曾大為，羅海峰，毛　燦，朱　毅，瞿廉朋

收獲機割臺高度控制技術研究進展

曾大為，羅海峰，毛燦，朱毅，瞿廉朋

（湖南農(nóng)業(yè)大學機電工程學院，湖南 長沙 410128）

對國內(nèi)外收獲機割臺高度控制裝備結構與技術難點進行了綜述，并對割臺高度控制裝備的仿真優(yōu)化進行了總結，最后從農(nóng)機農(nóng)藝融合的角度對割臺高度控制技術的發(fā)展提出了展望與建議。

割臺；高度控制；仿形；仿真

收獲機割臺的功能主要是將直立的作物割下來，并均勻地輸送到過橋。它由切割器、撥禾輪、中央攪龍及傳動部件組成。收獲作物時，如果割茬高度過低，會引起脫粒滾筒的負荷增大、功耗變高，如果割茬高度過高也會影響后續(xù)耕種；菜葉收獲時，如果割茬過高，會增大收獲損失，如果割茬過低可能會造成割刀損傷。

以往的收獲機械，割臺的高度調(diào)整大多通過人工進行，導致其準確性和實效性大大降低[1]。聯(lián)合收獲機在田間作業(yè)時，往往因割臺高度調(diào)整不當，可能使作物割茬高度過高或過低，進而導致聯(lián)合收獲機會出現(xiàn)漏割、錯割以及割臺鏟土等情況，影響收獲作物的質量與聯(lián)合收獲機作業(yè)的質量和效率，嚴重時可能會導致機器故障，不能繼續(xù)進行收獲作業(yè)[2]。因此，割臺高度控制技術是聯(lián)合收割機的重點研究方向之一。

筆者在分析收獲機割臺高度控制技術研究現(xiàn)狀的基礎上，從割臺高度控制原理等方面進行研究闡述，并結合現(xiàn)階段收獲機割臺高度控制技術難點和存在的問題，對其進行討論并提出建議。

1　割臺高度控制技術研究現(xiàn)狀

割臺高度直接影響作物割茬高度，合理的割臺高度可以減少收獲損失，避免割臺損壞，保證收獲質量和收獲機的工作效率。

1.1　國內(nèi)研究現(xiàn)狀

近年來國內(nèi)學者對不同作物收獲的割臺高度控制裝備進行了大量研究。李科[3]等人設計了一款適應壟溝種植的甘蔗收割仿形割臺，在利用ADAMS軟件對四桿機構進行模型簡化的基礎上，利用ADAMS中的優(yōu)化模塊對四桿機構進行優(yōu)化，得出仿形桿最優(yōu)長度，從而完成對仿形機構的優(yōu)化設計。田東洋[4]等設計了一種薰衣草收割機切割高度可調(diào)節(jié)機構，如圖1所示。該機構主要由主臂活塞桿、輔臂活塞桿及連桿組成，可人為適時調(diào)節(jié)收割裝置距離地面的高度，完成收割過程，為研制薰衣草收獲機的研制提供了依據(jù)。

1　主臂活塞桿；2　輔臂活塞桿；3　連桿。

傳統(tǒng)聯(lián)合收割機所采用的機械仿形機構在對割臺高度進行調(diào)整時，存在實時性和準確性較差，且不能對割臺高度數(shù)據(jù)進行獲取和分析等問題。國內(nèi)學者主要從作物高度仿形和地面仿形兩個方面進行了研究。

為了滿足聯(lián)合收割機智能化的發(fā)展要求，楊述明[5]等設計了基于超聲波傳感器的割臺高度控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用8位AT89C52為主控制單元，通過在割臺底部安裝超聲波發(fā)射和接受探頭，根據(jù)超聲波傳感器的工作原理，對割臺當前高度和液壓缸當前位置進行測量，再按照PID控制算法進行處理，并產(chǎn)生相應的控制信號，驅動比例方向閥動作，實現(xiàn)割臺高度自動調(diào)節(jié)。該系統(tǒng)解決了傳統(tǒng)仿形機構調(diào)整割臺高度時實時性、準確性較差的問題。

李青龍[6]等人在對機械式、液壓式，以及電液式收獲臺高度仿形系統(tǒng)進行對比分析后，設計了一種傳感器式電液控制仿形裝置，如圖2所示。該裝置主要由電磁比例換向閥、控制器、仿形裝置等組成，由傳感器將仿形裝置的變化轉換為電信號并傳遞給控制器，再由控制器下達命令控制油缸伸縮來實現(xiàn)割臺的高度仿形。該控制系統(tǒng)具有系統(tǒng)響應快、穩(wěn)定性好、仿形精度高等優(yōu)點。

