張晉國(guó) 鄭 超 趙 金 張瑞星 趙西哲 李峰濤
(1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院, 保定 071001; 2.河北省棉花產(chǎn)業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心, 保定 071001;3.石家莊學(xué)院機(jī)電學(xué)院, 石家莊 050031; 4.河北雙天機(jī)械制造有限公司, 定州 073000)
棉花具有無(wú)限生長(zhǎng)的習(xí)性,其頂端優(yōu)勢(shì)尤為明顯,棉花頂端的無(wú)限生長(zhǎng)將消耗果枝的營(yíng)養(yǎng),導(dǎo)致棉花產(chǎn)量降低[1-2]。因此需通過(guò)摘除頂心來(lái)提高產(chǎn)量。棉花打頂方式可分為:人工打頂、化學(xué)打頂和機(jī)械打頂[3-4]。人工打頂費(fèi)時(shí)、費(fèi)力,化學(xué)打頂和機(jī)械打頂可大幅度提高打頂效率,將逐漸取代人工打頂[5-8]。
研究發(fā)現(xiàn),打頂時(shí)除切除頂尖外還需切除最高側(cè)枝,雖然最高側(cè)枝也會(huì)結(jié)桃,但結(jié)桃能力遠(yuǎn)低于下面的果枝[9]。相關(guān)學(xué)者設(shè)計(jì)了同時(shí)切除頂尖與最高側(cè)枝的打頂機(jī),但并未涉及自動(dòng)對(duì)行問(wèn)題[10-11],再加上導(dǎo)航播種技術(shù)尚未完全普及,使人工對(duì)行播種行距不一,棉株偏行時(shí)打頂效果差[12-13]。為此,本文設(shè)計(jì)一款同時(shí)切除頂尖與最高側(cè)枝的高地隙底盤(pán)棉花打頂機(jī),并融入智能控制技術(shù),設(shè)計(jì)自動(dòng)對(duì)行裝置,以期提高打頂機(jī)的作業(yè)質(zhì)量。
為適應(yīng)棉花全程機(jī)械化,機(jī)采棉品種果枝短不易纏繞,大多采用76 cm等行距單行種植,種植密度4.5株/m2以上,株距24~30 cm[14-16]。
對(duì)打頂時(shí)期機(jī)采棉品種實(shí)測(cè),如圖1所示,機(jī)采棉品種相對(duì)于手采棉品種,其最低側(cè)枝距地面較高,平均高度可達(dá)23 cm,棉株底部主莖稈偏離中心線長(zhǎng)度在0~15 cm。
若要切除頂尖和兩側(cè)最高側(cè)枝,本文設(shè)計(jì)3片刀片同時(shí)工作,中間刀片切除頂尖,兩側(cè)刀片切除最高側(cè)枝。生長(zhǎng)筆直的棉株通過(guò)檢測(cè)機(jī)構(gòu)獲取底部主莖稈位置后對(duì)行打頂,打頂效果如圖2a所示,若未對(duì)行,則可能會(huì)造成側(cè)枝漏打或過(guò)打,如圖2b所示。但部分棉株生長(zhǎng)不是筆直的,頂尖與底部主莖稈存在偏差,實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)該偏差多在15 cm內(nèi)。設(shè)計(jì)刀片長(zhǎng)度為30 cm,對(duì)行系統(tǒng)使刀片對(duì)準(zhǔn)主莖稈后,打頂效果如圖2c所示,其效果雖不如圖2a,但相對(duì)圖2d,自動(dòng)對(duì)行系統(tǒng)對(duì)提高打頂質(zhì)量有很大幫助。
1.2.1整機(jī)結(jié)構(gòu)
結(jié)構(gòu)如圖3所示,主要包括主枝打頂機(jī)構(gòu)、側(cè)枝打頂機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)、對(duì)行機(jī)構(gòu)和檢測(cè)機(jī)構(gòu)。整機(jī)通過(guò)懸掛機(jī)構(gòu)安裝于驅(qū)動(dòng)底盤(pán)后端,主枝打頂機(jī)構(gòu)兩側(cè)固定連接側(cè)枝打頂機(jī)構(gòu),兩打頂機(jī)構(gòu)連接對(duì)行機(jī)構(gòu),檢測(cè)機(jī)構(gòu)安裝在打頂機(jī)下方。
