印 祥 安家豪 王 顯 王亞林 李加琪 金誠(chéng)謙,3

(1.山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院， 淄博 255049； 2.山東省旱作農(nóng)業(yè)機(jī)械及信息化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 淄博 255049； 3.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所， 南京 210014)

0 引言

高地隙施藥機(jī)以其作業(yè)噴幅寬、噴灑精量化、噴藥量均勻化等高效施藥作業(yè)優(yōu)勢(shì)[1-4]，越來(lái)越廣泛地應(yīng)用在田間植保作業(yè)中。常用施藥機(jī)的噴幅為12 m(如雷沃ZP9500型)，大型噴霧機(jī)的展幅有的甚至達(dá)42 m[2-6]，由于高地隙施藥機(jī)的噴桿展幅長(zhǎng)、撓性大[7]，在田間作業(yè)時(shí)，因地表硬度底層高低不一，車(chē)身微小的顛簸會(huì)引起噴桿末端較大的起伏變化[7-10]，不僅影響噴霧量分布均勻性，導(dǎo)致施藥質(zhì)量下降，嚴(yán)重時(shí)噴桿末端還會(huì)觸碰地面或者作物冠層[11]，造成噴桿、作物、機(jī)器的損傷；為保證作業(yè)質(zhì)量和作業(yè)安全，噴霧機(jī)駕駛員在作業(yè)過(guò)程中要觀察噴桿與作物之間是否有接觸，手動(dòng)對(duì)噴桿的傾斜角度進(jìn)行調(diào)節(jié)，增加了駕駛員的勞動(dòng)強(qiáng)度。因噴桿過(guò)長(zhǎng)對(duì)作物及機(jī)器造成損傷，現(xiàn)對(duì)噴桿調(diào)節(jié)系統(tǒng)應(yīng)用研究越來(lái)越多[12-15]，因此，有必要實(shí)現(xiàn)噴霧機(jī)在田間植保作業(yè)過(guò)程對(duì)噴桿傾斜角度進(jìn)行實(shí)時(shí)自動(dòng)調(diào)節(jié)，使噴桿處于允許的傾斜角度范圍內(nèi)，避免噴桿與作物的接觸，降低駕駛員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

為此，國(guó)內(nèi)外研究人員基于非接觸式傳感器和傾角傳感器設(shè)計(jì)了調(diào)平控制系統(tǒng)。非接觸式傳感器包括激光測(cè)距儀、紅外傳感器和超聲波傳感器等，HERBST等[16]設(shè)計(jì)了基于激光測(cè)距儀的噴桿調(diào)節(jié)系統(tǒng)；SINFORT等[17]采用紅外發(fā)射器檢測(cè)噴桿姿態(tài)；OOMS等[18]采用多傳感器的組合實(shí)現(xiàn)噴桿姿態(tài)檢測(cè)；魏新華等[2]設(shè)計(jì)了基于超聲波傳感器和PLC控制系統(tǒng)的噴桿高度及平衡調(diào)控系統(tǒng)，可以將噴桿高度變化值控制在±3 cm范圍內(nèi)；孫星等[19]采用超聲波傳感器和傾角傳感器，通過(guò)加權(quán)平均算法融合兩種傳感器信息，設(shè)計(jì)了基于專(zhuān)家控制的噴桿高度調(diào)節(jié)系統(tǒng)。在傾角傳感器方面，張盟等[20]采用高精度MEMS慣性傳感器測(cè)得噴桿姿態(tài)，設(shè)計(jì)了基于DSP處理器自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)。

