楊少奇 張磊 張含思 徐峰 李廣宇

摘?要：針對(duì)目前懸掛式深松機(jī)耕深自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)在一定坡度的斜面上作業(yè)時(shí)，不能準(zhǔn)確反映深松作業(yè)的實(shí)際耕深，提出了一種耕深自動(dòng)測(cè)量通用數(shù)學(xué)模型。在下拉桿上安裝角度傳感器，利用最小二乘法建立水平作業(yè)面上的下拉桿角度與深松機(jī)耕深的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)在拖拉機(jī)車身上安裝角度傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量作業(yè)面的坡面角度，綜合利用下拉桿角度和車身角度建立耕深自動(dòng)測(cè)量通用數(shù)學(xué)模型。由于拖拉機(jī)-懸掛-深松機(jī)三者組成剛性連接，在作業(yè)面中出現(xiàn)起伏狀況時(shí)容易造成實(shí)際耕深過(guò)深或過(guò)淺，所以提出了一種以下拉桿角度為控制目標(biāo)的耕深控制方法。確定目標(biāo)耕深后，通過(guò)水平作業(yè)面耕深測(cè)量數(shù)學(xué)模型換算得到下拉桿的角度作為目標(biāo)角度，利用車身的實(shí)時(shí)測(cè)量角度進(jìn)行1次目標(biāo)角度的修正;車身角度變化反映作業(yè)面的起伏，利用車身角度的變化量對(duì)目標(biāo)角度再次修正。2次修正確定最終的目標(biāo)角度。通過(guò)提高耕深的測(cè)量精度和控制精度，以提高深松作業(yè)效果和作業(yè)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：

深松機(jī);耕深;測(cè)量;控制方法;坡地

中圖分類號(hào)：S233.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20191230016

引言

深松作業(yè)對(duì)農(nóng)作物根系生長(zhǎng)、作物耗水和作物產(chǎn)量等有重要的影響作用[1-3]。其中，耕深是深松作業(yè)效果和作業(yè)質(zhì)量的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)，耕深過(guò)淺則不能滿足農(nóng)技要求，不利于作物根系生長(zhǎng)，影響作物的生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量;耕深過(guò)深則會(huì)增加拖拉機(jī)功率消耗，增加作業(yè)成本，影響作業(yè)效率[4-7]。目前，耕深的測(cè)量方法主要包括人工測(cè)量和自動(dòng)測(cè)量，人工測(cè)量是通過(guò)人工扒土的方式對(duì)耕深進(jìn)行測(cè)量;自動(dòng)測(cè)量又包括直接測(cè)量和間接測(cè)量，其中直接測(cè)量是基于超聲波測(cè)距儀，根據(jù)農(nóng)機(jī)具機(jī)架距離地面的初始距離和實(shí)際距離之差來(lái)計(jì)算耕深，易受溫度和地表覆蓋物的干擾而影響測(cè)量精度;間接測(cè)量是基于傾角傳感器，運(yùn)用拖拉機(jī)懸掛和農(nóng)機(jī)具相互之間的幾何關(guān)系以及運(yùn)動(dòng)學(xué)原理，建立耕深與相應(yīng)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的角度之間的數(shù)學(xué)模型，從而通過(guò)實(shí)時(shí)采集的角度值計(jì)算出耕深[8-12]。然而，這些基于傾角傳感器的耕深測(cè)量數(shù)學(xué)模型僅適用于作業(yè)平面為水平面的作業(yè)狀況，在一定坡度的斜面上作業(yè)或者水平作業(yè)面中出現(xiàn)起伏時(shí)，通過(guò)傾角傳感器的測(cè)量角度計(jì)算出來(lái)的耕深就會(huì)有偏差，不能準(zhǔn)確反映深松作業(yè)的實(shí)際耕深。

對(duì)耕深的控制方面的研究也取得了一定的進(jìn)展。

有些學(xué)者以耕深為控制目標(biāo)，通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)提升器液壓閥門來(lái)控制和調(diào)節(jié)耕深[13，14]。有些學(xué)者分別設(shè)計(jì)了模糊控制器、模糊PID控制器、P—模糊控制器和P—模糊PID控制器等智能控制器實(shí)現(xiàn)了耕深的自動(dòng)控制。在實(shí)際控制過(guò)程中，先設(shè)定目標(biāo)耕深，并以測(cè)量耕深與目標(biāo)耕深的偏差和偏差率作為智能控制器的輸入，通過(guò)智能控制器的輸出來(lái)控制電液比例換向閥，電液比例換向閥控制和調(diào)節(jié)提升液壓缸，實(shí)現(xiàn)耕深的自動(dòng)調(diào)節(jié)和控制[15-23]。

為了實(shí)現(xiàn)在坡面上作業(yè)時(shí)也可以準(zhǔn)確測(cè)量深松作業(yè)的耕深，本文通過(guò)在拖拉機(jī)車身上安裝角度傳感器實(shí)時(shí)反映作業(yè)平面坡面角度，提出了一種通用的耕深測(cè)量數(shù)學(xué)模型來(lái)提高耕深的測(cè)量精度，并利用車身角度以及作業(yè)平面起伏而引起車身角度變化量提出了一種耕深控制方法來(lái)提高控制精度，旨在提高深松作業(yè)效果和作業(yè)質(zhì)量。

1?系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

耕深測(cè)量控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)主要包括拖拉機(jī)、控制器、懸掛式深松機(jī)、傾角傳感器、電液比例換向閥和提升液壓缸。其中傾角傳感器有2個(gè)，傾角傳感器1安裝在左下拉桿上，傾角傳感器2安裝在拖拉機(jī)的車身上。整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