1.2.2工作原理
本機(jī)通過(guò)四點(diǎn)懸掛的方式與驅(qū)動(dòng)底盤(pán)連接。工作時(shí),直流電機(jī)通電帶動(dòng)刀片工作;通過(guò)控制升降機(jī)構(gòu)中步進(jìn)電機(jī)調(diào)節(jié)打頂高度;檢測(cè)機(jī)構(gòu)獲取棉株位置信息,通過(guò)控制對(duì)行機(jī)構(gòu)中滑塊橫向移動(dòng),進(jìn)而帶動(dòng)主枝打頂機(jī)構(gòu)和側(cè)枝打頂機(jī)構(gòu)移動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)行打頂。
1.2.3打頂機(jī)主要技術(shù)參數(shù)
主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。
表1 主要部件性能參數(shù)
2.1.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
檢測(cè)機(jī)構(gòu)如圖4所示,棉株底部主莖稈一側(cè)偏移,則帶動(dòng)該側(cè)檢測(cè)機(jī)構(gòu)的檢測(cè)桿擺動(dòng),進(jìn)而主軸與角度傳感器轉(zhuǎn)動(dòng),從而將棉株橫向偏移量轉(zhuǎn)換為角度變化量;當(dāng)檢測(cè)機(jī)構(gòu)通過(guò)棉株后,則扭簧使檢測(cè)桿回位。
為了避免檢測(cè)桿頻繁轉(zhuǎn)動(dòng),導(dǎo)致控制信號(hào)的頻繁跳變,棉株主莖稈與檢測(cè)桿間留有間距。如圖5所示,檢測(cè)桿轉(zhuǎn)動(dòng)角與偏移量間的關(guān)系式為
(1)
式中β——檢測(cè)桿轉(zhuǎn)動(dòng)角,(°)
L——棉株偏移量,mm
R——檢測(cè)桿長(zhǎng)度,mm
r——檢測(cè)桿半徑,mm
h——主莖稈與檢測(cè)桿間距,mm
d——棉株底部主莖稈長(zhǎng)軸,mm
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上,檢測(cè)桿采用半徑為5 mm的鋼管,即r=5 mm,檢測(cè)桿轉(zhuǎn)動(dòng)角范圍為-60°~60°。田間試驗(yàn)時(shí)測(cè)得輪胎下陷最大深度為5 cm,試驗(yàn)時(shí)將檢測(cè)桿高度調(diào)節(jié)距地面15 cm。經(jīng)實(shí)測(cè)得,棉株距離地面高度10~15 cm處,主莖稈平均長(zhǎng)軸d=20 mm;同行棉株小偏移量多為0~3 cm,即h=30 mm;由上文得L多為0~15 cm。由式(1)可看出L與β為正比關(guān)系,設(shè)計(jì)選取β=60°,L=15 cm時(shí),代入式(1)得R≥25 cm,由于棉花種植行距為76 cm,且棉株最大偏離為15 cm,則R≤61 cm,設(shè)計(jì)取R=450 mm。則式(1)可簡(jiǎn)化為
L=450(1-cosβ)+15
田間作業(yè)環(huán)境復(fù)雜,難免出現(xiàn)雜草等干擾,但雜草硬度比棉株莖稈小很多,為避免干擾,需控制扭簧扭矩,使得只有棉株莖稈才可帶動(dòng)檢測(cè)桿轉(zhuǎn)動(dòng)。本設(shè)計(jì)選用線徑2 mm、圈數(shù)9的扭簧,通過(guò)田間試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),該扭簧不受雜草干擾。
2.1.2運(yùn)動(dòng)仿真