綜上所述，調(diào)平控制系統(tǒng)主要采用紅外傳感器、超聲波傳感器和傾角傳感器檢測(cè)噴桿傾角，紅外與超聲波傳感器通過(guò)測(cè)量噴桿兩端離地距離，推算其傾斜角度，但作業(yè)時(shí)噴桿自身柔性大兩端易發(fā)生形變，導(dǎo)致測(cè)量精度低，而傾角傳感器可以在動(dòng)態(tài)環(huán)境下測(cè)得傾斜角度，并廣泛應(yīng)用于小型無(wú)人機(jī)、智能農(nóng)業(yè)裝備、汽車(chē)等領(lǐng)域，成本較低，測(cè)量精度高。本文針對(duì)上述問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種適用于高地隙施藥機(jī)的噴桿自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)，使用低成本傾角傳感器通過(guò)信息融合實(shí)現(xiàn)噴桿水平傾角動(dòng)態(tài)檢測(cè)，基于PID控制策略和機(jī)電液一體化技術(shù)，使噴桿始終保持水平。分析噴桿調(diào)平系統(tǒng)的工作原理，開(kāi)展場(chǎng)地與田間測(cè)試試驗(yàn)，驗(yàn)證系統(tǒng)在田間作業(yè)時(shí)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

1 高地隙施藥機(jī)噴桿自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1 高地隙施藥機(jī)實(shí)物圖與噴桿自動(dòng)調(diào)平機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 High-clearance spraying machine and spray beam height gap automatic leveling mechanism1.行走控制機(jī)構(gòu) 2.定位天線 3.噴霧作業(yè)部件 4.液壓閥組 5.噴桿調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu) 6.左段噴桿 7.左側(cè)伸展油缸 8.中段噴桿 9.調(diào)平油缸 10.調(diào)平控制器 11.中段噴桿支架 12.橫梁 13.升降油缸 14.噴桿升降機(jī)構(gòu)

高地隙施藥機(jī)噴桿自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)以山東華盛中天機(jī)械集團(tuán)股份有限公司生產(chǎn)的3WP-500G型三段式噴桿噴霧機(jī)為研發(fā)平臺(tái)，由噴桿調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、傾角傳感器、調(diào)平控制器、液壓閥組組成，如圖1所示。噴桿噴霧機(jī)性能參數(shù)如表1所示。噴桿調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)主要包括升降機(jī)構(gòu)和三段式噴桿支架。升降機(jī)構(gòu)由平行四桿機(jī)構(gòu)和橫梁組成，噴桿升降是經(jīng)過(guò)電磁換向閥控制液壓油缸伸縮，帶動(dòng)平行四桿機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。三段式噴桿支架采用折疊式結(jié)構(gòu)，噴桿通過(guò)管夾與噴桿支架連接，兩側(cè)伸展油缸用于控制噴桿支架的展開(kāi)折疊；中段噴桿支架的上端和橫梁鉸接，噴桿支架通過(guò)調(diào)平油缸的伸縮實(shí)現(xiàn)相對(duì)于鉸接點(diǎn)的左右擺動(dòng)，從而調(diào)節(jié)噴桿在橫滾平面上的角度。傾角傳感器水平安裝在噴桿支架上，實(shí)時(shí)測(cè)量噴桿的傾斜角度。

表1 華盛3WP-500G型噴桿噴霧機(jī)技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main technical index of Huasheng 3WP-500G sprayer

圖3 噴桿調(diào)平機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.3 Schematics of leveling mechanism1.噴桿支架 2.傾角傳感器 3.調(diào)平油缸

調(diào)平控制器以PIC18F258處理器為核心，采用維特智能公司生產(chǎn)的JY61P型傾角傳感器。液壓閥組中液壓油缸為雙作用單杠活塞式工程液壓缸，采用滑閥機(jī)能為M型結(jié)構(gòu)的三位四通電磁閥，控制液壓缸的啟停以及運(yùn)動(dòng)方向的改變。調(diào)平控制器通過(guò)串口與傾角傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，獲取噴桿姿態(tài)信息、運(yùn)行數(shù)據(jù)處理和控制算法，并向液壓閥組發(fā)送指令數(shù)據(jù)。

