張震 臧克江 王冬 孫悅

摘要：針對(duì)現(xiàn)有水田打漿機(jī)水平控制系統(tǒng)在耕作時(shí)機(jī)械的傾斜和振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致耕整后的地表平整精度低、可控性差等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了以STM32為主控芯片的平地系統(tǒng)控制器。為了消除振動(dòng)對(duì)控制效果的影響，設(shè)計(jì)了基于限幅遞推平均濾波的PID算法并進(jìn)行試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果證明，限幅遞推平均濾波對(duì)傾角數(shù)據(jù)處理有效地抑制了系統(tǒng)干擾和機(jī)具振動(dòng)干擾;再此之后并進(jìn)行了田間試驗(yàn)以證明本設(shè)計(jì)的水平控制系統(tǒng)明顯比現(xiàn)有的平地系統(tǒng)耕整后的田間土壤起伏波動(dòng)小，以期達(dá)到較好的控制效果。

關(guān)鍵詞：水田打漿機(jī);水平控制器;控制系統(tǒng);濾波器;限幅遞推平均濾波;PID算法;水田表面高程

中圖分類號(hào)： S222.5+1文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2020）04-0235-05

收稿日期：2018-11-26

基金項(xiàng)目：佳木斯大學(xué)學(xué)生科技創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目（編號(hào)：X2YF2018-15）。

作者簡(jiǎn)介：張?震（1994—），男，黑龍江齊齊哈爾人，碩士研究生，主要從事機(jī)械工程、液氣壓傳動(dòng)與控制技術(shù)研究。E-mail：1458516851@qq.com。

通信作者：臧克江，博士，教授，碩士研究生導(dǎo)師，主要從事液氣壓傳動(dòng)與控制技術(shù)、現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法、機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化教學(xué)與研究。E-mail：kjzang@163.com。

隨著自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，農(nóng)業(yè)自動(dòng)化程度越來(lái)越高，水田地面平整機(jī)的控制系統(tǒng)亦多樣化發(fā)展[1]。打漿機(jī)作為平地方式的一種，采用先打漿再通過(guò)平地裝置將泥漿抹平的方式平整水田地面，以其成本低、效率高的特點(diǎn)被廣泛使用。李明金設(shè)計(jì)了水田打漿平地機(jī)[2];余水生設(shè)計(jì)了水田高茬秸稈還田耕整機(jī)[3];陳鑫研究了小型水田耕耙平地機(jī)等傳統(tǒng)平地機(jī)具，發(fā)現(xiàn)在耕作時(shí)無(wú)法根據(jù)田間復(fù)雜的地形狀況，對(duì)機(jī)具進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，平整精度有限[4]。為了提高水田的平整精度，萬(wàn)松等設(shè)計(jì)了基于傳感技術(shù)的水田旋耕機(jī)平地系統(tǒng)[5];胡煉等設(shè)計(jì)了農(nóng)機(jī)具自動(dòng)調(diào)平控制系統(tǒng)[6]。之后又出現(xiàn)了激光平地技術(shù)，胡煉等設(shè)計(jì)了三點(diǎn)懸掛式1PJ-4.0型水田激光平地機(jī)[7];蘇焱等設(shè)計(jì)了JGP-2500型激光平地機(jī)[8]，試驗(yàn)結(jié)果表明，能有效提高田面平整精度。但經(jīng)研究，傳統(tǒng)平地機(jī)械雖造價(jià)便宜，但平整精度有限;現(xiàn)有的自動(dòng)調(diào)平控制系統(tǒng)雖能滿足水稻種植的農(nóng)藝要求，但是不能達(dá)到高精度調(diào)平。而激光平整精度雖然高但配套設(shè)備多且造價(jià)昂貴，不宜推廣使用。為了提高打漿機(jī)作業(yè)質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)打漿機(jī)自動(dòng)調(diào)平控制，本研究設(shè)計(jì)了以STM32為主控芯片控制器，并采用了限幅遞推平均濾波的PID算法滿足平地要求。

1?水田打漿機(jī)水平控制器設(shè)計(jì)

