杜新武 楊緒龍 龐 靖 姬江濤 金 鑫 陳 雷

(1.河南科技大學(xué)農(nóng)業(yè)裝備工程學(xué)院， 洛陽 471000； 2.洛陽市機(jī)械設(shè)備先進(jìn)制造河南協(xié)同創(chuàng)新中心, 洛陽 471000)

0 引言

旋耕機(jī)耕作時(shí)，耕層太淺，容易導(dǎo)致土壤破碎，達(dá)不到農(nóng)藝要求，不利于種子著床，影響作物生長發(fā)育[1-6]；耕層過深，拖拉機(jī)功率消耗增大，作業(yè)成本增加，作業(yè)效率降低[7-11]。目前，旋耕作業(yè)深度的測量方法主要以人工測量為主，需要測量人員在機(jī)組前進(jìn)方向選取大量測量點(diǎn)，進(jìn)行人工扒土，利用耕深尺等進(jìn)行測量，測量精度低，勞動(dòng)強(qiáng)度高，大大降低了耕整作業(yè)的效率[12-18]。同時(shí)，由于不能實(shí)時(shí)獲得耕深數(shù)據(jù)，旋耕機(jī)駕駛員往往需要通過個(gè)人經(jīng)驗(yàn)判斷耕深效果，導(dǎo)致耕后質(zhì)量不達(dá)標(biāo)而需要重耕的情況，耗時(shí)費(fèi)力，增加作業(yè)成本。因此，規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化、實(shí)時(shí)化、高效化的測量方法是解決旋耕深度測量問題的關(guān)鍵。

國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者已經(jīng)開展了深松耕整機(jī)械田間作業(yè)耕深監(jiān)測方法系統(tǒng)研究[19-22]。謝斌等[23]進(jìn)行了基于傾角傳感器的耕深測量方法研究，其利用三點(diǎn)懸掛裝置的幾何結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與拖拉機(jī)懸掛機(jī)組的空間位置的數(shù)學(xué)關(guān)系，對傾角傳感器的角度變化與測量電壓進(jìn)行標(biāo)定，進(jìn)而推算出耕深值，該方法具有較高的綜合測量精度，但易受到地面起伏的影響。西北農(nóng)林科技大學(xué)[24]設(shè)計(jì)了機(jī)械深松作業(yè)質(zhì)量檢測與評價(jià)系統(tǒng)，系統(tǒng)采用超聲波測距傳感器并結(jié)合GPS定位模塊，可直接獲得機(jī)具與地表之間的距離，能夠?qū)崟r(shí)測量作業(yè)面積和作業(yè)平均深度，實(shí)現(xiàn)作業(yè)統(tǒng)計(jì)與評價(jià)等功能，雖然測量精度高，但易受到地表雜草、秸稈的影響。尹彥鑫等[25]開展了深松耕深檢測方法的研究，分析了作業(yè)過程中懸掛式深松機(jī)的姿態(tài)與耕深的線性關(guān)系，建立了耕深檢測模型，提高了深松作業(yè)耕深檢測的精度和自動(dòng)化程度，但目前尚未得到廣泛推廣。

旋耕機(jī)在旱耕作業(yè)時(shí)，耕深一般不小于8 cm，最大耕深不超過20 cm。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，以懸掛式旋耕機(jī)為對象，采用慣性姿態(tài)傳感器實(shí)時(shí)記錄旋耕機(jī)組的姿態(tài)信息，綜合考慮結(jié)構(gòu)件形變和車輪下陷等因素對預(yù)測結(jié)果的影響，利用非線性測量模型解算耕深值?；谠摐y量模型設(shè)計(jì)懸掛式旋耕機(jī)耕深監(jiān)測系統(tǒng)，并以此系統(tǒng)為載體將測量模型應(yīng)用在旋耕機(jī)上，以實(shí)現(xiàn)旋耕作業(yè)質(zhì)量的全程自動(dòng)化監(jiān)測。

1 旋耕耕深測量原理

針對華北地區(qū)的常見旋耕機(jī)，以三點(diǎn)懸掛裝置下拉桿和旋耕機(jī)機(jī)架的水平傾角為檢測目標(biāo)，構(gòu)建了適用于小耕深的非線性耕深測量模型，利用慣性姿態(tài)傳感器測量姿態(tài)變化間接測量旋耕耕深。首先對旋耕機(jī)的作業(yè)姿態(tài)進(jìn)行分析，將旋耕機(jī)的空間運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分解，再根據(jù)幾何關(guān)系建立耕深與傾角之間關(guān)系式，最后通過誤差修正構(gòu)建實(shí)際測量狀態(tài)下的旋耕耕深測量模型。

