寇雪梅，楊靜宜，崔建弘，汪小志

(1.河北工程技術(shù)學(xué)院，石家莊　050091;2.南昌工學(xué)院，南昌　330108；3.武漢理工大學(xué)，武漢　430070)

?

基于移動(dòng)4G的株距自適應(yīng)玉米收割機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)

寇雪梅1，楊靜宜1，崔建弘1，汪小志2，3

(1.河北工程技術(shù)學(xué)院，石家莊050091;2.南昌工學(xué)院，南昌330108；3.武漢理工大學(xué)，武漢430070)

摘要：為了提高玉米收割機(jī)的株距的自適應(yīng)能力、降低漏采率、提升工作效率，設(shè)計(jì)了一種新的株距自適應(yīng)玉米收割機(jī)，大大提高了玉米收割機(jī)的作業(yè)精度和效率。依據(jù)移動(dòng)4G信號(hào)的傳播特性，設(shè)計(jì)了玉米株距實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)，針對(duì)中國(guó)4G現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試環(huán)境，研究提出了一種電波傳播特性測(cè)量與建模方法，結(jié)合高性能測(cè)試儀器和虛擬儀器技術(shù)設(shè)計(jì)構(gòu)建了3.5GHz測(cè)量系統(tǒng)。測(cè)量得到的株距量由A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再由單片機(jī)進(jìn)行處理，對(duì)執(zhí)行末端發(fā)出指令，調(diào)整玉米收割機(jī)割臺(tái)分禾器的間距，從而可以對(duì)不同株距的玉米進(jìn)行收割作業(yè)。對(duì)設(shè)計(jì)的玉米收割機(jī)進(jìn)行測(cè)試發(fā)現(xiàn)：其株距自適應(yīng)能力較好，可以隨株距的變化自動(dòng)調(diào)整分禾器間距，玉米穗的漏采率和破碎率較低，符合高精度作業(yè)玉米收割機(jī)的設(shè)計(jì)要求，為玉米自動(dòng)化收割機(jī)械裝置的研究提供了較有價(jià)值的參考。

關(guān)鍵詞：玉米收割機(jī)；移動(dòng)4G；株距測(cè)量；單片機(jī)；分禾器；自適應(yīng)

0引言

我國(guó)玉米種植歷史悠久、種植面積廣泛，且是我國(guó)三大主要糧食作物之一，主要產(chǎn)區(qū)分布在東北、華北和西北等地區(qū)，在我國(guó)糧食生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展過(guò)程中起到非常重要的作用。但是，隨著種植面積的增加，加上玉米收割難度大，玉米的種、管和收等都面臨很多問(wèn)題。近年來(lái)，在國(guó)家實(shí)施強(qiáng)農(nóng)惠農(nóng)政策支持及聯(lián)合收割機(jī)購(gòu)置補(bǔ)貼的拉動(dòng)下，聯(lián)合收獲機(jī)的研究日益成為人們關(guān)注的問(wèn)題。在玉米收割過(guò)程中，由于株距的不同，玉米秸稈的收割位置有所不同，如果不調(diào)整分禾裝置的位置，很容易造成玉米的漏采或者割臺(tái)的阻塞。為此，利用4G間距測(cè)量系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了株距自適應(yīng)的調(diào)節(jié)的分禾系統(tǒng)，提高了玉米收割機(jī)的作業(yè)精度和生產(chǎn)效率，對(duì)于收割機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要意義。

1株距自適應(yīng)玉米收割機(jī)總體優(yōu)化設(shè)計(jì)

由于玉米播種的機(jī)械化程度低，人工點(diǎn)播行距不均，寬行達(dá)到800mm，窄行一般為400mm，這就要求收獲機(jī)對(duì)行距的適應(yīng)性要好。

1.1株距自適應(yīng)總體設(shè)計(jì)

在配置兩對(duì)摘輥中心距時(shí)，考慮中間情況定位800mm，然后在分禾器、摘輥前端的秸稈引導(dǎo)裝置上采取一定的措施，提高機(jī)組的行距適應(yīng)能力，其總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1　玉米收割機(jī)株距自適應(yīng)調(diào)節(jié)過(guò)程

圖1中，株距的測(cè)量使用4G測(cè)量系統(tǒng)，并利用PC單片機(jī)實(shí)現(xiàn)A/D和D/A轉(zhuǎn)換功能，最后將間距調(diào)整信號(hào)發(fā)送給液壓傳感器，實(shí)現(xiàn)分禾器間距的自適應(yīng)調(diào)節(jié)。

1.2機(jī)組生產(chǎn)率

玉米收割機(jī)的機(jī)組生成效率可表示為

Q=2×5.4ηBV

(1)

其中，η表示機(jī)組工作時(shí)間利用系數(shù)，一般為0.7～0.9；B表示行距；V表示機(jī)組作業(yè)速度。

表1　收割機(jī)各擋速度

表1表示收割機(jī)各個(gè)擋的速度。根據(jù)各個(gè)擋位的速度，可以在不同地塊選擇不同的擋位，從而調(diào)節(jié)收割的速度，來(lái)實(shí)現(xiàn)收割機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高作業(yè)效率。