1.1?硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)見圖1。系統(tǒng)的硬件包括STM32主控芯片、SST810傾角傳感器及SD卡存儲(chǔ)器（EEROM）等。STM32具有較高的性能和較低的動(dòng)態(tài)功耗。從性能能上看，STM32 F103RCT6處理器可以作為本研究的融合算法以及控制算法的硬件實(shí)現(xiàn)。STM32主控芯片使用IIC總線接收來(lái)自SST810的數(shù)據(jù)并保存在SD卡存儲(chǔ)器。其采樣得到的三軸角速度和加速度計(jì)數(shù)據(jù)通過(guò)傳感器信息融合測(cè)量，從而得到平地鏟水平傾角;數(shù)碼管用于顯示當(dāng)前測(cè)量角度和控制參數(shù)等，可通過(guò)按鍵改變顯示模式和參數(shù)調(diào)整，二者組成簡(jiǎn)單的人機(jī)界面，易于調(diào)試。

1.2?濾波器設(shè)計(jì)

在傾角傳感器信號(hào)采集中，拖拉機(jī)與打漿機(jī)的振動(dòng)都會(huì)干擾傳感器的數(shù)據(jù)采集，所以為了提高傾角傳感器的傾角信號(hào)采集精度，本研究應(yīng)用限幅遞推平均濾波算法技術(shù)對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行濾波處理。本研究濾波過(guò)程是對(duì)所測(cè)量的參數(shù)進(jìn)行B次采樣（圖3），然后再計(jì)算當(dāng)前采樣數(shù)據(jù)Si與前1次Si-1的差值，若超過(guò)設(shè)定的閾值A(chǔ)，則用前1次Si-1代替本次采樣值;否則采用本次采樣值Si。將采樣的所有數(shù)據(jù)放進(jìn)數(shù)組A[i]中，其中如果采樣值個(gè)數(shù)小于M，則繼續(xù)執(zhí)行數(shù)據(jù)采樣;否則進(jìn)行數(shù)據(jù)隊(duì)列移動(dòng)，把隊(duì)首的數(shù)據(jù)擠掉，將新采樣值放在數(shù)據(jù)隊(duì)尾，然后進(jìn)行M個(gè)數(shù)據(jù)求均值，當(dāng)N>Nmax（其中Nmax為原始數(shù)據(jù)隊(duì)列長(zhǎng)度最大值與濾波參數(shù)差值）時(shí)，則濾波結(jié)束見圖2。

1.3?軟件設(shè)計(jì)

主程序流程見圖3。主程序是調(diào)平系統(tǒng)工作過(guò)程中的主要運(yùn)行程序，從動(dòng)態(tài)傾角傳感器SST810中讀取傳感器角度數(shù)據(jù)，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行限幅遞推平均濾波，之后再根據(jù)傾角數(shù)據(jù)作出調(diào)節(jié)。初始化完成后，進(jìn)入調(diào)節(jié)程序，調(diào)節(jié)程序是一個(gè)死循環(huán)，每個(gè)循環(huán)從讀取傾角數(shù)據(jù)R開始，讀取到傾角數(shù)據(jù)后判斷傾角R是否為0，若傾角R為0則不須要進(jìn)行調(diào)節(jié)，設(shè)置PWM波占空比為0。若傾角R不為0，則判斷傾角方向，若傾角R<0，設(shè)置M1_CW為高電平;若傾角R>0，則設(shè)置傾角M1_CW為低電平。方向設(shè)置完成后，須要設(shè)置電壓大小，即調(diào)節(jié)速度，由于是比例調(diào)節(jié)，因此設(shè)置PWM波占空比為Kp×R，Kp是比例調(diào)節(jié)系數(shù)。一個(gè)循環(huán)結(jié)束，開始下一個(gè)循環(huán)。

