賈洪雷 房殿海 劉慧力 郭 慧 張勝偉 盧長剛

(1.吉林大學(xué)生物與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院， 長春 130022； 2.吉林大學(xué)工程仿生教育部重點實驗室， 長春 130022；3.吉林大學(xué)汽車工程學(xué)院， 長春 130022)

0 引言

土壤是生態(tài)環(huán)境的基礎(chǔ)，土壤成分測定在精準農(nóng)業(yè)和測土配方施肥中具有重要地位[1-3]。目前，農(nóng)藥過度使用、污水灌溉和大氣重金屬沉降造成的土壤重金屬污染已經(jīng)嚴重影響土壤的生態(tài)功能、人類健康和土地的可持續(xù)利用[4-5]。對受重金屬污染的土壤進行采樣，一般取土壤的耕作層作為樣品[6-7]。東北地區(qū)耕地面積廣，土壤解凍到播種的時間短，需要設(shè)計一種車載智能土壤采樣系統(tǒng)來快速檢測土壤中的污染物含量。取土器是采集土壤樣本的主要工具之一，其可靠性、操作方便性和機動性不僅可以減少土壤調(diào)查工作量、提高取土效率，而且可以擴展土壤采樣的適應(yīng)性[6]。

目前，我國使用的農(nóng)業(yè)用取土器仍以手動居多，其適用范圍較窄。周雪青等[8]設(shè)計了一種土壤容重測定用分段式原狀取土器，將環(huán)刀法和原狀取土管法結(jié)合，取土效率提高了4～8倍。邵睿等[9]在分析中國科學(xué)院水利部水土保持研究所土壤采樣器的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)有電動螺旋壓力機傳動形式，將原有取土器由重力錘擊式改為螺旋傳動與齒輪傳動相結(jié)合，在刮土清理和定位方式上加以改進，提高了整機工作可靠性。倪祥祥等[10]設(shè)計了一臺螺旋取土鉆，該鉆切碎土壤并推升土壤向上移動，將土壤直接輸送到收集盒內(nèi)，具有減小阻力和減粘脫土的作用。沈立娜等[11]提出一種中空螺旋無水取土鉆具，采用無水循環(huán)、單動雙管回轉(zhuǎn)鉆進工藝和超前管靴合金鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計，降低了對土樣的擾動，但需人力手動操作。張和鋒等[12]設(shè)計了直壓式汽油機取土器，該取土器以汽油機為動力直壓進入土壤，便于攜帶、操作簡單、取土效率高。張凱等[13]設(shè)計了車載液壓振動式土壤采集裝置，通過設(shè)計具有雙凸結(jié)構(gòu)的采樣管提高了裝置的可靠性與穩(wěn)定性。文獻[14-15]設(shè)計了適應(yīng)多種環(huán)境的車載土壤快速采集裝置，通過液壓沖擊器驅(qū)動采樣管上下移動，完成取土作業(yè)。國外的取土器研究始于20世紀60年代，大部分以機械式為主，但需要手動操作[16-17]。KARAHASHI等[18]設(shè)計了一種新型土芯取樣器，以電機為動力源，取土?xí)r三腳架將裝置固定在地面，消除了挖掘時穿透阻力反作用力造成的裝置升力，取土精度和效率較好。SEWART[19]設(shè)計了小增量電取土器，使用電動線性執(zhí)行器將土芯從取土管中推出，降低了采樣變異性。在回轉(zhuǎn)壓入式取土器中有代表性的主要有Pitcher型取土器和Denison型取土器，它們在管靴上端安裝了卡簧，可以起到防止土樣脫落的作用，但卡簧容易損壞，另外取土器的價格和使用成本相對較高，取土工藝復(fù)雜[20]。ABU-HAMDEH等[21]設(shè)計了一種與拖拉機配套使用的液壓驅(qū)動式取土裝置，利用拖拉機自帶的液壓系統(tǒng)提供動力，能夠進行不同深度的土樣采集，省時省力。隨著農(nóng)業(yè)智能化技術(shù)的發(fā)展，車載智能土壤采集系統(tǒng)將具有良好的應(yīng)用前景。通過設(shè)計車載土壤采集裝置、開發(fā)土壤樣本信息管理平臺，可快速采集土壤樣本，并實現(xiàn)土樣信息化管理[22-24]。

本文在前期研究基礎(chǔ)上，設(shè)計一種安裝于無人駕駛車的車載智能土壤采樣系統(tǒng)，由電氣控制系統(tǒng)自動控制采集土壤樣本、收集土樣和標識土壤樣本，以提高采集全程的自動化程度，減輕勞動強度。

