韓 豹，楊亞楠，王宏偉，范 偉

（1. 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱 150030；2. 綏化市北林區(qū)農(nóng)機推廣站，綏化 152053；3. 哈爾濱市農(nóng)機推廣站，哈爾濱 150031）

0 引 言

東北大豆作物采用壟作雙行種植模式，一般每公頃保苗32～38萬株，農(nóng)田雜草是東北大豆早期生長階段最主要災(zāi)害之一[1-2]。尤其是大豆出苗后，地表覆蓋率小、溫升快，土壤易板結(jié)，雜草滋生快，嚴(yán)重危害大豆幼苗生長發(fā)育。因此，大豆出苗后，疏松苗間表土、除掉幼草，是大豆保苗增產(chǎn)提質(zhì)的重要措施。當(dāng)前，機械除草被視為作物生長初期最經(jīng)濟有效的非化學(xué)除草方法[3-6]。但是，苗間機械除草作業(yè)一直存在傷苗率和埋苗率偏高問題亟待解決[5-12]。

研究表明，苗間除草部件入土深度控制不可靠是導(dǎo)致上述問題的重要原因之一[9-12]。國內(nèi)外相關(guān)苗間機械除草裝置的研究成果頗多、形式多樣，然而受到壟上秧苗等因素的限制，針對部件入土深度的控制普遍通過限深輪相對行間地表進行控制。因受壟高一致性、土壤特性和除草機構(gòu)質(zhì)量等因素的影響，部件入土深度很難穩(wěn)定控制在期望松土深度范圍內(nèi)。當(dāng)松土過深時，不僅易損傷秧苗根須，甚至將秧苗連根除掉，而且攪動表土層過厚，導(dǎo)致埋苗；反之，苗間除草效果差且易損傷秧苗莖葉。因此，針對苗間機械除草部件入土深度更加穩(wěn)定、可靠的控制系統(tǒng)研究十分必要與迫切。

當(dāng)前，國內(nèi)外對苗間除草機構(gòu)（裝置）的研究比較多[12-18]，而針對機械除草部件在苗間入土深度穩(wěn)定控制的文獻較少。相關(guān)研究文獻主要有蔡國華等設(shè)計的基于ATmega128單片機的開溝深度控制系統(tǒng)試驗臺，用于模擬播種機開溝深度過深與過淺時的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)過程以及地表高低起伏時的動態(tài)響應(yīng)過程[19]；Weatherly等研制了一種播種機播種深度自動控制系統(tǒng)[20]；Saeys等對泥漿和施肥深度自動控制系統(tǒng)進行研究[21-22]；S?gaard對指盤式除草機作業(yè)部件入土深度自控系統(tǒng)進行研究[23]；Linden等研究了一種檢測除草部件工作深度的激光傳感器[24]；梁麗娜針對水稻種子帶育秧設(shè)備種子封固系統(tǒng)設(shè)計了下紙帶勻速進給控制系統(tǒng)，通過超聲波所測到紙帶的距離變化對驅(qū)動紙帶的步進電機進行實時調(diào)速控制[25]；李君等設(shè)計了一種懸掛式電動柔性疏花機，利用超聲波探測方法，開發(fā)了嵌入式仿形疏花控制系統(tǒng)[26]；譚祖庭等利用超聲波傳感器對種層厚度進行實時檢測與播種量自動控制[27]；陳進等設(shè)計了一種基于PID控制算法的梳脫臺高度調(diào)節(jié)自動控制系統(tǒng)，采用超聲測距的方法來檢測收獲作物的高度，使梳脫臺按照作物高度的變化進行自動調(diào)節(jié)[28-29]。

本文在已有研究基礎(chǔ)上[10-12]，基于超聲測距技術(shù)，設(shè)計了一種苗間機械除草部件入土深度自動控制系統(tǒng)，建立了除草機構(gòu)（部件）升降調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，采用PID控制算法在Matlab/Simulink中對模型進行了仿真和校正，結(jié)合研制的梳齒式苗間除草機構(gòu)對該控制系統(tǒng)進行了臺架試驗，以期獲得比較理想的控制效果。

1 臺架組成及深度控制原理

1.1 臺架組成和主要技術(shù)參數(shù)

苗間機械除草部件松土深度自動控制系統(tǒng)臺架是在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院割前摘脫試驗臺[30-31]基礎(chǔ)上建立起來的，結(jié)構(gòu)如圖 1所示。主要由支撐臺、移動土槽、傳動系統(tǒng)、控制臺、液壓系統(tǒng)、松土深度自動控制苗間機械除草單體和支架等組成。臺架主要技術(shù)參數(shù)如表 1所示。

圖1 苗間機械除草部件入土深度自動控制系統(tǒng)臺架Fig.1 Bench for automatic control system of depth into earth for intra-row mechanical weeding components

表1 臺架主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technical parameters of bench

其中松土深度自動控制苗間機械除草單體為臺架的核心部分，由深度控制系統(tǒng)和機械除草單體所構(gòu)成。前者包括超聲波測距模塊、控制器和驅(qū)動板；后者通過 U形螺栓與臺架支架橫梁連接，其結(jié)構(gòu)構(gòu)成如圖 2所示，主要包括單體架、苗間仿形臺（滑橇、連桿和平臺等）、深度調(diào)節(jié)機構(gòu)（單體架連接座、四連桿）以及由梳齒和梳齒盤構(gòu)成的苗間除草機構(gòu)等。

