李 濤 周 進(jìn) 徐文藝 張 華 劉存根 姜 偉

(1.山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院， 濟(jì)南 250100； 2.山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)鑒定站， 濟(jì)南 250100;3.山東建筑大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院， 濟(jì)南 250101)

0 引言

甜菜、花生、馬鈴薯、甘薯等根莖類作物是我國(guó)重要的經(jīng)濟(jì)作物，種植面積及產(chǎn)量均居世界首位[1-2]。根莖類作物果實(shí)埋于地下，不同于稻麥、玉米等地上作物，收獲時(shí)需要挖掘收獲。挖掘收獲時(shí)若挖掘鏟前進(jìn)方向出現(xiàn)偏差，就會(huì)導(dǎo)致漏挖、少挖，作業(yè)效率低。為了提高產(chǎn)量，根莖類作物主產(chǎn)區(qū)基本采用壟作方式，由于農(nóng)藝不規(guī)范，各地壟作模式不統(tǒng)一，為了對(duì)行行走，相應(yīng)增加了駕駛員的勞動(dòng)強(qiáng)度。對(duì)行作業(yè)準(zhǔn)確性易受個(gè)體因素影響，同時(shí)由于機(jī)組較長(zhǎng)，即使拖拉機(jī)能夠準(zhǔn)確對(duì)行，也難以保證后面的收獲機(jī)進(jìn)行準(zhǔn)確的對(duì)行作業(yè)。為了提高根莖類作物收獲機(jī)械自動(dòng)化水平和作業(yè)性能，有必要進(jìn)行自動(dòng)對(duì)行控制技術(shù)的研究[3-4]。

根莖類作物自動(dòng)對(duì)行收獲技術(shù)按照研究對(duì)象的不同可分為兩種，即以地壟為研究對(duì)象的地壟自動(dòng)對(duì)行技術(shù)和以作物塊根為研究對(duì)象的塊根自動(dòng)對(duì)行技術(shù)。目前，發(fā)達(dá)國(guó)家充分運(yùn)用機(jī)、電、液一體化收獲技術(shù)，已將自動(dòng)對(duì)行裝置產(chǎn)品化，并將其廣泛應(yīng)用到農(nóng)業(yè)裝備領(lǐng)域[5-7]。KARTOFFEL型馬鈴薯收獲機(jī)使用的地壟自動(dòng)對(duì)行技術(shù)，采用機(jī)械探桿采集壟的軌跡信息，通過液壓控制轉(zhuǎn)向裝置調(diào)整行航軌跡，使挖掘鏟對(duì)正。近幾年，國(guó)內(nèi)對(duì)根莖類作物收獲機(jī)自動(dòng)對(duì)行裝置也有一定的研究，吳惠昌等[8]以TBH45T 型牽引式甜菜聯(lián)合收獲機(jī)為載體，運(yùn)用電子控制技術(shù)構(gòu)建甜菜聯(lián)合收獲自動(dòng)對(duì)行系統(tǒng)；王方艷等[9]針對(duì)圓盤式甜菜收獲機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和甜菜種植方式，研制了一種機(jī)械式液壓對(duì)行控制系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)根莖類作物收獲機(jī)自動(dòng)對(duì)行裝置大都以作物塊根為研究對(duì)象，通過導(dǎo)向機(jī)構(gòu)與作物輪廓接觸獲得偏轉(zhuǎn)信息，這種方式受作物的生長(zhǎng)狀況影響較大，其適應(yīng)性和可靠性還需要進(jìn)一步驗(yàn)證。

目前，國(guó)內(nèi)以地壟為研究對(duì)象的地壟自動(dòng)對(duì)行技術(shù)尚不多見。本文以所研制的4UGS2型雙行薯類收獲機(jī)為載體，以壟行截面走向?yàn)檠芯繉?duì)象，綜合利用機(jī)械、液壓和電子控制等技術(shù)，設(shè)計(jì)一種自動(dòng)對(duì)行控制系統(tǒng)，以提高4UGS2型雙行薯類收獲機(jī)的作業(yè)性能。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根莖類作物收獲機(jī)自動(dòng)對(duì)行系統(tǒng)由地壟仿形機(jī)構(gòu)、牽引機(jī)構(gòu)、液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等組成[10-12]。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 自動(dòng)對(duì)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of auto-follow row system1.前牽引架 2.銷軸Ⅰ 3.牽引座 4.液壓油缸 5.銷軸Ⅱ 6.液壓閥和控制器箱 7.銷軸Ⅲ 8.收獲機(jī)機(jī)架總成 9.地壟仿形機(jī)構(gòu) 10.地壟 11.拖拉機(jī)下拉桿