1.1 旋耕機(jī)姿態(tài)分析

三點(diǎn)懸掛裝置是連接農(nóng)機(jī)具與拖拉機(jī)的機(jī)構(gòu)，包括提升軸、提升臂、液壓缸、上拉桿、下拉桿等零件。本文以拖拉機(jī)掛接旋耕機(jī)為例，掛接姿態(tài)示意圖如圖1所示。三點(diǎn)懸掛裝置的提升臂一端與拖拉機(jī)鉸接，另一端與提升軸鉸接，提升軸另一端鉸接在下拉桿中部。下拉桿和上拉桿均起到固定旋耕機(jī)的作用，兩端分別鉸接拖拉機(jī)和旋耕機(jī)。三點(diǎn)懸掛裝置的驅(qū)動(dòng)力來源于提升臂下方鉸接的液壓缸，通過液壓缸的伸縮實(shí)現(xiàn)旋耕機(jī)的提升或下落。

圖1 旋耕機(jī)掛接姿態(tài)示意圖Fig.1 Rotary tiller attachment posture diagram1.下拉桿 2.萬向傳動(dòng)軸 3.液壓缸 4.提升臂 5.上拉桿 6.提升軸 7.旋耕機(jī)

從圖1看出，在提升或下落的過程中，提升臂和提升軸僅起到傳遞力矩的作用，上拉桿和下拉桿是支撐和固定旋耕機(jī)的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)。因此，為了便于研究旋耕機(jī)提升或下落的規(guī)律，將三點(diǎn)懸掛裝置簡化為運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)簡圖進(jìn)行分析，如圖2所示。

圖2 運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)簡圖Fig.2 Simplified diagram of motion structure

圖2中所有點(diǎn)均為平面內(nèi)的投影點(diǎn)，其中A和B為下拉桿的鉸接點(diǎn)，C和D為上拉桿的鉸接點(diǎn)，E為刀輥回轉(zhuǎn)中心，B′、C′和E′ 分別為B、C、E的瞬時(shí)位置。當(dāng)旋耕機(jī)提升或下落時(shí)，鉸接點(diǎn)B、C分別繞著鉸接點(diǎn)A、D旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)半徑為RAB和RDC，旋耕機(jī)機(jī)架、上拉桿、下拉桿和拖拉機(jī)各鉸接點(diǎn)之間形成不規(guī)則的四連桿機(jī)構(gòu)。根據(jù)四連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)原理，將拖拉機(jī)上的鉸接點(diǎn)A、D作為固定鉸接點(diǎn)，則旋耕機(jī)的運(yùn)動(dòng)可以看成繞鉸接點(diǎn)B自轉(zhuǎn)和繞鉸接點(diǎn)A旋轉(zhuǎn)的矢量合成運(yùn)動(dòng)。

1.2 耕深測量模型建立

以旋耕機(jī)姿態(tài)分析為基礎(chǔ)，回轉(zhuǎn)中心E豎直方向的位移等于鉸接點(diǎn)B的豎直位移與回轉(zhuǎn)中心E相對鉸接點(diǎn)B的位移矢量和，由此建立回轉(zhuǎn)中心E的位移模型

SE=lAB(sinα0-sinα)+lBE(sin(δ-β0)-sin(δ-β))

(1)

式中SE——回轉(zhuǎn)中心E豎直位移，cm

lAB——下拉桿有效桿長在平面內(nèi)的投影，cm

lBE——回轉(zhuǎn)中心E到鉸接點(diǎn)B的直線距離在平面內(nèi)的投影，cm

α0——初始狀態(tài)下拉桿與水平地面夾角，(°)

β0——初始狀態(tài)機(jī)架平面與水平地面夾角，(°)

α——耕作狀態(tài)下拉桿與水平地面夾角，(°)

β——耕作狀態(tài)機(jī)架平面與水平地面夾角，(°)

δ——BE連線與機(jī)架平面的夾角，(°)

在實(shí)際旋耕狀態(tài)下，田間環(huán)境復(fù)雜，例如土壤表面是否存有秸稈雜草、土壤濕度和土壤類型等，這些因素可看作模型產(chǎn)生誤差的外因，均能通過影響旋耕阻力間接影響模型參數(shù)。從誤差產(chǎn)生內(nèi)因出發(fā)，實(shí)際旋耕過程中結(jié)構(gòu)件產(chǎn)生形變導(dǎo)致自身結(jié)構(gòu)參數(shù)改變，此外拖拉機(jī)車輪下陷會(huì)導(dǎo)致測量基準(zhǔn)發(fā)生改變也會(huì)直接影響模型參數(shù)。

