杜新武 楊緒龍 龐 靖 姬江濤 金 鑫 陳 雷

(1.河南科技大學(xué)農(nóng)業(yè)裝備工程學(xué)院， 洛陽(yáng) 471000； 2.洛陽(yáng)市機(jī)械設(shè)備先進(jìn)制造河南協(xié)同創(chuàng)新中心, 洛陽(yáng) 471000)

0 引言

旋耕機(jī)耕作時(shí)，耕層太淺，容易導(dǎo)致土壤破碎，達(dá)不到農(nóng)藝要求，不利于種子著床，影響作物生長(zhǎng)發(fā)育[1-6]；耕層過(guò)深，拖拉機(jī)功率消耗增大，作業(yè)成本增加，作業(yè)效率降低[7-11]。目前，旋耕作業(yè)深度的測(cè)量方法主要以人工測(cè)量為主，需要測(cè)量人員在機(jī)組前進(jìn)方向選取大量測(cè)量點(diǎn)，進(jìn)行人工扒土，利用耕深尺等進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量精度低，勞動(dòng)強(qiáng)度高，大大降低了耕整作業(yè)的效率[12-18]。同時(shí)，由于不能實(shí)時(shí)獲得耕深數(shù)據(jù)，旋耕機(jī)駕駛員往往需要通過(guò)個(gè)人經(jīng)驗(yàn)判斷耕深效果，導(dǎo)致耕后質(zhì)量不達(dá)標(biāo)而需要重耕的情況，耗時(shí)費(fèi)力，增加作業(yè)成本。因此，規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化、實(shí)時(shí)化、高效化的測(cè)量方法是解決旋耕深度測(cè)量問(wèn)題的關(guān)鍵。

國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者已經(jīng)開(kāi)展了深松耕整機(jī)械田間作業(yè)耕深監(jiān)測(cè)方法系統(tǒng)研究[19-22]。謝斌等[23]進(jìn)行了基于傾角傳感器的耕深測(cè)量方法研究，其利用三點(diǎn)懸掛裝置的幾何結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與拖拉機(jī)懸掛機(jī)組的空間位置的數(shù)學(xué)關(guān)系，對(duì)傾角傳感器的角度變化與測(cè)量電壓進(jìn)行標(biāo)定，進(jìn)而推算出耕深值，該方法具有較高的綜合測(cè)量精度，但易受到地面起伏的影響。西北農(nóng)林科技大學(xué)[24]設(shè)計(jì)了機(jī)械深松作業(yè)質(zhì)量檢測(cè)與評(píng)價(jià)系統(tǒng)，系統(tǒng)采用超聲波測(cè)距傳感器并結(jié)合GPS定位模塊，可直接獲得機(jī)具與地表之間的距離，能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量作業(yè)面積和作業(yè)平均深度，實(shí)現(xiàn)作業(yè)統(tǒng)計(jì)與評(píng)價(jià)等功能，雖然測(cè)量精度高，但易受到地表雜草、秸稈的影響。尹彥鑫等[25]開(kāi)展了深松耕深檢測(cè)方法的研究，分析了作業(yè)過(guò)程中懸掛式深松機(jī)的姿態(tài)與耕深的線性關(guān)系，建立了耕深檢測(cè)模型，提高了深松作業(yè)耕深檢測(cè)的精度和自動(dòng)化程度，但目前尚未得到廣泛推廣。

旋耕機(jī)在旱耕作業(yè)時(shí)，耕深一般不小于8 cm，最大耕深不超過(guò)20 cm。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，以懸掛式旋耕機(jī)為對(duì)象，采用慣性姿態(tài)傳感器實(shí)時(shí)記錄旋耕機(jī)組的姿態(tài)信息，綜合考慮結(jié)構(gòu)件形變和車(chē)輪下陷等因素對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果的影響，利用非線性測(cè)量模型解算耕深值。基于該測(cè)量模型設(shè)計(jì)懸掛式旋耕機(jī)耕深監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并以此系統(tǒng)為載體將測(cè)量模型應(yīng)用在旋耕機(jī)上，以實(shí)現(xiàn)旋耕作業(yè)質(zhì)量的全程自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。

1 旋耕耕深測(cè)量原理

針對(duì)華北地區(qū)的常見(jiàn)旋耕機(jī)，以三點(diǎn)懸掛裝置下拉桿和旋耕機(jī)機(jī)架的水平傾角為檢測(cè)目標(biāo)，構(gòu)建了適用于小耕深的非線性耕深測(cè)量模型，利用慣性姿態(tài)傳感器測(cè)量姿態(tài)變化間接測(cè)量旋耕耕深。首先對(duì)旋耕機(jī)的作業(yè)姿態(tài)進(jìn)行分析，將旋耕機(jī)的空間運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分解，再根據(jù)幾何關(guān)系建立耕深與傾角之間關(guān)系式，最后通過(guò)誤差修正構(gòu)建實(shí)際測(cè)量狀態(tài)下的旋耕耕深測(cè)量模型。