1.2 主要工作原理

在地壟仿形機(jī)構(gòu)左右連接架上各安裝一個(gè)角度傳感器，傳感器觸桿前端安裝有弧形探測(cè)板。啟動(dòng)自動(dòng)對(duì)行系統(tǒng)開始收獲時(shí)，弧形探測(cè)板與壟側(cè)面接觸，控制器根據(jù)角度傳感器輸出的壟側(cè)面偏移角度，通過PID速度控制算法輸出液壓電磁閥控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)液壓油缸動(dòng)作，帶動(dòng)牽引座左右移動(dòng)，使挖掘位置始終對(duì)準(zhǔn)壟的中間位置，同時(shí)集成在油缸中的位移傳感器將油缸伸縮位移實(shí)時(shí)反饋給控制器，進(jìn)而在人機(jī)交互界面中動(dòng)態(tài)顯示牽引座偏轉(zhuǎn)角度，控制器根據(jù)實(shí)時(shí)檢測(cè)的信號(hào)來判斷牽引座偏轉(zhuǎn)角度是否達(dá)到要求，構(gòu)成對(duì)行閉環(huán)控制系統(tǒng)。自動(dòng)對(duì)行系統(tǒng)工作原理圖如圖2所示。

圖2 自動(dòng)對(duì)行系統(tǒng)工作原理圖Fig.2 Schematic of auto-follow row system

2 地壟仿形機(jī)構(gòu)和牽引機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 根莖類作物種植模式

甜菜、花生、馬鈴薯、甘薯等根莖類作物多為一年一季種植，種植方式以單行壟作為主。壟作有利于作物合理密植和田間通風(fēng)透光，獲得高產(chǎn)，有利于灌溉和排水，同時(shí)壟作種植模式便于機(jī)械化收獲。種植壟距S為650～950 mm，株距為150～300 mm，一般壟體高h(yuǎn)1為150～250 mm，壟上寬W3為200～350 mm，壟下寬W1為400～600 mm，生長(zhǎng)深度一般在300 mm土層以上[13-14]。

根莖類作物種植模式如圖3所示。其中，h2為弧形探測(cè)板作用高度，W2為弧形探測(cè)板作用寬度，即對(duì)行弧形探測(cè)板在此位置與壟側(cè)面接觸，角度傳感器可實(shí)時(shí)輸出壟側(cè)面偏移角度。

圖3 根莖類作物種植模式示意圖Fig.3 Planting mode diagram of root and stem crops

根莖類作物整地作業(yè)一般用起壟機(jī)起壟，起壟時(shí)不僅具有較好的壟面成形能力，而且能對(duì)壟床起到很好的鎮(zhèn)壓作用；中耕作業(yè)時(shí)，中耕機(jī)在除草的同時(shí)進(jìn)行培土作業(yè)，修壟效果良好。根莖類作物在收獲季節(jié)時(shí)，一般地壟形狀良好，為自動(dòng)對(duì)行裝置的順利工作提供了良好的作業(yè)條件。

2.2 地壟仿形機(jī)構(gòu)

地壟仿形機(jī)構(gòu)主要功能是對(duì)壟側(cè)面進(jìn)行仿形，采集壟側(cè)面左右偏移量信息傳遞至控制器，地壟仿形機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 地壟仿形機(jī)構(gòu)示意圖Fig.4 Structure diagram of ridge profiling mechanism1.機(jī)架安裝座 2.豎支座 3.橫支座 4.左右連接架 5.傳感器觸桿 6.弧形探測(cè)板 7.角度傳感器 8.地壟