在保證精度的基礎(chǔ)上，考慮到標(biāo)定的簡捷性，在式(1)的基礎(chǔ)上，采用誤差補(bǔ)償法，從產(chǎn)生誤差的內(nèi)因出發(fā)，考慮實(shí)際旋耕過程中結(jié)構(gòu)件的形變和拖拉機(jī)車輪下陷等因素對測量結(jié)果的影響，構(gòu)建帶有誤差補(bǔ)償系數(shù)的耕深測量模型。

H=Ksinα+Psin(δ-β)+C

(2)

其中

C=C0+Cw

(3)

C0=lABsinα0+lBEsin(δ-β0)

(4)

K=-klAB

(5)

P=-plBE

(6)

式中H——旋耕機(jī)耕深，cm

K、P——待標(biāo)定系數(shù)，cm

C——待標(biāo)定常數(shù)，cm

C0——初始常數(shù)，cm

Cw——誤差常數(shù)，cm

k、p——誤差補(bǔ)償系數(shù)

該模型針對某一特定旋耕機(jī)組，測量在實(shí)際耕作狀態(tài)下傾角和耕深，利用標(biāo)定的方法求解可變參數(shù)K、P、C，該組參數(shù)下的模型即為與此特定旋耕機(jī)組相匹配的耕深測量模型。同一旋耕機(jī)組僅需完成一次標(biāo)定，能夠有效提高田間標(biāo)定與測量的效率。測量模型是一個(gè)涉及3個(gè)參數(shù)K、P、C的曲面函數(shù)，其中參數(shù)K、P為關(guān)鍵參數(shù)，決定了曲面的形狀。三點(diǎn)懸掛裝置的下拉桿越長，參數(shù)K越大，其水平傾角α對耕深的影響越明顯；刀輥回轉(zhuǎn)中心到鉸接點(diǎn)的距離越大，旋耕機(jī)機(jī)架的水平傾角β對耕深的影響越明顯。待標(biāo)定常數(shù)C由C0、Cw兩部分組成。其中，C0定義為初始常數(shù)，其值由旋耕機(jī)型號(hào)以及三點(diǎn)懸掛裝置幾何尺寸決定，對于確定的旋耕機(jī)組，其值是固定的；Cw為梁形變以及拖拉機(jī)車輪下陷等因素產(chǎn)生的誤差常數(shù)。參數(shù)C受車輪下陷的影響最明顯，能夠補(bǔ)償基準(zhǔn)下移帶來的誤差。

2 旋耕耕深監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 總體方案

根據(jù)式(2)所示的耕深測量模型設(shè)計(jì)了旋耕耕深監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成，總體方案如圖3所示。檢測傳感器通過CAN總線與駕駛室內(nèi)的系統(tǒng)主機(jī)連接，能夠?qū)π麢C(jī)組的姿態(tài)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。利用衛(wèi)星定位天線實(shí)時(shí)更新作業(yè)位置信息，同時(shí)姿態(tài)信息經(jīng)系統(tǒng)軟件處理后，由主機(jī)的顯示器顯示，輸出內(nèi)容包括實(shí)時(shí)耕深數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)作業(yè)面積、實(shí)時(shí)前進(jìn)速度、實(shí)時(shí)耕深預(yù)警等信息。這些信息既可直接供駕駛員參考，便于快速調(diào)整作業(yè)狀態(tài)、優(yōu)化作業(yè)質(zhì)量，又能利用遠(yuǎn)程通信技術(shù)將大量數(shù)據(jù)傳送至云平臺(tái)服務(wù)器，進(jìn)行批量數(shù)據(jù)的云計(jì)算和處理，生成旋耕耕深質(zhì)量評估報(bào)表，實(shí)現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與共享。

圖3 耕深監(jiān)測系統(tǒng)總體方案Fig.3 Overall scheme of tilling depth measurement system1.旋耕機(jī) 2.慣性姿態(tài)傳感器Ⅰ 3.慣性姿態(tài)傳感器Ⅱ 4.衛(wèi)星定位天線 5.遠(yuǎn)程通信天線 6.主機(jī) 7.拖拉機(jī)

2.2 硬件系統(tǒng)

旋耕耕深監(jiān)測系統(tǒng)硬件由耕深數(shù)據(jù)采集模塊、衛(wèi)星定位模塊、遠(yuǎn)程通信模塊、終端顯示模塊和CPU處理模塊等組成，各模塊間均能進(jìn)行信息傳遞，硬件結(jié)構(gòu)組成如圖4所示。