1 整機結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 設(shè)計要求

依據(jù)HJ/T 166—2004《土壤環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》要求，針對農(nóng)田土壤環(huán)境檢測，一般采集耕作層土壤作為土樣，種植農(nóng)作物的土壤取樣深度在0～20 cm。

整體設(shè)計的基本要求：實現(xiàn)對種植農(nóng)作物0～20 cm內(nèi)任意深度范圍的土壤自動快速采集，實現(xiàn)分層取樣；實現(xiàn)對不同采樣點的土樣進行地理信息標識并分類；保證全過程采集土樣自動化，高效率高精度采集土樣。

1.2 整機結(jié)構(gòu)

車載智能土壤采樣系統(tǒng)安裝在無人駕駛采樣車上，整機主要由無人駕駛系統(tǒng)和車載智能土壤采樣系統(tǒng)組成。任務(wù)由遠程計算機發(fā)布后，無人駕駛車到達指定的采樣點，為車載智能土壤采樣系統(tǒng)實現(xiàn)采集土樣提供目標樣本；車載智能土壤采樣系統(tǒng)的工作過程由電氣控制系統(tǒng)控制完成。整機結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 整機結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure sketch of overall machine1.土壤樣本自動采集裝置 2.GPS天線 3.電控箱 4.無人駕駛車 5.電池

1.3 系統(tǒng)組成與土樣采集流程

車載智能土壤采樣系統(tǒng)由土壤樣本自動采集裝置和電氣控制系統(tǒng)組成。土壤樣本自動采集裝置由升降機構(gòu)、取土機構(gòu)、收集土樣機構(gòu)等組成，如圖2所示。升降機構(gòu)可控制取土機構(gòu)的自動升降；取土機構(gòu)在升降機構(gòu)的控制下，可自動鉆土、自動采集土樣；收集土樣機構(gòu)在取土機構(gòu)采集完土樣后，對不同地理位置的土樣進行分類收集并實時標識不同地理位置的土樣。電氣控制系統(tǒng)位于電控箱內(nèi)，電控箱內(nèi)安裝工業(yè)控制計算機、運動控制器、電源等電氣設(shè)備，用于升降機構(gòu)、取土機構(gòu)、收集樣土機構(gòu)之間的通信及控制。

圖2 土壤樣本自動采集裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Sketch of automatic soil sample collection device1.收集土樣機構(gòu) 2.取土機構(gòu) 3.升降機構(gòu) 4.機架

車載智能土壤采樣系統(tǒng)作業(yè)流程如圖3所示，整個土壤樣本采集過程在電氣控制系統(tǒng)的控制下完成：由升降機構(gòu)控制取土機構(gòu)向下移動，當鉆尖即將到達地面時，螺旋輸送器開始旋轉(zhuǎn)，在取土機構(gòu)下降速度和螺旋輸送器轉(zhuǎn)速組合參數(shù)的控制調(diào)節(jié)下，取土機構(gòu)實現(xiàn)鉆土功能。當鉆尖到達設(shè)定深度時，取土機構(gòu)采集土樣。隨后升降機構(gòu)控制取土機構(gòu)向上移動，螺旋輸送器隨之向上移動的同時反向旋轉(zhuǎn)，散落在螺旋葉片的土壤在離心力的作用下落入土槽內(nèi)，當鉆尖脫離地面后螺旋輸送器停止反向旋轉(zhuǎn)，升降機構(gòu)繼續(xù)帶動取土機構(gòu)向上移動直至恢復(fù)零位。然后，收集土樣機構(gòu)到達取土機構(gòu)正下方收集采集的土樣，隨后收集土樣機構(gòu)恢復(fù)至零位。工業(yè)控制計算機控制RFID讀寫器將采樣點的定位信息寫入采集筒底面的電子標簽內(nèi)。

圖3 車載智能土壤采樣系統(tǒng)作業(yè)流程圖Fig.3 Flow chart of soil sample automatic collection system

2 關(guān)鍵機構(gòu)設(shè)計

2.1 升降機構(gòu)

2.1.1工作原理

升降機構(gòu)主要由絲杠、導(dǎo)軌、伺服電機、減速器、位置傳感器等部件組成，如圖4所示。

圖4 升降機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic of lifting system1.絲杠 2.伺服電機 3.減速器 4.主動齒輪 5.被動齒輪 6.位置傳感器 7.滑臺 8.導(dǎo)軌 9.支架