噴桿自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。施藥機(jī)田間作業(yè)時(shí)，噴桿支架與水平面夾角發(fā)生變化，傾角傳感器測(cè)得噴桿支架傾角傳輸給調(diào)平控制器，控制器對(duì)采集的角度信號(hào)進(jìn)行濾波處理，削弱測(cè)量噪聲影響，并基于PID算法對(duì)電磁換向閥發(fā)送控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)調(diào)平油缸伸縮調(diào)整噴桿支架達(dá)到預(yù)設(shè)角度，實(shí)現(xiàn)噴桿自動(dòng)調(diào)平。

圖2 噴桿自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)原理框圖Fig.2 Block diagram of automatic spray beam leveling control system

2 調(diào)平機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

噴桿的運(yùn)動(dòng)分為施藥機(jī)的牽引動(dòng)作和相對(duì)于機(jī)身的轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)作。不考慮施藥機(jī)前進(jìn)方向的牽引運(yùn)動(dòng)，可以把噴桿相對(duì)于機(jī)身的轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)看作為平面轉(zhuǎn)動(dòng)。噴桿與施藥機(jī)相對(duì)運(yùn)動(dòng)示意圖如圖3所示，在施藥機(jī)Oaxayaza坐標(biāo)系中，xa正方向?yàn)闄C(jī)器前進(jìn)方向，Oa為噴桿支架與橫梁的上固定點(diǎn)，ca、da分別為油缸與橫梁上下支撐點(diǎn)，噴桿調(diào)平部分可以簡(jiǎn)化為噴桿橫滾傳感平面和轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，施藥機(jī)橫滾傳感平面平行于施藥機(jī)四輪平面，傾角傳感器安裝在中段噴桿支架上，傾角傳感器坐標(biāo)系與施藥機(jī)坐標(biāo)系方向相同，測(cè)得噴桿傾斜角(即橫滾角度)如圖3所示，高地隙施藥機(jī)噴桿向右傾斜時(shí)測(cè)量到噴桿傾角為負(fù)，向左側(cè)傾斜時(shí)為正。噴桿支架及相關(guān)機(jī)構(gòu)可簡(jiǎn)化為支架、轉(zhuǎn)動(dòng)鉸接點(diǎn)與油缸連接點(diǎn)。

噴桿支架在液壓油缸驅(qū)動(dòng)下帶動(dòng)噴桿繞鉸接點(diǎn)相對(duì)于施藥機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，形成噴桿相對(duì)于施藥機(jī)的傾角β，如圖3所示，噴桿相對(duì)于施藥機(jī)傾角β逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)的角度為負(fù)，順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)的角度為正。

如圖3所示，當(dāng)噴桿相對(duì)于施藥機(jī)處于水平狀態(tài)時(shí)，噴桿支架與橫梁的夾角為

(1)

式中θ——caOa與Oada的夾角，(°)

la——caOa的長(zhǎng)度，mm

lb——Oada的長(zhǎng)度，mm

l——噴桿水平時(shí)油缸初始長(zhǎng)度，mm

以橫梁為基準(zhǔn)，噴桿處于右傾、左傾極限位時(shí)，噴桿相對(duì)于施藥機(jī)最大右傾角與最大左傾角為

(2)

(3)

即噴桿可調(diào)節(jié)范圍為

βS=βR+βL

(4)

式中βR——噴桿最大右傾角，(°)

βL——噴桿最大左傾角，(°)

l1、l2——右、左極限位置油缸伸縮量，mm

設(shè)噴桿作業(yè)時(shí)的目標(biāo)角度為φd，施藥機(jī)的橫向傾角為φ，上一時(shí)刻噴桿相對(duì)于施藥機(jī)傾角β與噴桿對(duì)于目標(biāo)調(diào)節(jié)量Δβ之和應(yīng)為作業(yè)保持的目標(biāo)角度φd與橫向傾角φ的差，則此時(shí)噴桿相對(duì)于施藥機(jī)傾角調(diào)節(jié)量Δβ為