試驗時，首先將松土深度h調(diào)至30 mm，將此時平臺5到延長架6下表面間距作為深度控制系統(tǒng)的設(shè)定值L0。當(dāng)除草單體相對土槽向左以一定速度移動時，梳齒盤帶動梳齒繞其軸以角速度ω旋轉(zhuǎn)，采用PID控制的控制系統(tǒng)將實時檢測的平臺至延長架下表面的距離 L與設(shè)定值L0相比較，并將二者之差轉(zhuǎn)換成控制信號控制液壓系統(tǒng)中油缸工作，使深度調(diào)節(jié)機構(gòu)相應(yīng)調(diào)整苗間除草機構(gòu)升降，實現(xiàn)松土深度自動調(diào)整。

圖2 松土深度自動控制苗間機械除草單體結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of intra-row mechanical weeding monomer with automatic control system for loosening depth

1.2 控制原理

苗間除草機構(gòu)與單體架連接，除草部件（梳齒）入土深度取決于單體架距地表高度。理想除草作業(yè)狀態(tài)為穩(wěn)定維持這一高度在很小范圍內(nèi)變化。本文由位于單體延長架下表面的超聲波集成模塊實現(xiàn)單體架距地表高度的測量。超聲測距技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用，但是超聲波測距不具備分辨苗、草及土壤的能力[32-33]。為避免壟表苗、草等對超聲波測距的影響，設(shè)計了一個由滑橇、連桿和高度可調(diào)的平臺構(gòu)成的滑橇式仿形臺，如圖2所示。該仿形臺通過 2根連桿與單體延長架鉸接成一個平行四桿仿形機構(gòu)?；猎趬派想p行苗之間的地表滑行時，支撐平臺隨地表上下起伏運動，而仿形臺高度L1為定值且高于秧苗，所以超聲波測距模塊能夠避免苗草的影響，并能夠準(zhǔn)確檢測單體架下表面到仿形臺之間距離L，而該距離L的變化即為單體架下表面到苗間地表距離的變化。另外，考慮到控制系統(tǒng)存在滯后問題，故將仿形臺安裝在除草機構(gòu)前部的單體延長架上，其與除草部件之間的水平距離由機構(gòu)行進速度與控制系統(tǒng)的響應(yīng)時間來確定，并將其安裝位置設(shè)計成可調(diào)。

由圖2可知，松土深度

式中單體延長架下表面到梳齒盤回轉(zhuǎn)軸心的距離 L2、梳齒長度L3、梳齒盤回轉(zhuǎn)半徑R和仿形臺高度L1均為定值，即C=L2+L3+R–L1為常數(shù)，松土深度h僅隨實測距離L的增加而減少。故只要控制距離 L的變化，即可實現(xiàn)對松土深度 h的控制。通常大豆苗間機械除草期望松土深度為（30±10）mm，松土深度過深或過淺均會影響苗間除草作業(yè)性能[12]。

松土深度自動控制系統(tǒng)工作原理如圖3所示。由PID控制器、放大器、比例方向閥、液壓缸、調(diào)節(jié)機構(gòu)以及超聲測距模塊等組成。在控制系統(tǒng)單片機的控制下，超聲波測距模塊實時檢測單體架到仿形平臺之間距離L，并將檢測到的距離信號輸入單片機處理。當(dāng)松土深度 h與設(shè)定松土深度h′之間存在偏差時，控制系統(tǒng)采用PID控制對松土深度與設(shè)定松土深度之間存在的偏差進行校正，單片機輸出控制信號經(jīng)放大器進行功率放大，控制比例方向閥使油缸動作，調(diào)整機構(gòu)帶動單體架向上或向下運動，實現(xiàn)苗間除草部件入土深度調(diào)整。

圖3 松土深度自動控制原理方塊圖Fig.3 Principle block diagram of automatic control of loosening depth

2 控制系統(tǒng)及液壓系統(tǒng)設(shè)計

2.1 控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1.1 系統(tǒng)硬件

該系統(tǒng)以單片機 STC89C52系統(tǒng)為控制核心，由電源模塊、按鍵模塊、顯示模塊、超聲波模塊、驅(qū)動板集成設(shè)計構(gòu)成控制系統(tǒng)硬件，如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure diagram of system hardware

所采用的控制器為STC90C516 RD+單片機，具有超強抗干擾、高速、低功耗特點的CMOS 8位微控制器，F(xiàn)lash程序存儲器為61 K字節(jié)（1 K字節(jié)=1 024字節(jié)），SRAM為1 280字節(jié)，有四個8位并行端口和7個附送I/O端口，共39個I/O口。工作電壓為3.5～5.5 V，頻率范圍為0～40 MHz。

該系統(tǒng)采用 HC-SR04超聲波測距模塊作為檢測單元，包括超聲波發(fā)射器、接收器和控制電路。HC-SR04超聲波測距模塊可提供20～4 000 mm的非接觸式距離感測功能，測距精度可達3 mm，其供電電壓為DC 5 V，輸入觸發(fā)信號為10 μs的TTL脈沖，輸出回響信號為TTL電平信號，測量角度小于15°。

