彭強吉，薦世春，宋和平，何青海，位國建，付乾坤，馬繼春

(山東省農(nóng)業(yè)機械科學研究院，濟南　250100)

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3MDZJ-1型電力驅(qū)動式棉花智能精準打頂機的研制

彭強吉，薦世春，宋和平，何青海，位國建，付乾坤，馬繼春

(山東省農(nóng)業(yè)機械科學研究院，濟南250100)

摘要：針對現(xiàn)有棉花打頂機械對棉花實際生長高度測量效果差及打頂過程中漏打頂、過打頂?shù)葐栴}，提出了檢測裝置與打頂裝置分開、升降動力與切割動力分開的方案，研制了一種基于FPGA的電力驅(qū)動式棉花智能精準打頂機。檢測裝置對棉花高度精準檢測，打頂裝置根據(jù)機具前進速度進行實時調(diào)整，實現(xiàn)了精準定量打頂；觸屏控制系統(tǒng)能夠?qū)崟r顯示作業(yè)速度、作業(yè)面積及監(jiān)控棉花打頂過程，大大提高了棉花打頂機械的智能化水平。田間試驗結(jié)果表明:整機結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，機具作業(yè)速度在2.97km·h-1以內(nèi)時，打頂率達90%以上，機具結(jié)構(gòu)設計合理，為棉花打頂機械化提供了技術(shù)支持。

關鍵詞：棉花打頂；打頂裝置；檢測裝置；智能控制

0引言

棉花是我國主要的經(jīng)濟作物，打頂是棉花增產(chǎn)增收的關鍵環(huán)節(jié)之一[1]。目前，國外主要通過化控技術(shù)控制棉花的生長趨勢[2]，國內(nèi)棉花打頂?shù)难芯恐饕性诨睾痛蝽攦蓚€領域。棉花化控技術(shù)性強，受棉花品種、天氣等因素影響顯著，多次噴灑增加了機具對土壤的有害壓實，不利于保護性耕作；同時污染環(huán)境及危害身體健康，其大面積推廣一直備受爭議[3-4]。人工打頂效率低、勞動強度大、用工成本高，嚴重制約了棉花全程機械化的發(fā)展[5]。

機械化和自動化的物理方法打頂正成為精確農(nóng)業(yè)科學領域的研究熱點。針對棉花打頂機械存在的問題，國內(nèi)多所院校及相關企業(yè)對棉花打頂機械進行了研究，并在傳感器、圖像識別等多個方向進行了相應的探索，取得了一定的效果[6-9]。但是，在田間復雜作業(yè)環(huán)境下，受機械振動、泥土灰塵較多、雨天、早上露水較大等問題的影響，打頂率及智能化水平有待提高，目前主要停留在試驗階段，沒有成熟的產(chǎn)品投放市場。

針對上述情況，本文研制了一種以FPGA控制器為核心的電力驅(qū)動式棉花智能精準打頂機。該機通過檢測裝置與打頂裝置分開、升降動力與切割動力分開的方案，實現(xiàn)精準定量去除棉花頂芯，達到去除棉花頂端優(yōu)勢的效果，提高了棉花產(chǎn)量和質(zhì)量，降低了勞動強度。同時，智能觸屏控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)一鍵控制，實時顯示機具前進速度、作業(yè)面積及監(jiān)控作業(yè)狀態(tài)等，大大提高了棉花機械打頂?shù)闹悄芑健?/p>

1結(jié)構(gòu)設計

1.1　設計原理

針對現(xiàn)有棉花打頂機械對棉花實際生長高度測量效果差及打頂過程中漏打頂、過打頂?shù)葐栴}，研制了電力驅(qū)動式棉花智能精準打頂機。該機通過對棉花收攏-檢測-計算位移量-響應切割的方法完成棉花打頂作業(yè)。棉花打頂機作業(yè)后，棉花實際生長高度與打頂后高度效果圖，如圖1所示。

