李 濤 李 娜 劉存根 朱正波 周 進(jìn) 張 華

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

0 引言

薯類作物是土下果實(shí)非常重要的一類，主要包括馬鈴薯、甘薯、木薯、芋和薯蕷等[1-2]。其中，種植面積最大的是馬鈴薯和甘薯，它們既是重要的糧食作物，又是重要的工業(yè)原料、蔬菜和飼料。我國雖是薯類作物生產(chǎn)大國，但其機(jī)械化作業(yè)程度卻不高，尤其是勞動(dòng)強(qiáng)度大、需要人工多的收獲作業(yè)，機(jī)械發(fā)展嚴(yán)重滯后，嚴(yán)重制約著我國薯類產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[3-4]。

薯類作物機(jī)械化收獲主要分為分段收獲和聯(lián)合收獲2種方式。挖掘鏟是收獲機(jī)的關(guān)鍵部件，其挖掘深度的精確控制不僅可以提升收獲性能指標(biāo)，還可以減阻降耗、降低生產(chǎn)成本。挖掘深度控制技術(shù)有3種：機(jī)械式、液壓式和自動(dòng)控制式。目前國外的薯類機(jī)械化收獲以聯(lián)合收獲為主，機(jī)具大型化，其對(duì)薯類作物挖掘深度自動(dòng)控制系統(tǒng)研究較早，運(yùn)用了大量高新技術(shù)，目前已開發(fā)出多種先進(jìn)的機(jī)電液一體化挖掘限深技術(shù)，并朝著集成化、自動(dòng)化和智能化的方向發(fā)展[5-7]。德國Grimme 公司生產(chǎn)的GT170型馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)，采用自動(dòng)控制限深技術(shù)，控制系統(tǒng)由仿形輪、位移傳感器、液壓系統(tǒng)和控制器等組成，具有精準(zhǔn)度和自動(dòng)化程度高、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。

目前國內(nèi)薯類作物機(jī)械化收獲方式以分段收獲為主，收獲機(jī)械多為中小型。薯類收獲機(jī)挖掘深度控制技術(shù)以機(jī)械式為主，即采用限深輪和挖掘鏟入土角度調(diào)整機(jī)構(gòu)控制挖掘深度。機(jī)械式限深輪實(shí)時(shí)仿形精度低，挖掘鏟深度控制穩(wěn)定性差，調(diào)整不方便。液壓式和自動(dòng)控制式大都處于研發(fā)試驗(yàn)階段，如熊佳等[8]采用液壓限深設(shè)計(jì)了一種木薯收獲機(jī)挖深液壓控制系統(tǒng)，實(shí)時(shí)仿形性有待提高，同時(shí)由于駕駛員需要經(jīng)常觀察地面狀況做出調(diào)整，造成操作誤差和勞動(dòng)強(qiáng)度大；南春磊等[9]基于單片機(jī)和紅外測(cè)距傳感器，設(shè)計(jì)了一種挖掘深度自動(dòng)控制系統(tǒng)，其非接觸式探測(cè)機(jī)構(gòu)采集信息速度快，但容易受到地面狀況擾動(dòng)，受溫度、水分等因素影響；李濤等[10]以壟行截面走向?yàn)檠芯繉?duì)象，采用基于PID的速度控制模式實(shí)現(xiàn)收獲機(jī)的自動(dòng)對(duì)行功能，但如果壟行截面尺寸變化較大，會(huì)影響其工作穩(wěn)定性，同時(shí)由于系統(tǒng)輸出慣性會(huì)造成超調(diào)或振蕩。當(dāng)前，我國薯類收獲機(jī)械采用的這些自動(dòng)控制技術(shù)大多較為落后，已成為制約收獲作業(yè)性能提高的主要瓶頸之一。