圖5 超聲波時序圖Fig.5 Ultrasonic sequence diagram

其基本工作原理為：1）采用I/O口TRIG觸發(fā)測距，給至少10 μs的高電平信號；2）模塊自動發(fā)送8個40 kHz的方波，自動檢測是否有信號返回；3）有信號返回，通過I/O口ECH0輸出一個高電平，高電平持續(xù)的時間就是超聲波從發(fā)射到返回的時間。測試距離=（高電平時間× 聲速（340 m/s））/2。超聲波時序圖如圖5所示。以上時序圖表明只需提供一個10 μs以上脈沖觸發(fā)信號，該模塊內(nèi)部將發(fā)出8個40 kHz周期電平并檢測回波，一旦檢測到有回波信號則輸出回響信號。回響信號的脈沖寬度與所測得距離成正比。由此通過發(fā)射信號與收到回響信號的時間間隔可以計算出距離，其測量周期為60 ms。

2.1.2 軟件設(shè)計

利用Keil軟件，對C程序編輯、修改以及生成單片機芯片識別的HEX文件；再利用STC-ISP-V 6.75軟件，對單片機STC90C516 RD+進行燒錄，將在Keil中生成的HEX程序文件導(dǎo)入芯片中。控制系統(tǒng)軟件主程序的流程圖如圖6所示。

圖6 控制系統(tǒng)軟件主程序流程圖Fig.6 Main program flow chart of control system software

系統(tǒng)通電后，進行初始化，設(shè)定苗間機械除草期望松土深度值。當(dāng)采集實際松土深度 h與設(shè)定松土深度 h′之間的偏差等于0時，系統(tǒng)中電液比例方向閥處于中位，油缸不動作；當(dāng)實測松土深度h大于設(shè)定松土距離h'時，說明除草部件入土深度過深，電液比例方向閥右位接通，使油缸有桿腔進油，驅(qū)動調(diào)節(jié)機構(gòu)帶動單體架上升，使部件入土深度變淺；反之，使油缸無桿腔進油，驅(qū)動調(diào)節(jié)機構(gòu)向下運動，單體架隨之下降，使部件入土深度變深。

2.2 液壓系統(tǒng)設(shè)計

單體架通過調(diào)節(jié)機構(gòu)與支架橫梁固定連接，控制系統(tǒng)控制液壓油缸伸縮使單體架升降，實現(xiàn)梳齒入土深度調(diào)整。本文選擇4WRA6E32-2X/G24K4型電液比例方向閥作為控制閥（自帶比例放大器），STC90C516 RD+單片機控制器，采用 PID控制算法，集成液壓控制系統(tǒng)。液壓系統(tǒng)工作原理如圖 7所示。主要由油箱、電機、液壓泵、溢流閥、單向閥、電液比例方向閥、節(jié)流閥和液壓油缸等構(gòu)成。

圖7 液壓系統(tǒng)原理圖Fig.7 Schematic diagram of hydraulic system

2.3 比例閥控液壓系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立

對于比例閥控液壓系統(tǒng)，其自身具有系統(tǒng)非線性及參數(shù)時變性的特點，本文根據(jù)文獻[34-37]等方法對比例閥控液壓系統(tǒng)進行數(shù)學(xué)模型的建立。

2.3.1 PID控制算法

根據(jù)所設(shè)計的自動控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理，其偏差方程可表示為

式中u0()t為初始設(shè)定值（mm），即期望的除草齒入土深度；u()t為測量值（mm），即除草齒當(dāng)前入土深度；e()t為偏差，mm。

利用PID控制算法對設(shè)定松土深度值進行跟蹤控制，建模中PID對偏差進行校正的方程為

式中KP為比例系數(shù)；T1為積分時間常數(shù)；TD為微分時間常數(shù)；ea(t)為校正后的偏差。

2.3.2 液壓比例方向閥數(shù)學(xué)模型

液壓比例方向閥輸入電流ia（A）為

式中Ka為比例放大系數(shù)。

比例方向閥是具有非線性特性的功率放大器，其傳遞函數(shù)可用二階振蕩形式近似表示為

式中 Q()s為通過比例閥的流量，m3/s；I()s為比例放大器輸出電流，A；D0()s為比例閥傳遞函數(shù)；Kv為比例閥流量增益系數(shù)，m/A；ωv為比例閥固有頻率，rad/s；δv為比例閥阻尼比；s為復(fù)變數(shù)。

2.3.3 液壓缸傳動數(shù)學(xué)模型

液壓缸傳動一般近似等效為積分與二階振蕩形式的結(jié)合，其傳遞函數(shù)式中ωh為液壓缸固有頻率，rad/s；δh為動力元件阻尼比。

2.3.4 比例閥控液壓系統(tǒng)

根據(jù)式（5）、（6）建立的液壓比例方向閥數(shù)學(xué)模型與缸體傳動數(shù)學(xué)模型，建立電液比例閥控液壓系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，如圖8所示，液壓系統(tǒng)各部分參數(shù)如表2所示。

圖8 比例閥控液壓系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型Fig.8 Mathematical model of hydraulic system controlled by proportional valve

表2 液壓系統(tǒng)參數(shù)Table 2 Parameters of hydraulic system

2.3.5 比例閥控液壓系統(tǒng)仿真分析

該控制系統(tǒng)采用PID控制算法對測量偏差進行校正，所謂的PID校正，其實質(zhì)即為比例（proportional）、積分（integral）、微分（derivative）校正，其校正調(diào)節(jié)的規(guī)律為

