王晉 王旭光 程建波

摘 要：馬鈴薯是世界上僅次于小麥、水稻和玉米之后的第四大糧食作物，世界種植面積約2200萬hm2[1]。我國現(xiàn)階段的馬鈴薯聯(lián)合收獲的機械化程度并不高，存在著操作復(fù)雜，電氣化程度低，人工投入大等問題，為此研制出適應(yīng)我國北方規(guī)模化種植區(qū)的馬鈴薯聯(lián)合收獲機，操作簡便，機電液儀結(jié)合自動化程度高，減少雇工、降低勞動強度，改善我國馬鈴薯收獲的機械化狀況，提高農(nóng)業(yè)機械化技術(shù)水平。以德沃集團設(shè)計的4UML-180牽引式馬鈴薯聯(lián)合收獲機為基礎(chǔ)，為其設(shè)計了一套收獲機控制系統(tǒng)，以解決上述問題。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)機械;馬鈴薯聯(lián)合收獲機;控制系統(tǒng)

中圖分類號：S225.71 ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2020.01.001Open Science Identity（OSID）

Absrtact：Potato is the fourth largest food crop in the world after wheat， rice and corn， with an area of about 22 million hm2.Potato harvest mechanization degree is not high at the present stage in China， there exists a complex operation， low degree of electrification， artificial into more problems， therefore developed to adapt to the potato combine in north China region， easy to operate， and combining degree is high， reduce artificial working strength etc. improve China's potato harvester， improve the level of agricultural machinery design.Based on the 4UML-180 traction potato harvester designed by devo group， a set of control system of harvester is designed to solve the above problems.

Keywords： agricultural machinery;potato harvesting;control systems

0 引言

馬鈴薯收獲是馬鈴薯產(chǎn)業(yè)全程機械化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，目前國內(nèi)的聯(lián)合收獲機械化程度仍然較低，受其影響，在收獲環(huán)節(jié)中，作業(yè)成本高、機器投入量大、人工投入多。國內(nèi)現(xiàn)有馬鈴薯聯(lián)合收獲機產(chǎn)品種類繁多，但多數(shù)是通過引進國外設(shè)備進行消化吸收，取得了一定進步[1]。但一味地模仿并不能適應(yīng)我國國內(nèi)現(xiàn)有的馬鈴薯種植模式以及收獲的農(nóng)藝特點。以德沃集團自行研制的4UML-180牽引式馬鈴薯聯(lián)合收獲機為基礎(chǔ)，自主開發(fā)一套符合機器特點和農(nóng)藝要求的收獲機控制系統(tǒng)。

鑒于系統(tǒng)實時信息處理的特殊要求以及現(xiàn)場應(yīng)用性，選用應(yīng)用廣泛的STM32處理器進行信息采集處理。同時，隨著嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展與不斷完善，將嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用在農(nóng)業(yè)機械中會是未來發(fā)展的道路。

STM32系列微處理器是由意法半導(dǎo)體（STMicroelectronics）集團推出的高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用設(shè)計的微處理器[2]。

1 馬鈴薯聯(lián)合收獲機工作原理

1.1 主要結(jié)構(gòu)

4UML-180型牽引式馬鈴薯聯(lián)合收獲機結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由挖掘機構(gòu)、傳動系統(tǒng)、抖動機構(gòu)、分秧機構(gòu)、輸送機構(gòu)、分揀平臺、提升機構(gòu)、液壓缸和料斗箱等部分構(gòu)成。采用正牽引形式與拖拉機掛接。拖拉機動力輸出軸將動力通過傳動軸帶動液壓泵工作，為整機的液壓馬達提供動力，其余運動機構(gòu)由拖拉機的液壓輸出端提供動力。

1.2 工作原理

機器作業(yè)前，將挖掘部分通過液壓調(diào)節(jié)至適當(dāng)高度。機器作業(yè)時，挖掘鏟入土200～250 mm將馬鈴薯鏟出連帶土壤和秧、雜草等送至一級傳動，隨后經(jīng)過一級抖動與二級抖動，將大部分碎土去除;剩余的雜土、馬鈴薯、秧和雜草等進入一級分秧機構(gòu)，通過對輥相向轉(zhuǎn)動分離部分馬鈴薯秧和雜草;再經(jīng)過二級傳動后進入二級分秧機構(gòu)，液壓馬達驅(qū)動二級分秧機構(gòu)帶動帶有倒鉤狀的除雜帶向車尾旋轉(zhuǎn)，將上一級剩余的大部分秧和雜草拋至車尾外部，剩余的馬鈴薯、少量的雜土、土塊和少量的薯秧進入提升籠，由數(shù)個網(wǎng)兜組成提升籠可將一部分碎土篩掉。經(jīng)過提升籠后，絕大部分雜質(zhì)被篩掉，剩余馬鈴薯及少量土塊與秧稈被提升至一級輸送，其中一級輸送、二級輸送兩側(cè)設(shè)有分揀平臺，由分揀平臺兩側(cè)配置人工對馬鈴薯中摻雜的石塊、秧和雜草進行最后的分揀。最后，馬鈴薯通過三級輸送進入料斗箱。至此，完成一個工作循環(huán)。

