游兆延　胡志超　吳惠昌等

摘要：為了提高土下果實(shí)收獲時(shí)的挖掘效果，降低駕駛員勞動(dòng)強(qiáng)度，設(shè)計(jì)了基于超聲波測(cè)距的自動(dòng)限深系統(tǒng)，包括地面仿形裝置設(shè)計(jì)、關(guān)鍵器件的選擇、控制算法的設(shè)計(jì)、液壓設(shè)計(jì)、A/D采樣以及程序編寫等，檢測(cè)了超聲波傳感器的性能，將整套系統(tǒng)嫁接在花生聯(lián)合收獲機(jī)上，用傳感器兩端的電壓響應(yīng)曲線來(lái)反映耕深變化，并進(jìn)行了限深收獲試驗(yàn)。結(jié)果表明：手動(dòng)收獲蘿卜平均挖掘深度12.50 mm，傷果率5.71%，漏挖率2.82%；改為自動(dòng)限深方式收獲后，平均挖掘深度12.30 mm，傷果率3.40%，漏挖率1.10%。手動(dòng)收獲甘薯平均挖掘深度15.30 mm，傷果率3.00%，漏挖率138%；改為自動(dòng)限深方式收獲后，平均挖掘深度14.8 mm，傷果率1.95%，漏挖率1.08%。

關(guān)鍵詞：土下果實(shí)，超聲波測(cè)距，自動(dòng)限深

中圖分類號(hào)： S225 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2015）03-0354-04

土下果實(shí)作物種類繁多，主要有馬鈴薯、花生、甘薯、甜菜、大蒜、洋蔥、胡蘿卜、生姜等20余種。近年來(lái)，在消費(fèi)結(jié)構(gòu)、出口結(jié)構(gòu)不斷調(diào)整優(yōu)化的雙重拉動(dòng)下，我國(guó)土下果實(shí)作物種植面積達(dá)數(shù)億畝，年產(chǎn)值達(dá)數(shù)千億元[1-4]。目前，我國(guó)土下果實(shí)生產(chǎn)機(jī)械化水平不僅低于發(fā)達(dá)國(guó)家，與稻麥等主要糧食作物機(jī)械化水平相比亦有較大差距。土下果實(shí)收獲機(jī)械在減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、降低收獲損失、提高生產(chǎn)率方面發(fā)揮著重要作用，在實(shí)際挖掘收獲中，機(jī)具手須時(shí)刻注意當(dāng)前挖掘情況，工作強(qiáng)度大，無(wú)法實(shí)現(xiàn)精確控制，存在挖破、漏挖、破壞土質(zhì)等問(wèn)題，有效降低機(jī)手的工作強(qiáng)度十分重要。國(guó)外限深方式多采用電液壓式，如德國(guó)Grimme農(nóng)機(jī)公司設(shè)計(jì)了由轉(zhuǎn)向油壓缸、液壓泵、比例換向閥、轉(zhuǎn)向控制器（ECU）組成的馬鈴薯收獲機(jī)，此裝置適用于大農(nóng)場(chǎng)收獲。加拿大薩斯徹溫大學(xué)控制工程系研制出1種超聲波深度控制系統(tǒng)，由安裝在農(nóng)具機(jī)架上部的3個(gè)高頻超聲波傳感器測(cè)量并提供平均作業(yè)深度信號(hào)，每個(gè)傳感器將超聲波直接發(fā)射到地面，并檢測(cè)出其反射的脈沖。江蘇宇成動(dòng)力集團(tuán)有限公司研制開發(fā)的大蒜聯(lián)合收獲機(jī)的限深系統(tǒng)由限深指示板、液壓調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)等組成。河南省開封市茂盛公司生產(chǎn)的花生聯(lián)合收獲機(jī)的限深裝置通過(guò)調(diào)節(jié)螺桿與限深輪安裝支架相連，調(diào)整范圍為150 mm，保證了挖掘深度的一致性。華南農(nóng)業(yè)大學(xué)羅錫文教授領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)以東方紅X-804拖拉機(jī)為研究對(duì)象，開發(fā)了電控液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、作業(yè)機(jī)具升降控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了拖拉機(jī)自動(dòng)轉(zhuǎn)向操縱控制以及作業(yè)機(jī)具自動(dòng)升降控制[5]。本研究設(shè)計(jì)了基于超聲波測(cè)距的自動(dòng)限深系統(tǒng)，整套裝置搭載于4HLB-2型花生聯(lián)合收獲機(jī)上，田間試驗(yàn)檢測(cè)系統(tǒng)響應(yīng)性能、收獲性能，實(shí)現(xiàn)了土下果實(shí)挖掘深度的自動(dòng)控制。

