張英祥，李軍偉，王 進(jìn)，倪云龍，柳曉東

（1.山東理工大學(xué)交通與車(chē)輛工程學(xué)院，山東 淄博 255049；2.雷沃重工股份有限公司，山東 濰坊 261206）

0 引言

在水稻機(jī)械化種植技術(shù)中，水稻插秧機(jī)種植技術(shù)占有重要地位，秧苗的栽插深度是評(píng)價(jià)插秧機(jī)插秧質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，直接決定著秧苗成活率以及返青的一致性。21 世紀(jì)以來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)乘坐式高速插秧機(jī)的推廣，為解決插植作業(yè)過(guò)程中左右兩側(cè)秧苗插入深度差距較大這一現(xiàn)象，有關(guān)科研人員開(kāi)始重視對(duì)調(diào)平控制系統(tǒng)的研究和應(yīng)用[1-6]。

國(guó)外對(duì)于插秧機(jī)調(diào)平控制系統(tǒng)的研究起步較早，隨著技術(shù)的發(fā)展調(diào)平系統(tǒng)的控制精度和穩(wěn)定性基本趨于成熟[6,7]。國(guó)內(nèi)對(duì)插秧機(jī)調(diào)平控制系統(tǒng)的研究相對(duì)較少[8]，賈全[9]研制了水稻插秧機(jī)仿形系統(tǒng)，不僅實(shí)現(xiàn)了行走方向上的仿形，而且還實(shí)現(xiàn)了橫向仿形，但是由于采用了大量液壓控制元件導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)雜且維修困難。吳海東[10]設(shè)計(jì)了高速插秧機(jī)插植部水平智能控制系統(tǒng)，利用單片機(jī)發(fā)出指令控制繼電器的開(kāi)閉，來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向達(dá)到調(diào)平的效果，因其使用繼電器控制，所以無(wú)法對(duì)電機(jī)實(shí)現(xiàn)變速控制。因此，設(shè)計(jì)一款采用小型直流電機(jī)為執(zhí)行裝置且能夠?qū)崿F(xiàn)變速控制的調(diào)平控制系統(tǒng)具有十分重要的意義。本文在前者研究的基礎(chǔ)上,利用傾角傳感器把傾斜角度實(shí)時(shí)的反饋給調(diào)平控制器，調(diào)平控制器將輸入的傾斜角度同標(biāo)定的基準(zhǔn)角度進(jìn)行分析比較，通過(guò)PID 控制器計(jì)算得出不同占空比的PWM 信號(hào)輸出來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速和方向，保持插植部在預(yù)期狀態(tài)作業(yè)，以期實(shí)現(xiàn)插植部的快速精準(zhǔn)調(diào)平。

1 調(diào)平控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理

1.1 調(diào)平系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

插秧機(jī)插值部結(jié)構(gòu)如圖1 所示，由秧臺(tái)支架、浮舟、秧臺(tái)、傾角傳感器、彈簧、鋼絲繩、直流電機(jī)、調(diào)平拉桿等部分構(gòu)成，秧臺(tái)支架和浮舟用于承載秧臺(tái)和秧臺(tái)上秧苗，插植過(guò)程中秧爪抓取秧苗后插入水田內(nèi)，傾角傳感器實(shí)時(shí)反饋插植部當(dāng)前傾斜狀態(tài)，彈簧、鋼絲繩連接直流電機(jī)和調(diào)平拉桿，直流電機(jī)為調(diào)平過(guò)程中提供動(dòng)力。調(diào)平系統(tǒng)由信號(hào)采集模塊、信息處理模塊和系統(tǒng)執(zhí)行模塊構(gòu)成。調(diào)平系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)原理如圖2 所示，信號(hào)采集模塊由傾角傳感器、角度微調(diào)旋鈕和A/D 轉(zhuǎn)換電路等部分構(gòu)成，該模塊及時(shí)準(zhǔn)確的將所采集到的數(shù)據(jù)傳輸給信息處理模塊；信息處理模塊由調(diào)平控制器構(gòu)成，是整個(gè)調(diào)平系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)處理信號(hào)采集模塊采集來(lái)的數(shù)據(jù)和對(duì)系統(tǒng)執(zhí)行模塊作出決策；系統(tǒng)執(zhí)行模塊是安裝在秧臺(tái)支架上的可調(diào)速直流電機(jī)。