式中KP、KI和KD分別為比例增益系數(shù)、積分增益系數(shù)和微分增益系數(shù)；e為偏差，即輸出值與設(shè)定值之差；ea為控制量，作用于被控對象并引起輸出量的變化。

對于KP、KI和KD數(shù)值的選擇，需要先根據(jù)經(jīng)驗公式確定大致范圍，然后選取不同參數(shù)進行校正仿真，再通過對仿真圖形的分析比較進行逐步的校正調(diào)節(jié)。本文采用傳統(tǒng)PID控制算法，在Matlab/Simulink中取不同參數(shù)對該比例閥控液壓系統(tǒng)進行校正仿真，通過對仿真圖形的分析比較，最終選定校正參數(shù) KP=2.75、KI=0.10、KD=0.08。仿真時間為5 s，采樣周期的選取綜合考慮了整個控制系統(tǒng)的響應(yīng)時間，為防止超聲波傳感器發(fā)射信號對回響信號產(chǎn)生影響，仿真的采樣周期選為60 ms。

PID控制深度跟蹤仿真結(jié)果如圖9所示。

圖9 PID控制深度跟蹤仿真結(jié)果Fig.9 Depth tracking simulation results controlled by PID

圖9 a為采用PID控制算法對系統(tǒng)作業(yè)深度跟蹤仿真實際調(diào)試中的控制曲線。經(jīng)過分析，通過該控制系統(tǒng)將作業(yè)深度調(diào)節(jié)至期望松土深度值（30 mm）達穩(wěn)定狀態(tài)所需時間約0.48 s。圖9b為PID控制深度跟蹤靜差曲線，由圖可得出靜差范圍為0.06～0.09 mm。

綜上，采用 PID控制算法的深度控制調(diào)節(jié)機構(gòu)液壓系統(tǒng)能夠在短時間內(nèi)對設(shè)定期望值進行跟蹤控制，達到系統(tǒng)要求的控制精度與穩(wěn)定性要求。

3 試驗與結(jié)果分析

臺架試驗內(nèi)容包括：1）應(yīng)用 HC-SR04型超聲波測距模塊進行直接測距與結(jié)合苗間仿形臺進行測距的可行性進行評價；2）對基于 HC-SR04超聲測距模塊設(shè)計的深度自動控制系統(tǒng)進行除草部件入土深度控制試驗，并對其控制精度與穩(wěn)定性進行評價。為田間除草作業(yè)裝置除草部件入土深度自動控制系統(tǒng)的開發(fā)做鋪墊。

3.1 試驗條件與設(shè)備

3.2 試驗方法

3.2.1 超聲測距試驗

超聲測距試驗是將苗間表土作為被測對象，在被測槽土表面有苗、無苗以及有無滑橇式仿形臺4種情況下，評價超聲測距應(yīng)用于苗間地表測距的可行性。

為保持重復(fù)試驗條件的一致性，避免超聲測距動態(tài)試驗過程中，除草部件對槽土試驗條件的破壞，試驗前，拆下苗間除草機構(gòu)。苗間機械除草單體（如圖2）在松土深度為30 mm工作狀態(tài)下，延長架下表面（超聲波發(fā)射頭）到仿形平臺設(shè)計高度范圍L為240～300 mm，本次超聲測距試驗將L的初始值調(diào)整為270 mm；不安裝仿形臺試驗時，將延長架立柱及與其鉸接的仿形臺拆下，并調(diào)整單體延長架下表面到槽土表面高度為270 mm。然后由控制臺控制土槽分別以0.278、0.556和0.833 m/s 3種速度進行超聲波測距試驗，每種速度重復(fù)5次。

基于超聲測距的深度測量方法示意圖如圖10所示。

圖10 基于超聲測距的深度測量示意圖Fig.10 Depth measurement diagram based on ultrasonic distance measurement

在超聲測距模塊3正下方的槽土表面5上，沿土槽長度方向，將動態(tài)試驗有效行進距離 11 m均勻設(shè)置88個測點，在土槽沿口 8上對應(yīng)測點位置設(shè)置一根標(biāo)識桿并用數(shù)字編號，同時在每1 m行程范圍內(nèi)任選2個測點作為精確對比的人工測量樣本點，人工測出樣本點到延長架下表面高度。在設(shè)置測點標(biāo)識桿的土槽一側(cè)，調(diào)整高速攝像機 6正對超聲測距模塊顯示屏上標(biāo)記的發(fā)射頭中心線位置。試驗時，先開啟攝像機與超聲測距模塊，然后再啟動土槽開關(guān)。試驗后在計算機上讀取顯示屏上標(biāo)記的發(fā)射頭中心線位置與各個標(biāo)識桿對應(yīng)時的讀數(shù)，即為應(yīng)用超聲測距模塊所測各動態(tài)試驗測點高度。

3.2.2 部件入土深度控制臺架試驗

為了檢驗深度控制系統(tǒng)是否可實現(xiàn)對部件入土深度的自動控制以及達到的控制精度與穩(wěn)定性是否滿足系統(tǒng)要求，在超聲測距試驗基礎(chǔ)上，將拆下的苗間除草機構(gòu)重新組裝到單體架上。土槽內(nèi)按東北大豆壟上雙行種植模式移栽大豆缽苗，并按上述方法將8 m有效行進距離均勻設(shè)置80個測點，在土槽沿口上對應(yīng)80個測點位置均設(shè)置一根標(biāo)識桿并用數(shù)字編號。調(diào)整除草部件（梳齒）入土深度達到30 mm，延長架下表面到仿形平臺高度為270 mm（設(shè)定值），并將控制系統(tǒng)期望松土深度設(shè)置為30 mm；由式（1）可知，仿形臺上表面至延長架下表面距離L的變化，即為松土深度h的變化。因此，位于各測點位置的仿形臺上表面至延長架下表面高度 Li(i=1,2,3……80)與設(shè)定值（270 mm）之差即為相應(yīng)各測點松土深度誤差。