地壟仿形機(jī)構(gòu)機(jī)架安裝座通過螺栓與收獲機(jī)橫梁連接，其位置可根據(jù)壟行位置進(jìn)行左右調(diào)整。地壟仿形機(jī)構(gòu)豎支座豎梁上有一排間距相等的水平孔，橫支座豎梁上分別有單個(gè)孔與之配合，豎支座豎梁外套在橫支座豎梁上，通過快速掛接銷軸連接，調(diào)整方便，通過豎梁上不同孔的配合，可以調(diào)整改變弧形探測(cè)板與挖掘鏟的縱向距離，保證弧形探測(cè)板與地壟側(cè)面相對(duì)位置不變，從而滿足收獲機(jī)不同挖掘深度的需要[15]。

地壟仿形機(jī)構(gòu)橫支座橫梁上左右各有一排間距相等的豎直孔，左右連接架橫梁上分別有單個(gè)孔與之配合，橫支座橫梁外套在左右連接架橫梁上，通過快速掛接銷軸連接，調(diào)整方便，通過橫梁上不同孔的配合，可以調(diào)整改變左右傳感器座的橫向距離，從而滿足不同壟行截面尺寸的需要。

地壟仿形機(jī)構(gòu)左右連接架上各安裝一個(gè)角度傳感器，傳感器觸桿前端通過螺栓和壓板安裝有弧形探測(cè)板，傳感器觸桿與壟側(cè)面的安裝角度可以調(diào)整，同時(shí)優(yōu)化弧形探測(cè)板的幾何參數(shù)，保證弧形探測(cè)板與壟側(cè)面良好的接觸[16]。

針對(duì)個(gè)別地壟塌陷等情況，仿形機(jī)構(gòu)兩觸桿安裝到位并與壟面良好接觸后，采用限位結(jié)構(gòu)形成一個(gè)兩觸桿接觸壟面距離的最小值，其值可根據(jù)壟面形狀調(diào)整，因此探桿不會(huì)接觸塌陷嚴(yán)重的壟面，同時(shí)兩觸桿只有沿壟側(cè)向外擺動(dòng)時(shí)，對(duì)行系統(tǒng)才啟動(dòng)工作，不會(huì)造成對(duì)行動(dòng)作的誤操作。

如圖5所示，對(duì)行系統(tǒng)工作時(shí)，弧形探測(cè)板與地壟側(cè)面緊密貼合，當(dāng)?shù)貕抛呦虬l(fā)生左右偏移時(shí)，弧形探測(cè)板相應(yīng)從中間位置轉(zhuǎn)動(dòng)角度δ，即固定在弧形探測(cè)板上的角度傳感器軸也轉(zhuǎn)動(dòng)了相同角度，控制器根據(jù)偏轉(zhuǎn)角度大小，采用PID速度控制方式調(diào)節(jié)比例換向閥的閥芯開度，控制液壓缸活塞桿的速度，使?fàn)恳龣C(jī)構(gòu)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)行功能。

圖5 地壟仿形機(jī)構(gòu)工作示意圖Fig.5 Working diagram of ridge profiling mechanism1.傳感器連接軸 2.傳感器座 3.傳感器觸桿 4.壓板 5.弧形探測(cè)板 6.地壟

比例閥速度控制信號(hào)u為

(1)

其中，當(dāng)左傳感器觸發(fā)時(shí)，sign=1，當(dāng)右傳感器觸發(fā)時(shí)，sign=-1，δ(t)為左角度傳感器或右角度傳感器的偏移角度，是取樣時(shí)間t的函數(shù)，kp、ki、kd分別為比例項(xiàng)、積分項(xiàng)和微分項(xiàng)系數(shù)。

2.3 牽引機(jī)構(gòu)

牽引機(jī)構(gòu)的主要功能是連接拖拉機(jī)和收獲機(jī)，同時(shí)其上安裝有液壓系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)整機(jī)自動(dòng)對(duì)行功能。自動(dòng)對(duì)行系統(tǒng)以4UGS2型雙行薯類收獲機(jī)為載體，4UGS2型薯類收獲機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 4UGS2 型薯類收獲機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Technical parameters of 4UGS2 potato harvester