在三維設(shè)計(jì)軟件中繪制實(shí)體模型后導(dǎo)成x-t格式,并在動(dòng)力學(xué)軟件RecurDyn中模擬檢測(cè)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)軌跡[17-18]。在軟件中將實(shí)體模型簡(jiǎn)化,添加移動(dòng)副、轉(zhuǎn)動(dòng)副和接觸實(shí)現(xiàn)檢測(cè)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真模擬,如圖6所示。
經(jīng)求解可得檢測(cè)桿的運(yùn)動(dòng)軌跡,接觸棉株后,檢測(cè)桿與前進(jìn)方向夾角逐漸減小,直至完全通過(guò)棉株后,扭簧扭力將檢測(cè)桿復(fù)位。因此檢測(cè)桿經(jīng)過(guò)棉株后,其與前進(jìn)方向夾角變化曲線會(huì)產(chǎn)生一個(gè)極小值點(diǎn)。通過(guò)在仿真環(huán)境中設(shè)置3棵棉株,其夾角變化曲線出現(xiàn)了3個(gè)極小值點(diǎn),如圖7所示。因此可通過(guò)讀取角度傳感器輸出模擬量變化曲線的極值點(diǎn)得出棉株橫向偏移量。
對(duì)行機(jī)構(gòu)如圖8所示,具體機(jī)構(gòu)及原理如下:步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),通過(guò)聯(lián)軸器帶動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng);絲杠與螺母螺紋連接,則絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)螺母移動(dòng),螺母與滑塊固定連接,滑塊與主枝打頂機(jī)構(gòu)和側(cè)枝打頂機(jī)構(gòu)固定連接,從而帶動(dòng)兩打頂機(jī)構(gòu)移動(dòng)實(shí)現(xiàn)精確打頂。
棉花種植株距小、偏行量大、步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速有限,為保證滑塊能及時(shí)移動(dòng)至棉株位置,工作時(shí),同行相鄰的3棵棉株中,控制器程序讀取中間棉株的位置信息,但步進(jìn)電機(jī)不執(zhí)行該棵棉株位置偏差運(yùn)動(dòng)。
采用5點(diǎn)梅花法[19],實(shí)測(cè)得棉花株距為24~30 cm,棉株單側(cè)偏行量多為0~15 cm。驅(qū)動(dòng)底盤(pán)工作速度為1~1.5 km/h,絲杠總長(zhǎng)度需大于34 cm,導(dǎo)程為5~20 mm。電機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算式為
(2)
式中S——株距,m
v——底盤(pán)速度,m/s
D——滑塊移動(dòng)量,m
t——絲杠導(dǎo)程,m
n——電機(jī)轉(zhuǎn)速,r/min
為保證滑塊能反應(yīng)及時(shí),則電機(jī)轉(zhuǎn)速應(yīng)取最大值,則變量Smin=24 cm,vmax=1.5 km/h,Dmax=30 cm。絲杠長(zhǎng)度選取36 cm,導(dǎo)程t取最大值2 cm,則通過(guò)式(2)得nmax=781 r/min,設(shè)計(jì)取n=800 r/min,作為電機(jī)的工作轉(zhuǎn)速。
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖9所示,檢測(cè)機(jī)構(gòu)獲取棉株位置信息,將棉株偏移量轉(zhuǎn)換為角度傳至角度傳感器。控制器獲取角度信息,并分析處理后輸出步進(jìn)電機(jī)的控制信號(hào),進(jìn)而控制絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)。編碼器檢測(cè)絲杠轉(zhuǎn)速反饋至電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。光電傳感器對(duì)滑塊進(jìn)行限位,報(bào)警器用于提醒駕駛員駕駛偏行量是否過(guò)大,并通過(guò)人機(jī)交互界面顯示偏行方向。