在電氣控制系統(tǒng)的控制下，升降機構(gòu)驅(qū)動取土機構(gòu)(圖2)從零位開始運動，在地面以上以速度v1上下移動。當螺旋輸送器向下鉆進工作時和向上運動鉆尖脫離地面之前，取土機構(gòu)以速度v2上下移動。當取土機構(gòu)上升返回零位時，位置傳感器感應(yīng)到移動滑臺恢復(fù)零位并向電氣控制系統(tǒng)發(fā)出信號，電氣控制系統(tǒng)控制升降機構(gòu)停止運行。

2.1.2升降功率計算

伺服電機通過兩相同齒輪傳動驅(qū)動絲杠旋轉(zhuǎn)，進而驅(qū)動取土機構(gòu)上下移動，由導(dǎo)程的定義[25]得出v1計算公式為

(1)

式中n1——伺服電機轉(zhuǎn)速，r/min

i1——減速器減速比

Ph0——絲杠導(dǎo)程，mm

絲杠型號為米思米C-BSSC2020，長度為0.76 m，直徑為30 mm，導(dǎo)程Ph0為20 mm，伺服電機轉(zhuǎn)速n1為3 000 r/min，減速器減速比i1為20，計算得取土機構(gòu)最大移動速度為0.05 m/s。設(shè)計升降機構(gòu)的總長度為0.92 m，導(dǎo)軌的長度為1.35 m。為保證鉆進工作的穩(wěn)定性，通過試驗得鉆進速度v2不超過0.025 m/s。

滿載時取土機構(gòu)總質(zhì)量m0最大為30 kg，因此升降機構(gòu)所需功率為[26]

P0=(μ1+μ2+μ3)m0gv2+Qv2-m0gv2

(2)

其中

Q=1 000×(30～50)R2

式中P0——升降機構(gòu)所需功率，W

g——重力加速度，m/s2

μ1——取土機構(gòu)與導(dǎo)軌的摩擦因數(shù)

μ2——軸承摩擦因數(shù)

μ3——絲杠與絲母的摩擦因數(shù)

Q——螺旋輸送器軸向壓力，N

R2——鉆孔半徑，m

經(jīng)計算，升降機構(gòu)沿導(dǎo)軌滑動所需功率為69.75 W，考慮到啟動轉(zhuǎn)矩及功率裕量，伺服電機額定功率取200 W，額定扭矩0.637 N·m。

2.2 取土機構(gòu)

2.2.1工作原理

取土機構(gòu)主要由螺旋輸送器、鉆尖、推桿、電缸、減速器、伺服電機等部件組成，如圖5所示。

圖5 取土機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Schematic of soil sampling system1.鉆頭 2.螺旋輸送器 3.主動齒輪 4.減速器 5.伺服電機 6.電缸 7.被動齒輪

設(shè)計螺旋葉片厚度為1.5 mm。螺旋輸送器軸作為空心取土管，取土管內(nèi)有推桿，推桿上方固定連接電缸伸縮桿，推桿下方固定連接鉆頭，電缸可通過推桿驅(qū)動鉆頭在取土管內(nèi)上下移動。由伺服電機驅(qū)動螺旋輸送器旋轉(zhuǎn)，鉆頭在取土前與取土管共同旋轉(zhuǎn)，鉆頭在取土管的原位置如圖6b所示。當鉆尖到達設(shè)定深度時，在電缸內(nèi)部位置傳感器控制下，電缸伸縮桿驅(qū)動鉆頭上升一段距離，此距離為需要采集土層的深度范圍，從而取土管下端形成取土空間，如圖6a所示。同時，螺旋輸送器繼續(xù)旋轉(zhuǎn)下降，鉆頭下方的土樣被擠入取土空間形成柱形土樣。當鉆頭到達不同設(shè)定深度時，電缸伸縮桿驅(qū)動鉆尖上升形成取土空間，螺旋輸送器繼續(xù)鉆進將土樣擠入取土空間，因此可實現(xiàn)土壤的分層取樣。取土完畢后，土壤樣本采集控制系統(tǒng)控制螺旋輸送器上升的同時反向旋轉(zhuǎn)，螺旋輸送器上的土壤在離心力的作用下滑落在鉆土形成的土槽內(nèi)，從而減少對地表的破壞。當收集土樣機構(gòu)收集土樣時，電缸伸縮桿推動鉆頭恢復(fù)原位，鉆頭將進入取土管的柱形土樣推出取土空間，為收集土樣機構(gòu)所收集。

圖6 鉆尖結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Structure of spiral drill1.鉆頭 2.推桿 3.取土管 4.螺旋葉片 5.內(nèi)花鍵 6.外花鍵