本文以自主研制的4UGS2型雙行薯類收獲機(jī)為載體，設(shè)計(jì)一種挖掘深度自動(dòng)控制裝置，采用接觸式深度探測(cè)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)仿形裝置和挖掘機(jī)構(gòu)，采用雙閾值死區(qū)控制算法，以期實(shí)現(xiàn)地面高低狀況自動(dòng)仿形，保證實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地控制調(diào)整挖掘深度，提高薯類收獲機(jī)作業(yè)性能指標(biāo)。

1 挖掘深度控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

4UGS2型雙行薯類收獲機(jī)挖掘深度自動(dòng)控制系統(tǒng)由前仿形裝置、挖掘機(jī)構(gòu)、液壓裝置和電子控制器組成[11-14]，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 主要工作原理

如圖2所示，挖掘深度自動(dòng)控制系統(tǒng)開始工作時(shí)，前仿形裝置探測(cè)壟溝起伏變化，通過其上角度傳感器采集地面信息并傳遞給控制器，控制器通過控制算法輸出液壓電磁閥控制信號(hào)，液壓油缸帶動(dòng)挖掘機(jī)構(gòu)繞固定軸旋轉(zhuǎn)，改變挖掘鏟齒的離地高度，保證掘起土垡高度一致。同時(shí)油缸活塞桿伸縮量信息通過其位移傳感器傳遞給控制器，控制器獲取信息并根據(jù)算法實(shí)時(shí)調(diào)整挖掘鏟挖掘深度，構(gòu)成挖深閉環(huán)控制系統(tǒng)，保證挖掘深度的精確控制。

2 前仿形裝置和挖掘機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 前仿形裝置

前仿形裝置主要功能是通過其機(jī)械裝置仿形壟溝地面，同時(shí)其控制裝置通過角度傳感器采集地面高低狀況，前仿形裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示。

前仿形機(jī)構(gòu)后端通過螺栓與收獲機(jī)機(jī)架連接，其位置可根據(jù)壟行位置左右調(diào)整。機(jī)架安裝座前端由回位彈簧與擺動(dòng)臂相連接，回位彈簧的預(yù)緊拉力保證前仿形輪緊貼地面，擺動(dòng)臂在框板的矩形框中擺動(dòng)，起到限位作用，使擺動(dòng)臂在一定范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)，滿足前仿形輪根據(jù)地面高低狀況仿形的要求[15]。

安裝座橫梁通過快速掛接銷外套在左右調(diào)節(jié)架橫梁上，安裝座橫梁上左右等距分布有豎直孔，可與左右調(diào)節(jié)架的單個(gè)孔配合，通過橫梁上不同孔的連接，可以改變左右前仿形輪輪距，滿足不同壟作植物壟距變化的需要。安裝座支撐橫軸軸端安裝有角度傳感器，角度傳感器將地面高低變化信息傳遞給控制器。

左右調(diào)節(jié)架豎梁通過快速掛接銷外套在左右軸支架豎梁上，左右調(diào)節(jié)架豎梁上下等距分布有水平孔，可與左右軸支架的單個(gè)孔配合，通過豎梁上不同孔的連接，可以調(diào)整左右前仿形輪的高低位置，滿足不同地面收獲要求，保證左右前仿形輪緊貼地面。

圖4為前仿形機(jī)構(gòu)工作示意圖，仿形機(jī)構(gòu)以速度v前進(jìn)，前仿形輪沿壟底由點(diǎn)A運(yùn)動(dòng)到點(diǎn)B，左右軸支架可繞鉸接點(diǎn)O旋轉(zhuǎn)，其擺動(dòng)桿與垂直面的夾角相應(yīng)從δ0變?yōu)棣?，則壟底高度變化量H2和角度變化量δ2計(jì)算式為

(1)

式中H0——點(diǎn)A擺動(dòng)中心高度

L——擺動(dòng)桿長度

δ0——仿形機(jī)構(gòu)工作初始角度，即點(diǎn)A擺動(dòng)桿與垂直面的夾角

δ1——點(diǎn)B擺動(dòng)桿與垂直面的夾角

H1——點(diǎn)B擺動(dòng)中心高度

設(shè)計(jì)取L=700 mm，則式(1)可簡化為

H2=700(cosδ0-cosδ1)