不論是優(yōu)等生還是學(xué)困生，每個學(xué)生身上都有閃光的一面，老師對于學(xué)生的點滴進步，都要進行表揚和鼓勵，運用激勵的語言來贊美學(xué)生，讓學(xué)生在獲得被人欣賞的滿足感時產(chǎn)生強大的學(xué)習(xí)動力。

該試驗仍采用上述超聲測距試驗中測量方法，將土槽移動速度分別設(shè)置為0.278、0.556和0.833 m/s，在控制系統(tǒng)采用和不用 PID控制算法條件下進行除草部件入土深度自動控制試驗。

3.3 結(jié)果分析

3.3.1 超聲測距試驗結(jié)果分析

結(jié)果表明，由于土壤條件變化，試驗過程中不可能獲得完全一致的試驗條件。所以在不同速度條件下由測點高度所形成的軌跡圖沒有精確對準(zhǔn)，但相對于整個行進距離，其差異是很小的。同一速度下不同重復(fù)試驗之間的對準(zhǔn)亦是如此，超聲測距動態(tài)試驗測點高度如圖 11所示。

圖11 超聲測距動態(tài)試驗測點高度Fig.11 Height of measuring points in dynamic experiment of ultrasonic distance measurement

圖11a與圖11b為不帶仿形臺，在行進速度為0.278 m/s以及有苗和無苗條件下所獲得的動態(tài)測點高度軌跡。由圖11a測點高度軌跡圖可見，在被測地表面生長有大豆苗的情況下，應(yīng)用超聲波直接對苗間地表進行動態(tài)測距試驗過程中，超聲波根本不具備分辨秧苗與地表的能力，其投射到秧苗上也如同投射到苗間地表上一樣被返回接收，無法獲得針對苗間地表面的準(zhǔn)確測點，所以測點高度軌跡十分紊亂。圖11b為在圖11a動態(tài)試驗條件下，將大豆秧苗緊貼地表面切除后所獲得的測點高度軌跡圖，由圖可見，雖然測點高度軌跡圖基本體現(xiàn)出針對被測地表面的仿形效果，但有很多間斷與跳躍點，如在 730～850、3 370～3 430和5 650～6 010 mm等處出現(xiàn)了數(shù)值無法顯示或顯示數(shù)值誤差很大的現(xiàn)象。這是為模擬田間除草作業(yè)時地表狀況，而在地表設(shè)置凹坑和一些大小不一的土塊所致。因此，應(yīng)用超聲波直接對有苗與無苗的地表進行測距均存在一定的缺陷。

圖11c、11d、11e為應(yīng)用滑橇式仿形臺，在行進速度分別為0.278、0.556和0.833 m/s以及地表長有秧苗條件下所進行的超聲測距動態(tài)試驗。由圖11c、11d和11e測點高度軌跡圖可見，應(yīng)用滑橇式仿形臺后，由于其滑橇緊貼地表滑行，高于秧苗的臺面能夠完美對地表進行仿形，被測地表面由臺面取代，應(yīng)用超聲波測距時不僅可避免秧苗的影響，而且因滑橇與地面接觸面積大，又可降低地表凹坑與土塊的影響，所以應(yīng)用滑橇式仿形臺后，測點高度軌跡平緩、無缺口，仿形效果更加完美。圖11d和11e為速度分別提高到0.556和0.833 m/s時測點高度軌跡仍比較平緩、連續(xù)。為評價超聲波測距誤差，在圖11c、11d和 11e中的水平軸上標(biāo)示出了人工測量樣本點的位置。在 3種速度條件下，針對各個樣本點的位置應(yīng)用HC-SR04型超聲波模塊測量與人工測量所獲得的測量值的對照誤差如表3所示。平均對照誤差分別為：4.95、5.36和5.90 mm，最大對照誤差分別為：6.6、7.4和8.3 mm，這些誤差在應(yīng)用中均是可以接受的。因此結(jié)合仿形臺應(yīng)用HC-SR04型超聲波測距模塊相對苗間地表進行測距是可行的。

表3 0.278、0.556和0.833 m·s-1 3種速度條件下樣本點的位置及對照誤差Table 3 Positions and contrast errors of sample points for different speeds of 0.278, 0.556 and 0.833 m·s–1 mm

3.3.2 松土深度控制臺架試驗結(jié)果分析

為評價所設(shè)計的深度控制系統(tǒng)是否能夠?qū)崿F(xiàn)對苗間機械除草部件入土深度的控制以及所能達到控制精度與穩(wěn)定性。在0.278 、0.556 和0.833 m/s 3種行進速度以及采用、不用 PID控制算法條件下，在室內(nèi)臺架上進行了部件入土深度自動控制試驗，獲得的松土深度誤差變化如圖12所示。

圖12 不同行進速度下有無PID控制算法的松土深度誤差變化Fig.12 Loosening depth error variations under different speeds with or without PID control algorithm