3.2.1角度傳感器
為保證采集精度,檢測(cè)模塊采用GT-C型角度傳感器,分辨率4 096位(12位)。
3.2.2光電傳感器
由于絲杠的長(zhǎng)度有限,則滑塊兩側(cè)移動(dòng)量有限。理想環(huán)境下,若底盤(pán)按導(dǎo)航直線行走,則滑塊兩側(cè)可移動(dòng)量大于棉株兩側(cè)最大偏移量,但人工駕駛無(wú)法走出理想直線[12]。若底盤(pán)單側(cè)偏移,則可能會(huì)造成另一側(cè)檢測(cè)桿轉(zhuǎn)動(dòng)角度過(guò)大,此時(shí)滑塊移動(dòng)量將超過(guò)絲杠導(dǎo)程,硬件系統(tǒng)將會(huì)損壞。為此需設(shè)計(jì)報(bào)警系統(tǒng)提醒駕駛員駕駛偏行量是否過(guò)大。此外棉株無(wú)偏行時(shí),滑塊需回零,則每行都需3個(gè)限位傳感器。在滑塊頂部中心處安裝擋光片,可通過(guò)檢測(cè)擋光片確定滑塊位置,因此槽型光電傳感器與擋光片較匹配,本系統(tǒng)選用EE-SX672-WR型槽型光電傳感器,安裝實(shí)物如圖10所示。
3.2.3驅(qū)動(dòng)電機(jī)
本系統(tǒng)選用86系列閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)作為對(duì)行執(zhí)行部件。驅(qū)動(dòng)器的選取需要與步進(jìn)電機(jī)配套,則選取ZDM-2HA860型驅(qū)動(dòng)器[20]。
3.2.4觸摸屏
選用速控云(上海)智能科技有限公司的HC-Suk8070型觸摸屏作為控制系統(tǒng)的人機(jī)交互界面[21-22]。
3.2.5控制器
PLC需完成對(duì)模擬信號(hào)和開(kāi)關(guān)信號(hào)的采集,并輸出開(kāi)關(guān)信號(hào)和脈沖控制執(zhí)行部件工作,通過(guò)串口通訊與觸摸屏連接。PLC具體型號(hào)依據(jù)系統(tǒng)架構(gòu)、I/O 端口數(shù)、參考精度和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行選擇[23]。為滿(mǎn)足系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)行需求,選擇三菱FX2N-32MT PLC。
3.2.6高度升降模塊
打頂時(shí)期棉株高度為80~110 cm,若打頂高度固定,則會(huì)造成過(guò)打或漏打現(xiàn)象,不同打頂高度會(huì)對(duì)產(chǎn)量帶來(lái)影響[24-25],為此需將打頂高度設(shè)為可調(diào)。本系統(tǒng)中利用脈沖發(fā)生器控制步進(jìn)電機(jī),遙控裝置控制脈沖發(fā)生器的啟/停和正/反。遙控裝置選用TAD-T70P四路智能無(wú)線遙控開(kāi)關(guān)。脈沖發(fā)生器型號(hào)為CS10-3,可控制步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)。
3.2.7硬件電路
硬件電路如圖11所示,PLC作為從機(jī),需由上位機(jī)控制,通過(guò)RS-485遠(yuǎn)程遙控網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)從機(jī)與上位主機(jī)的通訊。
3.3.1控制策略
編程環(huán)境中,使用PLSY指令控制步進(jìn)電機(jī),使用該指令需計(jì)算脈沖頻率
(3)
式中P——輸出脈沖頻率,Hz
θ——電機(jī)固有步距角,(°)
m——細(xì)分?jǐn)?shù),取8