2.2.2結(jié)構(gòu)及參數(shù)設(shè)計

鉆頭在向下鉆孔時起到切去中心部分土壤的作用，并將中心部分的土壤引向四周，從而土壤被螺旋輸送器輸送。因錐形鉆頭的平穩(wěn)性好，本設(shè)計選用錐形鉆頭[27]。鉆頭錐角太小，鉆頭將進入取土管的柱形土樣推出取土空間時會導(dǎo)致破壞土樣，還會導(dǎo)致土壤粘附在鉆頭，考慮到應(yīng)盡量減少土壤粘結(jié)在鉆頭和對原層土樣破壞，錐角設(shè)計為150°。為保證鉆土過程中鉆頭與螺旋輸送器同時旋轉(zhuǎn)，鉆頭圓柱表面設(shè)計外花鍵，取土管內(nèi)壁開有內(nèi)花鍵，兩者相互配合，此設(shè)計可以使鉆尖在鉆土?xí)r既能隨螺旋輸送器同速旋轉(zhuǎn)，又能使鉆尖在電缸的驅(qū)動下沿內(nèi)花鍵上下移動。鉆尖結(jié)構(gòu)如圖6所示，正常工作過程中鉆頭只有圖6a、6b兩種狀態(tài)。

在土樣進入取土空間過程中，取土管內(nèi)壁的內(nèi)花鍵結(jié)構(gòu)可有效減少進入取土管的柱形土樣與鉆體內(nèi)壁的接觸面積，從而有效減小柱形土樣對鉆體內(nèi)壁的摩擦阻力。同時，這種相對凸凹的內(nèi)壁表面還具有減粘脫土作用，有利于原狀土柱保持原狀。取土管靴的主要技術(shù)參數(shù)包括刃口尖端寬度l，取土管靴內(nèi)徑de，取土管靴高度b，管靴刃口角φ，管靴切削深度a和取土管管靴外徑dw。取土管靴是取土器的主要入土部件，如圖7所示，其參數(shù)的設(shè)計對取土質(zhì)量的影響較大[10]。

圖7 取土管靴剖面簡圖Fig.7 Profile of soil sampling tube boot

刃口尖端寬度l是影響切土阻力的主要參數(shù)之一。一般刃口尖端寬度越小，切土阻力越小，但同時越易發(fā)生刃口迸裂和變形。確定刃口尖端寬度l為1.5 mm。設(shè)計取土管靴的內(nèi)徑de等于取土管內(nèi)徑。取土管靴高度b不宜過大，管靴高度大則對所取土樣的摩擦阻力大，b的適宜范圍為20～30 mm。

管靴刃口的形式及角度對土樣的質(zhì)量影響很大。試驗測得土樣無側(cè)限抗壓強度(試樣在無側(cè)向壓力情況下，抵抗軸向壓力的極限強度)百分比與管靴刃口角對應(yīng)的關(guān)系，如圖8所示。

圖8 無側(cè)限抗壓強度百分比與管靴刃口角關(guān)系曲線Fig.8 Relationship between unconfined compressive strength and soil sampling tube boot cutting angle

管靴刃口角為10°時，無側(cè)限抗壓強度百分比達90%以上；管靴刃口角為30°時, 無側(cè)限抗壓強度百分比僅為70%左右。因而取土器的管靴刃口角應(yīng)不大于10°[28]。

設(shè)計螺旋葉片軸向長度為300 mm，螺旋輸送器外徑D′為120 mm。取土機構(gòu)進行鉆土工作時，螺旋輸送器旋轉(zhuǎn)對取土管產(chǎn)生扭矩，考慮到取土管的強度，設(shè)計取土管內(nèi)徑de為42 mm，取土管外徑dw為50 mm，則取土管壁厚為4 mm。鉆頭上端圓柱直徑為42 mm，與取土管內(nèi)徑間隙配合。

取a=2.5 mm,當b=20 mm時，由公式

(3)

計算得φ=7.13°，滿足要求。

2.2.3取土功率計算

螺旋輸送器轉(zhuǎn)速較低時，土壤從鉆孔底面被擠上地面[29]。螺旋升角較大，提土?xí)r土塊容易滑落[30]，選擇適當?shù)穆菪强梢允馆斖亮鲿?，葉片的螺旋升角一般應(yīng)在8°～30°之間[31]。綜合這兩種因素，本螺旋輸送器葉片螺旋升角α選為15°。

螺距S可以根據(jù)螺旋升角α和螺旋軸直徑D的關(guān)系[30]求出，計算公式為

(4)

計算得螺距S約為42 mm。

螺旋輸送器鉆土的功率主要消耗在3方面：鉆進功率、輸土消耗功率、鉆具與孔壁的摩擦消耗的功率[32]。

鉆進功率N1計算公式為

(5)