(2)

當(dāng)δ2>0，δ0<δ1，即H2>0時(shí)，表明從點(diǎn)A到點(diǎn)B，壟底位置升高，則需要減小挖掘深度；當(dāng)δ2<0，δ0>δ1，即H2<0時(shí)，表明從點(diǎn)A到點(diǎn)B，壟底位置降低，則需要增加挖掘深度。

2.2 挖掘機(jī)構(gòu)

挖掘機(jī)構(gòu)的主要功能是根據(jù)控制器傳遞的挖掘深度信息，以最少的鏟土量挖掘薯壟、撿拾薯塊、松碎土壤，在克服阻力的基礎(chǔ)上消耗最少的能量，并將鏟起物傳送到分離機(jī)構(gòu)上。挖掘機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖5所示[16]。

挖掘機(jī)構(gòu)中部有連接在收獲機(jī)上的固定軸，鏟齒架上的軸套外套在固定軸上，鏟齒架可繞固定軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其前端安裝有挖掘鏟齒，后端安裝有連接臂，從而可以帶動(dòng)挖掘鏟齒和連接臂繞固定軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。液壓油缸缸體端連接機(jī)架安裝座，活塞桿端與連接臂相連，控制器發(fā)出指令，使活塞桿伸長和縮短，從而可以實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)連接臂的偏擺角度，保證快速準(zhǔn)確地調(diào)整挖掘深度[17-18]。

挖掘機(jī)構(gòu)工作過程如圖6所示，O1、O2和O3分別為液壓缸缸體端鉸接點(diǎn)、固定軸鉸接點(diǎn)和液壓缸活塞桿端鉸接點(diǎn)。當(dāng)前仿形機(jī)構(gòu)探測(cè)到壟底高度變化時(shí)，控制器根據(jù)式(1)計(jì)算得出壟底高度變化量H2，通過液壓缸活塞桿端驅(qū)動(dòng)連接臂以固定軸為中心進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，使連接臂上下擺動(dòng)相應(yīng)的距離，挖掘機(jī)構(gòu)工作角度，即點(diǎn)O2與點(diǎn)O1的連線和點(diǎn)O2與點(diǎn)O3的連線之間夾角β變化量βp1(與前仿形機(jī)構(gòu)相關(guān))與壟底高度變化量H2可表示為

(3)

(4)

式中N5——點(diǎn)O2與挖掘鏟齒前端面的距離

如圖6所示，在三角形O1O2O3中，根據(jù)余弦定理可得到油缸活塞桿的伸出長度N3與β的計(jì)算公式，即

(5)

對(duì)式(5)移項(xiàng)、變換后可得

(6)

其中，連接臂長度N1、固定軸鉸接點(diǎn)與油缸缸體端鉸接點(diǎn)距離N2和油缸缸體端長度N4為已知尺寸，油缸活塞桿長度N3由安裝在油缸上的位移傳感器實(shí)時(shí)獲取并傳送給控制器。定義當(dāng)初始挖掘深度W0為260 mm時(shí)，β為初始角β0(取56°)，則β變化量可表示為

(7)

式中β1——實(shí)時(shí)測(cè)量角

βp2——β變化量(與挖掘機(jī)構(gòu)相關(guān))，正值和負(fù)值分別表示挖掘深度相對(duì)初始挖掘深度W0減小和增大

βp為挖掘深度調(diào)控重要指標(biāo)，控制器比較βp2和βp1的數(shù)值，根據(jù)算法確定油缸伸縮量，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)挖深功能。

同時(shí)挖掘深度W可表示為

(8)

