王利娟,閆建國(guó),張 永,崔紅梅,劉海洋
(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,呼和浩特 010018)
田間地面不平度是引起農(nóng)業(yè)機(jī)械振動(dòng)的主要激勵(lì)源,振動(dòng)不僅嚴(yán)重危害操作人員的身體健康[1],且使農(nóng)業(yè)機(jī)械的機(jī)身、零部件長(zhǎng)時(shí)間承受較大的動(dòng)載荷,加速了機(jī)械部件的疲勞損壞,導(dǎo)致農(nóng)業(yè)機(jī)械維修次數(shù)的增加和使用壽命的縮短,從而影響和制約農(nóng)業(yè)機(jī)械的作業(yè)效率[2-3]。在分析農(nóng)用車輛的振動(dòng)特性時(shí),需獲得田間地面不平度信息和車輛的振動(dòng)傳遞特征,后者可通過理論計(jì)算或?qū)嶒?yàn)分析的方法獲得,但前者需通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試后統(tǒng)計(jì)分析得到[4]。因此,測(cè)試和研究田間地面不平度可為研究農(nóng)業(yè)機(jī)械振動(dòng)特性、改善和提高其舒適性能提供重要依據(jù)。
目前,田間地面不平度的測(cè)取還沒有成熟的商業(yè)產(chǎn)品,已有的測(cè)試裝置大多是對(duì)田間地面不平度的靜態(tài)測(cè)試[5-6]。該方法測(cè)試效率較低,主要用于土壤風(fēng)蝕等研究。開發(fā)的田間地面不平度動(dòng)態(tài)測(cè)試裝置基本都附帶于農(nóng)業(yè)機(jī)械的后方[7-8],盡管能夠?qū)崿F(xiàn)田間地面不平度的動(dòng)態(tài)測(cè)試,但不能解決田間地面不平度數(shù)據(jù)與由該不平度引起的拖拉機(jī)動(dòng)態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)適時(shí)對(duì)應(yīng)的問題,不利于準(zhǔn)確研究農(nóng)業(yè)機(jī)械與田間地面的耦合作用機(jī)理。
為解決上述問題,筆者設(shè)計(jì)開發(fā)了一種田間地面不平度測(cè)試裝置,能夠有效克服現(xiàn)有測(cè)試裝置存在的缺陷。該裝置通過激光傳感器來(lái)測(cè)取地面的不平度數(shù)據(jù),因此激光傳感器的精確標(biāo)定是測(cè)試裝置不平度數(shù)據(jù)準(zhǔn)確采集的基礎(chǔ)和保障。根據(jù)田間地面不平度測(cè)試裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),提出了該測(cè)試裝置中激光傳感器的標(biāo)定方法(即分段擬合標(biāo)定方法),并通過在田間高粱茬地的不平度檢驗(yàn),驗(yàn)證了此標(biāo)定方法的可行性和測(cè)試裝置的可靠性。
田間地面不平度測(cè)試裝置主要由測(cè)試機(jī)構(gòu)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)兩部分組成。測(cè)試機(jī)構(gòu)主要由拖拉機(jī)連接座、牽引橫梁、傳感器橫梁、地輪、平行四邊形導(dǎo)引機(jī)構(gòu)和不平度感應(yīng)片等部分組成,如圖1所示。其中,拖拉機(jī)連接座由平臺(tái)、安裝座及連接桿等組成,平行四邊形導(dǎo)引機(jī)構(gòu)由上鉸接板、下鉸接板、地輪導(dǎo)桿和套筒導(dǎo)桿等組成。
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由左右激光傳感器、1~4號(hào)加速度傳感器、GPS測(cè)速傳感器、信號(hào)調(diào)理單元、模擬多路開關(guān)、硬件積分器、高速數(shù)據(jù)采集處理器、RS232通信接口Ⅰ、RS232通信接口Ⅱ、PC機(jī)和電源管理模塊組成,如圖2所示。