式中K——切削比阻力，kPa

f2——刀刃與土壤間的摩擦因數(shù)

ωc——螺旋軸角速度，rad/s

在螺旋輸送器的螺旋作用下使鉆頭切削下來的土壤從鉆頭與孔底土壤的接觸面擠入螺旋內(nèi)，上層土壤由下層土壤推擠著向上運動，輸土功率N2計算公式為

(6)

其中

F1=maω2rf2(f1sinα-cosα)+mag(f1cosα+sinα)

(7)

(8)

(9)

(10)

式中F1——下層土壤對鉆頭的擠推力，N

ma——整個螺旋輸送器軸上土壤質(zhì)量，kg

R1——螺旋輸送器軸半徑，m

αl——鉆頭葉片螺旋升角，(°)

ε——土壤壓縮系數(shù)

r——葉片上土壤重心處的半徑,由于土壤被擠壓充滿葉片中,視為均勻分布， m

f1——土與土的摩擦因數(shù)

ρt——松散土壤密度，kg/m3

l1——螺旋輸送器軸的長度，m

ω——螺旋輸送器臨界角速度[33]，rad/s

鉆桿轉(zhuǎn)速低于臨界轉(zhuǎn)速時，外層土壤的離心力不足以克服各種阻力壓向孔壁。土壤在葉片上堆積，葉片上土壤堆積后與孔壁接觸，可以近似看作一個90°的斜坡與一個墻面接觸。在孔壁與土體之間產(chǎn)生主動土壓力，可用朗金土壓力理論來計算。孔壁與螺旋輸送器土柱摩擦消耗功率N3公式為

(11)

式中K0——土的靜止側(cè)壓系數(shù)

綜上，可得螺旋輸送器鉆進的總功率為

N=N1+N2+N3

(12)

所需伺服電機功率和螺旋軸扭矩為

(13)

(14)

式中P——伺服電機1功率，W

Z——減速器效率

M——螺旋軸扭矩，N·m

螺旋葉片半徑為 0.06 m，切削比阻力為50 kPa，鉆進速度為0.025 m/s, 刀刃與土壤間的摩擦因數(shù)為0.3，得鉆尖軸向壓力為2 100 N，螺旋軸的最大轉(zhuǎn)速為75 r/min，土塊與鉆孔間的摩擦因數(shù)為0.4，螺旋輸送器臨界角速度為7.85 rad/s，最大鉆土深度20 cm，土壤容重為1 560 kg/m3，土壤的靜止側(cè)壓系數(shù)為0.45，減速器效率為0.9，計算得螺旋輸送器鉆進總功率為214.66 W，所需伺服電機功率為238.51 W，螺旋軸的扭矩為27.32 N·m。

在保證轉(zhuǎn)速的同時應(yīng)盡量增大扭矩，考慮到啟動功率以及現(xiàn)場其他損耗功率，伺服電機的額定功率為600 W，額定扭矩1.91 N·m，選擇減速器的減速比為40，可提供扭矩76.4 N·m，轉(zhuǎn)速為3 000 r/min。

2.3 收集土樣機構(gòu)

2.3.1工作原理

收集土樣機構(gòu)主要由移動機構(gòu)、導(dǎo)軌、伺服電機1、減速器1、位置傳感器1、RFID讀寫器等部件組成。移動機構(gòu)主要由多孔轉(zhuǎn)盤、采樣筒、支架、伺服電機2、減速器2、位置傳感器2組成，如圖9所示。

圖9 收集土樣機構(gòu)示意圖Fig.9 Sketch of soil sample collection system1.位置傳感器1 2.絲杠 3.RFID讀寫器 4.伺服電機1 5.減速器2 6.采樣筒 7.多孔轉(zhuǎn)盤 8.位置傳感器2 9.伺服電機2 10.減速器2 11.支架 12.鐵塊

伺服電機2及減速器2位于支架上端，多孔圓盤位于支架內(nèi)，其中心與減速器的輸出軸固定連接，伺服電機2驅(qū)動減速器輸出軸從而帶動多孔轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動，一次轉(zhuǎn)動36°。采樣筒內(nèi)徑設(shè)計為50 mm，10個采樣筒均勻分布在多孔轉(zhuǎn)盤10個孔內(nèi)，每個采樣筒底面有電子標簽，多孔轉(zhuǎn)盤相鄰孔中心之間夾角為36°。取土機構(gòu)取土完畢上升至初始位置后，收集土樣機構(gòu)開始工作。伺服電機1驅(qū)動移動機構(gòu)以一定的速度沿導(dǎo)軌移動到取土管中心的正下方，移動距離為0.13 m。同時，伺服電機2驅(qū)動多孔轉(zhuǎn)盤逆時針轉(zhuǎn)動，當位置傳感器2感應(yīng)到鐵塊時發(fā)出信號，多孔轉(zhuǎn)盤停止旋轉(zhuǎn)，此位置為多孔圓盤零位，隨后伺服電機2通過減速器驅(qū)動多孔轉(zhuǎn)盤順時針轉(zhuǎn)動一定的角度，即將收集土樣的采集筒軸線與螺旋輸送器軸線相重合。其中采樣點為k+1個時多孔轉(zhuǎn)盤順時針轉(zhuǎn)動角度為