Δβ=φd-φ-β

(5)

當(dāng)前時(shí)刻噴桿應(yīng)控制目標(biāo)角度為

βd=Δβ+β=φd-φ

(6)

高地隙施藥機(jī)噴桿在自動(dòng)調(diào)平模式下，能夠根據(jù)噴桿自身相對(duì)于施藥機(jī)車(chē)身角度完成噴桿調(diào)平動(dòng)作。當(dāng)施藥機(jī)車(chē)身左傾時(shí)，噴桿會(huì)相對(duì)于車(chē)身進(jìn)行右傾調(diào)整，調(diào)平油缸活塞處于收縮狀態(tài)，此時(shí)根據(jù)活塞收縮行程計(jì)算出響應(yīng)時(shí)間為

(7)

式中D——液壓油缸缸徑，mm

d——液壓油缸桿徑，mm

Δl——油缸活塞伸縮量，mm

q——液壓油缸流量，L/min

當(dāng)施藥機(jī)車(chē)身右傾時(shí)，噴桿會(huì)相對(duì)于車(chē)身進(jìn)行左傾調(diào)整，調(diào)平油缸活塞處于伸長(zhǎng)狀態(tài)，可根據(jù)活塞伸長(zhǎng)行程計(jì)算出響應(yīng)時(shí)間為

(8)

噴桿自動(dòng)水平調(diào)節(jié)處于向右傾或左傾時(shí)，因油缸活塞伸縮量很小并存在誤差，每轉(zhuǎn)動(dòng)1°時(shí)可看作油缸伸縮量一致，所以噴桿每旋轉(zhuǎn)1°響應(yīng)時(shí)間為

(9)

3 噴桿自動(dòng)調(diào)平控制方法

3.1 橫滾角度數(shù)據(jù)預(yù)處理

施藥機(jī)在田間作業(yè)時(shí)，由于地勢(shì)不平會(huì)導(dǎo)致傾角傳感器獲取的角度信息發(fā)生階躍性變化，瞬時(shí)性、偶然性的信號(hào)變化會(huì)影響噴桿調(diào)平精度。本研究采用的傾角傳感器精度為0.01°，對(duì)相鄰角度信號(hào)的階躍脈沖做濾波處理即可提高角度信息的采集精度，因此該控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種移動(dòng)平均濾波算法對(duì)原始角度信號(hào)進(jìn)行平滑，圖4所示為濾波前后的角度測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比?？刂葡到y(tǒng)計(jì)算每個(gè)周期取得信號(hào)總和的平均值為

(10)

N——周期中取角度信號(hào)次數(shù)

Ai——當(dāng)前傾角傳感器獲取的角度

更新積累移動(dòng)平均值，每個(gè)周期平均值作為此刻噴桿的傾斜角度。

圖4 傾角傳感器濾波前后變化曲線Fig.4 Attitude sensor data before and after filtering

3.2 自動(dòng)調(diào)平控制算法

噴桿自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)采用PID反饋調(diào)節(jié)算法作為傾斜度調(diào)節(jié)的主要算法對(duì)調(diào)平油缸伸縮量進(jìn)行閉環(huán)控制，PID系統(tǒng)控制原理圖如圖5所示。對(duì)噴桿調(diào)平控制過(guò)程為：根據(jù)噴桿實(shí)際傾角和預(yù)設(shè)傾角的偏差計(jì)算調(diào)平油缸的流量方向和伸縮量，對(duì)偏差的比例、積分和微分進(jìn)行控制，使偏差趨于零。調(diào)平控制器預(yù)設(shè)傾角φd作為PID控制系統(tǒng)輸入量之一，傾角傳感器測(cè)出噴桿實(shí)際傾角φa作為PID控制系統(tǒng)另一輸入量。為了精確控制噴桿傾角，PID控制器持續(xù)從比較器單元讀取誤差e(i)，該單元對(duì)目標(biāo)傾斜角φd與實(shí)際傾斜角φa進(jìn)行減法運(yùn)算。PID控制系統(tǒng)將e(i)進(jìn)行比例、積分、微分運(yùn)算，將電平信號(hào)發(fā)送至繼電器，繼電器通斷決定了電磁閥通斷和液壓油流向。