2?濾波算法試驗(yàn)研究

2.1?試驗(yàn)過(guò)程

傾角傳感器信號(hào)采集中，振動(dòng)干擾主要來(lái)源于正常工作的拖拉機(jī)與打漿機(jī)，試驗(yàn)過(guò)程中為了保證采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確，必須保證拖拉機(jī)與打漿機(jī)正常工作（但是為了采集數(shù)據(jù)方便只須將拖拉機(jī)與打漿機(jī)原地啟動(dòng)）。驗(yàn)證試驗(yàn)如下：（1）在打漿機(jī)上安裝水平控制系統(tǒng)，并用平衡儀測(cè)量打漿機(jī)是否處于水平狀態(tài)（通過(guò)田間試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，由于土地平整度與打漿機(jī)質(zhì)量問(wèn)題，打漿機(jī)常保持在0.15°左右，而無(wú)法保持在0°左右，所以本研究把打漿機(jī)保持在0.15°左右默認(rèn)為水平狀態(tài)。）;（2）開啟拖拉機(jī)與打漿機(jī)，將傳感器與計(jì)算機(jī)連接并采集數(shù)據(jù)（采集時(shí)間為10 s，0.05 s采集1次，共采集200次）;（3）計(jì)算機(jī)運(yùn)行Matlab融合程序?qū)Σ杉臄?shù)據(jù)進(jìn)行處理。濾波算法試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)見圖4，可以看出拖拉機(jī)與打漿機(jī)處于水平狀態(tài)。

2.2?試驗(yàn)分析

拖拉機(jī)與打漿機(jī)正常啟動(dòng)原始傾角數(shù)據(jù)狀態(tài)見圖5，該圖中的曲線是由機(jī)具處于水平狀態(tài)（0.15°）時(shí)采集到的原始傾角數(shù)據(jù)繪制而成的（圖中縱坐標(biāo)為機(jī)具實(shí)時(shí)的傾斜角度，橫坐標(biāo)為采樣時(shí)間）。從圖5可以看出，水平狀態(tài)下曲線的變化趨勢(shì)以及幅值變化，如果將未濾波的數(shù)據(jù)直接用于機(jī)具調(diào)平控制，會(huì)嚴(yán)重影響打漿機(jī)正常工作。

融合濾波算法后的傾角數(shù)據(jù)曲線見圖6（圖中縱坐標(biāo)為機(jī)具實(shí)時(shí)的傾斜角度，橫坐標(biāo)為采樣時(shí)間）。原始數(shù)據(jù)曲線經(jīng)過(guò)濾波處理后，曲線都變得比較平滑（未產(chǎn)生圖4中角度大幅度跳動(dòng)的情況），誤差值在0.15° 附近跳動(dòng)，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，濾波算法對(duì)傾角數(shù)據(jù)處理有效地抑制了系統(tǒng)干擾和機(jī)具振動(dòng)干擾。

3?田間試驗(yàn)

3.1?試驗(yàn)過(guò)程

3.1.1?水田準(zhǔn)備?用圓盤耙將水田耕整1遍，然后淹水泡3 d。

3.1.2?田間試驗(yàn)?用全站儀測(cè)量水田的地理位置信息并記錄數(shù)據(jù);計(jì)算水田的平均高程，并以該高程作為水田平整的參考相對(duì)高程;運(yùn)用現(xiàn)有的控制系統(tǒng)與打漿機(jī)配套使用進(jìn)行平整水田作業(yè);水田平整完后，利用全站儀測(cè)量平整過(guò)后水田并記錄數(shù)據(jù)。然后運(yùn)用本研究設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)與打漿機(jī)配套使用再進(jìn)行平整水田作業(yè);水田平整完后，利用全站儀測(cè)量平整過(guò)后水田并記錄數(shù)據(jù)。

3.1.3?數(shù)據(jù)處理與分析?運(yùn)用Matlab軟件對(duì)試驗(yàn)前后采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算出耕整平地后田地的平整度。運(yùn)用griddata（）函數(shù)的差值原理進(jìn)行曲面擬合生成三維地形圖，觀察2次耕整平地后水田地形圖的地貌起伏情況，評(píng)估平地效果。觀察平整前后水田地形的變化情況，計(jì)算出平整前后水田的平均高程和平整度Sd，評(píng)估平地效果。平整度一般可采用田塊內(nèi)所有測(cè)點(diǎn)處地面相對(duì)高程的標(biāo)準(zhǔn)偏差值Sd來(lái)定量描述。