圖1中,不平度測(cè)試機(jī)構(gòu)通過拖拉機(jī)連接座上的連接桿安裝于拖拉機(jī)前方的配重塊中,兩根平行設(shè)置的牽引橫梁通過銷子連接在拖拉機(jī)連接座上,在牽引橫梁的兩端通過地輪導(dǎo)桿各安裝1個(gè)平行四邊形導(dǎo)引機(jī)構(gòu),每個(gè)平行四邊形導(dǎo)引機(jī)構(gòu)的底部安裝1個(gè)地輪座,地輪則安裝在地輪座上。整個(gè)測(cè)試機(jī)構(gòu)是由兩個(gè)直徑為30cm的地輪所支撐,不平度感應(yīng)片安裝在地輪座的上部。在測(cè)試過程中,地輪可跟隨地面高程變化而相對(duì)于測(cè)試機(jī)構(gòu)上下運(yùn)動(dòng),由平行四邊形導(dǎo)引機(jī)構(gòu)確保地輪座上部的不平度感應(yīng)片在地輪上下運(yùn)動(dòng)時(shí)始終保持平行于地平面。地輪彈簧可確保地輪和測(cè)試地面時(shí)刻保持接觸,整個(gè)測(cè)試架由鋁合金材料制成,質(zhì)量較小,可近似認(rèn)為地輪不改變地表形狀,測(cè)量的結(jié)果可有效反應(yīng)田間地面的不平度。兩個(gè)激光傳感器安裝在傳感器橫梁上,并分別與兩側(cè)的不平度感應(yīng)片相對(duì)應(yīng),即布置在不平度感應(yīng)片的正上方,用來(lái)測(cè)試傳感器橫梁和不平度感應(yīng)片之間的距離。通過激光傳感器測(cè)試不平度感應(yīng)片的垂直位移來(lái)測(cè)得田間地面的原始不平度,避免了田間雜草或作物根茬對(duì)地面不平度測(cè)試的影響,特別適合對(duì)草地、免耕留茬地等田間地面不平度的測(cè)試。地輪間距及平行四邊形導(dǎo)引機(jī)構(gòu)與牽引橫梁的相對(duì)高度均可通過中部調(diào)節(jié)套筒和端部調(diào)節(jié)套筒來(lái)調(diào)節(jié),以測(cè)試不同寬度的平行軌跡的地面不平度。
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用于測(cè)試和采集田間地面不平度數(shù)據(jù)。其中,激光傳感器通過信號(hào)調(diào)理單元連接到高速數(shù)據(jù)采集處理器;1~4號(hào)加速度傳感器安裝在拖拉機(jī)車輪中心部位的車橋上,通過模擬多路開關(guān)、硬件積分器連接到高速數(shù)據(jù)采集處理器上,用于測(cè)試拖拉機(jī)車輪振動(dòng)而間接獲取測(cè)試地面的有效不平度;GPS速度傳感器安裝于拖拉機(jī)駕駛室頂部,用于測(cè)試拖拉機(jī)的行駛速度,通過RS232通信接口Ⅰ與高速數(shù)據(jù)采集處理器連接。數(shù)據(jù)采集處理器通過RS232通信接口Ⅱ與PC機(jī)實(shí)現(xiàn)通信,利用LabVIEW軟件編程,將根據(jù)從PC機(jī)接收到的采集控制命令對(duì)模擬多路開關(guān)、硬件積分器和所有傳感器數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)采集和記錄;同時(shí)將所采集的各傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)返回到PC機(jī),由PC機(jī)進(jìn)行初步分析處理,并實(shí)時(shí)顯示。電源管理模塊對(duì)供電電源進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換和濾波,以滿足所有傳感器、PC機(jī)和高速數(shù)據(jù)采集處理器的工作電壓?;谠摬黄蕉葴y(cè)試裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),可擴(kuò)展和開發(fā)車輛振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)的同步數(shù)據(jù)采集,為進(jìn)一步研究地面不平度與車輛耦合振動(dòng)奠定基礎(chǔ)。
