STC系列 8位單片微處理器IAP15W4K58S4，芯片內(nèi)部集成58 kB Flash程序存儲(chǔ)空間，4 kB內(nèi)部高速RAM，最多可以使用62個(gè)I/O口，運(yùn)行速度是普通8051的8～12倍[32]。芯片資源和性能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求。

4.1.2 電 源

為了保證微處理器系統(tǒng)供電穩(wěn)定，防止外界高壓信號(hào)干擾，微處理器系統(tǒng)的主供電電源部分采用ZLG公司寬壓輸入隔離穩(wěn)壓?jiǎn)屋敵?DC-DC模塊ZY_UHBD-6W_DS，其直流電壓輸入范圍為9～24 V，輸出為5 V。電磁閥驅(qū)動(dòng)電壓為12 V，本系統(tǒng)采用開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓集成電路LM2576S-12獲到，其可向電磁閥驅(qū)動(dòng)電路提供3 A的12 V直流電源。

4.1.3 存儲(chǔ)器

存儲(chǔ)器采用鐵電串行接口芯片 FM24C04，通過(guò) IIC總線(xiàn)與微處理器通訊，主要存儲(chǔ)角度編碼器和位移傳感器的初始角度、位移，實(shí)時(shí)控制參數(shù)和控制命令等參數(shù)。

4.1.4 通訊接口

采用USB轉(zhuǎn)串口芯片CH340T構(gòu)成UART通訊接口，通訊波特率采用9 600 bps，主要與計(jì)算機(jī)進(jìn)行程序下載，以及控制信息、參數(shù)和命令交互。

4.1.5 傳感器

角度編碼器采用長(zhǎng)春榮德光學(xué)有限公司的單圈絕對(duì)式編碼器RDE58BS10，分辨率為13位，采用SSI同步串行通訊方式，數(shù)字信號(hào)輸出。由于角度編碼器RDE58BS10采用RS422標(biāo)準(zhǔn)電平輸出，與微處理器I/O口的TTL電平不兼容，故選用MAX3087芯片實(shí)現(xiàn)RS422電平與TTL電平轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換電路如圖8所示。

圖8 角度編碼器電平轉(zhuǎn)換電路Fig.8 Level conversion circuit of angle encoder

位移傳感器采用深圳米朗科技有限公司的KPC系列鉸接式直線(xiàn)位移傳感器，量程分別為150和250 mm，0～5 V模擬電壓輸出，輸出信號(hào)經(jīng)接口電路連接到微處理器P1.4和P1.5口，由微處理器內(nèi)部高性能A/D轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，以便程序處理分析。

傳感器至微處理器接口電路由鉗位二極管、RC濾波整形電路組成，限幅-0.7～+5.7 V，去除干擾毛刺，提高接口抗干擾能力[33]。

4.1.6 電磁閥驅(qū)動(dòng)電路

電磁閥驅(qū)動(dòng)電路主要由PWM電磁閥驅(qū)動(dòng)器DRV102及阻容元件組成，如圖9所示[34]。DRV102芯片的引腳1為控制器TTL電平輸入，引腳6為脈寬調(diào)制（PWM）輸出，引腳2、3分別用于設(shè)置延遲時(shí)間和輸出PWM的占空比。本系統(tǒng)中引腳2接0.2 μF電容，引腳3接25 k?的電阻，設(shè)置延遲時(shí)間為0.2s，保證足夠大的開(kāi)啟時(shí)間和電流以使電磁閥能順利及時(shí)開(kāi)啟，當(dāng)電磁閥工作時(shí)間超過(guò)0.2 s時(shí)，DRV102輸出占空比為50%的PWM控制信號(hào)，維持電磁閥開(kāi)啟狀態(tài)，降低功耗和熱量產(chǎn)生。DRV102的引腳7為狀態(tài)標(biāo)志引腳，將本系統(tǒng)中7個(gè)電磁閥驅(qū)動(dòng)芯片DRV102的引腳7經(jīng)八輸入與門(mén)芯片CD4068（剩余輸入口接高電平）連接到微處理器外部中斷輸入口INT2，下降沿觸發(fā)。正常工作時(shí)引腳7為高電平，當(dāng)出現(xiàn)過(guò)熱、過(guò)流或欠流時(shí)輸出低電平，LED燈 HLMP-Q156導(dǎo)通發(fā)光，同時(shí)微處理器進(jìn)入中斷啟動(dòng)蜂鳴器提示芯片故障。D6為超快速恢復(fù)二極管 ES1K，反向恢復(fù)時(shí)間短，可有效消除電磁線(xiàn)圈反向續(xù)流，抑制浪涌。