1.1 旋耕機(jī)姿態(tài)分析

三點(diǎn)懸掛裝置是連接農(nóng)機(jī)具與拖拉機(jī)的機(jī)構(gòu)，包括提升軸、提升臂、液壓缸、上拉桿、下拉桿等零件。本文以拖拉機(jī)掛接旋耕機(jī)為例，掛接姿態(tài)示意圖如圖1所示。三點(diǎn)懸掛裝置的提升臂一端與拖拉機(jī)鉸接，另一端與提升軸鉸接，提升軸另一端鉸接在下拉桿中部。下拉桿和上拉桿均起到固定旋耕機(jī)的作用，兩端分別鉸接拖拉機(jī)和旋耕機(jī)。三點(diǎn)懸掛裝置的驅(qū)動(dòng)力來(lái)源于提升臂下方鉸接的液壓缸，通過(guò)液壓缸的伸縮實(shí)現(xiàn)旋耕機(jī)的提升或下落。

圖1 旋耕機(jī)掛接姿態(tài)示意圖Fig.1 Rotary tiller attachment posture diagram1.下拉桿 2.萬(wàn)向傳動(dòng)軸 3.液壓缸 4.提升臂 5.上拉桿 6.提升軸 7.旋耕機(jī)

從圖1看出，在提升或下落的過(guò)程中，提升臂和提升軸僅起到傳遞力矩的作用，上拉桿和下拉桿是支撐和固定旋耕機(jī)的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)。因此，為了便于研究旋耕機(jī)提升或下落的規(guī)律，將三點(diǎn)懸掛裝置簡(jiǎn)化為運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖進(jìn)行分析，如圖2所示。

圖2 運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.2 Simplified diagram of motion structure

圖2中所有點(diǎn)均為平面內(nèi)的投影點(diǎn)，其中A和B為下拉桿的鉸接點(diǎn)，C和D為上拉桿的鉸接點(diǎn)，E為刀輥回轉(zhuǎn)中心，B′、C′和E′ 分別為B、C、E的瞬時(shí)位置。當(dāng)旋耕機(jī)提升或下落時(shí)，鉸接點(diǎn)B、C分別繞著鉸接點(diǎn)A、D旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)半徑為RAB和RDC，旋耕機(jī)機(jī)架、上拉桿、下拉桿和拖拉機(jī)各鉸接點(diǎn)之間形成不規(guī)則的四連桿機(jī)構(gòu)。根據(jù)四連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)原理，將拖拉機(jī)上的鉸接點(diǎn)A、D作為固定鉸接點(diǎn)，則旋耕機(jī)的運(yùn)動(dòng)可以看成繞鉸接點(diǎn)B自轉(zhuǎn)和繞鉸接點(diǎn)A旋轉(zhuǎn)的矢量合成運(yùn)動(dòng)。

1.2 耕深測(cè)量模型建立

以旋耕機(jī)姿態(tài)分析為基礎(chǔ)，回轉(zhuǎn)中心E豎直方向的位移等于鉸接點(diǎn)B的豎直位移與回轉(zhuǎn)中心E相對(duì)鉸接點(diǎn)B的位移矢量和，由此建立回轉(zhuǎn)中心E的位移模型

SE=lAB(sinα0-sinα)+lBE(sin(δ-β0)-sin(δ-β))

(1)

式中SE——回轉(zhuǎn)中心E豎直位移，cm

lAB——下拉桿有效桿長(zhǎng)在平面內(nèi)的投影，cm

lBE——回轉(zhuǎn)中心E到鉸接點(diǎn)B的直線距離在平面內(nèi)的投影，cm

α0——初始狀態(tài)下拉桿與水平地面夾角，(°)

β0——初始狀態(tài)機(jī)架平面與水平地面夾角，(°)

α——耕作狀態(tài)下拉桿與水平地面夾角，(°)

β——耕作狀態(tài)機(jī)架平面與水平地面夾角，(°)

δ——BE連線與機(jī)架平面的夾角，(°)

在實(shí)際旋耕狀態(tài)下，田間環(huán)境復(fù)雜，例如土壤表面是否存有秸稈雜草、土壤濕度和土壤類(lèi)型等，這些因素可看作模型產(chǎn)生誤差的外因，均能通過(guò)影響旋耕阻力間接影響模型參數(shù)。從誤差產(chǎn)生內(nèi)因出發(fā)，實(shí)際旋耕過(guò)程中結(jié)構(gòu)件產(chǎn)生形變導(dǎo)致自身結(jié)構(gòu)參數(shù)改變，此外拖拉機(jī)車(chē)輪下陷會(huì)導(dǎo)致測(cè)量基準(zhǔn)發(fā)生改變也會(huì)直接影響模型參數(shù)。

