葉洲

浙江機電職業(yè)技術學院,浙江 杭州310053

在農業(yè)機械化和智能化水平不斷提高的背景下，種植農作物的各類機具也在更新?lián)Q代。農墾地修整有利于更有效地種植農作物，進而提高農作物的收成和質量[1]。智能化控制既能發(fā)揮出農墾地修整機械的效率，又能使土壤的疏松和平整達到最佳狀態(tài)，因此農墾地修整機械的智能化控制系統(tǒng)開發(fā)成為農業(yè)現(xiàn)代化領域的一項重要研究課題。從國內外研究成果看，美國、加拿大、澳大利亞等國家的相關研究起步較早，在上世紀八十年代末就有相關的論述出現(xiàn)。國內的研究起始于二十一世紀初，大約晚了十多年。Indumathi 等對美國加利福尼亞州農作物種植的智能化控制現(xiàn)狀進行了調查研究，發(fā)現(xiàn)該州的農民在土地灌溉和修整的時候，普遍采用一種聯(lián)合型的機械，該機械由加利福尼亞大學發(fā)明并在州內推廣，由于智能化控制水平高，被農民廣泛采用[2]。Kamel 等總結了澳大利亞農業(yè)溫室種植的智能化控制現(xiàn)狀，提出一種新型的智能化控制方案，在計算機控制的基礎上加入物聯(lián)網(wǎng)技術，通過傳感器和全球定位系統(tǒng)使溫室土地修整達到更高的水平[3]。林力鑫探討了智能化控制系統(tǒng)在溫室大棚中的應用，包括土地平整、溫濕度控制、光照調節(jié)等，認為智能化控制系統(tǒng)能夠促進高效、高產的技術型農業(yè)生產方式[4]。本文在前人研究成果的基礎上，設計了一種農墾地修整機械的智能化控制系統(tǒng)，創(chuàng)新之處在于加入了深度控制理念，進一步發(fā)揮出自動化控制的效果。

1 農墾機械的工作原理與智能化控制系統(tǒng)設計

1.1 工作原理

農墾地修整機械能夠實現(xiàn)挖掘、碎土、平整土地等多項操作，為農民節(jié)省大量的勞動力[5]。該機械的工作原理：通過動力牽引進行農墾地的修整工作，其中刀具用于挖掘和碎土，鎮(zhèn)壓器用于平整土壤。在作業(yè)的過程中，最重要的是如何掌控各部件的力度和入土深度，這就需要該機械各環(huán)節(jié)的協(xié)調，使修整后的土地上虛下實，達到農墾地修整的目的。為使刀具的使用壽命得到延長，需要分析刀具的應力和位置，通過試驗進行結構優(yōu)化，盡量避免應力的集中。刀具的運動軌跡如圖1 所示，修整機械的入土控制結構如圖2 所示。

圖1 刀具的運動軌跡圖Fig.1 Tool path diagram

圖2 修整機械控制深度的結構圖Fig.2 Structural drawing of finishing mechanical control depth

1.2 智能化控制系統(tǒng)設計

按照修整機械的作業(yè)要求，需要在作業(yè)過程中進行智能化控制操作，具有自動反饋功能及相關的控制程序。智能化控制系統(tǒng)能夠讀取安裝在修整機械中的傳感器數(shù)據(jù)，獲取機具的位置信息及其它相關信息，在計算之后根據(jù)結果選擇控制模式，利用D/A 轉換完成程序控制并執(zhí)行相應動作。本系統(tǒng)的整體流程圖如圖3 所示，監(jiān)控人員通過上位機掌控修整機械的作業(yè)。

本系統(tǒng)引入了深度控制理念，即精準控制修整機械的入土深度，這是整個系統(tǒng)的核心所在，能夠極大地提高修整機械的智能化控制效果，使平整后的農墾地上虛下實，利于農作物生長，從而形成更強的工作效率。修整機械入土深度控制流程如圖4 所示。

圖3 系統(tǒng)整體流程圖Fig.3 Overall flow chart of the system

圖4 修整機械入土深度控制流程圖Fig.4 Flow chart forthe control of the depth of the trimming machine into the soil

根據(jù)相應的約束條件及線性回歸計算結果，以PID 閉環(huán)的方式進行自動調節(jié)和控制，實現(xiàn)精準控制修整機械入土深度的目的。在這里要考慮到修整機械的作業(yè)位置、作業(yè)力度、行進速度、偏離角度和垂直運動范圍等相關的影響因素。

2 實驗與分析

2.1 實驗條件設置

本實驗通過設計好的智能化控制系統(tǒng)對農墾地修整機械進行控制操作，實驗地點為農田，在相關的影響因素中選擇行進速度和偏離角度作為關鍵性因素，設定的標準數(shù)值如表1 所示。

表1 關鍵性因素的標準數(shù)值設定Table 1 Standard value setting of key factors

在實驗過程中需準確記錄實際數(shù)值，除了關鍵性因素數(shù)值之外，還有單位面積和深度的整體土量和實際碎土量，然后計算碎土率和農墾地平整度，其中平整度用標準差表示，單位為cm，要求＜0.9 cm 才合格，且越小越好，而碎土率則要求＞95%才合格。碎土率計算公式如下：

在上式中，GS為實際碎土量，GN為整體土量。

農墾地平整度計算公式如下：

2.2 實驗結果分析

農墾地修整機械智能化控制的主要手段是改變機械的行進速度，使修整后的碎土率和平整度符合農作物生長要求。通過數(shù)據(jù)記錄及相關計算，本實驗的最終結果如表2 所示。

表2 實驗結果統(tǒng)計Table 2 Statistics of experimental results

根據(jù)實驗結果分析如下：

（1）農墾地修整機械的行進速度在8.0～11.0 km/h 之間，農墾地的平整度最高為0.83 cm，最低為0.77 cm，都在合格范圍內，而碎石率最低為97.2%，最高為98.9%，也處在合格范圍內。但是當農墾地修整機械的行進速度超過11.0 km/h，雖然碎土率更高，處于合格范圍內，但是平整度的標準差數(shù)值大幅上升，在農墾地修整機械的行進速度為11.5 km/h 時，平整度達到了0.92 cm，超出了合格范圍。且行進速度越快，平整度越高。由此可見，在確保碎土率處于合格范圍的條件下，需要對農墾地修整機械行進速度進行一定控制，合理范圍是8.0～11.0 km/h 之間。

（2）對比分析農墾地修整機械各行進速度所產生的結果，當行進速度處在9.5 km/h 的時候，農墾地平整度降到最低水平0.77 cm，且碎土率合格，說明這個行進速度可以讓農墾地平整度達到最佳。因此在系統(tǒng)參數(shù)設定時，盡量控制行進速度在9.5 km/h 左右。

4 結論

通過智能化控制系統(tǒng)實現(xiàn)農墾地修整機械的智能控制，能夠同時進行多項作業(yè)，包括翻地、碎土、平整等，極大地節(jié)省了勞動力，還能提高農業(yè)種植的工作效率。本文在分析農耕地修整機械工作原理的基礎上，設計了一種智能化控制系統(tǒng)，并引入深度控制理念，使農墾地修整機械的入土深度得到精確控制，有利于刀片、鎮(zhèn)壓器的入土控制，并通過傳感器得到單位面積和深度的整體土量、實際碎土量數(shù)值，方便農墾地平整度和碎石率的計算。根據(jù)實驗結果，在智能化控制系統(tǒng)的幫助下，可以實時調節(jié)農墾地修整機械的行進速度，當行進速度為9.5 km/h 的時候，農墾地平整度達到最佳。