2 系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)的硬件構(gòu)成如圖2所示。設(shè)計的控制系統(tǒng)以STM32 ?F4芯片作為主控制芯片，以主芯片制作的控制主板安裝在收獲機上，駕駛室中放置人機界面與操控盒。駕駛室中人機界面以CAN總線通訊方式與主板通訊，操控盒以CAN總線通訊方式與主板通訊，其余各個傳感器以直連的方式與主板相連接。執(zhí)行元件通過驅(qū)動板來驅(qū)動運轉(zhuǎn)[3，4]。

2.1 信號分類

馬鈴薯聯(lián)合收獲機信號種類可以分為五類：模擬量輸入、開關(guān)量輸入、模擬量輸出、開關(guān)量輸出和CAN總線。模擬量輸入信號參數(shù)主要是傾角傳感器、兩個角度傳感器和超聲波傳感器，用于收集車身水平狀態(tài)、挖掘深度、轉(zhuǎn)向角度與入料斗輸送帶高度;開關(guān)量輸入信號主要是布置在各個油缸的極限位置，作為限定運動行程用，用于超聲波油缸、挖掘油缸、仿形油缸和轉(zhuǎn)向油缸。傳感器采集到的信號經(jīng)過調(diào)理電路，包括放大、隔離、濾波等處理，進入A/D轉(zhuǎn)換器中進行轉(zhuǎn)換，輸入到STM32芯片中進行數(shù)據(jù)的處理分析。模擬量輸出信號主要是用來控制提升馬達、輸送馬達、除雜馬達和料斗馬達的轉(zhuǎn)速，其中這四組馬達均為單向轉(zhuǎn)動;開關(guān)量輸出信號主要是用來控制超聲波油缸、挖掘油缸、仿形油缸和轉(zhuǎn)向油缸的運動換向。但是由于STM32 的模擬量輸出和開關(guān)量輸出的容量不足以驅(qū)動馬達與油缸，所以在兩者間加了模擬量輸出驅(qū)動板與開關(guān)量輸出驅(qū)動板，確保馬達與油缸可以正常運轉(zhuǎn)。CAN總線主要是用于STM32與人機界面和STM32與控制器之間的數(shù)據(jù)通訊。使用CAN總線的好處：一是對數(shù)據(jù)傳輸進行標(biāo)準(zhǔn)化，使得這些數(shù)據(jù)的讀寫具有高可靠性、可擴展性和靈活性;二是對參數(shù)進行分類，可以減少節(jié)點數(shù)和ID數(shù)，提高效率，便于測試與管理。

2.2 控制系統(tǒng)設(shè)計

控制系統(tǒng)是以STM32芯片作為控制核心，配合傳感器所檢測的數(shù)據(jù)與液壓系統(tǒng)的被控特性來實現(xiàn)馬鈴薯聯(lián)合收獲機的動作控制。

此款馬鈴薯聯(lián)合收獲機采用“手動+自動”模式進行控制。手動模式主要包括挖掘部的升降、料斗升降、料斗門開閉、馬達開關(guān)。這幾部分的開關(guān)需要機手通過視覺、監(jiān)控屏幕以及人機界面數(shù)據(jù)顯示來做出動作判斷;手動模式下，所有的液壓系統(tǒng)動作均為單動，各個動作之間沒有邏輯關(guān)系，控制器如圖3所示。

自動模式主要包括入料斗傳送帶高度控制、車身水平控制兩個主要方面。在機器作業(yè)時，這兩部分會根據(jù)傳感器的檢測數(shù)據(jù)進行自行控制所關(guān)聯(lián)液壓系統(tǒng)的動作，實現(xiàn)自動控制部分的工作。以上動作基于用戶按鍵輸入以及傳感器檢測信號作為輸入信號，通過運行STM32內(nèi)存儲的程序來控制液壓系統(tǒng)的動作，液壓系統(tǒng)通過控制挖掘部分，輸送部分，除雜部分以及入料斗輸送帶等部件，實現(xiàn)馬鈴薯的挖掘、除雜、收獲。同時，與STM32通過CAN總線通訊的人機界面與控制器實現(xiàn)人機交互功能。

2.3 模糊控制原理

對馬鈴薯聯(lián)合收獲機入料斗輸送帶高度進行實時控制，采用模糊控制原理，通過控制液壓電磁閥繼電器通電時間來控制入料斗輸送帶高度。

在對馬鈴薯聯(lián)合收獲機入料斗輸送帶（以下簡稱輸送帶）高度進行模糊控制時，利用傳感器檢測數(shù)據(jù)和當(dāng)量高度構(gòu)建模型;采用傳感器檢測到的輸送帶距離馬鈴薯堆實際高度數(shù)據(jù)，與控制系統(tǒng)設(shè)定的輸送帶目標(biāo)高度進行比較，可以得到輸送帶高度的偏差以及偏差變化率;經(jīng)過控制器的模糊推理、判斷運算后控制輸出環(huán)節(jié);通過控制液壓電磁閥閥體繼電器通電時間對輸送帶高度進行實時控制[5，6]。工作原理如圖4所示。

