張　波，李旭英，魯國(guó)成，楊　媛，侯占峰

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，呼和浩特　010018)

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吊杯式移栽機(jī)作業(yè)時(shí)地表不平度的測(cè)量分析

張波，李旭英，魯國(guó)成，楊媛，侯占峰

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，呼和浩特010018)

摘要：為了研究吊杯式移栽機(jī)作業(yè)時(shí)所栽植土壤的地表不平度，采用超聲波測(cè)距傳感器，對(duì)吊杯式移栽機(jī)作業(yè)時(shí)的土壤表面不平度進(jìn)行了測(cè)量分析。將超聲波測(cè)距傳感器垂直于地面安裝到移栽機(jī)上，連續(xù)測(cè)量地表高低的變化，采用LabVIEW編程控制超聲波傳感器的參數(shù)設(shè)定，由NI USB-6343 X系列數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)據(jù)，并可實(shí)時(shí)顯示和存儲(chǔ)在筆記本電腦上。計(jì)算分析所測(cè)數(shù)據(jù)，得出了試驗(yàn)田地土壤表面不平度的一些參數(shù)值，即地表不平度的RMS高度、輪廓微觀不平度的平均間距和分形維數(shù)，為研究土壤特性對(duì)吊杯式移栽機(jī)性能的影響提供了一定的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：移栽機(jī)；土壤；不平度；數(shù)據(jù)采集

0引言

移栽技術(shù)具有直播難以比擬的優(yōu)越性,能將作物的生育期提前15天左右，有效地避開(kāi)作物受早春、低溫、倒春寒、霜凍及冰雹等災(zāi)害性氣候的影響，提高幼苗的成活率，保證單位作物株數(shù)達(dá)到農(nóng)藝要求，并能延長(zhǎng)作物生育期，有效地提高單產(chǎn)和作物的品質(zhì)，具有顯著的節(jié)本增產(chǎn)增收效果。機(jī)械移栽能夠提早作物的生育進(jìn)程、提高單產(chǎn),能有效抵御大風(fēng)、雨害、低溫等自然災(zāi)害,并且節(jié)省種子[1-2]。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)要求，機(jī)械化移栽已成為一種必然的趨勢(shì)。

吊杯式移栽機(jī)是移栽機(jī)械中栽植效果比較好的一種缽苗移栽機(jī)械。吊杯式移栽機(jī)作業(yè)時(shí)，土壤表面不平度對(duì)移栽機(jī)的滑移率、栽植深度都有著非常重要的影響，因此對(duì)吊杯式移栽機(jī)作業(yè)時(shí)所栽植土壤地表的不平度進(jìn)行測(cè)量分析，具有非常重要的意義。目前，研究農(nóng)業(yè)機(jī)械在田間作業(yè)時(shí)測(cè)量地表不平度的文獻(xiàn)相對(duì)較少，國(guó)內(nèi)的實(shí)際田地土壤不平度的測(cè)試分析，以南京農(nóng)業(yè)大學(xué)的研究文獻(xiàn)相對(duì)比較全面，其他研究多在理論研究方面，實(shí)際測(cè)試與研究相對(duì)較少。

本文以2ZP-2型吊杯式移栽機(jī)為研究對(duì)象，垂直于地面布設(shè)超聲波測(cè)距傳感器，在移栽機(jī)作業(yè)的同時(shí)，對(duì)所栽植的土壤表面不平度進(jìn)行了測(cè)量，利用LabVIEW軟件編程對(duì)超聲波傳感器的采集參數(shù)進(jìn)行控制，并同時(shí)將采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示。通過(guò)對(duì)上述數(shù)據(jù)分析，計(jì)算得出了移栽機(jī)作業(yè)地表的土壤表面不平度。該土壤表面不平度利用RMS高度、輪廓微觀不平度的平均間距和分形維數(shù)值進(jìn)行表達(dá)，為研究土壤特性對(duì)吊杯式移栽機(jī)性能的影響和日后移栽機(jī)試驗(yàn)臺(tái)土槽部分的設(shè)計(jì)提供了一定的數(shù)據(jù)參考。

1試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)方法

1.1試驗(yàn)機(jī)器和測(cè)量設(shè)備

1)移栽機(jī)型號(hào)：2ZP-2型吊杯式移栽機(jī)。

2)拖拉機(jī)型號(hào)：R4105T1拖拉機(jī)(48kW/65馬力)。

3)超聲波測(cè)距傳感器型號(hào)：NU112F30TR-1MD，精度1mm，最大測(cè)距1m。

4)數(shù)據(jù)采集卡型號(hào)：NI USB-6343 X系列。

5)供電儀器及相關(guān)設(shè)備：24V6A蓄電瓶，24V轉(zhuǎn)220V逆變器等。

1.2試驗(yàn)方法

試驗(yàn)地點(diǎn)為內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院試驗(yàn)田。試驗(yàn)土壤類型為砂壤土，采用犁耙耕作方式。測(cè)試時(shí)間為2014年11月23-25日。