圖5 PID系統(tǒng)控制原理圖Fig.5 PID system control principle diagram

KP、KI和KD分別為比例運(yùn)算、積分運(yùn)算和微分運(yùn)算的調(diào)整系數(shù)，為保證噴桿自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)在快速響應(yīng)的同時(shí)超調(diào)量不超過(guò)響應(yīng)信號(hào)的1/2，噴桿自動(dòng)調(diào)平試驗(yàn)中確定選取PID參數(shù)為KP=5，KI=0.03，KD=1。當(dāng)Ui>0時(shí)，電磁換向閥接通一端，使誤差e(i)減小到最小值emin；當(dāng)Ui<0時(shí)，電磁換向閥接通另一端，誤差e(i)減小到emin；當(dāng)Ui=0時(shí)，電磁換向閥停止工作。

4 調(diào)平控制器設(shè)計(jì)

4.1 硬件設(shè)計(jì)

噴桿自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖6所示，硬件部分主要由控制器、檢測(cè)模塊、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、電源模塊組成。控制器以PIC18F258處理器為核心，時(shí)鐘頻率20 MHz，供電電源5 V(DC)，具有UART接口，電位計(jì)信號(hào)輸出端D0與處理器A/D轉(zhuǎn)換端口A0連接，對(duì)預(yù)設(shè)角度進(jìn)行調(diào)整。檢測(cè)模塊為JY61P型傾角傳感器，工作電壓5 V(DC)，輸出頻率為20 Hz，支持UART串口數(shù)字輸出，串口波特率選用115 200 b/s，橫滾角度檢測(cè)范圍為360°，具體技術(shù)參數(shù)如表2所示。執(zhí)行機(jī)構(gòu)為繼電器模塊，工作電壓5 V(DC)，低電平吸合，高電平釋放，繼電器控制端IN+連接控制器I/O口C0、C1及IN-連接地，輸出端常開(kāi)端NO1與常閉端NC1連接電磁換向閥。通過(guò)IN+高/低電平的設(shè)定，可控制電磁換向閥流向。電源模塊包括12 V直流電源、12 V轉(zhuǎn)5 V電源轉(zhuǎn)換模塊，可直接為傾角傳感器和控制模塊供電。

圖6 自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Automatic leveling system hardware structure

表2 傾角傳感器主要技術(shù)參數(shù)Tab.2 Main technical parameters of inclination sensor

當(dāng)C1高電平時(shí)，繼電器處于斷開(kāi)狀態(tài)，電磁換向閥不工作；當(dāng)C1低電平、C0高電平時(shí)，電磁換向閥控制調(diào)平油缸收縮，噴桿向左旋轉(zhuǎn)；當(dāng)C1低電平、C0低電平時(shí)，電磁換向閥控制調(diào)平油缸伸長(zhǎng)，噴桿向右旋轉(zhuǎn)。調(diào)平控制器通過(guò)UART_RX讀取到經(jīng)過(guò)平均濾波運(yùn)算后的噴桿傾斜角度，將此數(shù)值與A0端口讀取電位計(jì)反饋的數(shù)值進(jìn)行比較，經(jīng)調(diào)平程序處理后，發(fā)出高低電平信號(hào)，通過(guò)繼電器模塊的吸合釋放，控制電磁換向閥組控制油缸的流量和方向，從而實(shí)現(xiàn)噴桿水平的調(diào)節(jié)。

4.2 軟件設(shè)計(jì)