如圖1所示，牽引機(jī)構(gòu)前牽引架通過左右懸掛軸分別與拖拉機(jī)三點(diǎn)懸掛機(jī)構(gòu)下懸掛點(diǎn)連接，其后端通過快速掛接銷軸連接收獲機(jī)牽引座，牽引座后端通過銷軸連接在收獲機(jī)機(jī)架總成上，牽引座可以繞銷軸旋轉(zhuǎn)，從而控制收獲機(jī)的行進(jìn)路線。液壓系統(tǒng)液壓缸一端連接在機(jī)架總成上，另一端連接在牽引座上，液壓缸根據(jù)控制信號(hào)可以伸長(zhǎng)和縮短，從而控制牽引座的左右偏擺角度，保證自動(dòng)對(duì)行裝置順利工作[17-18]。

牽引機(jī)構(gòu)工作示意如圖6所示，O1為油缸缸體端鉸接點(diǎn)，O2為牽引座鉸接點(diǎn)，O3為油缸活塞桿端鉸接點(diǎn)，O4為前牽引架鉸接點(diǎn)，L1為牽引座鉸接點(diǎn)與油缸缸體端鉸接點(diǎn)的距離，L2為牽引座鉸接點(diǎn)與油缸活塞桿端鉸接點(diǎn)的距離，L3為油缸活塞桿的伸出長(zhǎng)度，L4為油缸缸體端長(zhǎng)度，θ為牽引座鉸接點(diǎn)與油缸缸體端鉸接點(diǎn)的連線和牽引座鉸接點(diǎn)與油缸活塞桿端鉸接點(diǎn)的連線之間角度。

圖6 牽引機(jī)構(gòu)工作示意圖Fig.6 Working diagram of traction mechanism

當(dāng)?shù)貕欧滦螜C(jī)構(gòu)探測(cè)到壟側(cè)面偏移時(shí)，控制器根據(jù)探測(cè)板偏轉(zhuǎn)角度大小，通過液壓油缸來驅(qū)動(dòng)牽引座偏移，即牽引座以O(shè)2為中心進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，根據(jù)幾何關(guān)系可求得θ與油缸活塞桿伸出長(zhǎng)度L3的對(duì)應(yīng)關(guān)系，由三角形余弦定理可知

(2)

對(duì)公式(2)移項(xiàng)、變換后可得

(3)

式中，L1、L2和L4為已知數(shù)據(jù)，油缸活塞桿的實(shí)時(shí)伸出長(zhǎng)度L3可通過位移傳感器及時(shí)反饋給控制器。定義當(dāng)牽引座縱梁與機(jī)架橫梁垂直時(shí)，θ值為初始角，設(shè)計(jì)初始角θi=85°，則θ變化量為

θp=θ-θi

(4)

式中θp——牽引座角度變化值，(°)

θp為正值和負(fù)值時(shí)分別表示收獲機(jī)左偏和右偏。θp為自動(dòng)對(duì)行性能的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)。

3 液壓系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)原理圖如圖7所示，自動(dòng)對(duì)行系統(tǒng)工作時(shí)，控制器將指令信號(hào)由比例放大器進(jìn)行功率放大后傳遞給比例電磁換向閥，比例閥電磁鐵按比例移動(dòng)閥芯的位置，即可按比例控制液流的流量和改變液流的方向，進(jìn)而控制液壓缸活塞桿的速度和位移，最終實(shí)現(xiàn)牽引機(jī)構(gòu)的偏轉(zhuǎn)。即比例電磁換向閥接收到控制信號(hào)后，高壓油經(jīng)球閥、過濾器、減壓閥和比例電磁換向閥進(jìn)入液壓缸活塞桿端腔體或缸體端腔體，驅(qū)動(dòng)液壓缸縮短或伸長(zhǎng)完成對(duì)行動(dòng)作。同時(shí)安裝在液壓缸上的位移傳感器將油缸的縮短或伸長(zhǎng)數(shù)據(jù)反饋給控制器，控制器根據(jù)實(shí)時(shí)檢測(cè)的信號(hào)來判斷牽引機(jī)構(gòu)偏轉(zhuǎn)角度是否達(dá)到要求，構(gòu)成對(duì)行閉環(huán)控制系統(tǒng)[19-20]。