薯類作物整體結(jié)薯深度在200～350 mm之間，變化量在150 mm左右。收獲機(jī)通過牽引機(jī)構(gòu)連接在拖拉機(jī)下拉桿上，收獲機(jī)開始作業(yè)前，應(yīng)根據(jù)田間狀況調(diào)整拖拉機(jī)下拉桿離地高度，同時(shí)調(diào)整好仿形機(jī)構(gòu)擺動(dòng)桿長度L，這樣就可以確定仿形機(jī)構(gòu)工作初始角度δ0和收獲機(jī)初始挖掘深度。由于仿形機(jī)構(gòu)和挖掘機(jī)構(gòu)都位于收獲機(jī)的前部，縱向距離小，挖掘機(jī)構(gòu)可以實(shí)時(shí)根據(jù)仿形機(jī)構(gòu)的角度變化做出深度調(diào)整，同時(shí)由于收獲機(jī)長度和高度相比于挖掘深度變化范圍大很多，且挖掘機(jī)構(gòu)挖掘地壟后，后面的收獲機(jī)地面刮平機(jī)構(gòu)可使整機(jī)在較平整的地面上工作，所以收獲機(jī)高度變化較小，對(duì)系統(tǒng)工作影響較小。

3 液壓裝置設(shè)計(jì)

液壓裝置原理如圖7所示，自動(dòng)挖掘深度控制系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，控制器輸出三位四通比例電磁換向閥的控制信號(hào)，根據(jù)前仿形機(jī)構(gòu)獲取的壟溝地面信息，控制液壓缸活塞桿的速度和位移，驅(qū)動(dòng)自動(dòng)挖深油缸工作，帶動(dòng)挖掘機(jī)構(gòu)繞固定軸旋轉(zhuǎn)，改變挖掘鏟齒的離地高度，保證快速準(zhǔn)確地調(diào)整挖掘深度。液壓鎖可以將油回路鎖住，以保證外界有一定載荷變化的情況下油缸活塞位置靜止不動(dòng)，避免挖掘鏟齒頻繁上下動(dòng)作。位移傳感器實(shí)時(shí)獲取油缸活塞桿的伸長或縮短數(shù)據(jù)并上傳控制器，控制器根據(jù)挖掘鏟偏移角算法來判斷挖掘機(jī)構(gòu)挖掘深度是否符合要求[19-20]。

4 電子控制器設(shè)計(jì)

4.1 硬件

薯類作物收獲機(jī)電子控制器結(jié)構(gòu)圖如圖8所示，主要由微處理器、信號(hào)處理電路、通信系統(tǒng)和監(jiān)控終端等組成。

駕駛員在監(jiān)控終端輸入自動(dòng)挖深控制指令，系統(tǒng)指令通過通信系統(tǒng)發(fā)出。微處理器首先將其轉(zhuǎn)變成模擬控制信號(hào)，然后通過比例閥驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)三位四通換向閥，使自動(dòng)挖深油缸活塞桿伸長和縮短，從而控制挖掘鏟的挖掘深度；同時(shí)微處理器通過角度傳感器和位移傳感器實(shí)時(shí)獲取仿形輪支架與地面角度和挖深油缸伸縮量數(shù)據(jù)，使用壟底高度變化量算法和挖掘鏟偏移角算法判斷挖掘深度是否達(dá)到要求。監(jiān)控終端可實(shí)時(shí)顯示上傳數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)，如果系統(tǒng)發(fā)生故障，可以自動(dòng)聲光報(bào)警[21-24]。

4.1.1微處理器

系統(tǒng)采用8位單片機(jī)作為微處理器，芯片內(nèi)部集成64 KB存儲(chǔ)器容量、2 KB EEPROM存儲(chǔ)器容量、64 KB閃存容量、4 KB RAM、最多可使用64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32 MHz時(shí)鐘頻率，工作電壓2.7～5.5 V，工作溫度-40～85℃。