圖1 插值部結(jié)構(gòu)原理圖

圖2 調(diào)平系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)原理圖

信號(hào)采集模塊的角度微調(diào)旋鈕的主要作用是在作業(yè)過(guò)程中，當(dāng)插植部經(jīng)調(diào)平穩(wěn)定后不在水平位置或水田自身傾斜時(shí)，可以通過(guò)微調(diào)旋鈕來(lái)對(duì)標(biāo)定的基準(zhǔn)角度進(jìn)行預(yù)調(diào)節(jié)，微調(diào)旋鈕可調(diào)節(jié)的插植部角度范圍在-3～3°。安裝在插植部底部橫梁上的傾角傳感器將插植部的傾斜角度實(shí)時(shí)傳遞給調(diào)平控制器，測(cè)量精度為0.01°。限位開(kāi)關(guān)的作用是避免電機(jī)同方向持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，可有效避免彈簧卷入滾輪內(nèi)。離合開(kāi)關(guān)的作用是使上電后的調(diào)平控制器進(jìn)入調(diào)平模式，使插秧機(jī)在插植作業(yè)時(shí)進(jìn)行調(diào)平工作。標(biāo)定開(kāi)關(guān)的作用是消除傾角傳感器在裝配時(shí)產(chǎn)生誤差，對(duì)調(diào)平基準(zhǔn)值進(jìn)行重新標(biāo)定。

調(diào)平控制器需實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)和浮點(diǎn)運(yùn)算，要求有較高的運(yùn)算速度和性能，因此，選用意法半導(dǎo)體STM32F205 系列32 位單片機(jī)作為處理器，其ARM架構(gòu)的Cortex-M3 內(nèi)核，主頻達(dá)到120 MHz；具有低成本、低功耗、高性能的特點(diǎn)，符合本調(diào)平系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

系統(tǒng)執(zhí)行模塊是安裝在秧臺(tái)支架上的永磁直流電機(jī)，堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩達(dá)8 N·m，使用車(chē)載12 V 電源供電，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過(guò)鋼絲繩拉動(dòng)掛載在插植部上的彈簧使插植部產(chǎn)生擺動(dòng)，電機(jī)在不輸出轉(zhuǎn)矩的情況下有自鎖功能，可以一定程度上防止插植部在達(dá)到基準(zhǔn)位置后因其他因素?cái)_動(dòng)而出現(xiàn)自由轉(zhuǎn)動(dòng)的情況。

1.2 調(diào)平控制原理

當(dāng)水稻插秧機(jī)在水田進(jìn)行插秧作業(yè)時(shí)，調(diào)平控制器通過(guò)對(duì)插植手柄開(kāi)關(guān)信號(hào)的采集來(lái)檢測(cè)插秧機(jī)的插植部是否處于作業(yè)模式，安裝在插植部上的傾角傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量秧臺(tái)的傾斜角度，將其與標(biāo)定的基準(zhǔn)角度進(jìn)行比較分析，并判斷傾斜角度的大小以及方向。經(jīng)過(guò)PID 控制算法輸出PWM 信號(hào)，從而達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)速和方向的效果。

電機(jī)利用接收到的PWM 信號(hào)輸出轉(zhuǎn)矩帶動(dòng)滾輪轉(zhuǎn)動(dòng)，由滾輪拉動(dòng)鋼絲繩帶動(dòng)兩側(cè)彈簧對(duì)插值部的傾斜狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，同時(shí)傾角傳感器實(shí)時(shí)將插植部?jī)A斜角度反饋給調(diào)平控制器，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。