圖7 液壓系統(tǒng)原理圖Fig.7 Schematic of hydraulic system1.油箱 2.球閥 3.過濾器 4.減壓閥 5.壓力表 6.比例電磁換向閥 7.液壓缸 8.位移傳感器

4 控制系統(tǒng)

4.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根莖類作物收獲機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖8所示，分為車載控制系統(tǒng)、無線通信單元和監(jiān)控終端3部分。操作人員通過監(jiān)控終端輸入收獲機(jī)工作參數(shù)和各種控制指令，并通過433無線通信單元發(fā)出。車載控制系統(tǒng)中控制器通過RS232接口接收控制指令，并轉(zhuǎn)換成模擬控制信號(hào)，進(jìn)而通過模擬量輸出接口(AO)驅(qū)動(dòng)比例電磁換向閥，控制液壓油缸的伸縮，從而實(shí)現(xiàn)牽引座的左右擺動(dòng)動(dòng)作，角度傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量弧形探測(cè)板是否接觸田壟，并通過模擬量輸入接口(AI)上傳至控制器，以作為牽引座如何動(dòng)作的控制依據(jù)，同時(shí)，根據(jù)油缸位移傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)，使用牽引座偏移角度算法實(shí)時(shí)計(jì)算當(dāng)前偏移角度，并通過433無線通信單元上傳至監(jiān)控終端，以動(dòng)態(tài)曲線方式實(shí)時(shí)顯示和存儲(chǔ)測(cè)量數(shù)據(jù)，監(jiān)控終端還具有數(shù)據(jù)導(dǎo)出功能，方便進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，系統(tǒng)異常報(bào)警時(shí)(如偏移角度超過最大設(shè)定值)，監(jiān)控終端自動(dòng)聲光報(bào)警[21-22]。

圖8 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.8 Block diagram of electronic control system

4.1.1監(jiān)控終端

監(jiān)控終端選用工業(yè)級(jí)安卓平板計(jì)算機(jī)，上位機(jī)軟件自行開發(fā)。操作人員登錄后進(jìn)入主界面可以設(shè)置采樣周期和作業(yè)距離等工作指標(biāo)；同時(shí)，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)各工作參數(shù)，參數(shù)可繪制成動(dòng)態(tài)曲線，或?qū)С鰹镋xcel文件。

4.1.2無線通信單元

433無線射頻收發(fā)模塊選用SEMTECH公司的SX1278射頻芯片，通信距離大于100 m；該無線模塊支持LoRa調(diào)制模式，具有通信范圍大、抗干擾能力強(qiáng)、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。其通過RS232和USB接口分別和車載控制系統(tǒng)、監(jiān)控終端相連，實(shí)現(xiàn)二者之間的數(shù)據(jù)通信。

4.1.3車載控制器

車載控制器MCU采用ATMEGA32A-AU單片機(jī)，擁有32KB閃存容量，1KB EEPROM存儲(chǔ)器容量，32 KB存儲(chǔ)器容量，2KB RAM，擁有32個(gè)IO接口，7組模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入，3組計(jì)時(shí)器，4通道PWM，最高16 MHz時(shí)鐘頻率，調(diào)試接口類型包括JTAG、SPI、USART等類型，可工作在2.7～5.5 V，采用44針腳數(shù)QFP封裝，可在-40～85℃溫度范圍工作，抗干擾能力強(qiáng)。

4.1.4角度傳感器

角度傳感器構(gòu)件自主開發(fā)，輸出信號(hào)為0～5 V模擬電壓，其通過A0-和A0+端以差分方式接入信號(hào)調(diào)理電路，如圖9所示，經(jīng)過處理后由CH0端送入MCP3208A/D轉(zhuǎn)換電路，共可實(shí)現(xiàn)8路模擬信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)直接送入微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

4.1.5比例電磁換向閥

比例電磁換向閥選用VTOZ公司的MA-DLHZO-TES-PS-040-L71，其控制信號(hào)為0～10 V模擬電壓。為此，設(shè)計(jì)了一款基于LM358的模擬電壓輸出電路，如圖10所示。微處理器的模擬量輸出信號(hào)經(jīng)過LM358后轉(zhuǎn)換為0～10 V模擬電壓，從而為比例電磁換向閥提供控制信號(hào)。BAV99用于提高控制信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力。