激光位移傳感器具有測(cè)試精度高和性能穩(wěn)定等特點(diǎn),在地面不平度測(cè)試中也有廣泛應(yīng)用[6],而傳感器的精確標(biāo)定是后續(xù)數(shù)據(jù)測(cè)試的基礎(chǔ)和保障,因此在使用傳感器前必須對(duì)其性能指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)標(biāo)定,以提高不平度測(cè)試的準(zhǔn)確性。
1.傳感器橫梁 2.拖拉機(jī)連接座 3.牽引橫梁 4.激光傳感器 5.端部調(diào)節(jié)套筒 6.上鉸接板 7.中部調(diào)節(jié)套筒 8.地輪導(dǎo)桿 9.套筒導(dǎo)桿 10.下鉸接板 11.端板 12.地輪 13.地輪座 14.側(cè)耳 15.螺紋桿 16.螺母 17.地輪彈簧 18.不平度感應(yīng)片
圖2 數(shù)據(jù)采集終端的結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Block diagram of data acquisition system
傳感器的標(biāo)定就是通過試驗(yàn)建立傳感器輸出與輸入之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,并確定在不同使用條件下的誤差關(guān)系。其標(biāo)定方法是利用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備產(chǎn)生已知非電量(即標(biāo)準(zhǔn)輸入量),對(duì)被標(biāo)定傳感器的相應(yīng)輸出量進(jìn)行測(cè)試,并與標(biāo)準(zhǔn)輸入量進(jìn)行比較,作出標(biāo)定曲線,從而得到傳感器的實(shí)際測(cè)量結(jié)果,最后推斷出所標(biāo)定傳感器的各項(xiàng)性能指標(biāo)[9]。
文中設(shè)計(jì)的不平度測(cè)試裝置所用的測(cè)距儀器是美國(guó)邦納LT3NU W/30型激光位移傳感器,測(cè)試精度1mm,最大采樣頻率450Hz,測(cè)試距離范圍是0.3~5m,對(duì)應(yīng)的模擬量輸出電壓范圍是0~10VDC信號(hào)。LT3NU激光測(cè)距儀接線圖如圖3所示。選用0~10V模擬量輸出進(jìn)行標(biāo)定,棕色端接24V DC正極端,藍(lán)色端接24V DC 負(fù)極端,白色端和綠色端分別接DCS500模擬量輸入通道的正極端和負(fù)極端,屏蔽線接GND。
圖3 LT3NU激光測(cè)距儀接線圖Fig.3 Wiring diagram of LT3NU laser sensor
工程測(cè)試中,傳感器的標(biāo)定應(yīng)結(jié)合其使用特點(diǎn)和條件,根據(jù)測(cè)試目標(biāo)距離范圍確定傳感器的標(biāo)定位移范圍,使0~10V的傳感器輸出電壓分布在測(cè)試所需的目標(biāo)距離范圍,實(shí)現(xiàn)小的距離范圍對(duì)應(yīng)有大的傳感器信號(hào)電壓輸出特征,達(dá)到提高位移測(cè)試精度的目標(biāo)。同時(shí),根據(jù)測(cè)試農(nóng)田地面的不同特征,不平度測(cè)試分別采用直接測(cè)試法和間接測(cè)試法,兩種測(cè)試方法的測(cè)試距離范圍也有所差別,因此采用分段擬合標(biāo)定法來(lái)進(jìn)一步提高田間地面的不平度測(cè)試精度。