圖中e為輸送帶高度偏差數(shù)值;E、Ec分別為輸送帶高度偏差和偏差變化率;U為控制輸出，具體到系統(tǒng)內(nèi)就是電磁閥通電時間;y為控制系統(tǒng)的輸出，經(jīng)過換算后為實際輸送帶高度Q′。模糊控制將輸送帶高度控制在工作設(shè)定的輸送帶高度Q范圍內(nèi)。

3 特點分析

結(jié)合控制器面板按鈕，對馬鈴薯聯(lián)合收獲機進行特點分析，主要針對以下幾部分分析：挖掘機構(gòu)、轉(zhuǎn)向部分、車身調(diào)平、入料斗輸送帶高度以及馬達速度等五方面。挖掘機構(gòu)：挖掘鏟可通過按鍵進行一鍵升起與一鍵下降操作，此操作可加快作業(yè)效率，減少機手手動調(diào)整過程，使得整個作業(yè)過程更加快速高效。轉(zhuǎn)向部分：由于車體較長，在田間作業(yè)需要掉頭或是道路行駛中需要轉(zhuǎn)彎，為了減小轉(zhuǎn)彎半徑，機器后輪可以通過操控器上的搖桿進行左右調(diào)整，并且增加回正按鈕，在調(diào)整完畢后，恢復(fù)至初始位置。車身調(diào)平：田間作業(yè)以及農(nóng)村道路行駛中，由于道路條件差，經(jīng)常會出現(xiàn)凹坑或凸起情況，亦或是土地整體呈現(xiàn)坡度，機器行駛在以上道路上，存在著側(cè)翻的風(fēng)險，為了降低風(fēng)險發(fā)生的可能性，機器后橋部分可以繞支點做轉(zhuǎn)動，時刻令車體部分與地平面保持水平關(guān)系。入料斗輸送帶高度可調(diào)：馬鈴薯收獲塊莖損傷是影響馬鈴薯品質(zhì)的一個重要因素，在馬鈴薯收獲過程中，機械碰撞、跌落、擠壓是造成馬鈴薯塊莖損傷的幾個主要原因。針對跌落可能造成的馬鈴薯塊莖損傷，令入料斗輸送帶高度可隨料斗內(nèi)馬鈴薯堆積高度保持適當(dāng)?shù)木嚯x，以減少在入料過程中來自高度跌落造成的馬鈴薯塊莖損傷。

4 系統(tǒng)調(diào)試與試驗

系統(tǒng)調(diào)試在室內(nèi)完成：通過模擬入料斗輸送帶高度傳感器信號、車身調(diào)平傾角傳感器信號、挖掘深度角度傳感器信號以及各個開關(guān)量信號，監(jiān)測人機界面顯示內(nèi)容是否正常;校對手動模式與自動模式下，各個執(zhí)行機構(gòu)響應(yīng)速度與動作完成情況。待系統(tǒng)模擬調(diào)試完畢后，將此系統(tǒng)應(yīng)用于4UML-180型牽引式馬鈴薯聯(lián)合收獲機，進行田間試驗，對此款牽引式馬鈴薯聯(lián)合收獲機控制系統(tǒng)進行綜合性能測試。

實驗結(jié)果表明：本系統(tǒng)能很好地執(zhí)行所述動作，完整地實現(xiàn)了馬鈴薯從挖掘、輸送到除雜的整個過程。與傳統(tǒng)的牽引式馬鈴薯聯(lián)合收獲機相比，操作更簡便、效率更高，并且料斗內(nèi)馬鈴薯可直接上車，減少了裝車等待時間。同時，由于入料斗輸送帶高度全自動可調(diào)，減少了馬鈴薯入料斗過程中的機械損傷，大大提高了良薯率，提高了經(jīng)濟效益，并且車身水平系統(tǒng)可保證機器在遇到復(fù)雜路況時的安全性，減少翻車事故的發(fā)生，很好地守護了人民財產(chǎn)的安全。此控制系統(tǒng)的研發(fā)成功，為下一步更具智能化、高效化的馬鈴薯聯(lián)合收獲機的研制打下了堅實的基礎(chǔ)。

5 結(jié)論

（1）為牽引式馬鈴薯聯(lián)合收獲機設(shè)計了一種控制系統(tǒng)，實現(xiàn)整個收獲過程機械動作全部以“手動+自動”形式執(zhí)行，簡化操作，提高效率。

（2）基于“物理按鍵+觸摸屏”人機界面的操作模式，顯示更直觀，傳感器采集數(shù)據(jù)會經(jīng)過轉(zhuǎn)換顯示在屏幕中。物理按鍵在機手操作過程中反饋更加直觀，減少誤操作風(fēng)險，并在故障工況下進行報警顯示。

（3）進行模擬實驗與田間試驗，驗證本系統(tǒng)的可靠性與實用性。

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