圖4 耕深監(jiān)測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Hardware structure diagram of tilling depth measurement system

圖6 慣性姿態(tài)傳感器結(jié)構(gòu)及安裝位置Fig.6 Structure and installation position of inertial attitude sensor1.機(jī)架 2.慣性姿態(tài)傳感器Ⅰ 3.下拉桿 4.慣性姿態(tài)傳感器Ⅱ

圖5 耕深監(jiān)測系統(tǒng)硬件Fig.5 Hardware of tilling depth measurement system1.主機(jī) 2.遠(yuǎn)程通信模塊 3.電源線 4.衛(wèi)星定位模塊 5.耕深數(shù)據(jù)采集模塊

耕深監(jiān)測系統(tǒng)硬件如圖5所示，各個(gè)模塊的參數(shù)配置及連接形式如下：

(1)耕深數(shù)據(jù)采集模塊包括2個(gè)檢測傳感器，分別安裝在旋耕機(jī)機(jī)架上和三點(diǎn)懸掛裝置的下拉桿上，用來采集旋耕機(jī)組姿態(tài)信息，可通過CAN連接到CPU處理模塊。

(2)衛(wèi)星定位模塊采用GYF6V03北斗GPS雙模定位模塊，接收機(jī)類型為S1216系列，定位精度(圓概率誤差)達(dá)2.5 m，數(shù)據(jù)解析格式采用NEMA-0183。

(3)遠(yuǎn)程通信模塊內(nèi)置GSM無線模塊，通過通信天線與GPRS網(wǎng)絡(luò)建立連接，模塊的設(shè)置與調(diào)試采用通用標(biāo)準(zhǔn)串口。

(4)主機(jī)通過電源線與拖拉機(jī)的蓄電池相連，集成了終端顯示模塊和CPU處理模塊，通過CAN連接耕深數(shù)據(jù)采集模塊，通過通用接口連接衛(wèi)星定位模塊和遠(yuǎn)程通信模塊。

旋耕機(jī)田間作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，高速旋耕時(shí)易產(chǎn)生振動(dòng)和大量土塊飛濺，傳感器的選擇必須考慮裝置的穩(wěn)定性、抗振性、耐用度等因素。在對比大量姿態(tài)傳感器的基礎(chǔ)上，本文采用BWM425系列CAN總線雙軸傾角傳感器(慣性姿態(tài)傳感器)，其結(jié)構(gòu)如圖6a所示，該系列傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)雙軸高精度數(shù)字輸出，測量范圍為±90°，最高精度達(dá)0.001°，溫度漂移為0.000 3(°)/K。傳感器內(nèi)部采用高分辨力差分?jǐn)?shù)模轉(zhuǎn)換器，內(nèi)置自動(dòng)補(bǔ)償和濾波算法，穩(wěn)定性高、抗振性好，耐受沖擊大于2 000g(g為重力加速度)，能夠很大程度上降低旋耕機(jī)振動(dòng)產(chǎn)生的誤差。

將慣性姿態(tài)傳感器Ⅰ安裝在旋耕機(jī)機(jī)架上平面，如圖6b所示。將慣性姿態(tài)傳感器Ⅱ安裝在三點(diǎn)懸掛裝置下拉桿靠近拖拉機(jī)鉸接處，如圖6c所示。為保證測量精度，盡可能降低振動(dòng)對傳感器的影響，在傳感器底部安裝減振墊片。為了降低安裝誤差對測量結(jié)果的影響，需保證傳感器安裝面與安裝點(diǎn)表面完全緊靠，不產(chǎn)生夾角，下拉桿上傳感器邊線與軸線方向平行，旋耕機(jī)機(jī)架上傳感器與前進(jìn)方向平行。

2.3 軟件系統(tǒng)

主機(jī)軟件系統(tǒng)包括耕寬信息輸入、系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)顯示、實(shí)時(shí)位置信息顯示、已耕總面積顯示、作業(yè)速度顯示、實(shí)時(shí)耕深和變化曲線顯示、耕深預(yù)警顯示和標(biāo)定狀態(tài)顯示等模塊功能。采用Visual Basic 6.0語言進(jìn)行可視化編程，操作界面如圖7所示。

