李玲玲 孟長(zhǎng)伊 張磊 張?jiān)拼T 李廣宇 徐峰 張漢思 楊少奇 郝宇佳 李劍飛 楊海天

摘要：以拖拉機(jī)田間作業(yè)感知系統(tǒng)作為研究對(duì)象，圍繞拖拉機(jī)懸掛系統(tǒng)智能化這一關(guān)鍵共性技術(shù)，針對(duì)農(nóng)機(jī)使用過(guò)程作業(yè)粗放、可靠性和安全性差、能源資源浪費(fèi)嚴(yán)重等問(wèn)題，采用智能傳感器技術(shù)及串口通訊技術(shù)，建立拖拉機(jī)狀態(tài)、農(nóng)機(jī)具耕作位置、耕作阻力等農(nóng)機(jī)作業(yè)信息感知系統(tǒng)，并進(jìn)行實(shí)時(shí)田間試驗(yàn)農(nóng)機(jī)作業(yè)信息采集。

Abstract： This paper takes the tractor field operation sensing system as the research object. Focusing on the key common technology of intelligent tractor suspension system， in view of the problems of extensive operation， poor reliability and safety agricultural machinery and serious waste of energy resources， intelligent sensor technology and serial communication technology are used to establish agricultural machinery operation information sensing system such as tractor status， agricultural machinery farming position， and farming resistance.

關(guān)鍵詞：懸掛系統(tǒng);信息;感知技術(shù)

Key words： suspension system;information;perception technology

中圖分類號(hào)：S219.03 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006-4311（2019）08-0167-03

0 ?引言

農(nóng)機(jī)作業(yè)正朝著信息化、智能化發(fā)展，各種智能控制農(nóng)業(yè)機(jī)械將在各種農(nóng)業(yè)領(lǐng)域成為不可替代的重要產(chǎn)品。智能農(nóng)機(jī)的發(fā)展需要更有效地通過(guò)數(shù)據(jù)服務(wù)來(lái)利用農(nóng)業(yè)資源。例如，迪爾公司的Farm Sight、杜邦先鋒的Field360都是被廣泛使用的農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)系統(tǒng)，可以有效幫助農(nóng)民收集來(lái)自機(jī)械化農(nóng)場(chǎng)設(shè)備的種植和產(chǎn)量數(shù)據(jù)，并將這些信息輸入數(shù)據(jù)庫(kù)，從而應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。因此，信息化、智能化將成為當(dāng)前國(guó)內(nèi)農(nóng)機(jī)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向，盡快與國(guó)際銜接成為必然[1]。

1 ?田間作業(yè)信息采集系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

根據(jù)拖拉機(jī)田間作業(yè)農(nóng)藝，將傳感器測(cè)量技術(shù)引入到拖拉機(jī)-機(jī)具田間作業(yè)過(guò)程，設(shè)計(jì)改造拖拉機(jī)懸掛系統(tǒng)，將角度傳感器、力傳感器（牽引力傳感器、扭矩傳感器）集成到拖拉機(jī)懸掛系統(tǒng)中，保證拖拉機(jī)可掛結(jié)播種機(jī)、旋耕機(jī)、植保機(jī)械、拖車等農(nóng)機(jī)具，實(shí)現(xiàn)配套機(jī)具作業(yè)深度及作業(yè)姿態(tài)仿形（高度及角度）的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[2]。

1.1 功能設(shè)計(jì)（圖1）

1.2 硬件平臺(tái)

1.2.1 傳感器

檢測(cè)系統(tǒng)所使用傳感器安裝布置如圖2所示，所有傳感器波特率設(shè)置為9600bps，串口編號(hào)與傳感器地址一致，便于檢查每一個(gè)傳感器接收數(shù)據(jù)是否正確。供電電壓24V。

1.2.2 顯示器

項(xiàng)目選用的顯示器嵌入式液晶觸摸顯示模塊，操作者可以直接點(diǎn)觸摸屏，就可以傳送指令，隨意進(jìn)行功能控制，顯示器件是15寸串口液晶LVDS2模組。模組是廣州市崇暢計(jì)算機(jī)科技有限公司獨(dú)立研發(fā)生產(chǎn)的包含圖片、字符疊加以及各類常用波形、曲線等繪圖指令的顯示解決方案。該模組已廣泛應(yīng)用在醫(yī)療、金融、工控等行業(yè)中，如圖3所示。

1.2.3 工控機(jī)