由圖12d、12e和12f可見，采用PID控制算法的深度控制系統(tǒng)在0.278、0.556和0.833 m/s 3種行進速度條件下均能夠?qū)⑺赏辽疃日`差控制在±8 mm變化范圍內(nèi)，即松土深度可控制在(30±8) mm范圍內(nèi)，并且受行進速度影響很??；不采用PID控制算法的深度控制系統(tǒng)在上述3種行進速度條件下，對應(yīng)深度誤差變化范圍分別為±10、±16和±23 mm，即深度誤差變化隨著行進速度的增大而變大，如圖12a、12b和12c。雖然在行進速度較低（0.278 m/s）試驗條件下，深度控制系統(tǒng)采用 PID控制算法前后的臺架試驗結(jié)果均能滿足除草部件入土深度控制要求，而且差異并不十分明顯，但是綜合分析 3種行進速度條件下的深度控制效果可知，采用 PID控制算法的深度控制系統(tǒng)表現(xiàn)出更好的控制性能。

4 結(jié) 論

1）本文在研發(fā)的梳齒式苗間機械除草機構(gòu)研究基礎(chǔ)上設(shè)計了除草部件入土深度自動控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用超聲測距技術(shù)并基于 PID控制算法對設(shè)定期望松土深度值進行跟蹤控制，建立了比例閥控液壓系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并得出液壓系統(tǒng)傳遞函數(shù)。對得到的傳遞函數(shù)在Matlab/Simulink中進行了仿真和PID校正，仿真結(jié)果表明：系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)的響應(yīng)時間為0.48 s，穩(wěn)態(tài)誤差范圍為0.06～0.09 mm。

2）在室內(nèi)苗間除草臺架上，應(yīng)用 HC-SR04型超聲波測距模塊對有苗與無苗的地表進行了超聲測距動態(tài)試驗。試驗表明，超聲波測距受地表秧苗、土塊和凹坑等影響，均無法獲得準(zhǔn)確測量值。設(shè)計滑橇式苗間仿形平臺后，超聲波測距不再受秧苗、地表凹坑與土塊的影響，且測點高度軌跡平緩。在0.278、0.556和0.833 m/s 3種行進速度下，與人工測量值相比，平均對照誤差分別為：4.95、5.36和5.90 mm，最大對照誤差分別為：6.6、7.4和8.3 mm。試驗結(jié)果表明，結(jié)合仿形臺應(yīng)用HC-SR04型超聲波測距模塊相對苗間地表進行測距是可行的。

3）除草部件入土深度控制系統(tǒng)臺架試驗表明，采用PID控制算法的控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)機械除草作業(yè)松土深度的穩(wěn)定控制。而且在 3種行進速度 0.278、0.556和0.833 m/s時，松土深度均可穩(wěn)定控制在(30±8) mm范圍內(nèi)，能夠滿足苗間除草的深度控制要求。

田間試驗環(huán)境與室內(nèi)試驗臺試驗條件存在較大程度的差異與不確定影響因素，需針對大豆苗間除草作業(yè)期的試驗環(huán)境與作業(yè)裝備開展應(yīng)用試驗研究，完善控制系統(tǒng)的設(shè)計。

[1] 黃春艷，陳鐵保，王宇，等. 黑龍江省北部大豆田雜草調(diào)查[J]. 大豆科學(xué)，2000，19(4)：341－345.Huang Chunyan, Chen Tiebao, Wang Yu, et al. Weed survey of soybean field in north region of Heilongjiang province[J].Soybean Science, 2000, 19(4): 341－345. (in Chinese with English abstract)

[2] 王宇，黃春艷，黃元炬，等. 不同雜草群落對黑龍江春大豆產(chǎn)量損失的影響[J]. 中國植保導(dǎo)刊，2014，34(6)：10－12.Wang Yu, Huang Chunyan, Huang Yuanju, et al. Influence of different weed communities on yield loss of spring soybean in Hei Longjiang province[J]. China Plant Protection, 2014,34(6): 10－12. (in Chinese with English abstract)

[3] Duerinckx K, Mouazen A M, Anthonis J, et al. Effects of spring-tine setting and operational condition on the mechanical performance of a weed harrow tine[J]. Biosystems Engineering,2005, 91(1): 21－34.

[4] Cordill C, Grift T E. Design and testing of an intra- row mechanical weeding machine for corn[J]. Biosystems Engineering,2011, 110(3): 247－252.

[5] 魏兆凱，張修春.大豆苗間除草松土機的設(shè)計[J]. 農(nóng)機化研究，2009(6)：83－86 Wei Zhaokai, Zhang Xiuchun. Design of soybean’s thinning weeding ripping machinery[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2009(6): 83－86. (in Chinese with English abstract)

[6] 李江國，劉占良，張晉國，等. 國內(nèi)外田間機械除草技術(shù)研究現(xiàn)狀[J]. 農(nóng)機化研究，2006(10)：14－16.Li Jiangguo, Liu Zhanliang, Zhang Jinguo, et al. Review of mechanical weeding technique in field at home and abroad[J].Journal of Agricultural Mechanization Research, 2006(10):14－16. (in Chinese with English abstract)

[7] 高軍偉，劉永軍，袁洪波. 機械式苗間除草裝置與技術(shù)研究探討[J]. 農(nóng)機化研究，2014(12)：260－264.Gao Junwei, Liu Yongjun, Yuan Hongbo. Discussion on mechanical intra-row weeding device and technology research[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research,2014(12): 260－264. (in Chinese with English abstract)

