張桐林， 翟學(xué)迪， 高江永， 華榮江， 唐遵峰， 李軍葉

（1.中國農(nóng)業(yè)機械化科學(xué)研究院集團有限公司，北京 100083； 2.中機美諾科技股份有限公司，北京 100083；3.現(xiàn)代農(nóng)裝科技股份有限公司，北京 100083）

0 引言

現(xiàn)有收獲機割臺高度調(diào)整控制的傳統(tǒng)方法有機械式、液壓式和電液式[1]。劉偉建等[2]設(shè)計了一種再生稻自適應(yīng)仿形割臺，可實現(xiàn)割臺高度及水平自適應(yīng)調(diào)整。曹向虎等[3]為提高玉米收獲機的作業(yè)效率，降低其勞動強度，解決割臺高度調(diào)節(jié)實時性和準(zhǔn)確度差的問題，提出一種基于模糊PID 算法的割臺高度控制策略。為提高玉米收獲機割臺仿形機構(gòu)對田間地形變化感知的靈敏度和對田間地形仿形的準(zhǔn)確度，金誠謙等[4]設(shè)計了一種主副板壓緊式割臺仿形機構(gòu)。廖勇等[5]為碧浪4 LZ-1.2 型履帶自走式聯(lián)合收割機設(shè)計了一種割臺高度自適應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，主要組成分為作物高度檢測裝置、割臺高度檢測裝置、液壓執(zhí)行裝置和控制單元。中國鐵建重工集團股份有限公司[6]發(fā)明了一種收割機及其割臺仿形液壓控制系統(tǒng)，主要由壓力油口、減壓溢流閥、割臺仿形油缸和回油口等部件組成，可優(yōu)化割臺作業(yè)負(fù)載，提高收割作業(yè)效率。新疆牧神機械有限責(zé)任公司等[7]發(fā)明了一種割臺仿形系統(tǒng)及其控制方法，可通過自動升降機構(gòu)輔助液壓蓄能器控制割臺升降，使得割臺仿形能力更佳。中國鐵建重工集團股份有限公司[8]發(fā)明了一種番茄收獲機及其割臺仿形系統(tǒng)，可在機械左右不平整的情況下實現(xiàn)調(diào)平。還有其他文獻(xiàn)也在控制策略和控制結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了深入研究[9-11]。這些都為穗莖兼收鮮食玉米收獲機割臺仿形系統(tǒng)的研制提供參考。

針對穗莖兼收鮮食玉米收獲機結(jié)構(gòu)特征、割臺調(diào)整方式等特點，基于超聲波測距原理與多傳感器應(yīng)用，研制了一種穗莖兼收鮮食玉米收獲機的割臺自適應(yīng)仿形系統(tǒng)，以1 臺4 行190 kW 的穗莖兼收鮮食玉米收獲機為樣機，搭載所研制的割臺自適應(yīng)仿形系統(tǒng)，開展仿形系統(tǒng)驗證試驗。

1 割臺仿形原理

割臺仿形原理為依據(jù)割臺與地面之間的高度變化，對割臺距地面高度進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而使割臺隨地形起伏變化而自適應(yīng)調(diào)整，保證割臺與地面高度維持在適當(dāng)?shù)母叨取Ｒ虼?，割臺仿形中關(guān)鍵在于割臺高度的感知與調(diào)控。

根據(jù)玉米收獲機實際作業(yè)與結(jié)構(gòu)特點，本研究中，采用超聲波測距傳感器進(jìn)行割臺高度感知。割臺高度傳感器安裝位置如圖1 所示。在割臺前方放置超聲波傳感器S1，用于感知預(yù)測地面信息h1，中部放置超聲波傳感器S2，用于測量實時的割臺離地高度h2，前后傳感器水平間距L1，同時在控制割臺升降的液壓缸處裝上拉線傳感器S3，用于測量液壓缸伸縮的長度h3，仿形系統(tǒng)控制器通過液壓缸伸縮的長度與割臺高度之間的比例計算出割臺的調(diào)整高度值，此高度主要用于輔助確定割臺的離地高度是否準(zhǔn)確。