本文所用激光位移傳感器安裝于農(nóng)田地面不平度測(cè)試裝置的傳感器橫梁上(見圖1),距離地面的高度是1.15m,與地輪上方的不平度感應(yīng)片之間距離是0.75m。根據(jù)測(cè)試農(nóng)田地面特征的不同,不平度測(cè)試分別采用直接測(cè)試法和間接測(cè)試法。直接測(cè)試法是傳感器直接測(cè)試地面的高程變化來(lái)測(cè)得地面不平度,適用于測(cè)試田間路面或沒有植物的地面不平度;間接測(cè)試是通過測(cè)試不平度感應(yīng)片的高度變化來(lái)測(cè)得地面不平度,適用于測(cè)試田間有雜草或作物根茬的地面不平度。
根據(jù)ISO8608對(duì)路面不平度的分級(jí)[10],8級(jí)路面(即不平度最大的H級(jí)路面)的位移高程均方根值為487.22×10-3m。已有研究表明,農(nóng)田地面不平度多數(shù)介于C級(jí)、D級(jí)和E級(jí)之間[7],因此農(nóng)田地面不平度高程變化范圍不超過0.1m,由此確定在直接測(cè)試中傳感器的位移范圍是1.1~1.2m;為留有測(cè)試余量,標(biāo)定范圍確定為1.05~1.3m,在間接測(cè)試中傳感器的位移范圍是0.7~0.8m,為留有測(cè)試余量,標(biāo)定范圍確定為0.6~0.85m。因此,確保傳感器在0.6~1.3m范圍內(nèi)的測(cè)試精度對(duì)該不平度測(cè)試裝置的測(cè)試準(zhǔn)確性是非常關(guān)鍵的。
激光位移傳感器的測(cè)試距離范圍是0.3~5m,對(duì)應(yīng)的模擬量輸出電壓范圍是0~10VDC信號(hào),而在該不平度測(cè)試系統(tǒng)中所需的測(cè)試距離范圍是0.6~1.3m。為了既能完成實(shí)測(cè)任務(wù),留有一定的測(cè)試余量,又能保證傳感器的測(cè)試精度,選擇其最小的標(biāo)定位移值為0.3m,最大的標(biāo)定位移值為2.2m。在該位移范圍先整體標(biāo)定,然后再采用分段擬合標(biāo)定法,比較兩種標(biāo)定法的測(cè)試效果。
激光傳感器由激光傳感器、萬(wàn)用表、1號(hào)標(biāo)定桿、2號(hào)標(biāo)定桿、激光傳感器固定座及激光感應(yīng)板(粘貼有白色相紙)組成,如圖4所示。
1.萬(wàn)用表 2.激光感應(yīng)板 3.1號(hào)標(biāo)定桿 4.激光傳感器 5.激光傳感器固定座 6.2號(hào)標(biāo)定桿
圖4中,1號(hào)標(biāo)定桿與2號(hào)標(biāo)定桿保持垂直放置,傳感器固定在傳感器固定座上、萬(wàn)用表的正負(fù)極分別與傳感器白色端和地端連接。根據(jù)LT3NU激光位移傳感器的標(biāo)定說(shuō)明,標(biāo)定操作步驟如下:
1)在LT3NU激光位移傳感器的顯示面板上,按TEACH示教鍵,進(jìn)入示教模式,此時(shí)TEACH綠色指示燈點(diǎn)亮;
2)將激光感應(yīng)板放置在最小位移值0.3m位置處,定穩(wěn)后再按TEACH示教鍵,標(biāo)定最小值,此時(shí)TEACH綠色指示燈閃爍;
3)再將激光感應(yīng)板放置在最大位移值2.2m位置處,定穩(wěn)后再按TEACH示教鍵,標(biāo)定最大值,此時(shí)TEACH綠色燈熄滅,標(biāo)定完成;
4)將激光感應(yīng)板放置在所設(shè)計(jì)的測(cè)量點(diǎn)位置處,利用激光傳感器進(jìn)行測(cè)量,讀出萬(wàn)用表讀數(shù),驗(yàn)證標(biāo)定結(jié)果是否正確。
以1號(hào)激光位移傳感器的標(biāo)定為例,按照上述步驟,0.3~2.2 m范圍傳感器標(biāo)定結(jié)果如表1所示。
表1 激光傳感器在0.3-2.2 m范圍的標(biāo)定參數(shù)Table 1 Calibration parameters of laser sensor in the displacement range of 0.3-2.2 m