圖7 軟件操作界面Fig.7 Software operation interface

啟動(dòng)系統(tǒng)后，信號(hào)燈S、A、C均顯示綠燈，分別表明數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、衛(wèi)星定位、遠(yuǎn)程通訊等子模塊信號(hào)接收正常,否則表明相應(yīng)模塊數(shù)據(jù)接收出現(xiàn)異常。信號(hào)接收正常后，通過顯示界面上的開始標(biāo)定按鈕，可進(jìn)入標(biāo)定程序。完成標(biāo)定后，已標(biāo)定指示燈亮起，表明系統(tǒng)已經(jīng)寫入標(biāo)定參數(shù)。通過手動(dòng)輸入耕寬信息、預(yù)期耕深范圍，即可在軟件界面實(shí)時(shí)觀測到作業(yè)面積信息和耕深預(yù)警信息。通過在界面上設(shè)置當(dāng)前耕深、作業(yè)速度和位置信息顯示窗口，實(shí)時(shí)監(jiān)測旋耕機(jī)作業(yè)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)旋耕作業(yè)的可視化監(jiān)管。

該軟件系統(tǒng)具有讀取數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的能力，軟件流程如圖8所示。

圖8 軟件流程圖Fig.8 Software flow chart

首先初始化變量、定量器、ADC、CAN和位置信息等，然后根據(jù)旋耕機(jī)組配置信息設(shè)置旋耕寬度；隨后檢查是否接收到CAN數(shù)據(jù)，并檢查數(shù)據(jù)是否正確，待系統(tǒng)正常后保存信息并讀取耕寬和已耕總面積；若系統(tǒng)未完成標(biāo)定，則啟動(dòng)標(biāo)定程序，按照事先定義好的標(biāo)定方法完成標(biāo)定，并保存標(biāo)定參數(shù)；若系統(tǒng)已完成標(biāo)定，則通過傳感器計(jì)算旋耕機(jī)組當(dāng)前角度信息，并調(diào)用標(biāo)定的模型計(jì)算當(dāng)前耕深；之后結(jié)合定位信息、耕寬計(jì)算旋耕面積和機(jī)組前進(jìn)速度，并將旋耕機(jī)當(dāng)前作業(yè)狀態(tài)信息通過CAN發(fā)送；最后判斷耕深是否達(dá)標(biāo)，如果過深輸出過深預(yù)警，提醒操作員油耗增加，反之，輸出過淺預(yù)警，提醒操作員深度不夠。

通過慣性姿態(tài)傳感器測得的旋耕姿態(tài)變化對應(yīng)的是結(jié)構(gòu)件的傾角變化，不能直接獲得耕深。為進(jìn)一步細(xì)化系統(tǒng)軟件流程，獲得所需要的耕深，對耕深測量模塊進(jìn)行詳細(xì)描述，包括系統(tǒng)標(biāo)定和耕深計(jì)算兩部分，耕深測量流程如圖9所示。該測量流程包括硬件初始化、啟動(dòng)標(biāo)定程序、識(shí)別標(biāo)定點(diǎn)、讀取角度信息、寫入耕深測量值、Matlab程序擬合、求解模型參數(shù)、實(shí)時(shí)耕深計(jì)算與數(shù)據(jù)傳輸?shù)取Ｈ粝到y(tǒng)已標(biāo)定，則直接通過姿態(tài)變化計(jì)算耕深；若系統(tǒng)未標(biāo)定，則進(jìn)入標(biāo)定程序。

圖9 耕深測量流程圖Fig.9 Flow chart of tilling depth measurement

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 系統(tǒng)標(biāo)定

根據(jù)耕深測量原理，為了降低實(shí)際旋耕過程中結(jié)構(gòu)件的形變等因素對測量結(jié)果的影響，在進(jìn)行實(shí)際測量之前，需要對系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定。系統(tǒng)標(biāo)定于2018年9月在洛陽市孟津縣文公村試驗(yàn)用地中開展,該試驗(yàn)用地的土壤類型為褐色森林土。由于試驗(yàn)地剛收獲了谷子，地表呈壓實(shí)狀態(tài)，為了便于旋耕，事先對其進(jìn)行了犁耕作業(yè)。由于本文把標(biāo)定旋耕機(jī)組作為減小誤差的重點(diǎn)，故對田間土壤的復(fù)雜狀況不做闡述。采用的旋耕機(jī)以及配套的三點(diǎn)懸掛裝置規(guī)格不同，監(jiān)測系統(tǒng)的標(biāo)定結(jié)果不同。因此，本文在不失普遍性的基礎(chǔ)上，以1GQN系列旋耕機(jī)以及配套的三點(diǎn)懸掛裝置進(jìn)行標(biāo)定，其中旋耕機(jī)單軸耕幅為200 cm，最大回轉(zhuǎn)半徑為245 mm，額定耕深范圍為12～16 cm，關(guān)鍵參數(shù)δ為27.9°，下拉桿有效桿長為70 cm，上拉桿有效桿長為60 cm。配套拖拉機(jī)型號(hào)為雷沃歐豹M554-BA，配套動(dòng)力為40.4 kW，輸出軸轉(zhuǎn)速為540、760 r/min。旋耕機(jī)耕深監(jiān)測系統(tǒng)試驗(yàn)機(jī)組如圖10所示。