4.1.2電源

微處理器主供電電源采用艾諾公司AN50系列直流穩(wěn)壓電源，其電壓輸出范圍為0～35 V，采用電壓模式PWM控制和IGBT高頻全橋變換技術(shù)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，過流能力強(qiáng)，輸出紋波低。具有體積小、質(zhì)量輕、噪聲低、效率高、操作簡單等優(yōu)點(diǎn)，可保證相關(guān)電器設(shè)備供電穩(wěn)定，滿足性能測(cè)試要求。

4.1.3角度傳感器

角度傳感器采用Robo Brain公司RB100系列產(chǎn)品，其內(nèi)部集成了高精度的霍爾角度傳感器。內(nèi)部采用先進(jìn)的磁場(chǎng)方向檢測(cè)與轉(zhuǎn)換技術(shù)，穩(wěn)定可靠。檢測(cè)范圍0°～360°，分辨率0.022°，精度0.5%。

角度傳感器輸出信號(hào)為0～5 V模擬電壓。如圖9所示，MCP3208 A/D轉(zhuǎn)換電路可實(shí)現(xiàn)8路模擬信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換，信號(hào)由CH0端輸入并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后，送入單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

4.1.4位移傳感器

位移傳感器采用Miran公司KTC系列直線位移傳感器，量程為400 mm，分辨率0.01 mm，輸出信號(hào)為0～5 V模擬電壓，輸出信號(hào)經(jīng)接口電路連接到微處理器，由微處理器內(nèi)部高性能 A/D 轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，以便微處理器進(jìn)行處理分析。

4.1.5通信系統(tǒng)

433模塊選用SX1278射頻芯片，由SEMTECH公司生產(chǎn)，其通信距離最大可達(dá)2～3 km，可根據(jù)實(shí)際通信距離需求調(diào)整其信號(hào)的發(fā)射功率，發(fā)射功率越大，通信距離越遠(yuǎn)，其功耗也會(huì)相應(yīng)增大。本系統(tǒng)根據(jù)試驗(yàn)測(cè)試要求，選取通信距離不小于100 m，實(shí)際通信距離可達(dá)300 m以上，同時(shí)功耗較小，車載電池可連續(xù)工作12 h；該無線模塊支持RS232和USB接口，可與監(jiān)控終端和微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

4.1.6監(jiān)控終端

監(jiān)控終端采用LCD 液晶顯示屏，自行開發(fā)上位機(jī)軟件，選用安卓平板計(jì)算機(jī)，操作方便。駕駛員登錄后可以設(shè)置挖掘深度、作業(yè)時(shí)間等工作參數(shù)；可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作狀況，參數(shù)可實(shí)時(shí)顯示；系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)可以提供聲光報(bào)警。

4.2 軟件

軟件采用C和C++語言編寫，主要包括初始化程序、主程序和輸入輸出程序等。主程序包括壟底高度變化量子程序、挖深油缸控制子程序和挖掘鏟擺角計(jì)算子程序等，輸入輸出程序可實(shí)現(xiàn)監(jiān)控終端的初始作業(yè)參數(shù)的設(shè)定，作業(yè)過程中參數(shù)的顯示、存儲(chǔ)和導(dǎo)出。

為實(shí)現(xiàn)精確穩(wěn)定控制，主程序設(shè)計(jì)了雙閾值死區(qū)控制算法[25]，本軟件控制的死區(qū)閾值δ2=±2°，當(dāng)|δ2|≥2°，壟底起伏量超過±10 mm，控制器才輸出液壓缸控制信號(hào)，調(diào)整挖掘深度。當(dāng)|δ2|<2°時(shí)，控制器不輸出液壓缸控制信號(hào)，挖掘深度維持不變。這樣可以消除挖掘鏟由于前仿形機(jī)構(gòu)微小偏移而產(chǎn)生的頻繁擺動(dòng)，同時(shí)防止液壓缸頻繁動(dòng)作，避免控制信號(hào)的頻繁跳變，有效減少超調(diào)，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和抗干擾性。