由式(2)計(jì)算得出步進(jìn)電機(jī)工作轉(zhuǎn)速為800 r/min,依據(jù)式(3)可得輸出脈沖頻率為21 333 Hz,控制程序如圖12所示。
雖然機(jī)采棉品種最低側(cè)枝平均高度可達(dá)23 cm,但棉株生長(zhǎng)不一,難免有側(cè)枝高度低于檢測(cè)桿。若兩側(cè)側(cè)枝高度相近,且均低于檢測(cè)機(jī)構(gòu),如圖13a所示,則對(duì)比兩側(cè)檢測(cè)桿轉(zhuǎn)動(dòng)量,判定主莖稈偏離中心線方向?yàn)檗D(zhuǎn)動(dòng)角度較大的檢測(cè)桿一側(cè),偏離量估算為大角度檢測(cè)桿量減小角度檢測(cè)桿量后的一半。若僅單側(cè)側(cè)枝高度低于檢測(cè)桿,如圖13b所示,則難以與主莖稈進(jìn)行區(qū)分,但通過(guò)對(duì)打頂時(shí)期4行棉株實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn),側(cè)枝莖稈高度低于15 cm(檢測(cè)桿高度)的棉株中,多數(shù)與圖13a類(lèi)似,兩側(cè)側(cè)枝高度相近,單側(cè)側(cè)枝高度低于檢測(cè)桿的棉株數(shù)僅占低側(cè)枝樣本的10%,因此可對(duì)該部分誤差忽略。
滑塊移動(dòng)程序流程圖如圖14所示,工作時(shí),首先需判斷是否有偏行棉株,若兩側(cè)偏行,則直接結(jié)束;若單側(cè)偏行,則判斷偏行方向。第1次對(duì)行結(jié)束后,對(duì)行程序要記錄第1次棉株的偏行方向以及偏行量D1。檢測(cè)到下棵偏行棉株時(shí),需將該次偏行方向與上次對(duì)比,若偏行方向相同,則將該次偏行量與上次對(duì)比;若偏行方向不同,滑塊先回零,再執(zhí)行該次偏行運(yùn)動(dòng)。該次對(duì)行工作結(jié)束后,去除上次棉株偏行信息,記錄該次偏行信息。
為防止駕駛偏行過(guò)大,需設(shè)報(bào)警程序,全程監(jiān)測(cè)滑塊位置信息,并通過(guò)人機(jī)交互界面實(shí)時(shí)顯示。報(bào)警程序流程圖如圖15所示,滑塊運(yùn)動(dòng)至一側(cè)光電傳感器,即令滑塊停止運(yùn)動(dòng)并判斷滑塊位置,判斷結(jié)束后控制報(bào)警器報(bào)警,并將滑塊位置信息傳至人機(jī)交互界面,從而提醒工作人員調(diào)節(jié)前進(jìn)方向。
3.3.2人機(jī)交互界面
通過(guò)在HMI組態(tài)軟件中添加PLC的I/O通道,進(jìn)而將PLC采集到的工作數(shù)據(jù)傳輸至觸摸屏中。依據(jù)自動(dòng)對(duì)行棉花打頂機(jī)的監(jiān)控需求,人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)如圖16所示,在主控制界面中,用戶(hù)可完成對(duì)打頂高度的調(diào)節(jié)和程序的切換;實(shí)時(shí)顯示棉株偏行量和滑塊位置。駕駛?cè)藛T可通過(guò)人機(jī)交互界面判斷駕駛是否有單側(cè)偏行過(guò)大的現(xiàn)象,盡量使底盤(pán)走出理想直線。
3.3.3通訊協(xié)議
本系統(tǒng)中從站打頂機(jī)與監(jiān)控終端主站之間基于Modbus通過(guò)RS-485無(wú)線網(wǎng)關(guān)通訊傳輸數(shù)據(jù)。終端主站通過(guò)組態(tài)程序經(jīng)RS-232通訊與上位機(jī)觸摸屏連接,顯示此時(shí)棉株橫向偏移方向與偏移量,通訊協(xié)議如圖17所示。
通過(guò)觸摸屏配套的手機(jī)APP:HMI Smart,實(shí)現(xiàn)手機(jī)界面與觸摸屏界面同步顯示并控制。