項(xiàng)目選用的工控機(jī)由北京阿爾泰科技有限公司開發(fā)設(shè)計(jì)，產(chǎn)品型號(hào)為L(zhǎng)B96A2多功能高性能帶 PCI 擴(kuò)展插槽的無(wú)風(fēng)扇嵌入式工控整機(jī)，采用 Intel■ BayTrail-IE3845 處理器，內(nèi)置 4GB DDR3L SODIMM 內(nèi)存，具有豐富可靠的外設(shè)，能夠與 PCI 接口的設(shè)備組成多種工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，抗沖擊，抗振，并能夠防止數(shù)據(jù)在移動(dòng)時(shí)丟失。

該工控機(jī)供電電壓為9～30VDC/12V適配器供電，3個(gè)PCI插槽，6路RS-232/RS-485/RS-422復(fù)用串口，操作系統(tǒng)多樣（win7、win8、win10、linux），1個(gè)VGA顯示接口，4個(gè)USB2.0接口、1個(gè)USB3.0接口，1個(gè)DVI-D顯示接口（分辨率：1920*1080），1個(gè)VGA顯示接口。

該工控機(jī)滿足田間作業(yè)信息采集系統(tǒng)使用要求。

1.3 硬件電路設(shè)計(jì)

1.3.1 RS232串行接口電路設(shè)計(jì)

傳感器數(shù)據(jù)的接收及存儲(chǔ)都是通過(guò)串口進(jìn)行傳輸?shù)?，每一個(gè)串行設(shè)備COM口，例如“COM1”，本項(xiàng)目的田間作業(yè)信息采集系統(tǒng)共有9個(gè)傳感器，需要9個(gè)COM口，傳統(tǒng)工控機(jī)無(wú)法滿足使用要求，為了實(shí)現(xiàn)串口通訊，在工控機(jī)上配備了串口擴(kuò)展模塊，該串口擴(kuò)展模塊可將分散的9個(gè)COM口集成在一個(gè)多針擴(kuò)展模塊上，大大減輕工作強(qiáng)度，提高控制箱利用率，如圖4所示。

1.3.2 傳感器信號(hào)采集接口電路

本項(xiàng)目采用的傳感器有位置傳感器、扭矩傳感器、力傳感器，以上三種傳感器使用的通訊協(xié)議均為MODBUS協(xié)議，其中安裝于左右懸掛點(diǎn)的力傳感器BSQ-15及左右鉸接點(diǎn)的力傳感器BSQ-17輸出方式為RS232，安裝于后懸掛左、右下拉桿上的位置傳感器LVT526H輸出方式為RS485，需要通過(guò)工控?cái)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為RS232輸出，才可與工控機(jī)通訊。安裝于左下拉桿、右下拉桿和上拉桿上的力傳感器ZC-6802，以及安裝于后PTO上的扭矩傳感器輸出方式與位置傳感器相同，以位置傳感器為例，設(shè)計(jì)位置傳感器原理框圖如圖5所示?；舅枷胧墙邮瘴灰苽鞲衅餍盘?hào)，實(shí)現(xiàn)差分至單端的轉(zhuǎn)換;轉(zhuǎn)換后的單端信號(hào)經(jīng)過(guò)低通濾波器后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào);使用工控?cái)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器通過(guò)RS232接口發(fā)送給PC機(jī)。

1.3.3 人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

嵌入式液晶觸摸顯示模塊和鍵盤操作模塊組成了本項(xiàng)目所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的人機(jī)交互界面。本設(shè)計(jì)所采用的顯示器件是15寸串口液晶LVDS2模組。模組是廣州市崇暢計(jì)算機(jī)科技有限公司獨(dú)立研發(fā)生產(chǎn)的包含圖片、字符疊加以及各類常用波形、曲線等繪圖指令的顯示解決方案。該模組已廣泛應(yīng)用在醫(yī)療、金融、工控等行業(yè)中，只要用手指輕輕的指碰計(jì)算機(jī)顯示器上的圖符或者文字就能實(shí)現(xiàn)對(duì)主機(jī)操作。

2 ?田間作業(yè)信息采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

使用角度傳感器、力傳感器（牽引力傳感器、扭矩傳感器）實(shí)時(shí)采集與計(jì)算配套機(jī)具耕作姿態(tài)和作業(yè)負(fù)荷數(shù)據(jù)等農(nóng)機(jī)作業(yè)信息，運(yùn)用傳感器測(cè)量的數(shù)據(jù)信息，基于串口通訊技術(shù)建立農(nóng)機(jī)作業(yè)信息通訊系統(tǒng)，采用微處理器作為主控芯片，基于windows系統(tǒng)建立懸掛系統(tǒng)作業(yè)信息感知系統(tǒng)，在觸摸屏上同步顯示檢測(cè)數(shù)據(jù)。