[8] 車剛，張偉，梁遠，等. 3ZFC-7 型全方位復(fù)式中耕機的設(shè)計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2011，27(1)：130－135.Che Gang, Zhang Wei, Liang Yuan, et al. Design and experiment of the 3ZFC-7 omni-bearing duplex type cultivator[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE), 2011, 27(1): 130－135. (in Chinese with English abstract)

[9] 韓豹，吳文福，申建英. 水平圓盤式苗間除草裝置試驗臺優(yōu)化試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2010，26(2)：142－146.Han Bao, Wu Wenfu, Shen Jianying. Optimization experiment on test-bed of horizontal disk weeding unit between seedlings[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2010, 26(2): 142－146. (in Chinese with English abstract)

[10] 韓豹，吳文福，李興. 組合梳齒式株間除草機構(gòu)優(yōu)化試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程，2011，1(1)：16－19 Han Bao, Wu Wenfu, Li Xing. Optimization experiment on assembly multi-finger intra-row weeding mechanism[J].Agricultural Engineering, 2011, 1(1): 16－19. (in Chinese with English abstract)

[11] 韓豹，申建英，李悅梅. 3ZCF-7700型多功能中耕除草機設(shè)計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2011，27(1)：124－129.Han Bao, Shen Jianying, Li Yuemei. Design and experiment on 3ZCF-7700 multi-functional weeding-cultivating machine[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE), 2011, 27(1): 124－129. (in Chinese with English abstract)

[12] 韓豹. 東北壟作株間機械除草關(guān)鍵部件研究與整機設(shè)計[D]. 長春：吉林大學(xué)，2011.Han Bao. Study on Key Components and Holistic Device of Intra-row Mechanical Weeding of the Ridge Cropping System in Northeast of China[D]. Changchun: Jilin University,2011. (in Chinese with English abstract)

[13] 張朋舉，張紋，陳樹人，等. 八爪式株間機械除草裝置虛擬設(shè)計與運動仿真[J]. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2010，41(4)：56－59.Zhang Pengju, Zhang Wen, Chen Shuren, et al. Virtual design and kinetic simulation for eight claw intra-row mechanical weeding device[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2010, 41(4): 56－59. (in Chinese with English abstract)

[14] 胡煉，羅錫文，嚴(yán)乙桉，等. 基于爪齒余擺運動的株間機械除草裝置研制與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2012，28(14)：10－16.Hu Lian, Luo Xiwen, Yan Yi’an, et al. Development and experiment of intra-row mechanical weeding device based on trochoid motion of claw tooth[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(14): 10－16. (in Chinese with English abstract)

[15] 張春龍，黃小龍，耿長興，等. 智能鋤草機器人系統(tǒng)設(shè)計與仿真[J]. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2011，42(7)：196－199，185.Zhang Chunlong, Huang Xiaolong, Geng Changxing, et al.Design and simulation of intelligent weeding robot system[J].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2011, 42(7): 196－199, 185. (in Chinese with English abstract)

[16] Norremark M, Griepentrog H W, Nielsen J, et al. The development and assessment of the accuracy of an autonomous GPS-based system for intra-row mechanical weed control in row crops[J]. Biosystems Engineering, 2008, 101(4): 396－410.

[17] 劉文，徐麗明，邢潔潔，等. 作物株間機械除草技術(shù)的研究現(xiàn)狀[J]. 農(nóng)機化研究，2017，39(1)：243－250.Liu Wen, Xu Liming, Xing Jiejie, et al. Research status of mechanical intra-row weed control in row crop[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2017, 39(1): 243－250.(in Chinese with English abstract)

[18] 陳子文，張春龍，李楠，等. 智能高效株間鋤草機械人研究進展與分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2015，31(5)：1－8.Chen Ziwen, Zhang Chunlong, Li Nan, et al. Study review and analysis of high performance intra-row weeding robot[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE), 2015, 31(5): 1－8. (in Chinese with English abstract)

[19] 蔡國華，李慧，李洪文，等. 基于ATmega128單片機的開溝深度自控系統(tǒng)試驗臺的設(shè)計[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2011，27(10)：11－16.Cai Guohua, Li Hui, Li Hongwen, et al. Design of test-bed for automatic depth of furrow opening control system based on ATmega128 single chip microcomputer[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2011, 27(10): 11－16. (in Chinese with English abstract)

[20] Weatherly E T, Browers Jr C G. Automatic depth control of a planter based on soil drying front sensing[J]. Transactions of the ASAE, 1997, 40(2): 295－305.

[21] Saeys W, Wallays C, Engelen K, et al. An automatic depth control system for shallow slurry injection, Part 2: Control design and field validation[J]. Biosystems Engineering, 2008,99(2): 161－170.

[22] Saeys W, Engelen K, Ramon H, et al. An automatic depth control system for shallow manure injection, Part 1: Modeling of the depth control system[J]. Biosystems Engineering, 2007,98(10): 146－154.

[23] S?gaard H T. Automatic control of a finger weeder with respect to the harrowing intensity at varying soil structure[J].Journal of Agricultural Engineering Research, 1998, 70(6):157－163.

[24] Linden Svander. Infrared laser sensor for depth measurement to improve depth control in intra-row mechanical weeding[J].Biosystems Engineering, 2008, 100(3): 309－320.