1　電磁比例換向閥；2　控制器；3　油缸；4　仿形裝置。

朱劍[7]等以S3C2440芯片為核心，設計了一款鑲入式電液比例控制系統(tǒng)，并應用于聯(lián)合收割機割臺高度自動控制系統(tǒng)中，克服了割臺工作高度調(diào)整實時性和準確性較差的問題，實現(xiàn)了割臺根據(jù)地面狀況進行自動調(diào)節(jié)，并可動態(tài)顯示割臺高度，降低勞動強度，提高勞動效率。

廖勇[8]等為碧浪4LZ-1.2履帶自走式聯(lián)合收割機設計了一套割臺高度自適應調(diào)節(jié)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用單側紅外反射的方式檢測作物高度，通過改變電磁閥閉合時間及方向來實現(xiàn)割臺升降。以作物實際切割高度為控制對象，采用模糊PID算法進行控制，并對系統(tǒng)進行運行試驗，實驗結果表明：割臺高度調(diào)節(jié)最大誤差為2 cm，作物高度檢測裝置的檢測范圍為0～2 cm，割臺升降時的系統(tǒng)反應速度分別為0.22 m/s，0.16 m/s。

偉利國[9]等研發(fā)了一款聯(lián)合收割機割臺地面仿形控制系統(tǒng)，設計了割臺地面仿形機構，如圖3所示。通過角度傳感器獲取仿形機構隨地面浮動的情況，并結合位移傳感器檢測油缸伸縮量，從而獲取割臺高度，并進行了田間試驗。其試驗結果表明：該系統(tǒng)結構簡單，性能穩(wěn)定，割臺高度控制誤差不大于12 mm，滿足田間作業(yè)要求。

圖3　割臺仿形結構示意圖

陳恒峰[10]等為了使收割機割臺便于實現(xiàn)自動化控制，同時提高割臺的通用性，以便快速安裝，實現(xiàn)一機多能的工作模式，以新疆C-2收割機為基礎，設計了一款獨立的通用型液壓割臺。其較傳統(tǒng)機械割臺，便于快速拆裝，工作效率更高，且各元件間的傳動與控制相互獨立，可通過提供最優(yōu)工作參數(shù)，提高生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益，降低損失。

陳進[11]等設計了一種水稻聯(lián)合收獲機割臺參數(shù)按鍵調(diào)節(jié)裝置，提出了撥禾輪轉速自動控制方法，建立了撥禾輪轉速數(shù)學模型，并結合PID算法實現(xiàn)撥禾輪轉速的自動控制，并對該調(diào)節(jié)裝置進行試驗。實驗結果表明：該裝置可對割臺高度、撥禾輪高度及前后位置與轉速參數(shù)進行自動調(diào)節(jié)，且基本滿足水稻收獲機割臺參數(shù)調(diào)節(jié)要求，為割臺參數(shù)調(diào)整依賴經(jīng)驗手工調(diào)節(jié)，操控不便等問題提供新的解決方法。

孟為國[12]等針對國內(nèi)采用機械式控制割臺的聯(lián)合收割機在作業(yè)或行駛過程中與凹凸不平的地面發(fā)生碰撞，造成經(jīng)濟損失等問題，設計了一種聯(lián)合收割機割臺高度自動控制系統(tǒng)。利用安裝在收割機割臺上的傳感器獲取割臺與地面之間的高度，然后利用PLD編程，將獲得的數(shù)據(jù)進行分析處理，通過割臺液壓升降系統(tǒng)發(fā)出指令來控制割臺自動升降。有利于提高工作效率，避免浪費，為割臺高度自動控制技術的發(fā)展提供理論與實踐支持。鄭美云[13]等設計一種木薯莖稈切割鋪放裝置的割臺升降仿形裝置，采用液壓升降裝置，割臺升降采用單作用液壓缸，結構簡單，操作靈敏力，可快速完成提升或下降動作。割臺升降仿形裝置如圖4所示。

1　活塞；2　柱塞桿；3　升降液壓缸；4　滑板；5　割臺；6　油口。

李雷霞[14]等設計了一種割臺高度固定控制裝置，它主要由割臺仿形板、連接桿、角度傳感器等組成，有效地解決了割臺高度過高造成的收獲損失和高度過低造成的喂入堵塞、作業(yè)負荷大等問題。

郝良軍[15]對用于農(nóng)作物秸稈回收的4KZ-300型自走式方捆機浮動割臺進行了設計，開發(fā)了一種傳感器技術與液壓蓄能器技術相結合的浮動割臺方案，并對該浮動割臺的工作原理及流程、系統(tǒng)結構進行了分析。該方案具有簡單、有效、廉價等優(yōu)點。