當(dāng)直流電機(jī)同方向轉(zhuǎn)動(dòng)幅度較大，而插植部仍處于傾斜狀態(tài)時(shí)，因控制器一直控制電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，為避免彈簧等部件被卷入滾輪等現(xiàn)象的發(fā)生，需要引入安全限位開(kāi)關(guān)裝置。在滾輪上設(shè)置凸起限位塊用來(lái)觸碰左/右側(cè)的限位開(kāi)關(guān)，電機(jī)同方向持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)將會(huì)觸碰限位開(kāi)關(guān)并發(fā)出信號(hào)給調(diào)平控制器，調(diào)平控制器停止輸出當(dāng)前極性PWM 信號(hào)，電機(jī)停止同方向轉(zhuǎn)動(dòng)。一旦出現(xiàn)相反方向的傾斜狀態(tài)時(shí)，控制器將會(huì)輸出相反極性PWM 信號(hào)控制電機(jī)反方向轉(zhuǎn)動(dòng)。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

插秧機(jī)在作業(yè)時(shí)需面臨復(fù)雜的水田環(huán)境，針對(duì)調(diào)平時(shí)插植部在水平基準(zhǔn)附近抖動(dòng)引起電機(jī)頻繁換向調(diào)節(jié)，導(dǎo)致系統(tǒng)調(diào)節(jié)精度降低的問(wèn)題，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了帶有雙閾值死區(qū)的PID 控制策略，解決了插植部的傾斜角度在死區(qū)邊界時(shí)電機(jī)出現(xiàn)頻繁調(diào)整的現(xiàn)象。因閾值存在，所以系統(tǒng)有一定的誤差，采用PID算法，利用積分累加可以有效地消除誤差，提高系統(tǒng)的控制精度和穩(wěn)定性。

雙閾值死區(qū)控制原理如圖3 所示，0°為調(diào)平過(guò)程中插植部達(dá)到的目標(biāo)傾斜角度，-0.4～0.4°為死區(qū)區(qū)間。當(dāng)插植部右傾時(shí)，傾斜角度由0°逐漸上升，當(dāng)插植部?jī)A斜角度達(dá)到0.5°時(shí)，此時(shí)達(dá)到死區(qū)邊界，如果角度不再增加，則調(diào)平系統(tǒng)不進(jìn)行調(diào)節(jié)。如果角度繼續(xù)增加超過(guò)0.5°時(shí)，PID 控制器開(kāi)始輸出PWM 信號(hào)，在調(diào)平系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用下，插植部?jī)A斜角度逐漸降低，如果小于0.3°時(shí)，PID 控制器停止輸出PWM 信號(hào)，調(diào)平系統(tǒng)停止工作。當(dāng)插植部左傾時(shí)同理。

圖3 雙閾值死區(qū)控制原理

以水平基準(zhǔn)值為目標(biāo)值，與插植部上的傾角傳感器反饋角度做差得到誤差值error(k)，經(jīng)雙閾值死區(qū)PID 控制器計(jì)算后，輸出相應(yīng)的PWM 信號(hào)，驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)進(jìn)行調(diào)平。