1.3留茬高度

留茬高度是指秸稈粉碎還田機(jī)構(gòu)粉碎秸稈時(shí)所留根茬高度。秸稈粉碎還田機(jī)構(gòu)工作時(shí)，因?yàn)榉鬯闄C(jī)的轉(zhuǎn)速比較高，刀片不能進(jìn)入土中作業(yè)，因此需要利用支撐輪的高度來(lái)限制留茬高度。為了使收割機(jī)適應(yīng)不同地塊的收割效果，在設(shè)計(jì)時(shí)保持支撐輪的位置可調(diào)整，實(shí)現(xiàn)留茬高度0～100mm內(nèi)可調(diào)。

1.4割臺(tái)總體設(shè)計(jì)

玉米收割機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)主要是割臺(tái)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)優(yōu)化達(dá)到不同株距玉米收割的自適應(yīng)調(diào)節(jié)功能。割臺(tái)的總體設(shè)計(jì)如圖2所示。

1.分禾器　2.喂入裝置　3.摘穗錕　4.第一升運(yùn)器　5.排莖錕

圖2中，主要部分為分禾器和摘穗錕。為了適應(yīng)不同株距玉米收割的需要，需要對(duì)分禾器進(jìn)行改進(jìn)，利用4G移動(dòng)信號(hào)進(jìn)行株距測(cè)量，使用液壓控制系統(tǒng)和單片機(jī)完成分禾器間距的自動(dòng)調(diào)節(jié)。

2株距自適應(yīng)玉米收割機(jī)結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)不同株距的玉米進(jìn)行收割，需要對(duì)分禾器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。在此利用4G測(cè)距裝置、PC單片機(jī)和液壓控制系統(tǒng)對(duì)分禾器的間距進(jìn)行調(diào)節(jié)，系統(tǒng)分布在割臺(tái)的分禾部分，其收割臺(tái)的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　割臺(tái)單行布局圖

圖3中，主要分為分禾部分和摘穗部分，株距自適應(yīng)收割系統(tǒng)安裝在分禾部分；而分禾的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要利用張緊輪進(jìn)行控制，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

圖4　割臺(tái)分禾器張緊鏈輪部分

工作時(shí)，利用PC單片機(jī)的D/A轉(zhuǎn)換功能，將不同的株距控制轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)對(duì)張緊部件進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)分禾器的不同間距調(diào)整。

表2表示玉米收割機(jī)設(shè)計(jì)植株參考數(shù)據(jù)。其中，包括玉米植株高度、玉米莖粗、結(jié)穗高度、玉米穗直徑和玉米行距。其中，分禾器自適應(yīng)調(diào)整系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要參考玉米行距，通過(guò)設(shè)計(jì)滿足不同行距收割的需要。

表2　植株參考數(shù)據(jù)

測(cè)量系統(tǒng)包據(jù)發(fā)射端和接受端，如圖5所示。發(fā)射端由信號(hào)發(fā)生器、功率放大器和發(fā)射天線組成；接收端由頻譜分析儀、控制計(jì)算機(jī)和GPS接收機(jī)系統(tǒng)組成。依據(jù)發(fā)射端和接收端的GPS地理坐標(biāo)信息測(cè)試結(jié)果，接收采樣點(diǎn)與基站之間的距離d可以表示為

(2)

其中，接收采樣點(diǎn)的坐標(biāo)為(Xr,Yr)，基站坐標(biāo)為 (Xt,Yt)。在測(cè)量過(guò)程中，使用虛擬儀器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化采集、采樣和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，一般來(lái)說(shuō)路徑損耗理論模型可以表示為

PL(d)=A+10nlg(d/d0)+χ

(3)

其中，d0表示參考距離；d表示測(cè)量點(diǎn)和基站之間的距離；n表示路徑損耗指數(shù)；χ表示陰影衰落，符合正態(tài)分布；A為自由空間損耗。其表達(dá)式為

(4)

其中，λ表示發(fā)射信號(hào)波長(zhǎng)。將式(2)等效為d的一元函數(shù)形式，其表達(dá)式為

PL(d)=B+10nlgd+χ

(5)

B的表達(dá)式為

B=A-10nlgd0

(6)

傳播測(cè)試模型采用最小二乘法擬合預(yù)處理后的測(cè)試數(shù)據(jù)PL(d)和d，對(duì)于不同的玉米植株可以分別進(jìn)行測(cè)距，對(duì)兩次測(cè)距結(jié)果進(jìn)行對(duì)比可以得到株距的實(shí)際值。利用測(cè)距系統(tǒng)對(duì)分禾器間距進(jìn)行控制原理如圖6所示。

圖5　4G測(cè)距系統(tǒng)框圖

圖6　分禾器間距控制原理圖

玉米收割機(jī)利用3.5GHz測(cè)量系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)地測(cè)量玉米的株距，利用A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)模擬進(jìn)行轉(zhuǎn)換，然后利用PC單片機(jī)對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，再將數(shù)字信號(hào)利用D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為控制量進(jìn)行輸出；利用變頻器對(duì)液壓控制系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)，控制分禾器不同間距的調(diào)節(jié)，從而提高收割機(jī)不同株距收割的適應(yīng)能力。