A=36k

(15)

隨后電缸推桿推動鉆頭，將取土管內(nèi)的柱形土樣推入采樣筒內(nèi)，移動機構(gòu)再沿導(dǎo)軌以相同的速度反向移動，當位置傳感器1感應(yīng)到機架返回零位并向電氣控制系統(tǒng)輸出信號，電氣控制系統(tǒng)控制收集土樣機構(gòu)在零位停止。計算機在取土機構(gòu)返回零位后，控制RFID讀寫器將定位信息一次性地寫入電子標簽。待無人駕駛車到達下一個采樣點取土機構(gòu)完成取土后，重復(fù)上述收集樣土的工作流程，直至10個采樣筒收集完土樣。

2.3.2移動機構(gòu)功率計算

由于轉(zhuǎn)盤驅(qū)動所需扭矩和功率較小，伺服電機2選擇40M-R1630F5-E型，工作電壓48 V，額定功率50 W，減速器減速比為40。

收集土樣機構(gòu)沿導(dǎo)軌移動，由伺服電機1及減速器經(jīng)絲杠驅(qū)動，收集土樣機構(gòu)滿載質(zhì)量m為10 kg，因此收集土樣機構(gòu)所需功率P1計算公式為[15]

P1=mg(μ4+μ5+μ6)gv3

(16)

(17)

式中μ4——收集土樣機構(gòu)與鋼軌的摩擦因數(shù)

μ5——軸承摩擦因數(shù)

μ6——絲杠與絲母的摩擦因數(shù)

v3——收集土樣機構(gòu)移動速度，m/s

n2——伺服電機額定轉(zhuǎn)速，r/min

i2——減速器減速比

Ph1——絲杠導(dǎo)程，mm

得收集土樣機構(gòu)左右移動所需功率為6 W。

考慮到啟動轉(zhuǎn)矩及功率裕量選擇40M-R1630F5-E型電機，工作電壓48 V，額定功率50 W，減速器減速比i2為10，采用米思米C-BSSC2010型絲杠，直徑10 mm，導(dǎo)程Ph1為10 mm，收集土樣機構(gòu)單行程0.13 m，經(jīng)計算收集土樣機構(gòu)最大移動速度為0.05 m/s，收集土樣機構(gòu)工作所需時間為2.60 s。

3 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 電氣控制系統(tǒng)總體方案

電氣控制系統(tǒng)以運動控制器作為控制核心，主要部件由工業(yè)控制計算機、運動控制器、直流伺服電機及驅(qū)動器、慣性/衛(wèi)星組合導(dǎo)航系統(tǒng)、RFID讀寫器等部分組成。電氣控制結(jié)構(gòu)框圖如圖10所示。

圖10 電氣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.10 Structure diagram of electrical control system

3.2 采樣運動控制系統(tǒng)設(shè)計

規(guī)劃采樣點信息通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)布到無人駕駛采樣車主控計算機上，計算機根據(jù)采樣點信息自動規(guī)劃行駛路徑，依據(jù)慣性/衛(wèi)星組合導(dǎo)航系統(tǒng)(GPS)定位信息和激光雷達避障系統(tǒng)，完成目標位置的自主導(dǎo)航定位。到達目標位置后，控制車載智能土壤采樣系統(tǒng)采集土樣，目標位置的經(jīng)緯度地理信息和采樣深度等信息可通過RFID讀寫器寫入當前收集土樣采樣筒底部的電子標簽中。

圖11 運動控制器調(diào)試界面Fig.11 Debug interface of motion controller

運動控制器選用深圳市雷賽控制技術(shù)有限公司的SMC106A-BAS 型六軸運動控制器，運動控制器調(diào)試界面如圖11所示，運動控制器輸入輸出點設(shè)有J0～J5、J6～J8和Ethernet接口，J0～J5接口用于伺服電機脈沖和方向輸入，J6～J8接口用于原點信號和限位信號輸入，Ethernet接口用于以太網(wǎng)通信。采用脈沖/方向信號連接方式，運動控制器通過向電機驅(qū)動器發(fā)送脈沖和方向信號來控制直流伺服電機旋轉(zhuǎn)角度和旋轉(zhuǎn)方向，通過絲杠轉(zhuǎn)換為直線運動。直流伺服電機采用2500 P/r增量式編碼器，電子齒輪比為1∶1，根據(jù)絲杠螺距和減速機減速比可精確計算出脈沖當量，計算公式為