在充分了解2ZP-2型吊杯式移栽機(jī)工作原理和結(jié)構(gòu)特征的基礎(chǔ)上，將超聲波測(cè)距傳感器選擇安裝在移栽機(jī)移栽框架的左后方位置，在移栽機(jī)作業(yè)的同時(shí)，對(duì)土壤表面不平度進(jìn)行測(cè)量。田間試驗(yàn)時(shí)，利用筆記本電腦進(jìn)行傳感器參數(shù)和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的操作控制。

2土壤表面不平度的數(shù)據(jù)采集程序

利用超聲波測(cè)距傳感器可實(shí)現(xiàn)地表不平度的數(shù)據(jù)采集。該程序在LabVIEW 2013軟件平臺(tái)上進(jìn)行編寫，主要采用其中的DAQmx編程實(shí)現(xiàn)。

借鑒傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的常規(guī)功能[3]，通過(guò)LabVIEW2013中的控件選板和工具選板，對(duì)前面板進(jìn)行編輯設(shè)計(jì)。采樣頻率設(shè)置為100，即超聲波傳感器每0.01s測(cè)取一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。系統(tǒng)前面板如圖1所示。

該程序經(jīng)仿真調(diào)試無(wú)任何問(wèn)題后，連接實(shí)體元器件進(jìn)行實(shí)際調(diào)試，確認(rèn)無(wú)故障后，準(zhǔn)備田間試驗(yàn)。

3試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1土壤地表不平度

為了能夠更好地表達(dá)地表不平度的特征, 在同一田地里選出3個(gè)地段進(jìn)行測(cè)試。3個(gè)地段不重合，在移栽機(jī)速度已經(jīng)穩(wěn)定的狀況下，每段測(cè)出2 100個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，即約5m左右的距離。3 個(gè)測(cè)試地段的地表不平度測(cè)試結(jié)果如圖2所示。

圖1　系統(tǒng)前面板

圖2　3個(gè)地段的地表不平度

3.2地表不平度的RMS 高度分析

RMS高度用于描述表面不平度的方差, 又稱為表面不平度標(biāo)準(zhǔn)差。RMS 高度是度量表面不平度的基本指標(biāo), 其計(jì)算式為[4]

(1)

式中n—測(cè)量點(diǎn)數(shù)；

s(i)—在表面i處的高度。

RMS 高度是用來(lái)說(shuō)明離散隨機(jī)信號(hào)各可能值對(duì)其平均值的偏離程度的，是隨機(jī)信號(hào)在均值上下起伏變化的一種度量[5]。3段土地表面不平度計(jì)算結(jié)果如表1 所示。

表1　3個(gè)地段表面不平度RMS 高度均值

RMS 高度與土壤地表的類型是具有很好的相關(guān)性的[7]。從表1可以看出：整個(gè)試驗(yàn)田地的RMS 高度值分布在17～26mm之間，RMS 高度值隨測(cè)量地段的不同表現(xiàn)出一定的不穩(wěn)定性。

3.3輪廓微觀不平度的平均間距

輪廓微觀不平度的平均間距，通常用Sm表示，是指在取樣長(zhǎng)度內(nèi)，輪廓與中線相交點(diǎn)的各個(gè)微觀不平度間距的平均值[5]，計(jì)算公式為

(2)

其中，Smi為輪廓與中線相交點(diǎn)的第i個(gè)微觀不平度間距。

該參數(shù)對(duì)評(píng)價(jià)承載能力、耐磨性都具有重要的意義，在各國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中被廣泛采用[5]。計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2　3個(gè)地段的地表不平度的Sm均值

輪廓微觀不平度的平均間距和土壤地表的類型也有較好的相關(guān)性。Sm越小，表明該土壤表面越細(xì)密，它的承載能力、耐磨性就越好。由表2可以看出：所實(shí)驗(yàn)田地的輪廓微觀不平度多分布在59～70mm間，輪廓微觀不平度的平均間距隨測(cè)量地段的不同也表現(xiàn)出一定的不穩(wěn)定性。

3.4分形維數(shù)