[25] 梁麗娜. 水稻種子帶育秧設(shè)備種子封固系統(tǒng)設(shè)計與試驗研究[D]. 哈爾濱：東北農(nóng)業(yè)大學(xué)，2016.Liang Lina. The Design and Experimental Research on Fixedsealing System for Seed Nursery Belt Seedlings Equipment of Rice[D]. Harbin: Northeast Agricultural University, 2016.(in Chinese with English abstract)

[26] 李君，徐巖，許績彤，等. 懸掛式電動柔性疏花機控制系統(tǒng)設(shè)計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2016，32(18)：61－66.Li Jun, Xu Yan, Xu Jitong, et al. Design and experiment of control system for suspended electric flexible thinner[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE), 2016, 32(18): 61－66. (in Chinese with English abstract)

[27] 譚祖庭，馬旭，齊龍，等. 振流式精密播種裝置種層厚度檢測及控制系統(tǒng)研制[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2012，28(21)：10－16.Tan Zuting, Ma Xu, Qi Long, et al. Detection and control system of seed-layers thickness for vibration-flow precision seeder[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(21): 10－16. (in Chinese with English abstract)

[28] 陳進，張淑紅，李耀明. 聯(lián)合收獲機梳脫臺高度自動控制系統(tǒng)的設(shè)計[J]. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2003，34(6)：65－67.Chen Jin, Zhang Shuhong, Li Yaoming. Design of an automatic height control system for stripper of a combine[J].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2003, 34(6): 65－67. (in Chinese with English abstract)

[29] 陳進，張淑紅，李耀明，等. 梳脫臺高度自動控制系統(tǒng)建模與計算機仿真[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2003，19(6)：110－113.Chen Jin, Zhang Shuhong, Li Yaoming, et al. Model development and simulation of an automatic height control system for a stripper header[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2003,19(6): 110－113. (in Chinese with English abstract)

[30] 韓豹，吳文福，黃新國. 寒地超級稻摘脫臺設(shè)計參數(shù)的試驗研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2010，26(12)：125－130.Han Bao, Wu Wenfu, Huang Xinguo. Experiments on design parameters of stripping header for super rice in cold region[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2010, 26(12):125－130. (in Chinese with English abstract)

[31] 韓豹，蔣亦元，吳文福. 倒伏超級稻割前摘脫臺試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2011，27(6)：90－94.Han Bao, Jiang Yiyuan, Wu Wenfu. Experiments on stripping header for harvesting lodging super rice[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2011, 27(6): 90－94. (in Chinese with English abstract)

[32] 王國軍. 超聲波測距傳感器的研究[D]. 哈爾濱：黑龍江大學(xué)電子工程學(xué)院，2014.Wang Guojun. Research of the Ultrasonic Sensor Depth Measurement[D]. Harbin: School of Electronic Engineering of Heilongjiang University, 2014. (in Chinese with English abstract)

[33] 張野. 基于 STC89C52單片機的超聲波測距儀設(shè)計[J]. 科技與企業(yè)，2015(3)：91.

[34] 董建園，曹旭妍，魏培，等. 電液比例位置控制系統(tǒng)的研究[J]. 機床與液壓，2013，41(7)：40－44，47.Dong Jianyuan, Cao Xuyan, Wei Pei, et al. Research on electro-hydraulic proportional position servo system[J].Machine Tool & Hydraulics, 2013, 41(7): 40－44, 47. (in Chinese with English abstract)

[35] 魯植雄，龔佳慧，魯楊，等. 拖拉機線控液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的雙通道 PID控制仿真與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2016，32(6)：101－106.Lu Zhixiong, Gong Jiahui, Lu Yang, et al. Simulation and experiment of dual channel PID control for hydraulic steerby-wire system of tractor[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE),2016, 32(6): 101－106. (in Chinese with English abstract)

[36] 陳潔，原思聰，劉道華. PID控制在高速數(shù)控壓機液壓系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 機械設(shè)計與制造，2010(6)：67－69.Chen Jie, Yuan Sicong, Liu Daohua. PID control and its application to the high speed numerical control oil-press system[J]. Machinery Design & Manufacture, 2010(6): 67－69. (in Chinese with English abstract)

[37] 朱鋒，蘭加標(biāo)，傅波. 8 MN 液壓機電液比例控制系統(tǒng)的仿真分析[J]. 液壓與氣動，2015(8)：79－82.Zhu Feng, Lan Jiabiao, Fu Bo. Simulation and analysis for electro-hydraulic proportional control system of 8 MN hydraulic press[J]. Hydraulic and Pneumatic, 2015(8): 79－82. (in Chinese with English abstract)

[38] ManuelPérez-Ruíz, David CSlaughter, Fadi A Fathallah, et al.Co-robotic intra-row weed control system[J].Biosystems Engineering, 2014, 126: 45－55.

[39] Norremark M. Evaluation of an autonomous GPS-based system for intra-row weed control by assessing the tilled area[J]. Precision Agriculture, 2012, 13(2): 149－162.

[40] 馬锃宏，李南，王漢斌，等. 溫室株間電驅(qū)鋤草機控制系統(tǒng)設(shè)計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2015，46(1)：89－93.Ma Zenghong, Li Nan, Wang Hanbin, et al. Control system for electric drive intra-row weeding[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2015, 46(1): 89－93. (in Chinese with English abstract)