控制程序使用C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，運(yùn)行平臺(tái)為PIC18F258單片機(jī)。依據(jù)噴桿支架調(diào)節(jié)原理對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，系統(tǒng)運(yùn)行后按照固定的時(shí)間間隔運(yùn)行主程序，首先對(duì)噴桿傾斜角度狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，然后根據(jù)傾斜狀態(tài)采用相應(yīng)的控制方法調(diào)節(jié)噴桿支架的轉(zhuǎn)向，具體流程如圖7所示。噴桿不同傾斜角度會(huì)對(duì)應(yīng)控制器不同動(dòng)作狀態(tài)，結(jié)合油缸伸縮量與噴桿的幾何關(guān)系求得相對(duì)角度，實(shí)現(xiàn)噴桿自動(dòng)調(diào)平的閉環(huán)控制。

圖7 系統(tǒng)控制流程圖Fig.7 System control flow chart

系統(tǒng)啟動(dòng)后首先進(jìn)行初始化，測(cè)量噴桿和施藥機(jī)傾斜角度，觀察噴桿是否達(dá)到預(yù)設(shè)角度以及與預(yù)設(shè)角度的差值，判斷是否對(duì)噴桿進(jìn)行水平控制，當(dāng)需要對(duì)噴桿支架進(jìn)行水平控制時(shí)，單片機(jī)輸出高/低電平控制繼電器通斷，驅(qū)動(dòng)電磁換向閥作業(yè)調(diào)節(jié)噴桿傾斜角度，直至調(diào)到目標(biāo)傾斜角度；反之，重新測(cè)量角度信息調(diào)節(jié)油缸伸縮量，直至噴桿調(diào)整為目標(biāo)角度。

5 試驗(yàn)

為測(cè)試在自動(dòng)調(diào)平模式下調(diào)平系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，于2021年3月在山東理工大學(xué)生態(tài)無(wú)人農(nóng)場(chǎng)分別進(jìn)行了場(chǎng)地試驗(yàn)和田間試驗(yàn)。

5.1 場(chǎng)地試驗(yàn)

5.1.1試驗(yàn)方法與內(nèi)容

施藥機(jī)作業(yè)幅寬是12 m，作業(yè)路徑為直線，施藥機(jī)行駛速度設(shè)為2.5 km/h，在高為0.3 m、總長(zhǎng)為10 m、上下坡度為8°的試驗(yàn)路面進(jìn)行，如圖8所示。施藥機(jī)行駛過(guò)程中車(chē)身最大傾角可達(dá)到10°，地面高低起伏較大，可以模擬田間復(fù)雜路況。試驗(yàn)示意圖如圖8所示，施藥機(jī)從點(diǎn)A開(kāi)始啟動(dòng)作業(yè)，行駛路線為A→B、B→A的往返運(yùn)動(dòng),操作員控制機(jī)器一側(cè)的前、后輪相繼直線作業(yè)通過(guò)場(chǎng)地試驗(yàn)路面，以檢驗(yàn)施藥機(jī)噴桿自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)的有效性。

圖8 場(chǎng)地試驗(yàn)示意圖Fig.8 Schematic of step test

根據(jù)GB/T 24680—2009《農(nóng)用噴霧機(jī) 噴桿穩(wěn)定性 試驗(yàn)方法》進(jìn)行調(diào)平效果試驗(yàn)，分別在噴桿橫梁和噴桿支架安裝傾角傳感器，輸出頻率為20 Hz，測(cè)得施藥機(jī)車(chē)身和噴桿的傾斜角度，以施藥機(jī)車(chē)身傾斜角度為對(duì)照組，傳感器通過(guò)UART串口實(shí)時(shí)向單片機(jī)輸出兩者傾斜角度。打開(kāi)噴桿自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)的情況下，操控施藥機(jī)，使其右側(cè)前、后輪依次駛上兩個(gè)階躍激勵(lì)路面，并設(shè)置噴桿預(yù)設(shè)角度為0°，記錄分析自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)在不同響應(yīng)閾值n(0.5°、1.0°、1.5°、2.0°、2.5°、3.0°)，不同平均采樣值b(1、2、3、4、5、6、7、8)下的調(diào)平性能。