2?耕深測(cè)量原理

2.1?水平作業(yè)面耕深測(cè)量數(shù)學(xué)模型

建立水平作業(yè)面中的下拉桿角度α與深松機(jī)耕深h的數(shù)學(xué)關(guān)系模型，即可通過(guò)采集到下拉桿的傾角數(shù)值，得到耕深數(shù)值。懸掛式深松機(jī)的3點(diǎn)懸掛運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示，A為下鉸接點(diǎn)，B為上鉸接點(diǎn)，C為上懸掛點(diǎn)，D為下懸掛點(diǎn)，ABCD組成四連桿機(jī)構(gòu)，AB視為機(jī)架固定不動(dòng)，桿CD（即深松機(jī)）通過(guò)拉桿BC和拉桿AD的連接可以繞著機(jī)架旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)深松機(jī)的提升或降落。

在深松機(jī)從最高點(diǎn)降落到最低點(diǎn)的過(guò)程中依次測(cè)量若干個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，{（αi，hi）}（i=0，1，…，n），利用最小二乘法求出擬合曲線，找出映射關(guān)系式即

h=b0+b1α（1）

式中，b0為截距，cm;b1為斜率。

2.2?耕深測(cè)量通用數(shù)學(xué)模型

在一定坡度的斜面上作業(yè)時(shí)，以坡面角度β為例，坡面上的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖3所示。

從圖3中的幾何關(guān)系以及考慮到γ角的正負(fù)符號(hào)可以得出：

γ=α-β（2）

此時(shí)，參考水平作業(yè)面的耕深測(cè)量模型，可以得出坡面上的耕深測(cè)量數(shù)學(xué)模型為：

h=b0+b1（α-β）（3）

利用安裝在拖拉機(jī)車身上的角度傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量的坡面角度，得出耕深測(cè)量的通用數(shù)學(xué)模型：

h=b0+b1（α-β）+c（4）

式中，c為補(bǔ)償值（cm），其求法是：將深松機(jī)調(diào)到任意位置保持不動(dòng)，人工測(cè)量的實(shí)際耕深與通過(guò)式（4）計(jì)算的耕深之間的差值即為補(bǔ)償值;

當(dāng)β=0時(shí)，正是水平作業(yè)面上的耕深測(cè)量數(shù)學(xué)模型。

3?耕深控制方法

目前，常用的耕深自動(dòng)控制算法均基于模糊算法。以測(cè)量耕深與目標(biāo)耕深的偏差和偏差率作為模糊算法的輸入，以控制信號(hào)作為輸出，從而實(shí)現(xiàn)耕深的自動(dòng)控制和調(diào)節(jié)。測(cè)量耕深的精度直接影響到耕深的控制精度。

首先，確定目標(biāo)耕深，將目標(biāo)耕深換算得到水平作業(yè)平面上的目標(biāo)角度：

α=（h-b0-c）/b1（5）

利用實(shí)時(shí)采集到的車身角度對(duì)目標(biāo)角度進(jìn)行1次修正，得到新的目標(biāo)角度：

α=（h-b0-c）/b1+β（6）

由于拖拉機(jī)、懸掛、深松機(jī)三者組成剛性連接，在作業(yè)面中出現(xiàn)起伏狀況時(shí)容易造成實(shí)際耕深過(guò)深或過(guò)淺。以作業(yè)平面出現(xiàn)突起狀況為例，由圖4可以看出，拖拉機(jī)、懸掛、深松機(jī)三者組成的剛性連接，在經(jīng)過(guò)此狀況時(shí)，容易造成耕深過(guò)深，需要進(jìn)行修正目標(biāo)角度，以滿足目標(biāo)耕深的要求。同理，當(dāng)作業(yè)平面出現(xiàn)低伏狀況時(shí)，容易造成耕深過(guò)淺。

當(dāng)拖拉機(jī)在作業(yè)時(shí)，作業(yè)平面的起伏引起車身傾角β的變化，用△β表示作業(yè)平面的起伏變化：

Δβ=β2-β1（7）

式中，β2為當(dāng)前拖拉機(jī)車身傾角數(shù)值（°）;β1為前1次測(cè)量的拖拉機(jī)車身傾角數(shù)值（°）。

綜合考慮作業(yè)平面的角度以及作業(yè)平面起伏變化，通過(guò)2次對(duì)目標(biāo)角度的修正，最終確定目標(biāo)角度

α=（h-b0-c）/b1+β-Δβ（8）

耕深自動(dòng)控制流程圖，如圖5所示。

4?總結(jié)

綜合利用下拉桿角度和車身角度，提出了一種耕深自動(dòng)測(cè)量通用數(shù)學(xué)模型，此模型適用于各種角度的作業(yè)平面，可以較真實(shí)地反映實(shí)際耕深。

由于拖拉機(jī)、懸掛、深松機(jī)三者組成剛性連接，在作業(yè)面中出現(xiàn)起伏狀況時(shí)容易造成實(shí)際耕深過(guò)深或過(guò)淺，提出了一種以下拉桿角度為控制目標(biāo)的耕深控制方法。利用車身的實(shí)時(shí)測(cè)量角度和車身角度的變化量對(duì)目標(biāo)角度進(jìn)行2次修正，確定最終的目標(biāo)角度。

為提高耕深的測(cè)量精度和控制精度提供理論參考和支持，以提高深松作業(yè)效果和作業(yè)質(zhì)量。

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作者簡(jiǎn)介：

楊少奇（1985-），男，碩士，工程師。研究方向：農(nóng)業(yè)機(jī)械化和機(jī)電一體化;李廣宇（1975-），男，高級(jí)工程師。研究方向：農(nóng)業(yè)機(jī)械化和機(jī)電一體化。