夏衍，李軍偉，單坤山

（1.255049 山東省 淄博市 山東理工大學(xué) 交通與車(chē)輛工程學(xué)院；2.261206 山東省 濰坊市 濰柴雷沃重工股份有限公司）

0 引言

長(zhǎng)期耕作方式單一及大型農(nóng)機(jī)易壓實(shí)土壤，導(dǎo)致土壤形成堅(jiān)硬的犁底層，犁底層的存在是導(dǎo)致土壤肥力下降的首要因素[1-5]。采用深松作業(yè)，可以有效打破犁底層，改變土壤空間結(jié)構(gòu)，促進(jìn)微生物繁衍,提高作物產(chǎn)量[6-9]。在深松作業(yè)過(guò)程中，由于無(wú)法實(shí)時(shí)獲取耕深數(shù)值，需要操作人員憑經(jīng)驗(yàn)判斷是否達(dá)到耕深要求，容易出現(xiàn)耕深作業(yè)不達(dá)標(biāo)需要重耕的現(xiàn)象，既耗時(shí)又增加人力物力成本。

為了能夠?qū)崟r(shí)得到耕深數(shù)據(jù)，研究人員利用現(xiàn)代電子技術(shù)開(kāi)展了耕深監(jiān)測(cè)的研究。丁瑞華[10]基于深松機(jī)建立了耕深與深松機(jī)力臂之間的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)力臂與水平面的夾角來(lái)獲得耕深，進(jìn)而推算出耕深值，但該方法在地面起伏時(shí)有較大誤差；蔣哮虎等[11]采用超聲波傳感器和紅外傳感器聯(lián)合檢測(cè)耕深，避免了地形起伏和地面稻草秸稈帶來(lái)的檢測(cè)誤差；杜新武等[12]基于旋耕機(jī)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，建立了以下拉桿和機(jī)架平面的水平傾角為變量的耕深計(jì)算模型，克服了因旋耕機(jī)組形變和車(chē)輪傾斜對(duì)結(jié)果的影響。

本文在前者研究的基礎(chǔ)上，利用耕深監(jiān)控裝置內(nèi)置的MPU6050 陀螺儀實(shí)時(shí)得到深松機(jī)組的三維角度值，耕深監(jiān)控裝置將當(dāng)前的三維角度同標(biāo)定的基準(zhǔn)角度進(jìn)行分析比較，通過(guò)深松機(jī)組懸掛的結(jié)構(gòu)模型計(jì)算得出耕深數(shù)值，并將該數(shù)值通過(guò)CAN 總線(xiàn)發(fā)送至電腦端，以期實(shí)現(xiàn)耕深作業(yè)過(guò)程全自動(dòng)化監(jiān)控。

1 耕深計(jì)算原理

1.1 深松機(jī)懸掛結(jié)構(gòu)

深松機(jī)通過(guò)三點(diǎn)懸掛裝置和拖拉機(jī)相連，懸掛裝置三點(diǎn)分別為裝置上拉桿點(diǎn)、裝置左側(cè)下拉桿點(diǎn)和裝置右側(cè)下拉桿點(diǎn)。本文以懸掛式深松機(jī)為例，具體機(jī)構(gòu)懸掛示意圖如圖1 所示。三點(diǎn)懸掛裝置由搖臂、液壓油缸、提升臂、上拉桿和下拉桿構(gòu)成，搖臂前端、上拉桿前端以及下拉桿前端分別鉸接在拖拉機(jī)機(jī)身上，搖臂后端與提升臂上端相連，上拉桿后端和下拉桿后端分別與深松機(jī)具連接，耕深監(jiān)控裝置安裝在下拉桿與深松機(jī)具連接點(diǎn)處。通過(guò)連接在搖臂下方的液壓油缸的起落運(yùn)動(dòng)來(lái)驅(qū)動(dòng)搖臂，從而帶動(dòng)提升臂拉起或降低下拉桿，上拉桿僅起支撐旋轉(zhuǎn)的作用，最終實(shí)現(xiàn)深松機(jī)的起落運(yùn)動(dòng)。

圖1 深松機(jī)懸掛示意圖Fig.1 Schematic diagram of deep looser suspension

1.2 深松機(jī)水平作業(yè)耕深計(jì)算數(shù)學(xué)模型

在深松機(jī)水平作業(yè)時(shí)，具體示意圖如圖2 所示。圖2 中AD 桿為搖臂，BF 桿為上拉桿，CG 桿為下拉桿，DE 桿為提升臂，F(xiàn)GH 機(jī)構(gòu)為懸掛深松機(jī)，點(diǎn)A、B、C 分別為搖臂、上拉桿、下拉桿在拖拉機(jī)上的固定點(diǎn)，點(diǎn)D 為搖臂和提升臂的鉸接點(diǎn)，點(diǎn)E 為提升臂和下拉桿的鉸接點(diǎn)，點(diǎn)F、G 為三點(diǎn)懸掛裝置和深松機(jī)的連接點(diǎn)。