系統(tǒng)軟件流程如圖10所示。首先，系統(tǒng)進(jìn)行初始化工作，包括工作標(biāo)志位置零、輸入輸出模塊初始化和通信接口初始化。然后，根據(jù)監(jiān)控終端發(fā)送的控制指令進(jìn)行相應(yīng)操作。如果系統(tǒng)發(fā)出急停指令，則停止工作并報(bào)警。如果需要參數(shù)設(shè)置，則根據(jù)挖掘深度的要求設(shè)置調(diào)整系統(tǒng)初始工作角δ0和β0。最后，發(fā)出啟動(dòng)命令，則程序置工作標(biāo)志位為1，系統(tǒng)開始實(shí)時(shí)采集工作角δ1和β1。根據(jù)式(1)，當(dāng)|δ2|≥2°，即挖掘深度變化超過10 mm時(shí)，系統(tǒng)開始工作，系統(tǒng)調(diào)用挖掘鏟擺角計(jì)算子程序和挖深油缸控制子程序，調(diào)整挖掘鏟入土深度。根據(jù)式(7)，當(dāng)|βp|≤0.07°，即挖掘深度變化量比較值小于1 mm時(shí)，系統(tǒng)完成深度調(diào)整工作。如果仿形結(jié)構(gòu)偏移過大，即|δ2|≥24°時(shí)，挖掘深度變化太大，容易造成零部件損壞，則系統(tǒng)停止工作并發(fā)出聲光報(bào)警。

5 試驗(yàn)

5.1 模擬試驗(yàn)

采用東方紅1504型拖拉機(jī)牽引薯類收獲機(jī)，提升懸掛裝置使挖掘機(jī)構(gòu)離地。軟件模擬前仿形裝置中的角度傳感器信號(hào)輸入，監(jiān)測(cè)挖掘深度控制系統(tǒng)的動(dòng)作?？刂品答佇盘?hào)來源于挖掘機(jī)構(gòu)液壓油缸上的位移傳感器，經(jīng)數(shù)據(jù)處理可得挖掘鏟角度變化值βp2曲線。如圖11所示，試驗(yàn)?zāi)M三角波信號(hào)輸入，監(jiān)測(cè)反饋信號(hào)對(duì)輸入信號(hào)的跟蹤。樣機(jī)設(shè)計(jì)前仿形機(jī)構(gòu)角度δ變化范圍±20°，挖掘機(jī)構(gòu)角度β的變化范圍±10°。適當(dāng)加大輸入信號(hào)即前仿形機(jī)構(gòu)角度δ變化范圍為±40°，則輸出信號(hào)挖掘機(jī)構(gòu)角度β變化范圍±20°。設(shè)置信號(hào)周期為10 s，βp2理想工作曲線與輸入信號(hào)的幅值比例由前仿形機(jī)構(gòu)和挖掘機(jī)構(gòu)尺寸參數(shù)決定。試驗(yàn)結(jié)果分析顯示，三角波輸入信號(hào)跟蹤最大延時(shí)小于0.4 s，最大誤差為1.8°，平均誤差為 0.3°。

5.2 田間試驗(yàn)

5.2.1試驗(yàn)條件

田間試驗(yàn)于2020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，品種為濟(jì)薯26，土壤類型為褐土，土質(zhì)較黏重。試驗(yàn)地長120 m，寬60 m，面積0.72 hm2。種植模式為單壟單行，株距為210 mm，壟距為860 mm，壟高為240 mm，壟頂寬250 mm，壟底寬530 mm，甘薯秧蔓平均長度2 100 mm，結(jié)薯深度為240～290 mm。配套動(dòng)力為東方紅1504型拖拉機(jī)，試驗(yàn)前已經(jīng)人工割除秧蔓。試驗(yàn)情況如圖12所示。