在保證精度的基礎(chǔ)上，考慮到標(biāo)定的簡(jiǎn)捷性，在式(1)的基礎(chǔ)上，采用誤差補(bǔ)償法，從產(chǎn)生誤差的內(nèi)因出發(fā)，考慮實(shí)際旋耕過(guò)程中結(jié)構(gòu)件的形變和拖拉機(jī)車(chē)輪下陷等因素對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，構(gòu)建帶有誤差補(bǔ)償系數(shù)的耕深測(cè)量模型。

H=Ksinα+Psin(δ-β)+C

(2)

其中

C=C0+Cw

(3)

C0=lABsinα0+lBEsin(δ-β0)

(4)

K=-klAB

(5)

P=-plBE

(6)

式中H——旋耕機(jī)耕深，cm

K、P——待標(biāo)定系數(shù)，cm

C——待標(biāo)定常數(shù)，cm

C0——初始常數(shù)，cm

Cw——誤差常數(shù)，cm

k、p——誤差補(bǔ)償系數(shù)

該模型針對(duì)某一特定旋耕機(jī)組，測(cè)量在實(shí)際耕作狀態(tài)下傾角和耕深，利用標(biāo)定的方法求解可變參數(shù)K、P、C，該組參數(shù)下的模型即為與此特定旋耕機(jī)組相匹配的耕深測(cè)量模型。同一旋耕機(jī)組僅需完成一次標(biāo)定，能夠有效提高田間標(biāo)定與測(cè)量的效率。測(cè)量模型是一個(gè)涉及3個(gè)參數(shù)K、P、C的曲面函數(shù)，其中參數(shù)K、P為關(guān)鍵參數(shù)，決定了曲面的形狀。三點(diǎn)懸掛裝置的下拉桿越長(zhǎng)，參數(shù)K越大，其水平傾角α對(duì)耕深的影響越明顯；刀輥回轉(zhuǎn)中心到鉸接點(diǎn)的距離越大，旋耕機(jī)機(jī)架的水平傾角β對(duì)耕深的影響越明顯。待標(biāo)定常數(shù)C由C0、Cw兩部分組成。其中，C0定義為初始常數(shù)，其值由旋耕機(jī)型號(hào)以及三點(diǎn)懸掛裝置幾何尺寸決定，對(duì)于確定的旋耕機(jī)組，其值是固定的；Cw為梁形變以及拖拉機(jī)車(chē)輪下陷等因素產(chǎn)生的誤差常數(shù)。參數(shù)C受車(chē)輪下陷的影響最明顯，能夠補(bǔ)償基準(zhǔn)下移帶來(lái)的誤差。

2 旋耕耕深監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 總體方案

根據(jù)式(2)所示的耕深測(cè)量模型設(shè)計(jì)了旋耕耕深監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成，總體方案如圖3所示。檢測(cè)傳感器通過(guò)CAN總線與駕駛室內(nèi)的系統(tǒng)主機(jī)連接，能夠?qū)π麢C(jī)組的姿態(tài)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。利用衛(wèi)星定位天線實(shí)時(shí)更新作業(yè)位置信息，同時(shí)姿態(tài)信息經(jīng)系統(tǒng)軟件處理后，由主機(jī)的顯示器顯示，輸出內(nèi)容包括實(shí)時(shí)耕深數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)作業(yè)面積、實(shí)時(shí)前進(jìn)速度、實(shí)時(shí)耕深預(yù)警等信息。這些信息既可直接供駕駛員參考，便于快速調(diào)整作業(yè)狀態(tài)、優(yōu)化作業(yè)質(zhì)量，又能利用遠(yuǎn)程通信技術(shù)將大量數(shù)據(jù)傳送至云平臺(tái)服務(wù)器，進(jìn)行批量數(shù)據(jù)的云計(jì)算和處理，生成旋耕耕深質(zhì)量評(píng)估報(bào)表，實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與共享。

圖3 耕深監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體方案Fig.3 Overall scheme of tilling depth measurement system1.旋耕機(jī) 2.慣性姿態(tài)傳感器Ⅰ 3.慣性姿態(tài)傳感器Ⅱ 4.衛(wèi)星定位天線 5.遠(yuǎn)程通信天線 6.主機(jī) 7.拖拉機(jī)

2.2 硬件系統(tǒng)