為準(zhǔn)確反映割臺即將經(jīng)過的地形，不產(chǎn)生誤報、漏報等情況，應(yīng)盡可能檢測前方全地形特征和高差等信息，這將需要處理大量的數(shù)據(jù)，無法及時地完成割臺控制，為此，在割臺前方左右兩端安裝超聲波高度傳感器的同時，在割臺中間也安裝了一個傳感器，以降低數(shù)據(jù)處理量的同時，盡可能全面地反映前方地形特征。在割臺前端安裝的多個高度傳感器S1，用于測量割臺即將經(jīng)過的地勢信息，此傳感器選用超聲波傳感器來對地面信息進(jìn)行測量和計算。通過對左、中、右3 個高度傳感器傳回的高度信息進(jìn)行處理，得到一條近似垂直于車輛前進(jìn)方向的高度折線，而后通過這條高度折線來判斷整個割臺是否需要提升或降低高度。當(dāng)控制器發(fā)送控制命令后，再通過割臺中部的傳感器與拉線傳感器輸出的高度信息進(jìn)行反饋，判斷割臺是否達(dá)到控制高度，讓整個割臺高度控制形成閉環(huán)控制體系，使玉米收獲機在收獲過程中不斷地調(diào)節(jié)割臺高度，維持割臺高度在最佳收獲范圍內(nèi)，保證收獲效率，同時提高收凈率。

根據(jù)超聲波傳感器的硬件已知參數(shù)，傳感器測量并分析結(jié)果的反應(yīng)時間為0.1～0.2 s，根據(jù)控制器CPU的處理能力可知，從控制器接收到上位機輸出控制信號，控制器輸出對應(yīng)的割臺高度控制信號的時間為微秒級，可忽略不計，控制玉米收獲機割臺高度的液壓閥在接收到控制器輸出的高度控制信號后，使割臺高度產(chǎn)生變化的反應(yīng)時間為0.4～0.5 s，整體割臺高度控制的反應(yīng)時間在0.5～0.7 s，取中間值0.6 s。當(dāng)車速為5 km/h 時，0.6 s 的行走距離約為0.8 m，為保證割臺仿形及時反映，確保割臺不觸地，L1距離應(yīng)不小于該長度。

2 自適應(yīng)仿形控制系統(tǒng)軟硬件實現(xiàn)

2.1 硬件構(gòu)成

控制系統(tǒng)硬件組成部分主要由上位機觸摸屏、玉米收獲機控制器、各種傳感器和液壓控制部分等組成。其中，上位機觸摸屏主要用于展示各類信息及下發(fā)各類控制操作命令；玉米收獲機控制器則是整個控制系統(tǒng)的中心，負(fù)責(zé)接收各種傳感器輸出的參數(shù)，采集玉米收獲機各種運行信息，以及接收上位機命令和控制對應(yīng)部件工作等；其他還有各種用于采集車輛運行信息的傳感器，保證了在機器工作中各個部件的信息化和可視化，液壓缸負(fù)責(zé)執(zhí)行割臺高度的升降調(diào)整動作。

上位機觸摸屏使用昆侖通態(tài)MCGS 觸摸屏，該觸摸屏具有容量小、速度快、成本低及穩(wěn)定性高，提供中斷處理，定時掃描精度可達(dá)到毫秒級，提供計算機通訊的RS232 串行接口，通訊方便，操作簡便，并內(nèi)置多種設(shè)備連接的固化協(xié)議等特點，大大簡化了設(shè)計開發(fā)工作。MCGS 嵌入版具有強大的網(wǎng)絡(luò)通訊功能，支持串口通訊、Modem 串口通訊、以太網(wǎng)TCP/IP 通訊，并且提供多種不同的報警方式，具有豐富的報警類型，方便用戶進(jìn)行報警設(shè)置并且系統(tǒng)能夠?qū)崟r顯示報警信息，對報警數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲與應(yīng)答，方便控制復(fù)雜的運行流程。最后，用戶可用自建的文件系統(tǒng)來管理數(shù)據(jù)存儲，系統(tǒng)可靠性更高。

我國在電子商務(wù)相關(guān)立法方面還存在立法空白，相對于西方國家，我國對客戶的信息安全、交易安全以及知識產(chǎn)權(quán)保護還是不到位。宿遷市司法機關(guān)和相關(guān)政府部門應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格落實既有的法律和行政法規(guī)，維護從事電子商務(wù)雙方主體的合法權(quán)益。通過調(diào)研，對于實踐中立法的缺失，宿遷市人大常委會可以報請省級人大及其常委會在不抵觸上位法的前提下，及時制定地方性法規(guī)，宿遷市政府也可以制定不與法律、法規(guī)相抵觸的行政規(guī)章，從法律層面規(guī)范電子商務(wù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。同時，在農(nóng)村地區(qū)，宿遷市政府應(yīng)當(dāng)加強對相關(guān)法律的宣傳工作，使得村民在從事電子商務(wù)過程中能夠知法守法，并通過法律解決糾紛，維護交易的安全性和穩(wěn)定性[7-8]。