3株距自適應(yīng)玉米收割機(jī)性能測(cè)試

為了測(cè)試設(shè)計(jì)的玉米收割機(jī)自適應(yīng)株距的收割效果，在玉米收獲機(jī)上安裝分禾器自適應(yīng)調(diào)整裝置后，對(duì)玉米聯(lián)合收割機(jī)進(jìn)行了性能測(cè)試。測(cè)試項(xiàng)目主要包括分禾器間距調(diào)整的響應(yīng)性能、收割間距隨時(shí)間變化及漏采率和破碎率等收割性能。測(cè)試場(chǎng)景如圖7所示。

圖7　株距自適應(yīng)玉米收割機(jī)性能測(cè)試圖

圖7中，可收割行數(shù)為6行。為了適應(yīng)不同株距玉米的收割，采用自適應(yīng)調(diào)節(jié)式的分禾器，通過(guò)測(cè)試，得到了如圖8所示的分禾器間距響應(yīng)曲線。

由圖8可以看出：利用自適應(yīng)調(diào)整系統(tǒng)后，分和器響應(yīng)時(shí)間短，響應(yīng)速度快，超調(diào)量低，可以滿足分禾器間距調(diào)整的自適應(yīng)設(shè)計(jì)需要。

圖8　分禾器間距調(diào)整系統(tǒng)響應(yīng)曲線

圖9表示分禾器間距調(diào)整數(shù)據(jù)隨時(shí)間變化曲線。由圖9可以看出：在4G測(cè)距的作用下，收割機(jī)的分禾器可以實(shí)現(xiàn)非線性調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)精度高，可以滿足高精度玉米收割作業(yè)的需求。

圖9　分和器間距調(diào)整隨時(shí)間變化曲線

表3表示株距自適應(yīng)調(diào)節(jié)玉米收割機(jī)的性能測(cè)試結(jié)果。由測(cè)試結(jié)果可以看出：株距自適應(yīng)玉米收割機(jī)除可以自動(dòng)調(diào)整收割株距外，其果穗的漏采率和籽粒破碎都比較低，可以滿足高精度采摘作業(yè)需求。

表3　株距自適應(yīng)玉米收割機(jī)性能測(cè)試表

4結(jié)論

針對(duì)玉米種植株距不均勻、收割難度大等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種新的可自適應(yīng)調(diào)整株距的玉米收割機(jī)。在收割機(jī)上安裝了4G株距測(cè)量系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)地測(cè)量玉米的株距，并根據(jù)株距來(lái)調(diào)整分禾器的間距，實(shí)現(xiàn)不同株距玉米的收割，大大提高了收割效率，降低了漏采率等。對(duì)收割機(jī)的整體性能進(jìn)行測(cè)試發(fā)現(xiàn)：收割機(jī)的漏采率低，總體果穗的損失率和破碎率較低，收割性能較好，為玉米聯(lián)合收割機(jī)的研發(fā)提供了較有價(jià)值的參考。

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Optimization Design for Corn Harvester of Adaptive Spacing Based on Mobile 4G

Kou Xuemei1,Yang Jingyi1,Cui Jianhong1,Wang Xiaozhi2,3

(1.Hebei Polytechnic Institute, Shijiazhuang 050091, China; 2.Nanchang Institute of Science & Technology, Nanchang 330108,China;3.Wuhan University of Technology,Wuhan 430070,China)

Abstract：In order to improve the adaptive ability of row spacing in corn harvester, reduce the loss rate, improve work efficiency,it designs a new adaptive spacing in the rows of corn harvester, and it greatly improves the working precision and production efficiency of corn harvester. According to the propagation characteristics of 4G mobile signal,it designs the spacing corn real-time measurement system, for Chinese 4G field test environment.Combined with the high performance testing instrument and virtual instrument technology,the study proposes a method of measurement and modeling of radio propagation characteristics, and it constructs the 3.5GHz measurement system. Amount of spacing measurements it obtains by the A/D converter conversion to digital signals, and then processes by the microcontroller, spacing on end effector issued a directive, the adjustment of corn harvester header divider, which can different spacing in the rows of corn harvesting operations.On the design of the corn harvester was measured, the spacing of adaptive ability is good, which can be change with spacing automatically adjust the divider between.And the corn leakage recovery rate and the broken rate is low, in line with the design requirements of high precision operation,the research offers a more valuable reference for the study of corn automation mechanical harvesting device.

Key words：corn harvester; mobile 4G; distance measurement; MCU; divider; adaptive

文章編號(hào)：1003-188X(2016)07-0070-05

中圖分類號(hào)：S225.5+1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：寇雪梅(1980-)，女(滿族)，河北承德人，副教授。通訊作者：汪小志(1981-)，女，武漢人，副教授，博士研究生，(E-mail) wangxiaozhi@ncu.edu.cn。

基金項(xiàng)目：湖北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2014CFB322)

收稿日期：2015-07-06