1 自動(dòng)限深工作原理

地面作業(yè)環(huán)境比較復(fù)雜，以超聲波測(cè)距傳感器作為檢測(cè)工具時(shí)，聲波在傳播過(guò)程中如果遇到直徑小于超聲波半個(gè)波長(zhǎng)的障礙物，聲波會(huì)繞過(guò)障礙物繼續(xù)傳播，即產(chǎn)生繞射現(xiàn)象[6]。為解決此問(wèn)題，可以通過(guò)測(cè)量超聲波傳感器發(fā)射端距離地面仿形裝置的距離，間接得到地面起伏的變化，將測(cè)得的深度變化值與控制器設(shè)定的變化深度進(jìn)行比較，由控制器發(fā)出控制信號(hào)至電磁閥，由電磁閥控制油缸進(jìn)行動(dòng)作，循環(huán)反饋完成控制任務(wù)，具體原理見圖1。

2 主要部件設(shè)計(jì)及參數(shù)確定

2.1 非剛性接觸仿形裝置設(shè)計(jì)

仿形裝置由地輪、導(dǎo)向管a、導(dǎo)向管b、焊接板、壓簧、長(zhǎng)螺桿、測(cè)量基準(zhǔn)板等組成（圖2）。壓簧嵌套在長(zhǎng)螺桿上，始終運(yùn)動(dòng)于2個(gè)導(dǎo)向管之間；導(dǎo)向管b隨著地面的起伏在導(dǎo)向管a內(nèi)上下滑動(dòng)，活動(dòng)距離為335 cm；導(dǎo)向管a與導(dǎo)向管b之間連接有六角頭螺栓，限制了導(dǎo)向管b繞長(zhǎng)螺桿軸線方向轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度，起到導(dǎo)向作用；超聲波傳感器安裝在超聲波測(cè)量基準(zhǔn)板上方，通過(guò)測(cè)量超聲波傳感器距離測(cè)量基準(zhǔn)板的距離變化可以觀察機(jī)具作業(yè)深度的變化。

2.2 超聲波測(cè)距傳感器

超聲波測(cè)距傳感器（深圳科利奧公司）型號(hào)為L(zhǎng)M-200-010-DAC，安裝在測(cè)量基準(zhǔn)板上方，工作電壓24 V，測(cè)量范圍為200～1 000 mm，盲區(qū)200 mm，頻率200 kHz，工作溫度-35～70 ℃，外殼材料ABS，通過(guò)發(fā)射超聲波信號(hào)與反饋信號(hào)的時(shí)間差得到距離信號(hào)，以無(wú)線通信的方式傳輸距離信息[7-8]。筆者對(duì)超聲波測(cè)距模塊進(jìn)行了實(shí)際測(cè)量試驗(yàn)。選用的超聲波傳感器連接方式為：棕線：電源正24 V；黑線：電源負(fù)；白線：大地；藍(lán)線（輸出線）：0～10 V，電源由美國(guó)Extech公司直流電源提供輸入，在示波器（美國(guó)Fluke公司）里觀察輸出特性，在1 m范圍內(nèi)測(cè)量9組數(shù)據(jù)（表1），將測(cè)量距離與實(shí)際距離進(jìn)行比較，分別求出其相對(duì)誤差、絕對(duì)誤差。

3 田間試驗(yàn)

2014年1月24日在江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗(yàn)田進(jìn)行試驗(yàn)，檢測(cè)其自動(dòng)限深響應(yīng)性能，選用304拖拉機(jī)后懸掛 4QL-1 甘薯起壟機(jī)[10]，在試驗(yàn)田起壟，長(zhǎng)20 m，壟高 250 mm，壟寬600 mm。在壟上選取長(zhǎng)度為12 m的樣本，在起好的壟上修1條高低起伏的地面，模擬花生收獲時(shí)壟底地面高低起伏的變化。