旋耕耕深監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件由耕深數(shù)據(jù)采集模塊、衛(wèi)星定位模塊、遠(yuǎn)程通信模塊、終端顯示模塊和CPU處理模塊等組成，各模塊間均能進(jìn)行信息傳遞，硬件結(jié)構(gòu)組成如圖4所示。

圖4 耕深監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Hardware structure diagram of tilling depth measurement system

圖6 慣性姿態(tài)傳感器結(jié)構(gòu)及安裝位置Fig.6 Structure and installation position of inertial attitude sensor1.機(jī)架 2.慣性姿態(tài)傳感器Ⅰ 3.下拉桿 4.慣性姿態(tài)傳感器Ⅱ

圖5 耕深監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件Fig.5 Hardware of tilling depth measurement system1.主機(jī) 2.遠(yuǎn)程通信模塊 3.電源線 4.衛(wèi)星定位模塊 5.耕深數(shù)據(jù)采集模塊

耕深監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件如圖5所示，各個(gè)模塊的參數(shù)配置及連接形式如下：

(1)耕深數(shù)據(jù)采集模塊包括2個(gè)檢測(cè)傳感器，分別安裝在旋耕機(jī)機(jī)架上和三點(diǎn)懸掛裝置的下拉桿上，用來(lái)采集旋耕機(jī)組姿態(tài)信息，可通過(guò)CAN連接到CPU處理模塊。

(2)衛(wèi)星定位模塊采用GYF6V03北斗GPS雙模定位模塊，接收機(jī)類(lèi)型為S1216系列，定位精度(圓概率誤差)達(dá)2.5 m，數(shù)據(jù)解析格式采用NEMA-0183。

(3)遠(yuǎn)程通信模塊內(nèi)置GSM無(wú)線模塊，通過(guò)通信天線與GPRS網(wǎng)絡(luò)建立連接，模塊的設(shè)置與調(diào)試采用通用標(biāo)準(zhǔn)串口。

(4)主機(jī)通過(guò)電源線與拖拉機(jī)的蓄電池相連，集成了終端顯示模塊和CPU處理模塊，通過(guò)CAN連接耕深數(shù)據(jù)采集模塊，通過(guò)通用接口連接衛(wèi)星定位模塊和遠(yuǎn)程通信模塊。

旋耕機(jī)田間作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，高速旋耕時(shí)易產(chǎn)生振動(dòng)和大量土塊飛濺，傳感器的選擇必須考慮裝置的穩(wěn)定性、抗振性、耐用度等因素。在對(duì)比大量姿態(tài)傳感器的基礎(chǔ)上，本文采用BWM425系列CAN總線雙軸傾角傳感器(慣性姿態(tài)傳感器)，其結(jié)構(gòu)如圖6a所示，該系列傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)雙軸高精度數(shù)字輸出，測(cè)量范圍為±90°，最高精度達(dá)0.001°，溫度漂移為0.000 3(°)/K。傳感器內(nèi)部采用高分辨力差分?jǐn)?shù)模轉(zhuǎn)換器，內(nèi)置自動(dòng)補(bǔ)償和濾波算法，穩(wěn)定性高、抗振性好，耐受沖擊大于2 000g(g為重力加速度)，能夠很大程度上降低旋耕機(jī)振動(dòng)產(chǎn)生的誤差。

將慣性姿態(tài)傳感器Ⅰ安裝在旋耕機(jī)機(jī)架上平面，如圖6b所示。將慣性姿態(tài)傳感器Ⅱ安裝在三點(diǎn)懸掛裝置下拉桿靠近拖拉機(jī)鉸接處，如圖6c所示。為保證測(cè)量精度，盡可能降低振動(dòng)對(duì)傳感器的影響，在傳感器底部安裝減振墊片。為了降低安裝誤差對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，需保證傳感器安裝面與安裝點(diǎn)表面完全緊靠，不產(chǎn)生夾角，下拉桿上傳感器邊線與軸線方向平行，旋耕機(jī)機(jī)架上傳感器與前進(jìn)方向平行。

2.3 軟件系統(tǒng)

主機(jī)軟件系統(tǒng)包括耕寬信息輸入、系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)顯示、實(shí)時(shí)位置信息顯示、已耕總面積顯示、作業(yè)速度顯示、實(shí)時(shí)耕深和變化曲線顯示、耕深預(yù)警顯示和標(biāo)定狀態(tài)顯示等模塊功能。采用Visual Basic 6.0語(yǔ)言進(jìn)行可視化編程，操作界面如圖7所示。