選取表1中所列出的標(biāo)準(zhǔn)距離,采用萬(wàn)用表測(cè)量出激光傳感器對(duì)應(yīng)的輸出電壓值。利用最小二乘法將標(biāo)準(zhǔn)距離和傳感器輸出電壓擬合得到傳感器的特性方程為y=0.190x+0.286,x是傳感器電壓(V),y是測(cè)試距離(m),如圖5所示。根據(jù)擬合方程可以得到對(duì)應(yīng)傳感器輸出電壓的計(jì)算距離,便可求得0.3~2.2m的傳感器測(cè)試范圍內(nèi)絕對(duì)誤差為2.8~21.9mm。
圖5 激光傳感器在0.3~2.2m范圍的擬合圖Fig.5 Fitting diagram of laser sensor in 0.3-2.2 m range
提高傳感器測(cè)試的精確性是傳感器標(biāo)定的目標(biāo),為了減少測(cè)量誤差,使得傳感器的測(cè)試結(jié)果更準(zhǔn)確,根據(jù)不平度測(cè)試裝置的實(shí)際需要,直接測(cè)試中傳感器的標(biāo)定范圍為1.05~1.3m,間接測(cè)試中傳感器的標(biāo)定范圍為0.6~0.85m。因此,采用分段擬合標(biāo)定方法,即選取0.6~0.85m范圍內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)距離值與傳感器輸出電壓值進(jìn)行擬合,得到的傳感器特性方程為y=0.222x+0.222,如圖6所示。根據(jù)擬合方程可得到計(jì)算距離和誤差值,如表2所示。選取1.05~2.2m范圍內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)距離值與傳感器輸出電壓值進(jìn)行擬合,得到的傳感器特性曲線為y=0.1971x+0.2396,如圖7所示。根據(jù)擬合方程可以得到計(jì)算距離與誤差值,如表3所示。
圖6 激光傳感器在0.6~0.85m范圍的擬合圖Fig.6 Fitting diagram of laser sensor in 0.6~0.85 mrange
表2 激光傳感器在0.6~0.85m范圍的標(biāo)定參數(shù)Table 2 Calibration parameters of laser sensor in the displacement range of 0.6~0.85m
圖7 激光傳感器在1.05~1.3m范圍的擬合圖Fig.7 Fitting diagram of laser sensor in 1.05~1.3mrange
由圖6可以看出:其擬合方程在0.6~0.85m范圍內(nèi)呈現(xiàn)較好的線性特征,各測(cè)量點(diǎn)較理想的落在擬合線上。由表2可以看出:該擬合方程使傳感器在0.6~0.85m范圍測(cè)試時(shí)的絕對(duì)誤差為0.5~5mm,而采用整段標(biāo)定法時(shí)傳感器在0.6~0.85m范圍的誤差為5.2~21.9mm(見表1)。因此,分段擬合標(biāo)定法明顯減小了測(cè)試誤差,保障了不平度測(cè)試裝置在間接測(cè)試地面不平度時(shí)的準(zhǔn)確性。
由圖7可以看出:其擬合方程在1.05~1.3m范圍內(nèi)呈現(xiàn)較好的線性特征,各測(cè)量點(diǎn)均較理想的落在擬合線上。由表3可以看出:該擬合方程使傳感器在1.05~1.3m范圍測(cè)試時(shí)的絕對(duì)誤差是0~0.9mm,而采用整段標(biāo)定法時(shí)傳感器在1.05~1.3m范圍的誤差是8.2~11.3mm(見表1)??梢姡侄螖M合標(biāo)定法明顯減小了測(cè)試誤差,保障了不平度測(cè)試裝置在直接測(cè)試地面不平度時(shí)的準(zhǔn)確性。
表3 激光傳感器在1.05~1.3m范圍的標(biāo)定參數(shù)Table 3 Calibration parameters of laser sensor in the displacement range of 1.05~1.3m
采用分段擬合標(biāo)定方法,提高了激光傳感器的測(cè)試精度,保證了測(cè)試裝置測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。2號(hào)激光位移傳感器的標(biāo)定方法也采用類似于1號(hào)傳感器的標(biāo)定方法。