Sd=∑ni=1（hi-h）2/n-1。（1）

式中：hi為田間的第i個(gè)采樣點(diǎn)的相對(duì)高程，cm;h為該田間相對(duì)期望高程，cm;n為田塊內(nèi)所有采樣點(diǎn)的數(shù)量。

現(xiàn)有的控制系統(tǒng)平整后采樣數(shù)據(jù)見表1，本研究設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)平整后采樣數(shù)據(jù)見表2。其中，水田的面積為長(zhǎng)50 m、寬30 m，采樣間隔為5 m，采樣點(diǎn)為60個(gè)。

3.2?試驗(yàn)分析

（根據(jù)土地實(shí)際尺寸縮小5倍）分別為現(xiàn)有的平地系統(tǒng)（圖7）和本研究設(shè)計(jì)的平地系統(tǒng)田間試驗(yàn)后（圖8），用Matlab對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行曲面擬合模擬的地形。由模擬的地形圖可知，本研究設(shè)計(jì)的平地系統(tǒng)耕整后的田面相比現(xiàn)有的平地系統(tǒng)較為平整，田面起伏波動(dòng)小。由平均相對(duì)高程可知，本研究設(shè)計(jì)的平地系統(tǒng)比現(xiàn)有的平地系統(tǒng)減小了0.081 cm，由平整度結(jié)果分析可得現(xiàn)有的平地系統(tǒng)試驗(yàn)后的平整度2.52 cm（平整度不超過(guò)3 cm），本研究設(shè)計(jì)的平地系統(tǒng)試驗(yàn)后的平整度為2.13 cm，滿足平整精度要求，平整度明顯比現(xiàn)有的平地系統(tǒng)小，平整效果好。因此，本研究設(shè)計(jì)的平地系統(tǒng)耕整后的平地精度與現(xiàn)有的平地系統(tǒng)相比，有明顯的提高。

4?結(jié)束語(yǔ)

為滿足水稻種植的農(nóng)藝要求，筆者設(shè)計(jì)了水田打漿機(jī)水平控制系統(tǒng)。通過(guò)試驗(yàn)可知，該系統(tǒng)所使用的濾波技術(shù)能有效減小振動(dòng)對(duì)傳感器的影響，并可通過(guò)按鍵改變顯示模式和參數(shù)調(diào)整實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的人機(jī)界面。由田間試驗(yàn)可知，本研究設(shè)計(jì)的水平控制系統(tǒng)明顯比現(xiàn)有的平地系統(tǒng)耕整后田間的土壤起伏波動(dòng)小。但是控制系統(tǒng)的超調(diào)效果仍存在問(wèn)題，并在田間試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)當(dāng)農(nóng)機(jī)具轉(zhuǎn)彎時(shí)，調(diào)平控制系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)不工作狀態(tài)等問(wèn)題，還須進(jìn)一步研究改進(jìn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]李益農(nóng)，許?迪，李福祥. 田面平整精度對(duì)畦灌性能和作物產(chǎn)量影響的試驗(yàn)研究[J]. 水利學(xué)報(bào)，2000（12）：82-87.

[2]李明金. 水田攪漿機(jī)平地裝置的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究[D]. 大慶：黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)，2014.

[3]余水生. 水田高茬秸稈還田耕整機(jī)的研制[D]. 武漢：華中農(nóng)業(yè)大學(xué)，2012.

[4]陳?鑫. 小型水田耕耙平地機(jī)關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與建模[J]. 農(nóng)機(jī)使用與維修，2011（2）：23-25.

[5]萬(wàn)?松，陳子林，展鵬程，等. 基于傳感技術(shù)的水田旋耕機(jī)平地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，35（4）：129-135.

[6]胡?煉，林潮興，羅錫文，等. 農(nóng)機(jī)具自動(dòng)調(diào)平控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2015，31（8）：15-20.

[7]胡?煉，羅錫文，林潮興，等. 1PJ-4.0型水田激光平地機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2014，45（4）：146-151.

[8]蘇?焱，王永輝. JGP-2500型激光平地機(jī)工作機(jī)理研究[J]. 農(nóng)業(yè)科技與裝備，2012（6）：36-37.