5.1.2試驗(yàn)結(jié)果分析

為評(píng)價(jià)噴桿自動(dòng)水平控制系統(tǒng)對(duì)噴桿實(shí)時(shí)控制的性能，對(duì)傾角傳感器的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行計(jì)算分析，在自動(dòng)調(diào)平控制器安裝過(guò)程中會(huì)有安裝傾角誤差，通過(guò)調(diào)節(jié)確定預(yù)設(shè)角度為0.23°時(shí)為噴桿水平狀態(tài)，結(jié)果如表3所示。

從表3可知，在不同響應(yīng)閾值和采樣值下，調(diào)平角度均方根誤差隨響應(yīng)閾值增加而增大，隨采樣值增加而減??；調(diào)平精度隨響應(yīng)閾值增加而降低，隨采樣值增加而增大。在測(cè)試過(guò)程中，響應(yīng)閾值n為0.5°時(shí)，車(chē)身傾角的變化會(huì)使噴桿變化，噴桿振動(dòng)會(huì)影響角度變化量在0.5°上下浮動(dòng)，導(dǎo)致油缸一直處于調(diào)節(jié)狀態(tài)，噴桿調(diào)平穩(wěn)定性低。當(dāng)響應(yīng)閾值n為1.0°～3.0°，自動(dòng)調(diào)平傾角誤差隨響應(yīng)閾值增大而增大，精度逐漸降低；測(cè)試數(shù)據(jù)中，響應(yīng)閾值n=1.0°時(shí)，最大誤差為1.84°，最大平均絕對(duì)誤差為0.59°；響應(yīng)閾值n=1.5°時(shí)，最大誤差為2.50°，最大平均絕對(duì)誤差為0.97°；響應(yīng)閾值n=2.0°時(shí)，最大誤差為2.96°，最大平均絕對(duì)誤差為1.20°；響應(yīng)閾值n=2.5°時(shí)，最大誤差為3.50°，最大平均絕對(duì)誤差為1.44°；響應(yīng)閾值n=3.0°時(shí)，最大誤差為3.97°，最大平均絕對(duì)誤差為1.73°。

圖9為響應(yīng)閾值分別是0.5°、1.0°、1.5°、2.0°時(shí)，施藥機(jī)車(chē)身與噴桿支架傾角變化曲線。裝配噴

表3 場(chǎng)地試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果Tab.3 Step test data analysis result

圖9 場(chǎng)地試驗(yàn)結(jié)果Fig.9 Step test results

桿自動(dòng)調(diào)平功能的施藥機(jī)，當(dāng)調(diào)平系統(tǒng)中響應(yīng)閾值n≤3.0°時(shí)，可以有效減小因階躍激勵(lì)路面而引起的噴桿傾斜。調(diào)平響應(yīng)閾值n越小，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間越短，角度變化幅度越小。當(dāng)n=1.0°時(shí)為系統(tǒng)最優(yōu)響應(yīng)閾值，平均絕對(duì)誤差最大為0.59°，均方根誤差最大為0.689°，可以將噴桿傾斜角控制在±1.5°范圍內(nèi)，并在采樣值b=2時(shí)，平均絕對(duì)誤差與均方根誤差小、穩(wěn)定性高，系統(tǒng)控制響應(yīng)時(shí)間短，可以保證自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)正常進(jìn)行田間作業(yè)。

5.2 田間試驗(yàn)

5.2.1試驗(yàn)條件

田間試驗(yàn)場(chǎng)地作物為小麥，小麥返青期高度為20～25 cm，選用山東理工大學(xué)研發(fā)的基于華盛泰山3WP-500G型施藥機(jī)的無(wú)人駕駛施藥機(jī)[21]，如圖10所示。