玉米收獲機控制器是自主開發(fā)設(shè)計的一款適用于各類農(nóng)業(yè)機械使用的控制器，可以監(jiān)測車輛的各部位模擬量信號輸入輸出，開關(guān)量信號輸入輸出的控制管理，可訪問車輛ECU、具備GPS/BDS 定位等功能，可實現(xiàn)車輛割臺轉(zhuǎn)速控制、轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)和監(jiān)控車輛安全等各種智能控制功能?？刂破鞑捎肧TM32F4 系列高性能CPU，以高效執(zhí)行各種控制功能。同時控制器還支持MOSBUS 串口通訊、CAN 通訊等多種通訊方式，并且擁有8 路數(shù)字量信號采集通道、4 路數(shù)字量信號控制模塊、8 路模擬量信號輸入通道及4 路模擬量信號輸出模塊，滿足各種控制需求和信號采集。

傳感器主要用于采集機器在工作過程中的各類工作參數(shù)，其功能主要有采集高度信息、各類轉(zhuǎn)速信息、發(fā)動機ETU 信息及定位信息等。割臺高度信息通過超聲波傳感器和拉線傳感器進(jìn)行采集，其中割臺前端傳感器負(fù)責(zé)感知和預(yù)測地面信息，中部的傳感器負(fù)責(zé)測量割臺整體實時離地高度的采集，拉線傳感器則是通過采集液壓缸伸縮的長度換算得到割臺高度，用于對比和校驗超聲波傳感器采集的高度信息。轉(zhuǎn)速信息使用接近開關(guān)傳感器采集，可實時監(jiān)控當(dāng)前狀態(tài)下的割臺轉(zhuǎn)速信息，方便操作人員調(diào)整割臺轉(zhuǎn)速，使機器達(dá)到最佳收獲質(zhì)量。BDS/GPS 定位功能采用由杭州中科微電子有限公司生產(chǎn)的ATGM332D-5N 定位模塊，該模塊支持多種衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，具有高靈敏度、低功耗和低成本等優(yōu)勢，ATGM332D-5N 系列模塊通過UART 作為主要輸出通道，按照NMEA0183 的協(xié)議格式輸出，可采集到車輛的經(jīng)緯度、車速和航向角等多種信息。

2.2 軟件設(shè)計

本控制系統(tǒng)軟件開發(fā)主要分為上位機觸摸屏界面開發(fā)及控制器軟件控制系統(tǒng)開發(fā)。上位機觸摸屏開發(fā)平臺為MCGS 嵌入版組態(tài)軟件，此軟件為昆侖通態(tài)廠商自帶的觸摸屏開發(fā)軟件，是在MCGS 通用版的基礎(chǔ)上開發(fā)的，專門應(yīng)用于嵌入式計算機監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件。MCGS 嵌入版包括組態(tài)環(huán)境和運行環(huán)境兩部分，適應(yīng)于應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積和功耗等綜合性能有嚴(yán)格要求的專用計算機系統(tǒng)。其通過對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集處理，以動畫顯示、報警處理、流程控制和報表輸出等多種方式向用戶提供解決實際工程問題的方案，在自動化領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。此外MCGS嵌入版還帶有一個模擬運行環(huán)境，用于對組態(tài)后的工程進(jìn)行模擬測試，方便用戶對組態(tài)過程的調(diào)試。主要界面如圖2、圖3 所示。

圖2 上位機主界面Fig.2 Main interface of host computer

圖3 割臺高度控制界面Fig.3 Header height control interface

玉米收獲機控制器為自行設(shè)計開發(fā)的線路板，并采用Keil uVision5 平臺對控制程序進(jìn)行編寫，采用C語言并且使用ST 官方提供的HAL 固件庫函數(shù)輔助程序編譯，是控制系統(tǒng)的核心，并負(fù)責(zé)具體實施和執(zhí)行觸摸屏輸入和系統(tǒng)運行所需的各種功能。