1.2　國外研究現(xiàn)狀

在國外，最新的割臺高度控制在其割茬高度控制及最佳速度的選擇上已成為技術的主流。

John Deere公司在其最新的70系列STS機型上，安裝了攜帶智能優(yōu)化系統(tǒng)和柔性仿形割臺系統(tǒng)的割臺，不僅可以完成割茬高度自動調(diào)節(jié)，而且能實現(xiàn)收獲速度自動控制，減少了收獲損失，保證了收獲過程的安全性和可靠性。

凱斯公司在其8010系列聯(lián)合收割機上安裝了浮式切割器和柔性仿形割臺，使收割機可以根據(jù)割臺的喂入量自動調(diào)節(jié)其行走速度，而且也很好地提高了割臺對低矮作物的切割效果。

克拉斯公司的Class LEX10X聯(lián)合收割機也安裝了柔性割臺，可以實現(xiàn)收割機自動控制割臺的高度和方向[16]。傳感機構是實現(xiàn)割臺高度自動控制的重要組成部分，而傳感器有點觸式和非點觸式兩種。在國外大多數(shù)采用機械傳感機構，而后者采用不多。

加拿大邁賽福格公司開發(fā)了MF860聯(lián)合收割機磁吸式割臺高度傳感機構，割臺下裝有傳感軸和彈性托板，作業(yè)時傳感軸在仿形托板隨地面起伏過程中轉過一定角度，經(jīng)拉桿使扇形傳感器左右擺動以控制相應傳感開關分離和閉合。

美國John Deere公司開發(fā)了JD-1075H聯(lián)合收割機觸點式割臺高度傳感機構，由仿形板、傳感軸、觸點式傳感盒及割臺高度指示器組成，指示器可在作業(yè)時指示割臺高度[17]。

KASSEN等[18]針對聯(lián)合收割機割臺高度液壓控制系統(tǒng)，設計了一種魯棒反饋線性化（RFL）控制器。在仿真條件下對控制器進行測試，并與傳統(tǒng)PID控制器進行比較后得出，RFL控制器在降低輸入功率的情況下，大大提高了割臺高度跟蹤性能，有助于減少發(fā)生在割臺上的收獲損失。

LOPES等[19]設計了一種聯(lián)合收割機最優(yōu)割臺高度控制系統(tǒng)，主要采用線性高期二次型回路傳遞恢復（LQG/LTR）方法，設計了一種最優(yōu)割臺高度控制器，以控制割臺高度。結果表明，采用LQG/LTR控制器可以在保持系統(tǒng)能量消耗水平不變的情況下，顯著提高系統(tǒng)抗干擾能力。

塞斯納流體動力分公司的CARLIN[20]對割臺高度控制系統(tǒng)中所采用的三種不同類型的閥門進行了詳細的描述。對電液控制系統(tǒng)中所采用的雙位閥、復式閥及比例閥的性能進行分析比較得出，采用全比例閥的系統(tǒng)性能最佳，但控制系統(tǒng)總體成本也最高。

BEAUJOT等[21]研發(fā)了一種割臺高度控制裝置，如圖5所示。該裝置主要由喂入室、割臺、仿形板、驅動器等組成。該割臺與仿形板分為左右兩部分，可分別實現(xiàn)對地面的仿形。驅動器驅動喂入室上下移動，使同地面接觸的仿形板與地面的接觸角度發(fā)生變化，從而使割臺上下浮動，實現(xiàn)對地面的仿形，保證收獲作業(yè)時割茬高度基本一致，避免鏟土。

9　割臺；12　仿形板；20　驅動器；26　計量器。

GARTER[22]設計了一種棉花收獲機收獲裝置高度控制系統(tǒng)，可以自動控制收獲裝置相對于地面輪廓的高度。收獲裝置的高度主要由根據(jù)地面輪廓驅動的升降機構控制。地面輪廓的變化被安裝在收獲裝置上的地面接合元件感知。該系統(tǒng)中，地面接合元件與液壓系統(tǒng)的控制閥相連，控制閥與升降機構相連，接合元件感知地面輪廓變化后，通過信號傳輸裝置，經(jīng)由連桿機構相連的信號接收裝置，由控制閥控制升降機構升降，從而控制收獲裝置的高度。

2　割臺高度控制基礎研究

割臺高度控制主要依靠高度控制系統(tǒng)進行控制，收獲機割臺高度控制理論研究是實現(xiàn)割臺高度實時性、準確性控制的重要基礎?，F(xiàn)對當前收獲機割臺高度控制裝置及系統(tǒng)的相關基礎研究進行闡述。

張振華[23]通過AMESim中的HCD模塊對聯(lián)合收割機割臺升降液壓系統(tǒng)進行了仿真分析。通過將負載敏感泵與割臺升降控制閥主要組成部分進行連接，建立割臺液壓系統(tǒng)仿真模型并進行仿真分析，真實地模擬了大型聯(lián)合收割機割臺升降系統(tǒng)的實際工作情況。