圖9 信號(hào)調(diào)理電路Fig.9 Signal conditioning circuit

圖10 模擬量輸入電路Fig.10 Analog input circuit diagram

4.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要包括車載系統(tǒng)控制程序和監(jiān)控終端程序。其中，車載系統(tǒng)控制程序采用C語言編寫，主要包括初始化子程序、系統(tǒng)復(fù)位子程序、通信子程序、油缸控制子程序、擺角計(jì)算子程序和異常報(bào)警子程序等。監(jiān)控終端程序采用C++語言開發(fā)，可實(shí)現(xiàn)工作參數(shù)的設(shè)定、傳感器信息動(dòng)態(tài)曲線顯示和存儲(chǔ)、生成數(shù)據(jù)報(bào)表等功能。

車載系統(tǒng)控制程序軟件流程圖如圖11所示。

圖11 軟件流程圖Fig.11 Software flow chart

首先，上電后，系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)車載控制器進(jìn)行初始化，主要包括各模塊(輸入輸出模塊、RS232接口等)參數(shù)初始化，牽引座調(diào)整居中，工作標(biāo)志位置零等。然后，接收并解析控制終端發(fā)送的控制指令，從而完成相應(yīng)操作。如果接收到急停指令，首先停止液壓油缸動(dòng)作，然后發(fā)送聲光報(bào)警指令至控制終端進(jìn)行報(bào)警，程序停止運(yùn)行，斷電檢修后重新上電運(yùn)行。如果接收到設(shè)置參數(shù)指令，則根據(jù)控制終端輸入的參數(shù)信息進(jìn)行設(shè)置，此功能在收獲機(jī)開始工作前設(shè)置。如果收到啟動(dòng)命令，則置工作標(biāo)志位為1，系統(tǒng)進(jìn)入工作狀態(tài)，開始實(shí)時(shí)采集左右角度傳感器數(shù)據(jù)，如果左傳感器觸發(fā)，則牽引座右擺；如果右傳感器觸發(fā)，則牽引座左擺；如果左右傳感器均未觸發(fā)，則牽引座停止動(dòng)作。牽引座動(dòng)作控制方式采用PID控制方式，當(dāng)誤差大于設(shè)定閾值時(shí)，只采用比例(P)控制，以提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，當(dāng)誤差小于等于設(shè)定閾值時(shí)，加入積分(I)和微分(D)控制，從而提高穩(wěn)態(tài)誤差，減小振蕩。同時(shí)，根據(jù)偏移角度算法，實(shí)時(shí)計(jì)算偏移角度并上傳至監(jiān)控終端進(jìn)行顯示和存儲(chǔ)。如果偏移角度大于設(shè)定閾值，則停止?fàn)恳鶆?dòng)作，程序停止運(yùn)行，斷電檢修后重新上電運(yùn)行。如果收到停止命令，則置工作標(biāo)志位為0，系統(tǒng)結(jié)束工作。

5 仿真試驗(yàn)與田間試驗(yàn)

5.1 仿真試驗(yàn)

4UGS2型雙行薯類收獲機(jī)配套動(dòng)力為雷沃1804型拖拉機(jī)，功率為132 kW。將收獲機(jī)通過牽引架連接在拖拉機(jī)懸掛機(jī)構(gòu)上。根據(jù)甘薯實(shí)際種植模式和收獲情況，試驗(yàn)?zāi)M正弦信號(hào)輸入，監(jiān)測(cè)反饋信號(hào)對(duì)輸入信號(hào)的跟蹤。即在地壟仿形機(jī)構(gòu)角度傳感器上軟件模擬輸入正弦波信號(hào)，控制反饋信號(hào)來源于牽引機(jī)構(gòu)液壓油缸上的位移傳感器，經(jīng)數(shù)據(jù)上傳可得牽引座角度變化值θp曲線，其輸出信號(hào)實(shí)時(shí)反映對(duì)輸入信號(hào)的動(dòng)態(tài)跟蹤。θp理想工作曲線與輸入信號(hào)的幅值比例由仿形機(jī)構(gòu)和牽引機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)決定，如圖12所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，輸入信號(hào)跟蹤最大誤差為2°，平均誤差為0.3°，最大延遲小于0.5 s。