3 割臺仿形控制策略

為提高割臺控制準(zhǔn)確性，割臺離地高度根據(jù)作物的不同和地勢特點可以進(jìn)行修改，以控制青飼的收凈率。每次開始工作前，需要由上位機開始設(shè)定工作時的割臺高度，并且下發(fā)命令至控制器，控制器控制割臺升降，當(dāng)割臺高度為設(shè)定高度時，機器的收獲質(zhì)量為最佳。機器在行進(jìn)過程中會遭遇各種障礙，若前方地勢有凸起，機器繼續(xù)前進(jìn)可能使割刀觸地，碰壞割臺或污染莖稈青飼，此時需通過控制器控制割臺上升；反之前方地勢如果出現(xiàn)凹陷，機器在前進(jìn)過程中可能會發(fā)生下陷，或割臺與地面夾角過大導(dǎo)致收割玉米不完全，此時控制器需降低割臺高度，等到機器越過障礙，即測得實時割臺高度與之前設(shè)定的割臺高度相等時，控制器完成一次割臺高度的仿形控制。之后控制器仍然實時檢測割臺前端離地高度，以備進(jìn)行下次割臺高度仿形。

在整個控制系統(tǒng)中，由上位機觸摸屏設(shè)定的數(shù)值均由大寫字母表示，由控制器采集的傳感器數(shù)值均由小寫字母表示。在整個割臺高度仿形過程中，首先通過上位機觸摸屏下發(fā)設(shè)定的最佳收獲割臺高度H2和容差Δα；在控制器接收到設(shè)定的割臺高度時，將此時采集的實時割臺高度h2與設(shè)定高度H2進(jìn)行比較，通過輸出升高或降低割臺命令使割臺實際高度h2逼近設(shè)定高度H2。機器通過液壓缸的伸縮來控制割臺升降，控制器采集液壓缸的長度h3來判斷割臺是否達(dá)到設(shè)定高度H2，當(dāng)采集的h2與h3同時與設(shè)定的割臺高度H2的差值在允差Δα范圍內(nèi)時，表示當(dāng)前割臺達(dá)到了設(shè)定高度，控制器調(diào)整割臺高度完畢。此時控制器記錄下割臺前端的離地高度H1，此高度為之后機器進(jìn)行收獲任務(wù)時的基準(zhǔn)高度，并且控制器向上位機觸摸屏發(fā)送允許開始進(jìn)行收獲任務(wù)及允許割臺仿形標(biāo)志。

當(dāng)上位機接收到開始工作標(biāo)志時，操作人員才可以進(jìn)行收獲任務(wù)，在收獲過程中，控制器不斷采集割臺前端的實時高度h1，同時與之前記錄的割臺前端基準(zhǔn)高度H1進(jìn)行比較，當(dāng)出現(xiàn)兩者差值的絕對值＞3Δα?xí)r，控制器分析得出當(dāng)前傳感器檢測位置存在障礙的結(jié)論，之后割臺立即執(zhí)行割臺仿形控制。

控制器根據(jù)實際高度h1與基準(zhǔn)高度H1之間的大小來進(jìn)行分析，當(dāng)h1的高度小于基準(zhǔn)高度H1時，表示割臺下方有突起物或其他因素，需升高割臺高度，反之則表示割臺前方有凹陷地形，需降低割臺高度?？刂破鬏敵鱿鄳?yīng)控制信號給液壓控制器，液壓控制器控制液壓缸將割臺抬升或降低?？刂破骺刂聘钆_升降由控制器上的開關(guān)量信號輸出模塊實現(xiàn)，共兩路分別控制割臺的上升與下降，其原理為控制器的CPU 輸出高低電平控制相應(yīng)的繼電器線圈是否帶電，當(dāng)繼電器線圈有電時，該模塊常閉斷開，常開閉合，依此便能對割臺的高度進(jìn)行控制。當(dāng)控制割臺上升時，繼電器線圈帶電，其控制上升回路閉合，將割臺抬起，同時安裝在液壓控制器上的拉線傳感器測量的長度h3隨之發(fā)生變化，當(dāng)達(dá)到目標(biāo)高度時，繼電器線圈掉電，控制回路斷開，割臺停止上升；同理進(jìn)行割臺下降控制。控制割臺升降時控制器采集的割臺中部的高度h2會伴隨控制發(fā)生變化，當(dāng)機器越過故障后，控制器采集到的高度h2與設(shè)定的割臺高度H2的差值會回到Δα 范圍內(nèi)，此時停止控制割臺高度，完成一次割臺高度仿形控制，同時控制器再不斷采集割臺前端的實際高度h1，預(yù)備進(jìn)行下次遇到障礙時的割臺高度控制。