為了驗(yàn)證傳感器標(biāo)定的準(zhǔn)確性及不平度測(cè)試裝置的測(cè)試效果,在高粱茬田地上對(duì)檢驗(yàn)裝置的輪廓進(jìn)行測(cè)試。檢驗(yàn)裝置是兩個(gè)木制的梯形凸臺(tái),尺寸如圖8所示。
圖8 梯形凸臺(tái)尺寸Fig.8 Trapezoidal bump dimensions
其中,0.7m和0.9m的凸臺(tái)分別放置于左右兩側(cè),不平度測(cè)試裝置的左右地輪分別經(jīng)過左右凸臺(tái),通過比較凸臺(tái)的測(cè)量輪廓與實(shí)際輪廓之間的差異來(lái)驗(yàn)證,該方法通常可用于不平度測(cè)試裝置測(cè)試效果的檢驗(yàn)[11]。拖拉機(jī)附帶不平度測(cè)試裝置的測(cè)試速度保持在1km/h。測(cè)量輪廓與實(shí)際輪廓之間的差異可以用均方根誤差(RMSE)來(lái)表示。
其中,ymi是與i時(shí)刻對(duì)應(yīng)的凸臺(tái)輪廓的測(cè)量值;yai是與i時(shí)刻對(duì)應(yīng)的凸臺(tái)輪廓的實(shí)際值;n是凸臺(tái)點(diǎn)的測(cè)量點(diǎn)數(shù)。
不平度測(cè)試裝置在高粱茬地中的檢驗(yàn)如圖9所示,測(cè)得的凸臺(tái)輪廓較好地貼合檢驗(yàn)凸臺(tái)的實(shí)際輪廓。其中,0.7m凸臺(tái)和0.9m凸臺(tái)的實(shí)際輪廓的均方根值RMS分別為78.6mm和74.5mm,測(cè)試裝置在高粱茬田間的測(cè)量輪廓均方根值RMS分別為 79.8mm和76.2mm,左右兩凸的均方根誤差RMSE分別為3.4mm和4.5mm。測(cè)試裝置在高粱茬田間的不平度測(cè)試有效性檢驗(yàn)中的均方根誤差RMSE均不超過6mm,所以凸臺(tái)測(cè)試的均方根誤差RMSE相對(duì)于其均方根值RMS很小。田間試驗(yàn)結(jié)果表明:所設(shè)計(jì)的不平度測(cè)試裝置及其激光位移傳感器的標(biāo)定方法能夠滿足田間地面不平度測(cè)試的要求。
圖9 測(cè)試裝置在高粱茬田間不平度的有效性檢驗(yàn)Fig.9 Validity check of profling test in sorghum stubble field
1)開發(fā)了一種田間地面不平度測(cè)試裝置,利用激光傳感器測(cè)量不平度感應(yīng)片的垂直位移來(lái)獲取田間地面的原始不平度,避免了田間雜草或作物根茬對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響,提高了田間地面不平度的測(cè)試效率。其安裝于拖拉機(jī)前方的測(cè)試機(jī)構(gòu)與拖拉機(jī)實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)行,保證了田間地面不平度數(shù)據(jù)與由其引起的拖拉機(jī)動(dòng)態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)對(duì)應(yīng),使田間地面不平度的測(cè)試更具現(xiàn)實(shí)意義。
2)根據(jù)不平度測(cè)試裝置的測(cè)試位移范圍,提出了分段擬合標(biāo)定方法。在0.6~0.85 m范圍內(nèi),傳感器的測(cè)試誤差范圍由5.2~29.1mm減小為0.5~5mm;在1.05~1.3m范圍內(nèi),傳感器的測(cè)試誤差范圍由8.2~11.3 mm減小為0~0.9mm。由此保證了測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。
3)通過兩個(gè)尺寸已知的木制梯形凸臺(tái)對(duì)測(cè)試裝置的測(cè)試效果進(jìn)行檢驗(yàn),在高粱茬田地中,左右兩凸臺(tái)的RMSE值分別為3.4mm和4.5mm,滿足田間地面不平度測(cè)試的要求。