圖10 旋耕機(jī)耕深監(jiān)測系統(tǒng)試驗(yàn)機(jī)組Fig.10 Rotary tiller tilling depth measuring system test unit1.1GQN系列旋耕機(jī) 2.慣性姿態(tài)傳感器Ⅰ 3.慣性姿態(tài)傳感器Ⅱ 4.遠(yuǎn)程通信天線 5.主機(jī) 6.衛(wèi)星定位天線 7.雷沃歐豹M554-BA型拖拉機(jī)

由于標(biāo)定過程涉及梁的形變和拖拉機(jī)車輪下陷等因素，因此，標(biāo)定過程必須在實(shí)際旋耕作業(yè)狀態(tài)下進(jìn)行。在進(jìn)行標(biāo)定時(shí)，將監(jiān)測系統(tǒng)合理安裝好，由操作員控制旋耕深度由淺入深進(jìn)行旋耕作業(yè)，待旋耕機(jī)組工作穩(wěn)定后停車，保持旋耕機(jī)組不動(dòng)，人工扒土測量旋耕刀輥?zhàn)畹锥说降乇淼木嚯x作為實(shí)際耕深，記錄此時(shí)姿態(tài)傳感器的角度。為了提高擬合精度，旋耕機(jī)組同一耕深狀態(tài)作為一個(gè)標(biāo)定點(diǎn)，本次標(biāo)定試驗(yàn)共設(shè)置5個(gè)標(biāo)定點(diǎn)，每個(gè)標(biāo)定點(diǎn)測量一次實(shí)際耕深并記錄一次姿態(tài)傳感器的角度。為了降低測量誤差，同一標(biāo)定點(diǎn)下重復(fù)測量3次取平均值。為了使得標(biāo)定參數(shù)更具代表性，保證模型參數(shù)是在耕深過淺、正常耕作和耕深過深狀態(tài)下土壤對旋耕機(jī)綜合作用的結(jié)果，將耕深范圍設(shè)置為0～26 cm。標(biāo)定過程數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 標(biāo)定過程數(shù)據(jù)Tab.1 Calibration process data

將標(biāo)定數(shù)據(jù)導(dǎo)入Matlab軟件，利用最小二乘原理對數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，求解K、P、C最優(yōu)解，獲得監(jiān)測系統(tǒng)標(biāo)定曲面如圖11所示，對應(yīng)標(biāo)定曲面函數(shù)式為

H=-70.563 3sinα-58.168 0sin(27.9°-β)+
42.826 0

(7)

置信度為95%，且決定系數(shù)R2=0.999 9，接近于1，說明旋耕機(jī)姿態(tài)角α、β與耕深H相關(guān)性強(qiáng)。

圖11 監(jiān)測系統(tǒng)標(biāo)定曲面Fig.11 Calibration surface of monitoring system

從圖11中可以看出，隨著下拉桿傾角α的增大，耕深逐漸減小，呈負(fù)相關(guān)；隨著旋耕機(jī)機(jī)架的傾角β的增大，耕深逐漸增大，呈正相關(guān)。根據(jù)標(biāo)定曲面函數(shù)，計(jì)算誤差補(bǔ)償系數(shù)k、p分別為1.008、0.978，說明在實(shí)際旋耕過程中，結(jié)構(gòu)件發(fā)生了不同程度的形變。綜合來看，擬合過程沒有發(fā)現(xiàn)高杠桿點(diǎn)，說明通過該測量數(shù)據(jù)獲得的擬合曲面可以作為本文監(jiān)測系統(tǒng)的標(biāo)定曲面。

3.2 田間試驗(yàn)

3.2.1試驗(yàn)條件

驗(yàn)證試驗(yàn)于2018年9月在洛陽市孟津縣文公村試驗(yàn)用地中開展，且與標(biāo)定試驗(yàn)用地屬于同一地區(qū)不同地塊，試驗(yàn)設(shè)備與系統(tǒng)標(biāo)定設(shè)備為同一旋耕機(jī)組。驗(yàn)證試驗(yàn)包括耕深精度試驗(yàn)和耕深質(zhì)量評估試驗(yàn)，試驗(yàn)場地如圖12所示，可進(jìn)行試驗(yàn)面積約2 hm2，經(jīng)過犁耕作業(yè)后，土壤呈較大塊狀，表面無秸稈、雜草覆蓋。