圖10 試驗(yàn)場(chǎng)景與機(jī)具Fig.10 Test field and equipment

5.2.2試驗(yàn)過(guò)程與數(shù)據(jù)分析

作業(yè)路徑為直線，采用矩形地頭轉(zhuǎn)彎方式，自動(dòng)導(dǎo)航行駛速度設(shè)為實(shí)際田間作業(yè)速度3.6 km/h。選用通過(guò)場(chǎng)地測(cè)試得到的最優(yōu)參數(shù)響應(yīng)閾值n=1°、采樣值b=2，設(shè)噴桿目標(biāo)傾斜角為0°，其初始橫向傾角為0°，自動(dòng)駕駛施藥機(jī)從點(diǎn)C(588 244.298 m,4 074 855.007 m)出發(fā)沿圖11中試驗(yàn)規(guī)劃路徑行駛，從點(diǎn)D(588 239.221 m,4 074 855.369 m)至E(588 214.123 m,4 074 857.609 m)、E1(588 215.485 m,4 074 863.247 m)、D1(588 240.556 m,4 074 860.963 m)，兩次試驗(yàn)路線均為直線作業(yè)，當(dāng)施藥機(jī)到達(dá)邊界時(shí)進(jìn)行地頭轉(zhuǎn)彎進(jìn)入鄰行作業(yè)，分別記錄兩個(gè)路徑不同路況，噴桿自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)作業(yè)后噴桿與施藥機(jī)車(chē)身傾角信息，并通過(guò)傾角信息檢驗(yàn)噴桿自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)的調(diào)平性能。

圖11 試驗(yàn)路徑規(guī)劃Fig.11 Test path planning

圖12 田間試驗(yàn)結(jié)果Fig.12 Field test results

圖12為田間試驗(yàn)傾角變化曲線，數(shù)據(jù)記錄頻率為50 Hz，以車(chē)身傾角傳感器測(cè)量的橫向傾角為參考，在田間試驗(yàn)中，分別在D→E和E1→D1兩個(gè)路徑得噴桿調(diào)平后最大誤差1.53°，調(diào)平后角度平均值0.135°，均方根誤差0.454°，平均絕對(duì)誤差0.265°，70%時(shí)間內(nèi)噴桿調(diào)平后角度在0.5°以內(nèi)。表明噴桿自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)田間工作正常，能實(shí)現(xiàn)噴桿工作時(shí)自動(dòng)調(diào)平，在田間作業(yè)時(shí)偶有晃動(dòng)，但能夠很快恢復(fù)平衡，噴桿沒(méi)有發(fā)生誤調(diào)現(xiàn)象，系統(tǒng)工作平穩(wěn)。

6 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了以PIC18F258為核心的噴桿自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)，采用傾角傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量噴桿傾角，并基于PID算法控制電磁換向閥實(shí)現(xiàn)噴桿自動(dòng)調(diào)平控制。

(2)場(chǎng)地試驗(yàn)表明，以華盛泰山3WP-500G型施藥機(jī)為平臺(tái)，裝配噴桿自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)后，可以有效改善路面起伏不平引起的噴桿傾斜角度變化，在10°的臺(tái)階路面上以2.5 km/h速度行駛，在響應(yīng)閾值為1°的情況下，平均絕對(duì)誤差不大于0.59°，均方根誤差不大于0.689°，可以將噴桿傾斜角控制在±1.5°范圍內(nèi)，且無(wú)超調(diào)現(xiàn)象。

(3)田間試驗(yàn)表明，噴桿支架傾角傳感器測(cè)得調(diào)平后角度平均值為0.135°，平均絕對(duì)誤差為0.265°，均方根誤差為0.454°，最大誤差為1.53°。噴桿自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)田間工作正常，在地面起伏時(shí)偶有晃動(dòng)，但能快速恢復(fù)平衡，未發(fā)生噴桿與作物接觸現(xiàn)象，噴桿調(diào)節(jié)穩(wěn)定。