圖7 軟件操作界面Fig.7 Software operation interface

啟動(dòng)系統(tǒng)后，信號(hào)燈S、A、C均顯示綠燈，分別表明數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、衛(wèi)星定位、遠(yuǎn)程通訊等子模塊信號(hào)接收正常,否則表明相應(yīng)模塊數(shù)據(jù)接收出現(xiàn)異常。信號(hào)接收正常后，通過(guò)顯示界面上的開(kāi)始標(biāo)定按鈕，可進(jìn)入標(biāo)定程序。完成標(biāo)定后，已標(biāo)定指示燈亮起，表明系統(tǒng)已經(jīng)寫(xiě)入標(biāo)定參數(shù)。通過(guò)手動(dòng)輸入耕寬信息、預(yù)期耕深范圍，即可在軟件界面實(shí)時(shí)觀測(cè)到作業(yè)面積信息和耕深預(yù)警信息。通過(guò)在界面上設(shè)置當(dāng)前耕深、作業(yè)速度和位置信息顯示窗口，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)旋耕機(jī)作業(yè)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)旋耕作業(yè)的可視化監(jiān)管。

該軟件系統(tǒng)具有讀取數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的能力，軟件流程如圖8所示。

圖8 軟件流程圖Fig.8 Software flow chart

首先初始化變量、定量器、ADC、CAN和位置信息等，然后根據(jù)旋耕機(jī)組配置信息設(shè)置旋耕寬度；隨后檢查是否接收到CAN數(shù)據(jù)，并檢查數(shù)據(jù)是否正確，待系統(tǒng)正常后保存信息并讀取耕寬和已耕總面積；若系統(tǒng)未完成標(biāo)定，則啟動(dòng)標(biāo)定程序，按照事先定義好的標(biāo)定方法完成標(biāo)定，并保存標(biāo)定參數(shù)；若系統(tǒng)已完成標(biāo)定，則通過(guò)傳感器計(jì)算旋耕機(jī)組當(dāng)前角度信息，并調(diào)用標(biāo)定的模型計(jì)算當(dāng)前耕深；之后結(jié)合定位信息、耕寬計(jì)算旋耕面積和機(jī)組前進(jìn)速度，并將旋耕機(jī)當(dāng)前作業(yè)狀態(tài)信息通過(guò)CAN發(fā)送；最后判斷耕深是否達(dá)標(biāo)，如果過(guò)深輸出過(guò)深預(yù)警，提醒操作員油耗增加，反之，輸出過(guò)淺預(yù)警，提醒操作員深度不夠。

通過(guò)慣性姿態(tài)傳感器測(cè)得的旋耕姿態(tài)變化對(duì)應(yīng)的是結(jié)構(gòu)件的傾角變化，不能直接獲得耕深。為進(jìn)一步細(xì)化系統(tǒng)軟件流程，獲得所需要的耕深，對(duì)耕深測(cè)量模塊進(jìn)行詳細(xì)描述，包括系統(tǒng)標(biāo)定和耕深計(jì)算兩部分，耕深測(cè)量流程如圖9所示。該測(cè)量流程包括硬件初始化、啟動(dòng)標(biāo)定程序、識(shí)別標(biāo)定點(diǎn)、讀取角度信息、寫(xiě)入耕深測(cè)量值、Matlab程序擬合、求解模型參數(shù)、實(shí)時(shí)耕深計(jì)算與數(shù)據(jù)傳輸?shù)取Ｈ粝到y(tǒng)已標(biāo)定，則直接通過(guò)姿態(tài)變化計(jì)算耕深；若系統(tǒng)未標(biāo)定，則進(jìn)入標(biāo)定程序。

圖9 耕深測(cè)量流程圖Fig.9 Flow chart of tilling depth measurement

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 系統(tǒng)標(biāo)定

根據(jù)耕深測(cè)量原理，為了降低實(shí)際旋耕過(guò)程中結(jié)構(gòu)件的形變等因素對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，在進(jìn)行實(shí)際測(cè)量之前，需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定。系統(tǒng)標(biāo)定于2018年9月在洛陽(yáng)市孟津縣文公村試驗(yàn)用地中開(kāi)展,該試驗(yàn)用地的土壤類(lèi)型為褐色森林土。由于試驗(yàn)地剛收獲了谷子，地表呈壓實(shí)狀態(tài)，為了便于旋耕，事先對(duì)其進(jìn)行了犁耕作業(yè)。由于本文把標(biāo)定旋耕機(jī)組作為減小誤差的重點(diǎn)，故對(duì)田間土壤的復(fù)雜狀況不做闡述。采用的旋耕機(jī)以及配套的三點(diǎn)懸掛裝置規(guī)格不同，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的標(biāo)定結(jié)果不同。因此，本文在不失普遍性的基礎(chǔ)上，以1GQN系列旋耕機(jī)以及配套的三點(diǎn)懸掛裝置進(jìn)行標(biāo)定，其中旋耕機(jī)單軸耕幅為200 cm，最大回轉(zhuǎn)半徑為245 mm，額定耕深范圍為12～16 cm，關(guān)鍵參數(shù)δ為27.9°，下拉桿有效桿長(zhǎng)為70 cm，上拉桿有效桿長(zhǎng)為60 cm。配套拖拉機(jī)型號(hào)為雷沃歐豹M554-BA，配套動(dòng)力為40.4 kW，輸出軸轉(zhuǎn)速為540、760 r/min。旋耕機(jī)耕深監(jiān)測(cè)系統(tǒng)試驗(yàn)機(jī)組如圖10所示。