2.1 耕深算法研究及數(shù)據(jù)采集

2.1.1 耕深算法研究

傳統(tǒng)的拖拉機(jī)耕深手動(dòng)控制過(guò)程過(guò)度依賴于駕駛員的操作水平，不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大而且作業(yè)精度不高，直接影響到了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效果[3]，為了能得到拖拉機(jī)實(shí)時(shí)耕深數(shù)據(jù)，便于實(shí)現(xiàn)拖拉機(jī)力調(diào)節(jié)、位調(diào)節(jié)、力位綜合調(diào)節(jié)等自動(dòng)控制，本項(xiàng)目對(duì)拖拉機(jī)耕深算法進(jìn)行研究。通過(guò)位置傳感器測(cè)得左右下拉桿實(shí)時(shí)角度，解算拖拉機(jī)耕深，如圖7所示。

如圖7所示，懸掛點(diǎn)距鏟尖距離為H1，鉸接點(diǎn)距地面距離為H0，下拉桿長(zhǎng)度為L(zhǎng)1，位置傳感器測(cè)得傾角值為β，解算得出鏟尖距地面距離H。

H=（H0+L1sinβ）-H1

通過(guò)液晶觸摸顯示模塊，手動(dòng)輸入懸掛點(diǎn)距鏟尖距離為H1，后臺(tái)程序計(jì)算得出耕深實(shí)際值，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程存儲(chǔ)。

2.1.2 實(shí)時(shí)耕深數(shù)據(jù)采集

為了實(shí)現(xiàn)拖拉機(jī)力調(diào)節(jié)、位調(diào)節(jié)、力位綜合調(diào)節(jié)等自動(dòng)控制，需要測(cè)得拖拉機(jī)實(shí)時(shí)耕深數(shù)據(jù)。拖拉機(jī)實(shí)時(shí)耕深數(shù)據(jù)采集原理為：駕駛員通過(guò)液晶觸摸顯示模塊設(shè)定耕深的目標(biāo)信號(hào);位置傳感器檢測(cè)耕深信號(hào)，傳入到后臺(tái)程序中，經(jīng)計(jì)算得出實(shí)際的耕深信號(hào)，同時(shí)顯示在PC機(jī)上。

2.2 多傳感器信息融合技術(shù)

多傳感器信息融合是指協(xié)同使用多種傳感器[4]，如不同位置的多個(gè)同類或不同類的傳感器，并將這些傳感器所提供的局部環(huán)境的不整的信息加以綜合，形成與系統(tǒng)環(huán)境一致性的完整描述。目的主要是基于各傳感器分離獲取的監(jiān)測(cè)信息，進(jìn)行優(yōu)化組合得到更準(zhǔn)確的信息。運(yùn)用數(shù)據(jù)融合技術(shù)綜合處理來(lái)自多個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)信息和相關(guān)信息，可以獲得比運(yùn)用單個(gè)傳感器更加詳細(xì)而精確的結(jié)論。

本項(xiàng)目在東方紅拖拉機(jī)C904后懸掛裝置上安裝9個(gè)傳感器，安裝于下拉桿上的位置傳感器用于檢測(cè)深松鏟相對(duì)于地面的位置信息，安裝于懸掛點(diǎn)及鉸接點(diǎn)的力傳感器用于對(duì)比分析兩點(diǎn)受力情況，安裝于后PTO上的扭矩傳感器用于檢測(cè)后PTO的輸出功率，單一一種傳感器無(wú)法滿足力位綜合控制的信息，采用多傳感器信息融合技術(shù)，對(duì)來(lái)自多個(gè)傳感器的信息進(jìn)行多方面、多層次、多級(jí)別的處理，能夠?qū)崿F(xiàn)更加準(zhǔn)確的識(shí)別與判斷。

3 ?田間試驗(yàn)與分析

基于拖拉機(jī)田間作業(yè)信息感知系統(tǒng)進(jìn)行田間試驗(yàn)，采集農(nóng)機(jī)具田間作業(yè)負(fù)荷、作業(yè)姿態(tài)等數(shù)據(jù)，分析測(cè)量數(shù)據(jù)，探索牽引力-機(jī)具位置關(guān)系，為懸掛系統(tǒng)控制方案做準(zhǔn)備。

3.1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

本著盡可能多測(cè)得各種傳感器數(shù)據(jù)的原則，獲取耕深數(shù)據(jù)、不同位置受力數(shù)據(jù)等信息，為拖拉機(jī)后懸掛力位綜合控制提供基礎(chǔ)和對(duì)策。

試驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)包括：耕深、左下拉桿角度、右下拉桿角度、左鉸接點(diǎn)受力值、右鉸接點(diǎn)受力值、左懸掛點(diǎn)受力值、右懸掛點(diǎn)受力值、左下拉桿受力值、右下拉桿受力值、上拉桿受力值、后PTO扭矩值。

試驗(yàn)于2017年秋季、2018年春季、2018年夏季、2018年冬季進(jìn)行。

3.2 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于吉林省長(zhǎng)春市農(nóng)安縣開安鎮(zhèn)吉林省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究院試驗(yàn)基地，試驗(yàn)面積約30畝。該試驗(yàn)地土壤肥沃，通透性好，易耕作，抗?jié)场?/p>

3.3 田間試驗(yàn)

在對(duì)農(nóng)田作業(yè)信息采集系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試后，于2017年10月8日進(jìn)行首次田間試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)間30天。

3.4 試驗(yàn)分析

①田間作業(yè)信息采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)安裝不牢固，在試驗(yàn)過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)工控機(jī)串口與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)接模塊接觸不牢固，導(dǎo)致部分?jǐn)?shù)據(jù)丟失。②傳感器數(shù)量較多，且均為數(shù)字量傳感器，通訊接口為串口，在讀取所有傳感器數(shù)值時(shí)，返回?cái)?shù)據(jù)有不同步現(xiàn)象。③田間作業(yè)信息采集系統(tǒng)拆卸繁瑣，每次拆卸需要消耗大量時(shí)間。④上拉桿、左下拉桿、右下拉桿上的力傳感器不穩(wěn)定，測(cè)得數(shù)據(jù)超出極限范圍。

針對(duì)以上問(wèn)題，課題組對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新布局，確保元器件間接觸牢固;通過(guò)延長(zhǎng)采樣周期的辦法，確保所有傳感器數(shù)據(jù)同步返回;使用多用途連接器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的連接端子，大大節(jié)省拆卸時(shí)間，并且信號(hào)線接線牢固，降低因拆卸導(dǎo)致信號(hào)丟失的可能性;對(duì)力傳感器進(jìn)行重新校準(zhǔn)。

課題組分別于2018年春季、夏季、秋季在農(nóng)業(yè)機(jī)械研究院試驗(yàn)基地進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)得試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并將所得試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程存儲(chǔ)，為后續(xù)數(shù)據(jù)分析及懸掛系統(tǒng)控制方案提供理論基礎(chǔ)。

4 ?結(jié)論

本項(xiàng)目以拖拉機(jī)田間作業(yè)感知系統(tǒng)作為研究對(duì)象，圍繞拖拉機(jī)懸掛系統(tǒng)智能化這一關(guān)鍵共性技術(shù)，針對(duì)農(nóng)機(jī)使用過(guò)程作業(yè)粗放、可靠性和安全性差、能源資源浪費(fèi)嚴(yán)重等問(wèn)題，采用智能傳感器技術(shù)及串口通訊技術(shù)，建立拖拉機(jī)狀態(tài)、農(nóng)機(jī)具耕作位置、耕作阻力等農(nóng)機(jī)作業(yè)信息感知系統(tǒng)，并進(jìn)行田間試驗(yàn)采集農(nóng)機(jī)作業(yè)信息。

田間作業(yè)信息采集系統(tǒng)可直觀顯示數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)測(cè)得數(shù)據(jù)信息并存儲(chǔ)。

5 ?問(wèn)題、建議及下一步研究工作設(shè)想

拖拉機(jī)田間作業(yè)信息采集系統(tǒng)，歷經(jīng)2年的時(shí)間設(shè)計(jì)建設(shè)完成，進(jìn)行了功能性試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期指標(biāo)，但是，試驗(yàn)過(guò)程中也發(fā)現(xiàn)一些不合理的地方，問(wèn)題與建議如下：①傳感器抗震性能不足，數(shù)值跳動(dòng)嚴(yán)重，需要進(jìn)一步優(yōu)化數(shù)據(jù)采集處理方法，必要時(shí)需要考慮更換性能更好的傳感器。②此次建立的系統(tǒng)傳感器數(shù)量較多，且均為數(shù)字量傳感器，通訊接口為串口，在讀取所有傳感器數(shù)值時(shí)，返回?cái)?shù)據(jù)有不同步現(xiàn)象。需要進(jìn)一步優(yōu)化傳感器數(shù)量及采集程序的通訊方法，提高返回?cái)?shù)據(jù)同步性，增加系統(tǒng)實(shí)用性。

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