圖2 深松機(jī)水平作業(yè)示意圖Fig.2 Schematic diagram of horizontal operation of deep looser

下拉桿與深松機(jī)剛性連接，由于水平作業(yè)車(chē)身未發(fā)生傾斜，因此下拉桿和深松機(jī)的連接點(diǎn)G 變化的高度即為深松機(jī)變化的高度，所以只需知曉下拉桿和水平方向夾角α的變化值即可計(jì)算出耕深值。由于耕深監(jiān)控裝置垂直安裝在下拉桿下方，采用MPU6050 陀螺儀的俯仰角測(cè)得下拉桿和水平方向夾角。拖拉機(jī)靜止于水平地面，降低深松機(jī)與耕作地面接觸，得到此時(shí)下拉桿與水平方向夾角α，并記此時(shí)角度為α0，由此得水平耕深計(jì)算模型：

式中：LCD——下拉桿在水平面投影的桿長(zhǎng)，cm；α——任意時(shí)刻下拉桿與水平面的夾角，°；L——深松機(jī)垂直下降距離，cm。

MPU6050 陀螺儀得到的俯仰角在水平方向繞逆時(shí)針時(shí)顯示為正值，繞順時(shí)針時(shí)顯示為負(fù)值。因此當(dāng)L 為負(fù)值時(shí)，深松機(jī)處于耕作狀態(tài)，-L 即為耕深值；當(dāng)L 為正值時(shí)，此時(shí)深松機(jī)處于懸空狀態(tài)，L 值為深松機(jī)高于耕作地面的距離。

1.3 深松機(jī)側(cè)傾耕深計(jì)算數(shù)學(xué)模型

在深松機(jī)作業(yè)時(shí)，拖拉機(jī)受地形、深松機(jī)組的影響，在一定程度上會(huì)出現(xiàn)整機(jī)傾斜現(xiàn)象，因此僅使用水平面時(shí)得出的耕深值會(huì)與實(shí)際耕深值產(chǎn)生較大誤差，還需要加上側(cè)傾時(shí)耕深計(jì)算模型。整機(jī)側(cè)傾示意圖如圖3 所示。

圖3 整機(jī)側(cè)傾示意圖Fig.3 Schematic diagram of the whole machine

圖3 中，CG 桿為左側(cè)下拉桿，C'G'桿為右側(cè)下拉桿，GG'為深松機(jī)，點(diǎn)W 為左側(cè)車(chē)輪接地點(diǎn)，點(diǎn)O 為深松機(jī)組中心點(diǎn)，夾角β為車(chē)身側(cè)傾角。假設(shè)機(jī)具未升高降低，則整車(chē)側(cè)傾時(shí)深松機(jī)組中心點(diǎn)O 變化的高度即為深松機(jī)側(cè)傾作業(yè)導(dǎo)致的誤差高度，只需知曉O(shè)W 連線(xiàn)和地平面夾角的變化值就可以計(jì)算得出該高度值的變化，而該角度變化值即為車(chē)身側(cè)傾角變化值。由于下拉桿與車(chē)身剛性連接，因此車(chē)身傾斜導(dǎo)致下拉桿傾斜且兩者傾斜角度一致，故安裝在下拉桿上的耕深監(jiān)控裝置可實(shí)時(shí)得到車(chē)身側(cè)傾角度值，根據(jù)耕深監(jiān)控裝置安裝位置，采用MPU6050 陀螺儀的橫滾角測(cè)得車(chē)身側(cè)傾角度值。拖拉機(jī)靜止于水平地面，降低深松機(jī)與耕作地面接觸，得到此時(shí)車(chē)身側(cè)傾角度值，并記此時(shí)角度值為β0，同時(shí)測(cè)得OW 連線(xiàn)和地平面夾角角度值為β1，將OW 連線(xiàn)作為固定的斜邊長(zhǎng)，得到側(cè)傾耕深計(jì)算模型

式中：LOW——OW 連線(xiàn)的長(zhǎng)度，cm；β——任意時(shí)刻車(chē)身側(cè)傾角度值，°；L1——側(cè)傾時(shí)深松機(jī)垂直變化距離，cm

MPU6050 陀螺儀得到的橫滾角在側(cè)傾方向繞逆時(shí)針時(shí)顯示為正值，繞順時(shí)針時(shí)顯示為負(fù)值。因此，當(dāng)L1為負(fù)值時(shí)，深松機(jī)向下傾斜；當(dāng)L1為正值時(shí)，深松機(jī)向上傾斜。最后將L 與L1相加即為最終的耕深值，若該值為負(fù)值時(shí)，深松機(jī)處于耕作狀態(tài)；若該值為正值時(shí)，深松機(jī)處于懸空狀態(tài)。