調(diào)平控制器上電后底層驅(qū)動(dòng)進(jìn)入初始化，初始化完畢后進(jìn)入程序主循環(huán)。如圖4 所示，系統(tǒng)先進(jìn)行故障檢測(cè)，通過(guò)比較采集進(jìn)來(lái)的數(shù)據(jù)是否在合理范圍內(nèi)判斷系統(tǒng)是否產(chǎn)生故障，如果檢測(cè)到故障產(chǎn)生，系統(tǒng)停止工作并向作業(yè)人員發(fā)出警告。在插秧離合開(kāi)關(guān)閉合后，系統(tǒng)通過(guò)讀取傳感器的數(shù)值，實(shí)時(shí)計(jì)算插植部的誤差角度，如果誤差角度不為0，則進(jìn)入雙閾值死區(qū)PID 控制算法。如圖5 所示，F(xiàn)lg 初始值為0。算法先判斷error(k)是否大于0.5，如若大于0.5 則error(k)=error(k)，同時(shí)標(biāo)志位Flg 置1，系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)；如果error(k)小于0.5，則判斷error(k)是否大于0.3，如若不大于0.3，則error(k)=0，同時(shí)標(biāo)志位Flg 置0，系統(tǒng)不進(jìn)行調(diào)節(jié)；如果error(k)大于0.3 則判斷標(biāo)志位Flg 是否為0，如若Flg=1，則error(k)=error(k)，系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，如若Flg=0，則error(k)=0，系統(tǒng)不進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)error(k)小于-0.5 時(shí)同理。

圖4 控制策略主流程圖

圖5 雙閾值死區(qū)PID 控制策略流程圖

3 調(diào)平控制器硬件設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)離不開(kāi)硬件系統(tǒng)的支持，設(shè)計(jì)的控制器硬件在滿足軟件運(yùn)行的前提下有較低的生產(chǎn)成本和較高的可靠性。控制器內(nèi)需要集成H 橋電路用來(lái)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，針對(duì)電流大、功率高等特點(diǎn)，要求有較高的散熱能力和絕對(duì)的安全性能。控制器硬件設(shè)計(jì)包括STM32F205 單片機(jī)最小系統(tǒng)、電源電路、AD 采集電路、低有效開(kāi)關(guān)采集電路、CAN 通信電路、H 橋電路。

3.1 電源電路設(shè)計(jì)

考慮到控制器內(nèi)部集成H 橋電路，為避免對(duì)其他電路元件造成干擾，同時(shí)減少板上的大電流布線，對(duì)外部12 V 電源在板內(nèi)分開(kāi)進(jìn)行濾波處理，一路給H 橋芯片供電，另一路給板上其它器件供電，包括主控芯片、CAN 通信等其它外圍電路。因調(diào)平控制系統(tǒng)中含有5 V 供電的微調(diào)旋鈕等部件，所以設(shè)計(jì)兩路5 V 電源輸出電路供傳感器使用，如圖6 所示。

圖6 電源供電電路

3.2 低有效開(kāi)關(guān)采集電路

設(shè)置調(diào)平控制系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)量為低有效，電路的起始端加一個(gè)上拉電阻，為輸入端懸空時(shí)提供一個(gè)穩(wěn)定的輸入電平，防止出現(xiàn)其他信號(hào)干擾。使用常見(jiàn)的RC 低通濾波電路去除因開(kāi)關(guān)抖動(dòng)產(chǎn)生的高頻干擾信號(hào)。如圖7 所示。

圖7 低有效開(kāi)關(guān)采集電路

3.3 AD采集電路

在調(diào)平控制系統(tǒng)中，微調(diào)旋鈕輸出電壓信號(hào)給單片機(jī)，采樣精度最高達(dá)12 位。在單片機(jī)采集之前，AD 采集電路將信號(hào)進(jìn)行了連續(xù)的兩次濾波處理，包括電容濾波和RC 低通濾波，確保接入單片機(jī)信號(hào)的純凈。如圖8 所示。

圖8 AD 采集電路

3.4 CAN通信電路

由于單片機(jī)內(nèi)部集成了CAN 控制器，所以此處只需匹配收發(fā)器即可。CAN 收發(fā)器的作用主要是電平轉(zhuǎn)換，在發(fā)送報(bào)文時(shí)，CAN 收發(fā)器將待發(fā)送的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為差分電壓；在接收?qǐng)?bào)文時(shí)，CAN 收發(fā)器將差分電壓轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)，如圖9 所示。