PLC主站與觸摸屏之間采用比特率9 600,數(shù)據(jù)位7,停止位1,偶校驗(yàn)(EVEN)的RS-232通訊。PLC主站與PLC從站之間采用比特率9 600,數(shù)據(jù)位8,停止位1,無(wú)校驗(yàn)(N)的RS-485通訊。主站通訊模塊設(shè)定為服務(wù)器,從站通訊模塊設(shè)定為客戶(hù)端,并啟用相同監(jiān)聽(tīng)端口,即可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程RS-485通訊。
2020年12月在河北農(nóng)業(yè)大學(xué)三分場(chǎng)棉花試驗(yàn)地進(jìn)行了試驗(yàn),如圖18所示。試驗(yàn)地行距為76 cm,平均株距為24 cm。為了方便觀察打頂機(jī)對(duì)行系統(tǒng)的對(duì)行效果,試驗(yàn)前人工將棉株頂部切除,只留距地面10~20 cm的主莖稈。此外,在打頂機(jī)中間刀片頂部固定安裝滴水裝置,以便于追尋打頂裝置的行走軌跡。
使用自動(dòng)對(duì)行系統(tǒng)行走4行。停止自動(dòng)對(duì)行,在人工對(duì)行下行走4行。自動(dòng)對(duì)行下,滴水裝置滴出褐色水;人工對(duì)行下,滴水裝置滴出藍(lán)色水。打頂速度設(shè)定為1~1.5 km/h,在自動(dòng)對(duì)行與人工對(duì)行試驗(yàn)結(jié)束之后,分別測(cè)其每行的平均偏行量,如圖19所示。定義水滴在打頂機(jī)前進(jìn)方向左側(cè)為左偏行,在打頂機(jī)前進(jìn)方向右側(cè)為右偏行。由上述可知,同行棉株最小偏移量多為0~3 cm,因此棉株左右兩側(cè)3 cm內(nèi)的水滴定義為無(wú)偏行,試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。
表2 打頂試驗(yàn)結(jié)果
經(jīng)過(guò)試驗(yàn)統(tǒng)計(jì),人工對(duì)行工作4行平均偏行量為14.27 cm,無(wú)偏行率為5.00%。而自動(dòng)對(duì)行工作4行平均左偏量為5.10 cm,平均右偏量為7.29 cm,平均偏行量為6.19 cm,無(wú)偏行率為18.75%。通過(guò)對(duì)比可以看出采用自動(dòng)對(duì)行技術(shù)后,平均偏行量減小了8.08 cm,同比降低56.62%,無(wú)偏行率提高了275%。由此可以看出設(shè)計(jì)的自動(dòng)對(duì)行打頂機(jī)相對(duì)于非對(duì)行棉花打頂機(jī)能夠提高打頂工作的質(zhì)量。
(1)設(shè)計(jì)的自動(dòng)對(duì)行裝置由檢測(cè)機(jī)構(gòu)、對(duì)行機(jī)構(gòu)、電機(jī)控制系統(tǒng)、電子控制系統(tǒng)和控制軟件組成。檢測(cè)機(jī)構(gòu)將棉株橫向偏量轉(zhuǎn)換為角度變化量傳至控制系統(tǒng),電機(jī)控制系統(tǒng)控制對(duì)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行對(duì)行指令。打頂過(guò)程中通過(guò)人機(jī)交互界面對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),以提高駕駛直線度。
(2)為避免側(cè)枝干擾,控制系統(tǒng)對(duì)兩側(cè)低側(cè)枝情況采用位置信息對(duì)比方法獲取主莖稈位置;對(duì)單側(cè)低側(cè)枝情況按原程序執(zhí)行,田間實(shí)測(cè)表明該誤差可忽略。試驗(yàn)表明,相對(duì)于人工對(duì)行,自動(dòng)對(duì)行平均偏行量減小了8.08 cm,同比降低56.62%,無(wú)偏行率同比提高275%,提高了打頂作業(yè)質(zhì)量和種植戶(hù)的經(jīng)濟(jì)效益。
農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)2021年7期