圖1　棉花打頂前后高度效果圖

其優(yōu)點是檢測裝置與打頂裝置分開、升降動力與切割動力分開，既能避免棉花高度檢測與棉花頂部的切割相互干擾，又便于升降動力與打頂切割動力的靈活調(diào)節(jié)；智能控制系統(tǒng)能夠根據(jù)機具作業(yè)速度實時調(diào)整，大大提高了棉花打頂?shù)木珳市?。該機具采用前懸掛裝置與高地隙拖拉機配套使用，方便拖拉機后部懸掛噴藥裝置，實現(xiàn)了一機多用，減少了機具的進地次數(shù)，降低了作業(yè)成本，對棉花全程機械化作業(yè)具有重要意義。

1.2　整機結(jié)構(gòu)

電力驅(qū)動式棉花智能精準打頂機，主要由觸摸屏、控制柜、升降裝置、數(shù)字攝像頭、機架、導軌、拉桿、打頂裝置、滑塊、前懸掛裝置、加固裝置、檢測裝置及編碼器等組成，如圖2所示。

1.觸摸屏　2.控制柜　3.升降裝置　4.數(shù)字攝像頭

整機結(jié)構(gòu)以機架為基準，控制柜固定于機架前端上部，對整機進行智能控制；觸摸屏安裝于駕駛室通過電纜與控制柜連接，完成作業(yè)過程一鍵控制；升降裝置通過U型螺栓固定于機架中部，通過螺栓與打頂裝置連接，為打頂裝置提供升降動力并根據(jù)控制器實現(xiàn)精準位移；打頂裝置通過螺栓與滑塊固定，滑塊與導軌配合，導軌通過螺栓固定于機架上，保證垂直移動，完成打頂切割過程；檢測裝置通過螺栓固定于機架下部，左右對稱安裝，完成棉花高度檢測過程；編碼器與輪軸連接，將機具實時前進速度反饋給控制器；整機通過前懸掛裝置與拉桿固定于拖拉機前部。

1.3　關鍵部件設計

1.3.1升降裝置

升降裝置主要由升降伺服電機、減速器、底座、聯(lián)軸器、固定板、上橫梁、軸承、絲杠、絲母及下橫梁等組成，如圖3所示。工作過程中，由升降伺服電機提供驅(qū)動動力，通過控制電機轉(zhuǎn)速快慢調(diào)節(jié)絲桿轉(zhuǎn)速；電機正反轉(zhuǎn)帶動絲杠正反轉(zhuǎn)，絲杠帶動與其配合的絲母完成上下移動；與絲母連接的打頂裝置完成打頂作業(yè)。移動速度由導程與電機轉(zhuǎn)數(shù)決定，在導程一定的情況下，控制器通過控制電機單位時間內(nèi)的轉(zhuǎn)數(shù)實現(xiàn)絲母定量移動，進而實現(xiàn)打頂裝置定量打頂。

1.伺服電機　2.減速器　3.底座　4.聯(lián)軸器　5.固定板

電機選用60ASM400-24V低電壓交流伺服電機，電源由拖拉機自帶電池經(jīng)逆變器提供?？刂破魍ㄟ^調(diào)節(jié)電流方向?qū)崿F(xiàn)正反轉(zhuǎn)，通過調(diào)節(jié)脈沖頻率控制電機單位時間內(nèi)的轉(zhuǎn)數(shù)。減速器傳動比為1/5，與電機固定增加轉(zhuǎn)矩，增加升降動力。

1.3.2打頂裝置

打頂裝置主要由伺服電機、底座、聯(lián)軸器、軸承、刀軸及鋸齒圓盤刀等組成，如圖4所示。底座通過滑塊與導軌配合，依靠導軌作用保持垂直移動，打頂動力由安裝在底座上面的打頂伺服電機提供；為保證打頂?shù)遁S的垂直性及穩(wěn)定性采用雙軸承固定；打頂?shù)恫捎脦т忼X的圓盤刀，極大增加了切削效果；刀軸轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向可根據(jù)實際需要通過觸摸屏設定。