3.5 H橋電路

由兩個(gè)相同結(jié)構(gòu)的電路組合構(gòu)成一個(gè)H 橋整橋電路，選用英飛凌BTN8962TA 大電流PN 半橋，該半橋芯片具有電流檢測(cè)、過(guò)溫、欠壓、短路保護(hù)等功能，最高承受電壓達(dá)40 V，最高電流30 A，滿足本系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要。電路原理圖如圖10 所示。

圖10 H 橋電路

4 田間試驗(yàn)

插秧機(jī)調(diào)平控制系統(tǒng)調(diào)平目的是保證秧苗最終的插入深度一致，在行駛過(guò)程中，不發(fā)生插秧機(jī)因車(chē)身傾斜帶動(dòng)插植部?jī)A斜，導(dǎo)致插植部一側(cè)秧苗沒(méi)有插入水田中，而另一側(cè)被水淹沒(méi)等現(xiàn)象。如圖11所示。

圖11 插秧機(jī)水田作業(yè)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

4.1 整地泡田

在收獲上季水稻之后，需要對(duì)水田進(jìn)行整地，使用翻地旋耕等方法將上層雜草等旋至土中，整地深度保持在12～15 cm，保持水深為5～7 cm，沉淀時(shí)間為15～20 d，如果沉淀時(shí)間過(guò)短，會(huì)因水田過(guò)于松軟，導(dǎo)致插秧機(jī)前進(jìn)困難。插秧時(shí)水田水面應(yīng)保持在1 cm 左右，如果田內(nèi)水過(guò)深會(huì)導(dǎo)致漂秧甚至淹沒(méi)秧苗，過(guò)淺會(huì)在插秧時(shí)秧爪粘泥導(dǎo)致粘苗，造成漏插、傷苗等現(xiàn)象。

4.2 秧苗深度數(shù)據(jù)采集

本次試驗(yàn)使用兩臺(tái)六行插秧機(jī)在同一水田內(nèi)作業(yè)，為準(zhǔn)確地反映出秧苗插植的最大偏差深度，插秧作業(yè)后選取插植部的最左側(cè)和最右側(cè)共計(jì)150 組600 棵秧苗，拔取測(cè)量插入深度后，將最左側(cè)秧苗插入深度與最右側(cè)秧苗插入深度相減得到偏差，然后進(jìn)行數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)分析。圖12 所示為一臺(tái)使用本調(diào)平控制系統(tǒng)，另一臺(tái)使用市場(chǎng)現(xiàn)有調(diào)平控制系統(tǒng)的插秧深度偏差分布，經(jīng)計(jì)算分析本調(diào)平系統(tǒng)和市場(chǎng)調(diào)平系統(tǒng)其標(biāo)準(zhǔn)差分別為4.75、6.99，極差分別為29、38 mm，均值分別為0.17、0.30 mm?？梢?jiàn)本系統(tǒng)的插秧深度偏差分布相對(duì)集中，并且均值較小，具有較高的穩(wěn)定性，調(diào)平效果明顯優(yōu)于市場(chǎng)現(xiàn)有的主流調(diào)平系統(tǒng)，滿足插秧要求。

圖12 不同調(diào)平系統(tǒng)左右兩側(cè)插秧深度差變化分布

5 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)了一種插秧機(jī)自動(dòng)調(diào)平控制系統(tǒng)，介紹了其工作原理，利用基于雙閾值死區(qū)控制的PID 算法，有效提高了秧苗深度的一致性，同市場(chǎng)主流插秧機(jī)調(diào)平系統(tǒng)相比，極差、標(biāo)準(zhǔn)差等均有較大改善。雙閾值死區(qū)控制使其小角度時(shí)有較好的穩(wěn)定性，同時(shí)有效地過(guò)濾了水田內(nèi)因承力層起伏對(duì)插植部造成小的擾動(dòng)，具有相對(duì)較高的控制精度和插秧效果，符合本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。