圖12 驗(yàn)證試驗(yàn)場地Fig.12 Verification test site

3.2.2試驗(yàn)過程

(1)耕深精度試驗(yàn)

采用人為控制液壓缸伸縮長度的方式，控制旋耕機(jī)處于不同的旋耕位置，按照耕深逐漸增大的次序，每隔3～5 cm設(shè)置一個(gè)耕深水平，共設(shè)置7個(gè)水平。每個(gè)水平下設(shè)置一個(gè)測點(diǎn)，兩個(gè)測點(diǎn)間隔10 m，保證旋耕機(jī)在測點(diǎn)間能夠平穩(wěn)作業(yè)。到達(dá)測點(diǎn)后切斷動(dòng)力輸出，保持旋耕機(jī)不動(dòng)，人工扒土測量旋耕刀輥?zhàn)畹锥说酵寥辣砻娴拇怪本嚯x作為耕深的實(shí)際值，同時(shí)記錄此時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)顯示的耕深值作為測量值。本次試驗(yàn)中當(dāng)測量值達(dá)到19.4 cm時(shí)，由操作員控制液壓缸，按照耕深逐漸減小的次序，每隔3～5 cm設(shè)置一個(gè)耕深水平，共設(shè)置5個(gè)水平，重復(fù)前面的操作并記錄對應(yīng)測點(diǎn)的實(shí)際值和測量值。

(2)耕深質(zhì)量評估試驗(yàn)

試驗(yàn)前設(shè)置系統(tǒng)正常耕深范圍為10～16 cm，作業(yè)幅寬為200 cm。事先在試驗(yàn)場地內(nèi)劃分3個(gè)不同地塊，分別按照耕深過淺、正常和過深的工況進(jìn)行旋耕作業(yè)。為了獲取足夠的數(shù)據(jù)量，使得旋耕機(jī)在同一工況下持續(xù)耕作約5 min，分別生成耕深質(zhì)量評估報(bào)表。

3.2.3結(jié)果分析

耕深精度試驗(yàn)共記錄12個(gè)測點(diǎn)的對比數(shù)據(jù)信息，由于在試驗(yàn)過程中，液壓缸的提升和收縮完全由操作員憑經(jīng)驗(yàn)控制，因此，去程試驗(yàn)測點(diǎn)數(shù)量和回程試驗(yàn)測點(diǎn)數(shù)量稍有不同，試驗(yàn)結(jié)果如圖13所示。根據(jù)測量值與實(shí)際值的數(shù)據(jù)，通過該系統(tǒng)測量的耕深與實(shí)際耕深基本吻合，最大誤差為0.80 cm，出現(xiàn)在測點(diǎn)11處。經(jīng)計(jì)算，去程平均誤差為0.51 cm，回程平均誤差為0.56 cm，滯后誤差較小，表明監(jiān)測系統(tǒng)較穩(wěn)定?？傮w平均誤差為0.53 cm，均方根誤差為0.55 cm，可見通過該監(jiān)測系統(tǒng)獲得的測量值與實(shí)際值的符合度較高，且具有較高的穩(wěn)定性。

圖13 耕深監(jiān)測系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果Fig.13 Tilling depth test result

從實(shí)際值和測量值來看，當(dāng)耕深小于11 cm時(shí)，測量值明顯高于實(shí)際值，且隨著耕深的增加測量值逐漸接近實(shí)際值；當(dāng)耕深大于11 cm時(shí)，測量值明顯低于實(shí)際值，且隨著耕深的增加測量值越來越偏離實(shí)際值。表現(xiàn)在圖13中，測量值由高于實(shí)際值變化為低于實(shí)際值隨后又高于實(shí)際值，產(chǎn)生這樣的變化趨勢可能與結(jié)構(gòu)件的受力形變有關(guān)。根據(jù)式(2)可知，在旋耕過程中，相關(guān)結(jié)構(gòu)件會(huì)發(fā)生不同程度的形變，而形變量與耕深直接相關(guān)，耕深越大，結(jié)構(gòu)件受力越大，產(chǎn)生形變越大。因此，通過擬合的方法獲得的K、P、C為不同形變下的均值。當(dāng)耕深較小時(shí)，結(jié)構(gòu)件受力較小，形變較小，通過擬合曲面獲得的測量值就偏大，反之，則偏小。但在實(shí)際旋耕作業(yè)中，耕深一般要求在10～16 cm之間，此范圍剛好跨越曲線交叉點(diǎn)，這表明測量值更能接近實(shí)際值。