1.3.3檢測裝置

檢測裝置主要由前扶禾板、測量光幕、固定角鋼、護板及光幕固定板等組成，如圖5所示。檢測裝置在機架上為左右對稱安裝，前扶禾板將行間棉花收攏到一起便于測量光幕檢測；光幕安裝過程中應保證對稱度及穩(wěn)定性，同時加裝橡膠條予以減震保護。

1.打頂伺服電機　2.底座　3.聯(lián)軸器　4.軸承　5.刀軸　6.打頂?shù)?/p>

1.前扶禾板　2.測量光幕　3.固定角鋼

測量光幕是一種特殊的光電傳感器，由相互分離且相對放置的發(fā)射器和接收器兩部分組成。由發(fā)射器產(chǎn)生相同間距的光束陣列，形成一個“光幕”，以一種不間斷循環(huán)掃描的方式對其檢測區(qū)域進行實時監(jiān)控掃描，掃描后的數(shù)據(jù)配合控制器及其軟件，實現(xiàn)棉花高度測量[10]。光幕為定制元件，測量高度范圍30cm，響應時間小于20ms(深圳斑馬線科技有限公司生產(chǎn))。

1.3.4前懸掛裝置

前懸掛裝置主要由上掛板、矩形管橫梁及懸掛板組成，各部分間通過焊合連接到一起，如圖6所示。

1.上掛板　2.矩形管橫梁　3.懸掛板

矩形管橫梁上安裝孔尺寸位置與高地隙拖拉機前部掛接配重的安裝孔位置相對應；該裝置通過細牙螺栓固定到拖拉機前部，與機架通過拉桿及銷軸掛接。

1.3.5機架

整個機架由一定尺寸的方管及掛板焊接而成，如圖7所示。管板焊接于機架后端上部橫梁位置，機架后端豎梁中下部均布有間距為4cm的安裝孔；作業(yè)前，機架需要根據(jù)田間棉花實際生長高度進行安裝，保證棉花頂部波動范圍在平面光柵尺的測量范圍內(nèi)。

1.方管　2.掛板

2控制系統(tǒng)設計

2.1　硬件電路設計

整機控制系統(tǒng)以FPGA構(gòu)建的控制器為核心元件，主要由速度檢測編碼器、檢測光幕、數(shù)字攝像頭、伺服電機、通訊電路、電源開關、FPGA控制器等組成，如圖8所示。

圖8　控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

傳感器電路實現(xiàn)檢測指標的信號采集，數(shù)字攝像頭實現(xiàn)數(shù)字信號實時采集，伺服電機驅(qū)動電路實現(xiàn)升降控制及刀軸轉(zhuǎn)速控制。其中，觸摸屏由輸入、輸出、顯示電路等組成，主要實現(xiàn)人機交互、顯示即時指標信息及實時監(jiān)控，由拖拉機自帶電池提供電源。

2.2　控制系統(tǒng)工作流程圖

控制系統(tǒng)工作流程如圖9所示。開啟觸摸屏設置打頂機控制系統(tǒng)參數(shù)，按下啟動按鈕后，打頂伺服電機開始工作;編碼器采集機具前進速度，將信號傳遞到控制器，控制器計算分析后將速度及作業(yè)面積顯示在觸摸屏；檢測光幕對收攏后的棉花高度進行測量，信號經(jīng)控制器判斷分析后發(fā)送到驅(qū)動器，進而升降伺服電機完成上升或下降動作?？刂破魍ㄟ^脈沖信號的頻率控制電機轉(zhuǎn)動圈數(shù)；打頂裝置的起始點在作業(yè)前通過手動按鈕設定。