圖12 正弦波響應(yīng)曲線Fig.12 Sine wave response curves

5.2 田間試驗(yàn)

5.2.1試驗(yàn)條件

2018年10月在山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院章丘市棗園鎮(zhèn)甘薯試驗(yàn)基地進(jìn)行了田間收獲試驗(yàn)，種植模式為單壟單行，壟距為850 mm、收獲時(shí)壟高為250 mm，壟上寬為220 mm，壟下寬為500 mm，壟長(zhǎng)度大于100 m，品種為濟(jì)薯26和北京553，壟播株距為200 mm，結(jié)薯深度為250～300 mm，薯蔓平均長(zhǎng)度為2 600 mm。試驗(yàn)前采用人工割除方法進(jìn)行藤蔓收獲作業(yè)，保證試驗(yàn)順利進(jìn)行。樣機(jī)和田間試驗(yàn)情況如圖13所示。

圖13 樣機(jī)和田間試驗(yàn)Fig.13 Prototype and field experiment

圖14 自動(dòng)對(duì)行系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)曲線Fig.14 Monitoring data curves of auto-follow row system

5.2.2試驗(yàn)方法

參照標(biāo)準(zhǔn)NY/T 1130—2006《馬鈴薯收獲機(jī)械》規(guī)定和有關(guān)農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)方法，在甘薯壟播旱地進(jìn)行收獲試驗(yàn)。試驗(yàn)按照安裝自動(dòng)對(duì)行裝置和不安裝自動(dòng)對(duì)行裝置等兩種狀態(tài)進(jìn)行。使用自動(dòng)對(duì)行裝置收獲 3 壟，停止使用自動(dòng)對(duì)行裝置依靠拖拉機(jī)駕駛員人工對(duì)行收獲 3 壟，交錯(cuò)進(jìn)行，共收 6 壟進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，收獲速度為 5.02 km/h(即1.40 m/s)。導(dǎo)出地壟仿形機(jī)構(gòu)左角度傳感器偏移角度、右角度傳感器偏移角度、牽引座角度變化值θp和收獲機(jī)作業(yè)軌跡曲線，實(shí)際測(cè)量地壟走向中心值曲線，分析和驗(yàn)證自動(dòng)對(duì)行裝置的工作可靠性。同時(shí)測(cè)定薯類收獲機(jī)明薯率、傷薯率、漏挖率指標(biāo)，考察自動(dòng)對(duì)行裝置及整機(jī)的性能[23]。

5.2.3試驗(yàn)結(jié)果與分析

地壟中心線走向曲線、左角度傳感器偏移角度、右角度傳感器偏移角度、牽引座角度變化值θp曲線和收獲機(jī)作業(yè)軌跡曲線如圖14所示。從地壟走向中心值曲線可知，實(shí)測(cè)距離42 m，地壟在6～12 m處發(fā)生了左向偏離，偏移量0.57 m；地壟在26～32 m處發(fā)生了右向偏離，偏移量0.69 m；地壟其余位置未有偏移。從導(dǎo)出的左角度傳感器擺動(dòng)角度曲線可知，其擺動(dòng)角度在時(shí)間4.3 s處發(fā)生了變化，最大偏擺角度15°，隨著對(duì)行動(dòng)作的完成，探測(cè)桿復(fù)位，偏轉(zhuǎn)角度逐漸變化到0°。從導(dǎo)出的右角度傳感器擺動(dòng)角度曲線可知，其擺動(dòng)角度在時(shí)間18.5 s處發(fā)生了變化，最大偏擺角度18°，隨著對(duì)行動(dòng)作的完成，探測(cè)桿復(fù)位，偏轉(zhuǎn)角度逐漸變化到0°。由牽引座角度變化值θp曲線可知，其角度變化值在時(shí)間4.3 s發(fā)生了變化，正向最大偏移角度9°，在時(shí)間18.5 s處再次發(fā)生了變化，負(fù)向最大偏移角度11°。從導(dǎo)出的收獲機(jī)作業(yè)軌跡曲線可知，其走向在時(shí)間4.3 s處發(fā)生了變化，最大偏移量0.59 m；在時(shí)間18.5 s處發(fā)生了變化，最大偏移量0.71 m。