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式中δ——脈沖當量

Ph——絲杠導(dǎo)程，mm

i——減速器減速比

p——每轉(zhuǎn)一圈控制脈沖數(shù)

g0——電子齒輪比

直流伺服電機工作在位置控制方式，運動控制器可進行定速運動和定長運動(相對位移和絕對位移)，設(shè)置脈沖當量和運動速度等參數(shù)后，可通過調(diào)用運動控制器提供的API函數(shù)完成各機構(gòu)的精確運動。運動控制器具有零位和正負限位接口，通過零位和限位磁感應(yīng)傳感器，可完成取土機構(gòu)和收集土樣機構(gòu)歸零工作。運動控制器通過以太網(wǎng)接口與工業(yè)控制計算機連接，采用TCP/IP協(xié)議，進行數(shù)據(jù)交換和控制命令的解析。

慣性/衛(wèi)星組合導(dǎo)航系統(tǒng)選擇北京星網(wǎng)宇達科技股份有限公司的XW-GI5630型，主機內(nèi)部安裝有2個GPS和北斗二合一接收機、1個MEMS慣性測量單元等，通過使用MEMS陀螺和MEMS加速度計，融合里程計信息，輔以改進組合導(dǎo)航與姿態(tài)測量算法，可進行厘米級精度的定位解算，航向精度0.1°，姿態(tài)精度1°，GPS差分數(shù)據(jù)通過4芯圓形連接器輸入XW-GI5630主機的輸入接口，經(jīng)過差分的數(shù)據(jù)通過串口連接到工業(yè)控制計算機。工業(yè)控制計算機將輸入的數(shù)據(jù)通過RFID讀寫器寫入電子標簽中。

4 性能試驗

4.1 試驗條件

為了驗證樣機的性能和可靠性，于2020年7月在吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗田進行了現(xiàn)場性能試驗。車載智能土壤采樣系統(tǒng)所采集土壤類型為壤土，車載智能土壤采樣系統(tǒng)配套車輛為吉林大學(xué)自主研發(fā)的無人駕駛采樣車。試驗儀器主要有秒表、電子天平等。樣機試驗如圖12所示。

圖12 樣機試驗Fig.12 Test of prototype

4.2 試驗方法與結(jié)果

試驗時，車載智能土壤采樣系統(tǒng)安裝于無人駕駛采樣車上，無人駕駛采樣車按照控制指令到達采樣點。按照作業(yè)機設(shè)計功能要求，選取試驗田12個經(jīng)緯度不同的土樣采集點進行采樣試驗，以采樣時間誤差、土樣質(zhì)量誤差、電子標簽的經(jīng)緯度誤差為評價指標。試驗采集土樣深度范圍分別為0～50 mm、50～100 mm、100～150 mm、150～200 mm，每個深度范圍的土樣分別采集3次，每次采集土樣質(zhì)量為108.06 g。同時考察升降機構(gòu)、取土機構(gòu)和收集土樣機構(gòu)的工作運轉(zhuǎn)情況，觀測電缸推動鉆頭將柱形土樣從取土管推入收集土樣機構(gòu)的采集筒時，柱形土樣是否會粘附在鉆頭上。

收集土樣機構(gòu)的多孔圓盤面到地面垂直高度h1為380 mm，設(shè)計鉆尖到多孔圓盤水平面的垂直距離為20 mm。取土機構(gòu)的鉆頭距離地面高度h處為零位，則取土機構(gòu)的鉆頭距離地面高度h為400 mm，采集土樣的深度h2范圍為0～200 mm。取土系統(tǒng)在地面以上做無阻力運動，為提高整個過程的效率，地面以上的運動速度選定最大的移動速度，升降機構(gòu)工作時間計算公式為