圖10 旋耕機(jī)耕深監(jiān)測(cè)系統(tǒng)試驗(yàn)機(jī)組Fig.10 Rotary tiller tilling depth measuring system test unit1.1GQN系列旋耕機(jī) 2.慣性姿態(tài)傳感器Ⅰ 3.慣性姿態(tài)傳感器Ⅱ 4.遠(yuǎn)程通信天線 5.主機(jī) 6.衛(wèi)星定位天線 7.雷沃歐豹M554-BA型拖拉機(jī)

由于標(biāo)定過(guò)程涉及梁的形變和拖拉機(jī)車(chē)輪下陷等因素，因此，標(biāo)定過(guò)程必須在實(shí)際旋耕作業(yè)狀態(tài)下進(jìn)行。在進(jìn)行標(biāo)定時(shí)，將監(jiān)測(cè)系統(tǒng)合理安裝好，由操作員控制旋耕深度由淺入深進(jìn)行旋耕作業(yè)，待旋耕機(jī)組工作穩(wěn)定后停車(chē)，保持旋耕機(jī)組不動(dòng)，人工扒土測(cè)量旋耕刀輥?zhàn)畹锥说降乇淼木嚯x作為實(shí)際耕深，記錄此時(shí)姿態(tài)傳感器的角度。為了提高擬合精度，旋耕機(jī)組同一耕深狀態(tài)作為一個(gè)標(biāo)定點(diǎn)，本次標(biāo)定試驗(yàn)共設(shè)置5個(gè)標(biāo)定點(diǎn)，每個(gè)標(biāo)定點(diǎn)測(cè)量一次實(shí)際耕深并記錄一次姿態(tài)傳感器的角度。為了降低測(cè)量誤差，同一標(biāo)定點(diǎn)下重復(fù)測(cè)量3次取平均值。為了使得標(biāo)定參數(shù)更具代表性，保證模型參數(shù)是在耕深過(guò)淺、正常耕作和耕深過(guò)深狀態(tài)下土壤對(duì)旋耕機(jī)綜合作用的結(jié)果，將耕深范圍設(shè)置為0～26 cm。標(biāo)定過(guò)程數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 標(biāo)定過(guò)程數(shù)據(jù)Tab.1 Calibration process data

將標(biāo)定數(shù)據(jù)導(dǎo)入Matlab軟件，利用最小二乘原理對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，求解K、P、C最優(yōu)解，獲得監(jiān)測(cè)系統(tǒng)標(biāo)定曲面如圖11所示，對(duì)應(yīng)標(biāo)定曲面函數(shù)式為

H=-70.563 3sinα-58.168 0sin(27.9°-β)+
42.826 0

(7)

置信度為95%，且決定系數(shù)R2=0.999 9，接近于1，說(shuō)明旋耕機(jī)姿態(tài)角α、β與耕深H相關(guān)性強(qiáng)。

圖11 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)標(biāo)定曲面Fig.11 Calibration surface of monitoring system

從圖11中可以看出，隨著下拉桿傾角α的增大，耕深逐漸減小，呈負(fù)相關(guān)；隨著旋耕機(jī)機(jī)架的傾角β的增大，耕深逐漸增大，呈正相關(guān)。根據(jù)標(biāo)定曲面函數(shù)，計(jì)算誤差補(bǔ)償系數(shù)k、p分別為1.008、0.978，說(shuō)明在實(shí)際旋耕過(guò)程中，結(jié)構(gòu)件發(fā)生了不同程度的形變。綜合來(lái)看，擬合過(guò)程沒(méi)有發(fā)現(xiàn)高杠桿點(diǎn)，說(shuō)明通過(guò)該測(cè)量數(shù)據(jù)獲得的擬合曲面可以作為本文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的標(biāo)定曲面。

3.2 田間試驗(yàn)

3.2.1試驗(yàn)條件

驗(yàn)證試驗(yàn)于2018年9月在洛陽(yáng)市孟津縣文公村試驗(yàn)用地中開(kāi)展，且與標(biāo)定試驗(yàn)用地屬于同一地區(qū)不同地塊，試驗(yàn)設(shè)備與系統(tǒng)標(biāo)定設(shè)備為同一旋耕機(jī)組。驗(yàn)證試驗(yàn)包括耕深精度試驗(yàn)和耕深質(zhì)量評(píng)估試驗(yàn)，試驗(yàn)場(chǎng)地如圖12所示，可進(jìn)行試驗(yàn)面積約2 hm2，經(jīng)過(guò)犁耕作業(yè)后，土壤呈較大塊狀，表面無(wú)秸稈、雜草覆蓋。