2 耕深監(jiān)控裝置硬件結(jié)構(gòu)

硬件電路是實(shí)現(xiàn)耕深監(jiān)控裝置的核心部件，是耕深實(shí)時(shí)反饋策略穩(wěn)定運(yùn)行的前提。硬件電路結(jié)構(gòu)框圖如圖4 所示。監(jiān)控裝置硬件功能包括：電源管理功能，將蓄電池的12 V 電源輸入轉(zhuǎn)換為3.3 V對(duì)內(nèi)供電；角速度傳感器信號(hào)、加速度傳感器信號(hào)等模擬信號(hào)的輸入；用于與其他節(jié)點(diǎn)通信的CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)。

圖4 硬件電路結(jié)構(gòu)Fig.4 Hardware circuit structure

STM32F103 芯片是基于Arm Cortex-M3 內(nèi)核的32 位微控制器，相比同類(lèi)微控制器具有更加卓越的性能。該芯片工作主頻為72 MHz，大大加快了芯片運(yùn)行速度。該芯片具有32 位浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算單元，能夠滿(mǎn)足耕深監(jiān)控裝置的數(shù)據(jù)處理需求，保證控制策略執(zhí)行的實(shí)時(shí)性。該芯片能夠在-45～125℃溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行，保證了耕深監(jiān)控裝置在使用過(guò)程中的可靠性。該芯片具有64 kB 的System RAM 和512 kB 的Flash，能夠滿(mǎn)足耕深監(jiān)控裝置的程序運(yùn)行以及存儲(chǔ)需求。

耕深作業(yè)時(shí)，深松機(jī)極易產(chǎn)生抖動(dòng)現(xiàn)象，因此裝置的穩(wěn)定性、耐振性是首要選擇因素。在了解不同姿態(tài)傳感器特性的基礎(chǔ)上，本文采用MPU6050陀螺儀，其擁有16 位精度的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，可以將三維坐標(biāo)精準(zhǔn)地轉(zhuǎn)化為數(shù)字量輸出，同時(shí)內(nèi)置數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器（DMP），可將計(jì)算結(jié)果存入數(shù)據(jù)輸出寄存器。

3 耕深監(jiān)控裝置軟件開(kāi)發(fā)

本文將耕深監(jiān)控裝置的軟件系統(tǒng)架構(gòu)分為應(yīng)用層（Application Layer）和硬件層（Hardware Layer）。應(yīng)用層軟件為通過(guò)Simulink 搭建的控制策略模型，用于實(shí)現(xiàn)耕深監(jiān)控裝置的控制策略，保證耕深監(jiān)控裝置能夠安全穩(wěn)定地運(yùn)行。硬件層為耕深監(jiān)控裝置的底層驅(qū)動(dòng)程序，用于驅(qū)動(dòng)硬件中的各模塊電路。。

3.1 底層驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

底層驅(qū)動(dòng)程序模塊包括時(shí)鐘模塊、定時(shí)器模塊、IIC 模塊、MPU6050 角度解算模塊和CAN 模塊。

時(shí)鐘模塊主要負(fù)責(zé)為系統(tǒng)運(yùn)行提供時(shí)鐘信號(hào)。由外部的8 MHz 晶振作為輸入時(shí)鐘源，然后將其倍頻至 72 MHz。各模塊可根據(jù)運(yùn)行頻率的需要將72 MHz 時(shí)鐘分頻使用，如CAN 模塊通過(guò)分頻設(shè)置為36 MHz 等。

定時(shí)器模塊內(nèi)有4 路通道。配置相應(yīng)的寄存器將該模塊的時(shí)鐘源設(shè)置為總線(xiàn)時(shí)鐘，啟用通道0的計(jì)數(shù)功能，并將通道0 的定時(shí)周期設(shè)置為1 ms并使能定時(shí)器中斷，當(dāng)定時(shí)器的計(jì)數(shù)值達(dá)到 1 ms對(duì)應(yīng)的通道值時(shí)，觸發(fā)定時(shí)溢出中斷用于定時(shí)執(zhí)行控制策略主程序。

IIC 模塊用于MPU6050 傳感器和主芯片之間的數(shù)據(jù)傳遞。用于IIC 通信的GPIO 類(lèi)型必須配置成開(kāi)漏輸出，只有這樣IIC 設(shè)備才能輸出低電平和高阻態(tài)。因?yàn)?SCL 和 SDA 連接上拉電阻到電源，那么GPIO 輸出低電平則拉低，輸出高阻態(tài)則拉高。