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分層采集土樣時，升降機構(gòu)工作時間分別為20、24、28、32 s，再加上收集土樣機構(gòu)運動時間和推桿推出土樣時間，計算采樣時間分別為23.6、27.6、31.6、35.6 s。當車載智能土壤采樣系統(tǒng)啟動開始采集土樣時，記錄每次采集土樣工作時間，計算采樣時間誤差。當無人駕駛車將12個采樣點的目標土樣采集完畢后，按采集的順序?qū)⒉蓸油矁?nèi)的土樣進行稱量，記錄采集土樣的質(zhì)量，計算土樣質(zhì)量誤差。各個采集點的采樣時間誤差和土樣質(zhì)量誤差如表1所示。計算每次試驗采樣時間誤差和土樣質(zhì)量誤差的平均值，采樣時間平均誤差和土樣質(zhì)量平均誤差隨采集土層深度變化，如圖13、14所示。

表1 現(xiàn)場性能試驗結(jié)果Tab.1 Field experiment performance results

圖13 采樣時間平均誤差的變化Fig.13 Change in average error of sampling time

采集土樣試驗結(jié)束后，在工業(yè)控制計算機終端依次獲得采樣筒底面電子標簽內(nèi)的坐標位置信息，將這些經(jīng)緯度信息分別與試驗前選取試驗田12個經(jīng)緯度進行比較，計算兩者的誤差。坐標位置信息采集數(shù)據(jù)的處理和計算結(jié)果如表2所示。

圖14 土樣質(zhì)量平均誤差的變化Fig.14 Change in average error of soil sample quality

4.3 結(jié)果分析

由試驗結(jié)果可以得出，采集土層深度為0～50 mm時，采樣時間誤差不超過2.08%，而在最深的土層范圍采集土樣時，采樣時間誤差最大不超過3.44%，采樣時間平均誤差隨著采集土樣深度的增加而增加；在采集較淺的土層范圍時，土樣質(zhì)量平均誤差較小，隨著采集土層深度的增加，土樣質(zhì)量平均誤差也越來越大，土樣質(zhì)量誤差最大不超過6.29%。由表2可知，試驗前選取采樣點坐標值與電子標簽內(nèi)坐標值之間的誤差不大于9 cm。

表2 采集坐標信息試驗結(jié)果Tab.2 Coordinate information collection test results

試驗過程中發(fā)現(xiàn)，升降機構(gòu)、取土機構(gòu)和收集土樣機構(gòu)的工作運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，順利完成采集土樣的整個工作。每次進行收集土樣時，電缸推動鉆頭將柱形土樣推入采集筒，此過程柱形土樣可順利進入采樣筒，沒有發(fā)生柱形土樣粘附在鉆頭的現(xiàn)象。采樣時間誤差和土樣質(zhì)量誤差在較小的范圍內(nèi)，能夠?qū)?～200 mm任意深度范圍的土壤進行分層采集，并且在較短的時間內(nèi)完成土樣采集。該系統(tǒng)對不同地理位置的土樣分類收集，電子標簽內(nèi)的坐標值誤差小，采集土樣獲得的地理位置信息有較高的精度，采集土樣的結(jié)果符合設(shè)計要求。

5 結(jié)論

(1)設(shè)計了一種安裝在無人駕駛采樣車上的車載智能土壤采樣系統(tǒng)，系統(tǒng)包括土壤樣本自動采集裝置和電氣控制系統(tǒng)。分別對土壤樣本自動采集裝置的升降機構(gòu)、取土結(jié)構(gòu)、收集土樣機構(gòu)和電氣控制系統(tǒng)進行設(shè)計，闡述了各部件的結(jié)構(gòu)組成和工作原理，完成了關(guān)鍵工作參數(shù)的分析和計算，以實現(xiàn)對不同深度范圍的土樣進行采集并按地理位置信息分類收集。電氣控制系統(tǒng)以運動控制器為控制核心， 通過RFID讀寫器將GPS系統(tǒng)定位所解算的目標采樣點經(jīng)緯度地理信息和采樣深度等信息寫入當前收集土樣采樣筒底部的電子標簽中。

(2)車載智能土壤采樣系統(tǒng)采集土樣的精度和效率均較高，采樣時間誤差和土樣質(zhì)量誤差較小。當采集土層深度為0～50 mm時，采樣時間平均誤差不超過2.08%，在最大土層深度采集土樣時，采樣時間平均誤差不超過3.44%，采樣時間平均誤差和土樣質(zhì)量平均誤差隨著采集土層深度的增加而增加。

(3)系統(tǒng)將不同采樣點的土樣通過標識實時的定位信息進行分類，試驗前選取采樣點坐標值與電子標簽內(nèi)坐標值之間的誤差不大于9 cm。

(4)系統(tǒng)能夠?qū)r(nóng)耕層0～200 mm任意深度范圍的土壤進行自動分層采樣，采樣全程自動化，各機構(gòu)運行穩(wěn)定，鉆頭無粘附柱形土樣的現(xiàn)象。