圖9 電磁閥驅(qū)動(dòng)電路原理圖Fig.9 diagram of solenoid valve drive circuit

4.1.7 LCD顯示與LED狀態(tài)指示

顯示屏采用128×64圖形點(diǎn)陣LCD液晶顯示屏，用于顯示設(shè)置菜單、當(dāng)前系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)和故障報(bào)警等信息。LED燈與蜂鳴器以聲音和光的形式向駕駛者提示系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)信息。

4.2 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)控制軟件程序主要包括主程序、角度采集子程序和位移采集子程序，圖10為主程序流程圖。

系統(tǒng)控制軟件采用固定雙閾值死區(qū) PID控制算法，該控制算法可有效防止液壓缸頻繁動(dòng)作，增強(qiáng)抗干擾能力，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性[35-36]。本控制軟件的固定雙死區(qū)閾值為±20 mm，即壟面起伏量超過(guò)20 mm，實(shí)際挖掘深度超出100～140 mm范圍時(shí)，液壓缸開(kāi)始動(dòng)作調(diào)整收獲臺(tái)高度使挖掘鏟實(shí)際挖掘深度穩(wěn)定在（120±10） mm范圍內(nèi)。

圖10 主程序流程圖Fig.10 Flow chart of main program

由圖10可知，系統(tǒng)啟動(dòng)后可選擇是否設(shè)置挖掘深度，若是則系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)整挖掘深度為120 mm，調(diào)整目標(biāo)參數(shù)為左、右角度編碼器的角度值α0=β0=60o，并作為系統(tǒng)工作時(shí)角度編碼器的初始角度；若否可試挖后再啟動(dòng)系統(tǒng)，此時(shí)系統(tǒng)需要讀取角度編碼器及位移傳感器的初始角度和位移。然后依次循環(huán)檢測(cè)左、右壟面起伏變化，當(dāng)壟面起伏引起的左、右角度編碼器角度偏差|Δα|、|Δβ|＜2.8o時(shí)，控制器不輸出調(diào)整控制信號(hào)，只有角度偏差|Δα|、|Δβ|≥2.8o時(shí)才進(jìn)行調(diào)整，使挖掘鏟挖掘深度偏差控制在±10 mm以?xún)?nèi)，這樣有利于避免角度編碼器輸出的脈動(dòng)信號(hào)造成誤調(diào)整和控制動(dòng)作頻繁振蕩。同時(shí)，為保證液壓缸調(diào)整平穩(wěn)、精確，在調(diào)整開(kāi)始和結(jié)束時(shí)液壓缸回油路中接入節(jié)流閥進(jìn)行微調(diào)。根據(jù)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)總結(jié)，從液壓缸開(kāi)始動(dòng)作起，左、右收獲臺(tái)液壓調(diào)整油路中節(jié)流閥接入時(shí)間分別為500和300 ms時(shí)，調(diào)整動(dòng)作啟動(dòng)最為平穩(wěn)。在調(diào)整結(jié)束前，當(dāng)挖掘鏟挖掘深度偏差達(dá)到±20 mm內(nèi)時(shí)，接入節(jié)流閥進(jìn)行微調(diào)。此外，由于作業(yè)速度和壟面起伏量大小的影響，系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間會(huì)有波動(dòng)，大約為0.29～0.42 s。提取信號(hào)超前時(shí)間與系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間較高程度重合，因此系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間符合工作要求。

5 花生聯(lián)合收獲機(jī)自動(dòng)限深田間試驗(yàn)