目前，分形維數(shù)的計(jì)算方法有很多，如變差法、結(jié)構(gòu)函數(shù)法、半方差法、均方根法、R/S法和功率譜密度法等[7-8]。根據(jù)所查文獻(xiàn)，均方根法和半方差法在計(jì)算分形維數(shù)的過(guò)程中有著較高的計(jì)算精度，因此本文采用均方根法分析所試驗(yàn)田地的土壤表面不平度的分形維數(shù)。

均方根法在分析計(jì)算時(shí)，選取一個(gè)取樣長(zhǎng)度，對(duì)于所要分形的曲線，其曲線高度均方根為[9]

S(τ)≤Z(x)2

cτ2-D≤Z(x)2

(3)

對(duì)式(3)進(jìn)行對(duì)數(shù)運(yùn)算，得到如下直線方程形式，即[5]

lgS(τ)=lgc+(2-D)lgτ

(4)

從式(4)容易發(fā)現(xiàn)：該方程曲線在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)上，呈現(xiàn)了測(cè)度與尺度的線性關(guān)系。所以，可得到分形維數(shù)同直線斜率K的關(guān)系為D= 2-k。利用此方法計(jì)算3個(gè)地段的分維值，如表3所示。

表3　3個(gè)地段地表不平度的分形維數(shù)值

分形維數(shù)和耕作方式有很好的相關(guān)性，利用分維值可以較好地表征不同耕作方式的地表[10]。因所試驗(yàn)田地皆是采用犁耙的耕作方式，所以分維值應(yīng)幾乎相同。從表3可以看出：分形維數(shù)非常接近,:分形維數(shù)值并不隨測(cè)量地段的不同而波動(dòng)?？梢?jiàn)，分維值是一種與測(cè)量區(qū)間無(wú)關(guān)的地表不平度評(píng)價(jià)參數(shù)，能夠更好地反映出地表的不平度狀況。因分維值越小，地表就越粗糙，從所查文獻(xiàn)知，圓盤耙、驅(qū)動(dòng)耙等方式耕作的土壤地表分形維數(shù)在1.55左右，而本試驗(yàn)田地犁耙耕作的土壤地表分形維數(shù)在1.29左右，可見(jiàn)犁耙耕作效果不如圓盤耙、驅(qū)動(dòng)耙等方式耕作效果好。

4結(jié)論

1)采用超聲波測(cè)距傳感器可以實(shí)現(xiàn)土壤表面不平度的測(cè)量，其方法可行。該套測(cè)試裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，容易實(shí)現(xiàn)。

2)在不同的測(cè)試地段，RMS高度、輪廓微觀不平度的數(shù)值表現(xiàn)出一定的波動(dòng)，而分形維數(shù)卻不受影響。因此，利用分形維數(shù)能夠更好的表征地表的不平度狀況。

3)得出了吊杯式移栽機(jī)所作業(yè)地表的RMS高度、輪廓微觀不平度和分形維數(shù)等土壤表面不平度數(shù)值，為研究土壤特性對(duì)吊杯式移栽機(jī)性能的影響提供了一定的數(shù)據(jù)支持。

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Test Research on Soil Surface Roughness of Working Dibble-type Transplanter

Zhang Bo, Li Xuying, Lu Guocheng, Yang Yuan,Hou Zhanfeng

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010018, China)

Abstract：In order to research soil surface roughness which the dibble-type transplanter works on, an air ultrasonic ceramic transducer is used to measure the soil surface roughness in this paper. Put air ultrasonic ceramic transducer on the transplanter vertical to the earth,the change of the soil surface height can be achieved continuously.Adopt LabVIEW programming to set parameters of air ultrasonic ceramic transducer, the data gathered from NI USB-6343 DAQ card is real-time displayed and stored on a laptop. Finally,by calculating and analyzing the data, some parameter values of soil surface roughness are obtained, that is, soil surface’s RMS height, the mean spacing of the profile irregularities and fractal dimension.These data can provide a reference for studying the performance of the dibble-type transplanter based on soil properties in the future.

Key words：transplant； soil； roughness； data acquisition

文章編號(hào)：1003-188X(2016)05-0228-04

中圖分類號(hào)：S223.9

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：張波(1988-)，男，江蘇徐州人，碩士研究生，(E-mail) zhangbo-1965.9.13@163.com。通訊作者：李旭英(1963-)，女，內(nèi)蒙古巴彥淖爾人，教授，博士，碩士生導(dǎo)師，(E-mail)lixuy2000@imau.edu.cn。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51465048);內(nèi)蒙古自治區(qū)高等學(xué)校研究項(xiàng)目 (NJZY050);內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(NDTD2013-6)

收稿日期：2015-04-09