圖12 驗(yàn)證試驗(yàn)場(chǎng)地Fig.12 Verification test site

3.2.2試驗(yàn)過(guò)程

(1)耕深精度試驗(yàn)

采用人為控制液壓缸伸縮長(zhǎng)度的方式，控制旋耕機(jī)處于不同的旋耕位置，按照耕深逐漸增大的次序，每隔3～5 cm設(shè)置一個(gè)耕深水平，共設(shè)置7個(gè)水平。每個(gè)水平下設(shè)置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，兩個(gè)測(cè)點(diǎn)間隔10 m，保證旋耕機(jī)在測(cè)點(diǎn)間能夠平穩(wěn)作業(yè)。到達(dá)測(cè)點(diǎn)后切斷動(dòng)力輸出，保持旋耕機(jī)不動(dòng)，人工扒土測(cè)量旋耕刀輥?zhàn)畹锥说酵寥辣砻娴拇怪本嚯x作為耕深的實(shí)際值，同時(shí)記錄此時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)顯示的耕深值作為測(cè)量值。本次試驗(yàn)中當(dāng)測(cè)量值達(dá)到19.4 cm時(shí)，由操作員控制液壓缸，按照耕深逐漸減小的次序，每隔3～5 cm設(shè)置一個(gè)耕深水平，共設(shè)置5個(gè)水平，重復(fù)前面的操作并記錄對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)的實(shí)際值和測(cè)量值。

(2)耕深質(zhì)量評(píng)估試驗(yàn)

試驗(yàn)前設(shè)置系統(tǒng)正常耕深范圍為10～16 cm，作業(yè)幅寬為200 cm。事先在試驗(yàn)場(chǎng)地內(nèi)劃分3個(gè)不同地塊，分別按照耕深過(guò)淺、正常和過(guò)深的工況進(jìn)行旋耕作業(yè)。為了獲取足夠的數(shù)據(jù)量，使得旋耕機(jī)在同一工況下持續(xù)耕作約5 min，分別生成耕深質(zhì)量評(píng)估報(bào)表。

3.2.3結(jié)果分析

耕深精度試驗(yàn)共記錄12個(gè)測(cè)點(diǎn)的對(duì)比數(shù)據(jù)信息，由于在試驗(yàn)過(guò)程中，液壓缸的提升和收縮完全由操作員憑經(jīng)驗(yàn)控制，因此，去程試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)數(shù)量和回程試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)數(shù)量稍有不同，試驗(yàn)結(jié)果如圖13所示。根據(jù)測(cè)量值與實(shí)際值的數(shù)據(jù)，通過(guò)該系統(tǒng)測(cè)量的耕深與實(shí)際耕深基本吻合，最大誤差為0.80 cm，出現(xiàn)在測(cè)點(diǎn)11處。經(jīng)計(jì)算，去程平均誤差為0.51 cm，回程平均誤差為0.56 cm，滯后誤差較小，表明監(jiān)測(cè)系統(tǒng)較穩(wěn)定?？傮w平均誤差為0.53 cm，均方根誤差為0.55 cm，可見(jiàn)通過(guò)該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獲得的測(cè)量值與實(shí)際值的符合度較高，且具有較高的穩(wěn)定性。

圖13 耕深監(jiān)測(cè)系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果Fig.13 Tilling depth test result

從實(shí)際值和測(cè)量值來(lái)看，當(dāng)耕深小于11 cm時(shí)，測(cè)量值明顯高于實(shí)際值，且隨著耕深的增加測(cè)量值逐漸接近實(shí)際值；當(dāng)耕深大于11 cm時(shí)，測(cè)量值明顯低于實(shí)際值，且隨著耕深的增加測(cè)量值越來(lái)越偏離實(shí)際值。表現(xiàn)在圖13中，測(cè)量值由高于實(shí)際值變化為低于實(shí)際值隨后又高于實(shí)際值，產(chǎn)生這樣的變化趨勢(shì)可能與結(jié)構(gòu)件的受力形變有關(guān)。根據(jù)式(2)可知，在旋耕過(guò)程中，相關(guān)結(jié)構(gòu)件會(huì)發(fā)生不同程度的形變，而形變量與耕深直接相關(guān)，耕深越大，結(jié)構(gòu)件受力越大，產(chǎn)生形變?cè)酱?。因此，通過(guò)擬合的方法獲得的K、P、C為不同形變下的均值。當(dāng)耕深較小時(shí)，結(jié)構(gòu)件受力較小，形變較小，通過(guò)擬合曲面獲得的測(cè)量值就偏大，反之，則偏小。但在實(shí)際旋耕作業(yè)中，耕深一般要求在10～16 cm之間，此范圍剛好跨越曲線交叉點(diǎn)，這表明測(cè)量值更能接近實(shí)際值。