5.1 試驗(yàn)條件

自動(dòng)限深田間試驗(yàn)于2017年8月在江蘇泗陽(yáng)八集鎮(zhèn)花生產(chǎn)地進(jìn)行，品種為天府9號(hào)，產(chǎn)量為4 500 kg/hm2，種植模式為單壟雙行、一穴兩株，壟底寬為670 mm，壟面寬為550 mm，窄行距為300 mm，寬行距為600 mm，壟距為900 mm，壟高為120 mm，株高為400～500 mm，結(jié)果范圍為φ150～250 mm，結(jié)果深度為60～100 mm，產(chǎn)地土壤類(lèi)型為沙壤土，土深0～120 mm范圍內(nèi)含水率約為10%，滿(mǎn)足聯(lián)合收獲條件。

5.2 試驗(yàn)方法與指標(biāo)

試驗(yàn)選擇土壤含水率基本相同的種植壟作為試驗(yàn)對(duì)象，設(shè)置挖掘深度為120 mm，啟動(dòng)自動(dòng)限深系統(tǒng)收獲6壟，關(guān)閉自動(dòng)限深系統(tǒng)人工限深收獲 6壟，交錯(cuò)進(jìn)行收獲試驗(yàn)，共收獲 12壟進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，收獲作業(yè)速度為1.0～1.2 m/s。每收獲一壟按照《花生收獲機(jī)作業(yè)質(zhì)量》測(cè)定該壟收獲的漏挖率、破損率及平均挖掘深度[37]。試驗(yàn)情況如圖11所示。

圖11 田間試驗(yàn)情況Fig.11 Field experiment condition

5.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)結(jié)果如表 2所示，統(tǒng)計(jì)分析顯示，人工限深收獲6壟的平均漏挖率為3.21%，平均破損率為2.34%，平均挖掘深度為134 mm，而采用自動(dòng)限深收獲6壟的平均漏挖率為1.08%，平均破損率為0.94%，平均挖掘深度為123 mm。通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)采用自動(dòng)限深系統(tǒng)后，平均漏挖率降低了2.13個(gè)百分點(diǎn)，平均破損率降低了1.4個(gè)百分點(diǎn)，平均挖掘深度偏差降低了 11 mm，而且挖掘深度偏差更加穩(wěn)定。綜上，可以看出4HLB-4型半喂入四行花生聯(lián)合收獲機(jī)裝備該自動(dòng)限深系統(tǒng)可提高其作業(yè)性能和穩(wěn)定性，降低收獲過(guò)程中的損失，從而提高經(jīng)濟(jì)效益。

表2 田間收獲試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Experiment results of field harvesting

6 結(jié) 論

1）針對(duì)傳統(tǒng)機(jī)械式限深板和限深輪或前行阻力大或質(zhì)量較大容易下陷、壟面仿形效果較差等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種輻桿式限深輪，壟面仿形時(shí)能有效避免壓倒花生秧蔓，提高仿形的準(zhǔn)確度和精度。

2）以4HLB-4型半喂入四行花生聯(lián)合收獲機(jī)為載體，綜合考慮左、右收獲臺(tái)調(diào)整與總收獲臺(tái)提升，設(shè)計(jì)了左、右收獲臺(tái)相對(duì)獨(dú)立控制且右收獲臺(tái)作為左收獲臺(tái)二級(jí)從動(dòng)控制機(jī)構(gòu)，有效降低了左、右收獲臺(tái)調(diào)整機(jī)構(gòu)和液壓系統(tǒng)的復(fù)雜程度以及制造成本。

3）綜合運(yùn)用電子傳感器技術(shù)、液壓傳動(dòng)技術(shù)和單片機(jī)控制技術(shù)，結(jié)合雙閾值死區(qū) PID控制算法，設(shè)計(jì)了一套自動(dòng)限深系統(tǒng)。4HLB-4型半喂入四行花生聯(lián)合收獲機(jī)采用該系統(tǒng)后，平均漏挖率降低了2.13個(gè)百分點(diǎn)，平均破損率降低了 1.4個(gè)百分點(diǎn)，平均挖掘深度偏差降低了11 mm，而且挖掘深度偏差更加穩(wěn)定，降低了收獲過(guò)程中的損失，提高了經(jīng)濟(jì)效益。