由于拖拉機(jī)作業(yè)速度為1.40 m/s，當(dāng)作業(yè)時(shí)間為t時(shí)，其作業(yè)距離為1.4t，則5幅曲線圖的橫坐標(biāo)可以相對(duì)應(yīng)。角度傳感器探測(cè)桿長(zhǎng)度與牽引座長(zhǎng)度杠桿比為0.6，角度傳感器與牽引座角度變化值符合設(shè)計(jì)要求。從曲線圖可知，當(dāng)?shù)貕虐l(fā)生左、右偏移時(shí)，則緊貼在壟側(cè)的探測(cè)桿左、右角度傳感器擺動(dòng)角度發(fā)生變化，控制器采用基于PID的控制模式伸長(zhǎng)或縮短油缸，則牽引座角度變大或變小，相應(yīng)調(diào)整收獲機(jī)作業(yè)軌跡，實(shí)現(xiàn)機(jī)器自動(dòng)對(duì)行功能。

4UGS2型薯類收獲機(jī)在不同試驗(yàn)條件下，取得的試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 不同試驗(yàn)條件下4UGS2型薯類收獲機(jī)主要性能參數(shù)Tab.2 Main performance index of 4UGS2 potato harvester under different test conditions %

試驗(yàn)結(jié)果表明：該機(jī)型對(duì)土質(zhì)濕潤(rùn)、板結(jié)較少的壟作旱地適應(yīng)性較好，其自動(dòng)對(duì)行裝置及整機(jī)各部件工作性能良好，明薯率、傷薯率、漏挖率等各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到或超過了合格要求。通過對(duì)比可以看出收獲過程中采用自動(dòng)對(duì)行裝置后，平均明薯率提升了2.16個(gè)百分點(diǎn)，平均傷薯率降低了1.40個(gè)百分點(diǎn)，平均漏挖率降低了1.81個(gè)百分點(diǎn)。收獲作業(yè)中由于安裝了自動(dòng)對(duì)行裝置，收獲機(jī)可以根據(jù)地壟行走變化自動(dòng)調(diào)整工作姿態(tài)，進(jìn)行對(duì)正挖掘，實(shí)現(xiàn)收獲作業(yè)的精確控制，從而提高明薯率、降低傷薯率和降低漏挖率，提高農(nóng)戶的經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)過程中如果壟行截面尺寸變化較大，會(huì)影響自動(dòng)對(duì)行裝置的工作穩(wěn)定性。

6 結(jié)論

(1)以4UGS2型雙行薯類收獲機(jī)為載體，以壟行截面走向?yàn)檠芯繉?duì)象，綜合運(yùn)用傳感器技術(shù)、液壓控制技術(shù)和單片機(jī)控制技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)對(duì)行控制系統(tǒng)。

(2)設(shè)計(jì)了地壟仿形機(jī)構(gòu)、牽引機(jī)構(gòu)、液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，采用基于PID控制技術(shù)的收獲機(jī)作業(yè)路線實(shí)時(shí)調(diào)整算法，建立作業(yè)路線調(diào)節(jié)模型，實(shí)現(xiàn)收獲機(jī)作業(yè)路線最優(yōu)控制，進(jìn)一步提高了薯類作物收獲機(jī)械自動(dòng)化水平。

(3)田間試驗(yàn)表明： 4UGS2型雙行薯類收獲機(jī)安裝自動(dòng)對(duì)行系統(tǒng)后，平均明薯率提升了2.16個(gè)百分點(diǎn)，平均傷薯率降低了1.40個(gè)百分點(diǎn)，平均漏挖率降低了1.81個(gè)百分點(diǎn)，進(jìn)一步提高了收獲作業(yè)性能指標(biāo)，該系統(tǒng)性能和可靠性指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。