本文對比試驗(yàn)的誤差來源主要包括旋耕耕深監(jiān)測系統(tǒng)的系統(tǒng)誤差和人工測量誤差，由于每個(gè)測點(diǎn)的耕深需要人工測量多次取平均值，也就不可避免地出現(xiàn)偶然誤差。根據(jù)測量結(jié)果，本次驗(yàn)證試驗(yàn)的耕深最大誤差不超過0.80 cm，偶然誤差可能是導(dǎo)致該誤差的最大原因。但是綜合來看，0.80 cm的誤差并不會(huì)對旋耕質(zhì)量產(chǎn)生較大影響，是可以被接受的，表明本文旋耕耕深監(jiān)測系統(tǒng)能夠代替人工對旋耕作業(yè)深度進(jìn)行監(jiān)測。

耕深質(zhì)量評估試驗(yàn)共記錄3組耕深質(zhì)量報(bào)表數(shù)據(jù)信息，如表2所示。由于監(jiān)測系統(tǒng)定位數(shù)據(jù)較多，表中僅顯示了每塊地上傳的第一個(gè)定位信息，不同的定位坐標(biāo)表明該監(jiān)測系統(tǒng)的位置分辨能力良好，有助于大范圍推廣和后期數(shù)據(jù)管理。由于耕深數(shù)據(jù)較多，僅對耕深測點(diǎn)數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，報(bào)表內(nèi)容還包括旋耕平均耕深、狀態(tài)評估、耕深穩(wěn)定性系數(shù)、平均作業(yè)速度和已耕總面積等，表明該監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)π钯|(zhì)量進(jìn)行較全面評估。

表2 旋耕耕深質(zhì)量報(bào)表統(tǒng)計(jì)結(jié)果Tab.2 Statistics of rotary tillage depth quality

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)耕層較淺時(shí)，系統(tǒng)顯示耕深穩(wěn)定性系數(shù)評估值偏小，可能原因是耕層越淺，評估值受到測量誤差影響越明顯，越不能反映真實(shí)情況，因此未來還需要對其進(jìn)一步深度優(yōu)化。綜合來看，耕深質(zhì)量評估報(bào)表能夠?qū)π钯|(zhì)量進(jìn)行較全面評估，表明本文旋耕耕深監(jiān)測系統(tǒng)具有一定優(yōu)越性。

4 結(jié)論

(1)結(jié)合懸掛式旋耕機(jī)組結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對旋耕機(jī)姿態(tài)進(jìn)行了理論分析，確定了旋耕機(jī)耕深與懸掛姿態(tài)之間的非線性關(guān)系式，進(jìn)而建立了以下拉桿和機(jī)架平面的水平傾角為變量的耕深測量模型，在模型中引入誤差補(bǔ)償，以減少懸掛式旋耕機(jī)組的結(jié)構(gòu)形變和車輪下陷等因素對模型參數(shù)的影響。

(2)設(shè)計(jì)了由耕深數(shù)據(jù)采集模塊、衛(wèi)星定位模塊、遠(yuǎn)程通信模塊、終端顯示模塊和CPU處理模塊等組成的懸掛式旋耕機(jī)耕深監(jiān)測系統(tǒng)，采用Visual Basic 6.0語言編寫軟件系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對旋耕機(jī)組的耕深實(shí)時(shí)監(jiān)測、耕深預(yù)警顯示、實(shí)時(shí)位置顯示和實(shí)時(shí)作業(yè)面積和速度顯示等功能。

(3)進(jìn)行了懸掛式旋耕機(jī)耕深監(jiān)測系統(tǒng)與人工測量的對比試驗(yàn)，結(jié)果顯示，系統(tǒng)監(jiān)測值與人工測量值的最大誤差為0.80 cm，平均誤差為0.53 cm，均方根誤差為0.55 cm，表明該監(jiān)測系統(tǒng)滿足旋耕耕深測量要求，具有較高的穩(wěn)定性。通過耕深質(zhì)量評估試驗(yàn)生成多組帶有位置信息的評估報(bào)表，內(nèi)容包括定位信息、耕深數(shù)據(jù)、狀態(tài)評估、穩(wěn)定性評估等，表明該監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)π钯|(zhì)量進(jìn)行較全面評估，具有一定優(yōu)越性。