3.1 示波器跟蹤結(jié)果

用示波器響應(yīng)的電壓曲線跟蹤地面高度的變化曲線，將示波器的兩端連接在超聲波傳感器上，收獲速度達(dá)0.33 m/s時(shí)，分別以不加入控制程序、加入控制程序通過(guò)取樣地面，測(cè)量超聲波傳感器電壓的變化情況（圖6），觀察機(jī)器的靈敏度、延時(shí)性。從示波器中可以看出，不用自動(dòng)限深時(shí)，起伏變化較大，用自動(dòng)限深控制，最大延時(shí)小于0.4 s，超調(diào)量小于10%，觀察發(fā)現(xiàn)其電壓范圍圍繞在某值附近，保證挖掘深度基本一致，提高了挖掘效果。當(dāng)行駛速度達(dá)0.66 m/s時(shí)，帶自動(dòng)控制時(shí)，示波器如圖7所示，系統(tǒng)滯后時(shí)間超過(guò)0.5 s，超調(diào)量大于15%，限深效果降低。

3.2 機(jī)器抗振性能檢測(cè)試驗(yàn)

選用丹麥B&K2513測(cè)振儀記錄地面仿形裝置在田間的振動(dòng)情況（圖8），人工限深時(shí)，收獲機(jī)行駛速度為 0.33 m/s，噪聲為162 dB，RMS（均方根）值為13 km/s2；收獲速度為0.66 m/s，噪聲為173 dB，RMS值為17 km/s2。自動(dòng)限深時(shí)，收獲機(jī)行駛速度為0.33 m/s，噪聲為149 dB，RMS值為3 mm/s；收獲速度為0.66 m/s時(shí)，噪聲為161 dB，RMS值為11 km/s2[11]。振動(dòng)測(cè)量結(jié)果驗(yàn)證了示波器電壓曲線的變化情況。endprint

3.3 田間收獲試驗(yàn)

分別用自動(dòng)限深、人工手動(dòng)收獲蘿卜、甘薯進(jìn)行挖掘試驗(yàn)，比較收獲傷果率、漏挖率等收獲參數(shù)。手動(dòng)收獲蘿卜平均挖掘深度12.50 mm，傷果率5.71%，漏挖率2.82%；改為自動(dòng)限深方式收獲后，平均挖掘深度12.30 mm，傷果率340%，漏挖率1.10%。手動(dòng)收獲甘薯平均挖掘深度 15.30 mm，傷果率3.00%，漏挖率1.38%；改為自動(dòng)限深方式收獲后平均挖掘深度14.80 mm，傷果率1.95%，漏挖率108%（表2）。

4 結(jié)論

本系統(tǒng)為獲得最佳的挖掘收獲效果，在提高各執(zhí)行裝置動(dòng)作的順暢性、適應(yīng)性、靈敏性等方面有待改進(jìn)。對(duì)于限深裝置而言，其作用是實(shí)時(shí)檢測(cè)收獲機(jī)械的挖掘深度。因此，有必要深入研究其靜特性，包括傳感器的線性度、靈敏度、滯環(huán)、重復(fù)性等參數(shù)；動(dòng)特性中的振動(dòng)分析、抗干擾分析等。超聲波傳感器從接受到信號(hào)到液壓缸開始動(dòng)作，控制器的延時(shí)很短，電磁閥動(dòng)作時(shí)間約60 ms，設(shè)計(jì)的液壓缸行程范圍為350 mm，缸徑40 mm，流量最大為120 L/min，以最大的活動(dòng)范圍來(lái)計(jì)算[12]，液壓缸動(dòng)作時(shí)間為0.21 s，收獲機(jī)正常行駛速度為 0.8 m/s，從開始檢測(cè)到信號(hào)到油缸完成動(dòng)作，收獲機(jī)行走的路程為0.224 m。傳感器開始檢測(cè)到液壓缸執(zhí)行動(dòng)作大約有0.28 s的延時(shí)，應(yīng)考慮將限深裝置前移，另外設(shè)計(jì)的限深裝置結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，可以考慮換成角度傳感器，設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)鉸接加彈簧的機(jī)械結(jié)構(gòu)會(huì)更簡(jiǎn)單。受試驗(yàn)條件所限，本試驗(yàn)并不能完全模擬實(shí)際作業(yè)時(shí)的一些干擾，包括振動(dòng)、噪聲等。因此，參數(shù)自適應(yīng)模糊-PID 控制器的模糊控制規(guī)則還須進(jìn)一步優(yōu)化調(diào)整。

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