5.2.2試驗(yàn)方法

根據(jù)甘薯結(jié)薯深度，設(shè)置初始挖掘深度為260 mm，啟動(dòng)自動(dòng)挖掘深度裝置收獲6壟，關(guān)閉自動(dòng)挖掘深度裝置固定深度收獲6壟，交錯(cuò)進(jìn)行收獲試驗(yàn)，共收獲12壟進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，收獲作業(yè)速度為1.4～1.6 m/s。每收獲一壟按照標(biāo)準(zhǔn)NY/T 1130—2006《馬鈴薯收獲機(jī)械》測(cè)定該壟明薯率、傷薯率、漏挖率指標(biāo)。同時(shí)導(dǎo)出挖掘機(jī)構(gòu)挖掘深度W曲線、仿形機(jī)構(gòu)工作角δ曲線和挖掘機(jī)構(gòu)工作角變化量βp2曲線，實(shí)際測(cè)量地壟中心挖掘點(diǎn)曲線。

5.2.3結(jié)果分析

地壟中心挖掘點(diǎn)曲線、挖掘機(jī)構(gòu)挖掘深度曲線、仿形機(jī)構(gòu)工作角度曲線和挖掘機(jī)構(gòu)工作角度變化量曲線如圖13所示。

收獲機(jī)根據(jù)作業(yè)工況設(shè)置初始參數(shù)，即仿形機(jī)構(gòu)工作角δ0=24°和挖掘深度W0=260 mm，從曲線圖可知，實(shí)際測(cè)量挖掘深度與系統(tǒng)挖掘深度變化規(guī)律一致，誤差符合設(shè)計(jì)要求，仿形機(jī)構(gòu)工作角δ和挖掘機(jī)構(gòu)工作角變化量βp2曲線變化規(guī)律符合式(2)、(7)的規(guī)定，誤差范圍符合設(shè)計(jì)規(guī)定。當(dāng)壟底高度發(fā)生變化時(shí)，前仿形機(jī)構(gòu)上的角度傳感器探測(cè)壟溝起伏變化，根據(jù)控制算法驅(qū)動(dòng)液壓油缸，改變挖掘深度，保證掘起土垡高度一致，挖掘深度自動(dòng)控制系統(tǒng)起到了減阻降耗的重要作用。

試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。通過對(duì)比可以看出，安裝自動(dòng)挖掘深度控制裝置后，平均明薯率提升了2.20個(gè)百分點(diǎn)，平均傷薯率降低了1.41個(gè)百分點(diǎn)，平均漏挖率降低了2.00個(gè)百分點(diǎn)。各收獲性能指標(biāo)都超過了合格值要求。由此可以看出，4UGS2型雙行薯類收獲機(jī)采用該裝置后，收獲機(jī)可以根據(jù)壟溝高度改變挖掘深度，可提高其作業(yè)性能指標(biāo)，減少收獲過程中的損失，從而增加經(jīng)濟(jì)效益。

表1 收獲試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Results of harvesting test %

6 結(jié)論

(1)根據(jù)壟作薯類作物種植模式，以牽引式薯類收獲機(jī)為載體，采用傳感器和微處理器控制技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種挖掘深度自動(dòng)控制系統(tǒng)。挖掘深度控制系統(tǒng)調(diào)整最大延時(shí)小于0.4 s，最大誤差為1.8°，平均誤差為0.3°，提高了薯類收獲機(jī)械自動(dòng)化水平。

(2)設(shè)計(jì)了前仿形裝置、挖掘機(jī)構(gòu)、液壓裝置和控制系統(tǒng)，運(yùn)用挖掘深度實(shí)時(shí)調(diào)整算法，建立挖掘深度調(diào)節(jié)模型，有效地實(shí)現(xiàn)收獲機(jī)挖掘深度的精確控制。

(3)薯類收獲機(jī)安裝了自動(dòng)挖掘深度控制系統(tǒng)后，平均明薯率提升了2.20個(gè)百分點(diǎn)，平均傷薯率降低了1.41個(gè)百分點(diǎn)，平均漏挖率降低了2.00個(gè)百分點(diǎn)，不僅減阻降耗，而且提高其作業(yè)性能指標(biāo)，減少收獲過程中的損失，增加經(jīng)濟(jì)效益。