許兵宗[24]對一種割臺升降液壓缸進行運動分析，得出運動行程、線速度、位移及加速度等技術指標。采用Pro/E和ADAMS軟件建立各零部件和裝配件的三維模型，并進行運動仿真分析，得出其運動曲線。

程念[25]利用MATLAB/Simulink對采用基于Mamdani推理法模糊控制策略的割臺高度控制系統(tǒng)進行了仿真分析，以驗證該模糊控制策略的有效性。通過仿真對比得出：在有無干擾的情況下，模糊控制器均優(yōu)于傳統(tǒng)PID控制器。

胡焉為[26]利用Simulink工具，在基于一種新的葉菜收割機割臺高度控制策略的基礎上，對割臺數(shù)學模型進行仿真分析。分別采用階躍和正弦的地面輪廓輸入并在Simulink中運行后得出，該控制系統(tǒng)在階躍和正弦輸入下，對同側和異側的地面高度變化都能有及時穩(wěn)定地響應并進行高度調(diào)整。

孔朵朵[27]基于Solidworks Motion這一虛擬原型仿真工具，對收割機割臺進行運動仿真，并采用Motion設計算例運動仿真方法對割臺升降機構進行優(yōu)化設計，減小了收割機的縱向尺寸，為升降機構的優(yōu)化設計提供了新的思路。

李陽[28]提出了一種新型甜菜切頂裝置，對其仿形切削過程進行了理論分析，確定了鋸齒仿形滾筒的直徑、切削角度，對仿形切削機構進行了動力學分析，并利用ADAMS對其仿形切削過程進行仿真分析。提高了收獲效率，降低了勞動強度。鄔備[29]為解決山地丘陵地區(qū)苜蓿收獲難題，對集成了滑掌、浮動彈簧、連桿臂和提升液壓缸的小型自走式割草機聯(lián)合仿形裝置進行了理論分析。主要對仿形機構的結構進行闡述，并從仿形機構的工作狀態(tài)、升降狀態(tài)進行運動學分析。優(yōu)化了仿形裝置結構參數(shù)和工作參數(shù)。

3　討論和建議

現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)背景下，為了滿足當前收獲機高精度、良好的實時性、高效化、智能化的特點，對割臺高度控制技術也提出了新的要求。我國地形南北各異，需要根據(jù)各地區(qū)的實際情況，來展開收獲機割臺高度控制技術的研究。建議從以下幾個方面開展相關研究。

（1）國外發(fā)達國家已經(jīng)成功研發(fā)了針對割臺高度的測控設備，可以實時地通過各種傳感器及液壓系統(tǒng)測量分析，并調(diào)節(jié)割臺度，在收獲機上已有大量應用，但不太適合國內(nèi)的作業(yè)環(huán)境，不能直接應用到國內(nèi)的收獲作業(yè)中。因此國內(nèi)要加強自主創(chuàng)新力度。

（2）在采用超聲波、紅外等非接觸傳感器探測方式探測割臺離地高度時，易受田間草桿、土塊等雜物影響，且存在一定盲區(qū)，傳感器易損壞。而針對倒伏作物的機器視覺方法，雖然能通過采集前方未收割作物圖像，自動識別作物高度以調(diào)節(jié)割臺高度，但其測量成本較高，不利于推廣。因此，需要加強對測量裝置的研發(fā)，得出一種高效、準確且實惠的測量方法。

（3）農(nóng)藝與農(nóng)機相融合。我國南北地形差異大，北方地勢相對平坦，作業(yè)難度較小，南方多丘陵，耕地不集中，作業(yè)難度較大。應該將收獲機割臺高度控制技術的研究與農(nóng)藝要求深度融合，一方面割臺要適應作物的農(nóng)藝要求，另一方面，培育適合于機械化作業(yè)的作物品種以及優(yōu)化適合機械化作業(yè)的栽培模式，從而提升割臺高度控制技術的水平。

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Research progress on header height control technology of harvester

ZENG Dawei，LUO Haifeng，ZHU Yi，MAO Can，QU Lianpeng

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China)

This paper summarizes the structure and technical difficulties of header height control equipment at home and abroad，and the simulation optimization of header height control equipment. The prospect and suggestions for the development of header height control technologyare put forward from the perspective of agricultural machinery and agronomic integration at last.

header; height control; profiling; simulation

S225

A

2096–8736(2020)03–0001–06

湖南省科學技術廳重點項目（2017NK2131）。

曾大為（1996—），男，湖南常德人，碩士研究生，主要研究方向為農(nóng)業(yè)機械創(chuàng)新設計與試驗。

羅海峰（1976—），男，湖南邵陽人，博士，高級實驗師，主要研究方向為農(nóng)業(yè)機械裝備創(chuàng)新設計。