割臺高度仿形流程如圖4 所示。

4 收獲作業(yè)試驗驗證

以1 臺4 行190 kW 的穗莖兼收鮮食玉米收獲機為樣機，主要參數(shù)如表1 所示。

表1 樣機主要參數(shù)Tab.1 Parameter of harvester

試驗樣機搭載所研制的割臺自適應(yīng)仿形系統(tǒng)，開展仿形系統(tǒng)驗證試驗，玉米收獲機作業(yè)行走平均速度4 km/h，割臺轉(zhuǎn)速400 r/min，在割臺前端安裝2 個超聲波測距傳感器，傳感器與割臺最低點距離L1為1.05 m，割茬高度控制在90～110 mm 范圍內(nèi)。本次割臺仿形穗莖兼收鮮食玉米收獲機割臺自適應(yīng)仿形系統(tǒng)試驗在河北省固安縣中機美諾科技股份有限公司固安試驗場進(jìn)行，在試驗過程中將采集割臺高度和割臺轉(zhuǎn)速信息，以及工作狀態(tài)下玉米收獲機的前進(jìn)速度、發(fā)動機轉(zhuǎn)速。將采集的數(shù)據(jù)繪制成折線圖，可分析玉米機在收獲狀態(tài)下，各個部件的參數(shù)信息。試驗樣機與試驗現(xiàn)場如圖5 所示。

圖5 試驗現(xiàn)場及樣機Fig.5 Test site and harvester

玉米收獲機前進(jìn)速度可反映車輛的收獲效率，在正常收獲狀態(tài)下，如前方無障礙且地面信息平整時，機器的收獲速度最大可到6 km/h。割臺高度信息則是割臺高度仿形中最重要的參數(shù)，在試驗前，需要提前確定割臺收獲高度，作為上位機的設(shè)定高度，控制器生成在平整地面環(huán)境下的地面信息趨勢折線，之后在收獲過程中可根據(jù)采集到的實時割臺高度，生成新的地面信息趨勢折線，之后通過割臺高度仿形系統(tǒng)的軟件控制邏輯，完成對應(yīng)的割臺高度控制。

在累計作業(yè)8 h 的驗證試驗中，割臺調(diào)整平穩(wěn)，割臺無觸地現(xiàn)象，截取部分代表性數(shù)據(jù)，繪制割臺仿形實際控制效果如圖6 所示。

圖6 割臺仿形高度隨時間的變化Fig.6 Variation of header profile height over time

由圖6 可知，割臺調(diào)整均在合理范圍內(nèi)，整體試驗過程并未發(fā)生觸土現(xiàn)象，同時試驗完畢，對玉米割茬進(jìn)行抽樣檢查，割茬高度控制在90～110 mm，符合預(yù)期設(shè)定，試驗結(jié)果驗證了所研制的割臺仿形系統(tǒng)的有效性。

5 結(jié)論

（1）基于超聲測距原理，研制了一種穗莖兼收鮮食玉米收獲機的割臺自適應(yīng)仿形系統(tǒng)。該系統(tǒng)中，超聲波測距傳感器安裝在割臺分禾器前端，用于實時檢測割臺分禾器與地面高度差，將高度差信號傳輸至玉米收獲機的中心控制終端，由控制器發(fā)出相應(yīng)調(diào)整指令，控制割臺調(diào)整液壓油缸進(jìn)行割臺高度調(diào)整，實現(xiàn)玉米收獲機在作用過程中的割臺自適應(yīng)仿形。

（2）以1 臺4 行190 kW 的穗莖兼收鮮食玉米收獲機為樣機，搭載割臺自適應(yīng)仿形系統(tǒng)，開展仿形系統(tǒng)驗證試驗，累計作業(yè)8 h，割臺調(diào)整平穩(wěn)，割臺無觸地現(xiàn)象，試驗結(jié)果驗證了所研制的基于超聲測距的割臺自適應(yīng)仿形系統(tǒng)的可行性與有效性。