圖9　控制系統(tǒng)工作流程圖

作業(yè)前設定好打頂裝置與檢測裝置的距離后，控制器可以根據(jù)機具前進的速度判斷響應打頂時間，自動調(diào)節(jié)升降電機轉(zhuǎn)速，進而控制升降速度，實現(xiàn)棉花頂部精確定量打頂。當打頂裝置移動范圍超過限位點后，升降電機馬上停止運轉(zhuǎn)，同時發(fā)出報警信號。數(shù)字攝像頭采集作業(yè)過程錄像后直接將數(shù)字信號傳遞到觸換屏顯示。

3試驗結(jié)果及分析

3MDJD-1型電力驅(qū)動式棉花智能精準打頂機于2015年8月17日在山東濱州市無棣縣機采棉試驗場進行了試驗[11]，如圖10所示。工作全程內(nèi)，整機結(jié)構(gòu)性能穩(wěn)定，各系統(tǒng)工作正常。試驗以打頂量、打頂率及打頂前后棉花高度相關系數(shù)[12-13]作為評價指標。

圖10　田間試驗

打頂量：棉株打頂前高度與打頂后高度差值。

打頂率：被打下棉頂?shù)拿拗陻?shù)量占處理區(qū)內(nèi)棉株總數(shù)的比例，用%表示。

作業(yè)速度為機具在50m長度小區(qū)內(nèi)打頂作業(yè)時往返2次以上測得的平均速度，性能指標如表1所示。

表1　性能指標統(tǒng)計表

由表1可知：機具前進速度在2.97km/h以內(nèi)時，去頂量接近設定值，棉花打頂前后相關系數(shù)較高，打頂率在90%以上；速度在3.52km·h-1時，去頂量、相關系數(shù)及打頂率受速度影響較明顯。

4結(jié)論

1)試驗表明：本文提出的檢測裝置與打頂裝置分開、升降動力與切割動力分開的方案切實可行，為促進棉花打頂機械化技術(shù)的推廣應用提供了理論依據(jù)。

2)打頂裝置在控制器控制下根據(jù)檢測的棉花高度進行響應打頂，能夠?qū)崿F(xiàn)精準定量打頂。同時，智能觸屏控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)一鍵控制，實時顯示機具前進速度、作業(yè)面積及監(jiān)控作業(yè)狀態(tài)等，大大提高了棉花機械打頂?shù)闹悄芑健?/p>

3)作業(yè)這速度在2.97km/h以內(nèi)時，打頂效果較好；當速度達到3.52km/h時，打頂量誤差變大，打頂率及打頂前后相關系數(shù)下降明顯。這說明，升降速度較低，升降裝置有待進一步優(yōu)化提高。

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Development of 3MDZJ-1 Type power Driven Intelligent Precision Cotton Topping Machine

Peng Qiangji, Jian Shichun, Song Heping, He Qinghai, Wei Guojian, Fu Qiankun, Ma Jichun

(Shandong Academy of Agricultural Machinery Sciences, Jinan 250100, China)

Abstract：Aiming at the problems of the poor effect of actual height measurement of the growth of cotton,In the process of topping leakage topping and over topping etc about the existing cotton topping machine,proposed the scheme of detection device and topping device separately, lifting power and topping power separately, the intelligent precision cotton topping machine is designed based on FPGA technology.Detection device for cotton height precision detection,topping device adjusted in real time according to the speed of machines,which could achieve the goal of precise quantitative topping;The touch screen control system operating speed, work area and monitor the process of cotton topping,greatly improving the intelligence level of cotton topping.Field test shows that the whole structure of the machine is stable, machine

operation speed within 2.97km·h-1, multi-topping rate above 90%, machine structure design reasonable, provides technical support for cotton in multi-topping mechanization.

Key words：topping device; cotton topping; detection device; intelligent control

中圖分類號：S224.1+49

文獻標識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)12-0117-05

作者簡介：彭強吉(1984-)，男，山東臨沂人，助理工程師，碩士研究生，(E-mail) pengqiangji1984@126.com。通訊作者：薦世春(1963-)，男，山東青島人，研究員，(E-mail)jscsh2002@163.com。

基金項目：山東省自然科學基金項目(ZR2014EEP005)

收稿日期：2015-11-01