本文對(duì)比試驗(yàn)的誤差來(lái)源主要包括旋耕耕深監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的系統(tǒng)誤差和人工測(cè)量誤差，由于每個(gè)測(cè)點(diǎn)的耕深需要人工測(cè)量多次取平均值，也就不可避免地出現(xiàn)偶然誤差。根據(jù)測(cè)量結(jié)果，本次驗(yàn)證試驗(yàn)的耕深最大誤差不超過(guò)0.80 cm，偶然誤差可能是導(dǎo)致該誤差的最大原因。但是綜合來(lái)看，0.80 cm的誤差并不會(huì)對(duì)旋耕質(zhì)量產(chǎn)生較大影響，是可以被接受的，表明本文旋耕耕深監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠代替人工對(duì)旋耕作業(yè)深度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

耕深質(zhì)量評(píng)估試驗(yàn)共記錄3組耕深質(zhì)量報(bào)表數(shù)據(jù)信息，如表2所示。由于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)定位數(shù)據(jù)較多，表中僅顯示了每塊地上傳的第一個(gè)定位信息，不同的定位坐標(biāo)表明該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的位置分辨能力良好，有助于大范圍推廣和后期數(shù)據(jù)管理。由于耕深數(shù)據(jù)較多，僅對(duì)耕深測(cè)點(diǎn)數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，報(bào)表內(nèi)容還包括旋耕平均耕深、狀態(tài)評(píng)估、耕深穩(wěn)定性系數(shù)、平均作業(yè)速度和已耕總面積等，表明該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)π钯|(zhì)量進(jìn)行較全面評(píng)估。

表2 旋耕耕深質(zhì)量報(bào)表統(tǒng)計(jì)結(jié)果Tab.2 Statistics of rotary tillage depth quality

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)耕層較淺時(shí)，系統(tǒng)顯示耕深穩(wěn)定性系數(shù)評(píng)估值偏小，可能原因是耕層越淺，評(píng)估值受到測(cè)量誤差影響越明顯，越不能反映真實(shí)情況，因此未來(lái)還需要對(duì)其進(jìn)一步深度優(yōu)化。綜合來(lái)看，耕深質(zhì)量評(píng)估報(bào)表能夠?qū)π钯|(zhì)量進(jìn)行較全面評(píng)估，表明本文旋耕耕深監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有一定優(yōu)越性。

4 結(jié)論

(1)結(jié)合懸掛式旋耕機(jī)組結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)旋耕機(jī)姿態(tài)進(jìn)行了理論分析，確定了旋耕機(jī)耕深與懸掛姿態(tài)之間的非線性關(guān)系式，進(jìn)而建立了以下拉桿和機(jī)架平面的水平傾角為變量的耕深測(cè)量模型，在模型中引入誤差補(bǔ)償，以減少懸掛式旋耕機(jī)組的結(jié)構(gòu)形變和車(chē)輪下陷等因素對(duì)模型參數(shù)的影響。

(2)設(shè)計(jì)了由耕深數(shù)據(jù)采集模塊、衛(wèi)星定位模塊、遠(yuǎn)程通信模塊、終端顯示模塊和CPU處理模塊等組成的懸掛式旋耕機(jī)耕深監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用Visual Basic 6.0語(yǔ)言編寫(xiě)軟件系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)旋耕機(jī)組的耕深實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、耕深預(yù)警顯示、實(shí)時(shí)位置顯示和實(shí)時(shí)作業(yè)面積和速度顯示等功能。

(3)進(jìn)行了懸掛式旋耕機(jī)耕深監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與人工測(cè)量的對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果顯示，系統(tǒng)監(jiān)測(cè)值與人工測(cè)量值的最大誤差為0.80 cm，平均誤差為0.53 cm，均方根誤差為0.55 cm，表明該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)滿足旋耕耕深測(cè)量要求，具有較高的穩(wěn)定性。通過(guò)耕深質(zhì)量評(píng)估試驗(yàn)生成多組帶有位置信息的評(píng)估報(bào)表，內(nèi)容包括定位信息、耕深數(shù)據(jù)、狀態(tài)評(píng)估、穩(wěn)定性評(píng)估等，表明該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)π钯|(zhì)量進(jìn)行較全面評(píng)估，具有一定優(yōu)越性。