MPU6050角度解算模塊用于得到三維角度值。通過(guò)配置SMPLRT_DIV 寄存器的SMPLRT_DIV 位設(shè)置采樣頻率為100 Hz，配置GYRO_CONFIG 寄存器的FS_SEL 位設(shè)置角速度量程為±2 000 dps，配置ACCEL_CONFIG 寄存器的AFS_SEL 位設(shè)置加速度量程為±2 g。通過(guò)IIC 模塊讀取MPU6050 三軸的角速度和加速度，由于期望得到航向角、橫滾角和俯仰角的三維角度，所以這些數(shù)據(jù)無(wú)法直接使用，故需利用讀取的原始數(shù)據(jù)，進(jìn)行姿態(tài)融合解算。直接計(jì)算是比較復(fù)雜的，但MPU6050 自帶了數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器 DMP，因此利用MPU6050 的DMP，可以將得到的原始數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)換成四元數(shù)輸出，而得到四元數(shù)之后，就可以計(jì)算出三維角度值。

為了實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)與主機(jī)之間的通信，必須對(duì)STM32F103 的CAN 模塊進(jìn)行初始化及相關(guān)功能配置。模塊初始化包括模塊輸入時(shí)鐘源選擇、選定總線(xiàn)的波特率、接受過(guò)濾特定的標(biāo)識(shí)符及設(shè)置中斷。初始化時(shí)，配置CAN_MCR 寄存器，將72 MHz 的總線(xiàn)時(shí)鐘作為CAN 模塊的時(shí)鐘源并設(shè)置分頻系數(shù)為2，調(diào)整寄存器CAN_BTR 的值，將模塊波特率設(shè)置成250 kbps，最后使能CAN 模塊接受中斷。

3.2 應(yīng)用層程序設(shè)計(jì)

上電后，待底層驅(qū)動(dòng)程序完成初始化，則進(jìn)入控制策略主程序，如圖5 所示。系統(tǒng)首先判斷是否完成標(biāo)定，若未完成則啟動(dòng)標(biāo)定程序。為了確保能夠順利完成標(biāo)定，對(duì)啟動(dòng)標(biāo)定程序和完成標(biāo)定添加了限制條件。當(dāng)標(biāo)定完成標(biāo)志位未置1 且車(chē)速滿(mǎn)足條件時(shí)，則進(jìn)入標(biāo)定程序，而當(dāng)任意一條件不滿(mǎn)足時(shí)直接退出標(biāo)定。在標(biāo)定過(guò)程中，當(dāng)系統(tǒng)接收到提升臂下降命令且角度變化值在一定誤差范圍保持不變，保持該過(guò)程一定時(shí)間則判斷標(biāo)定完成，將此時(shí)的角度值作為標(biāo)定值且標(biāo)定完成標(biāo)志位置1。若系統(tǒng)已完成標(biāo)定，在接收到使能耕深監(jiān)控命令后，進(jìn)入耕深實(shí)時(shí)監(jiān)控模式，則通過(guò)對(duì)比三維角度值的變化，對(duì)當(dāng)前的耕深值進(jìn)行計(jì)算。最后，將深松機(jī)的耕深值反饋給主機(jī)，駕駛員通過(guò)耕深值的反饋對(duì)深松機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。

圖5 控制策略流程圖Fig.5 Flow chart of control strategy

4 田間試驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析

4.1 田間測(cè)試試驗(yàn)

為了檢驗(yàn)耕深監(jiān)控裝置的準(zhǔn)確性和可靠性，于濰坊市坊子區(qū)馬司試驗(yàn)農(nóng)場(chǎng)進(jìn)行了耕深監(jiān)控裝置的田間測(cè)試試驗(yàn)，如圖6 所示。

圖6 耕深監(jiān)控裝置田間試驗(yàn)Fig.6 Field test of tillage depth monitoring device

駕駛員操縱按鈕控制深松機(jī)的升高降低，按照耕深逐漸增大的次序，每?jī)山M之間設(shè)置耕深數(shù)值之差為4～6 cm，共設(shè)置7 組。每組耕地間距為15 m，以保證深松機(jī)能夠平穩(wěn)作業(yè)。在耕地之前，駕駛員操控深松機(jī)組至平穩(wěn)，同時(shí)記錄此時(shí)監(jiān)控裝置反饋的耕深值作為測(cè)量值，之后開(kāi)始深松作業(yè)，以拖拉機(jī)前進(jìn)3 m 為一個(gè)單位，采用人工扒土測(cè)量的方式，測(cè)出耕地表面至深松機(jī)刀頭最底端的垂直距離，記錄5 組數(shù)據(jù)并取平均值作為耕深的實(shí)際值。當(dāng)測(cè)量值達(dá)到32.6 cm 時(shí)，采取耕深逐漸減小的順序共設(shè)置6 個(gè)組，重復(fù)之前的操作并記錄相應(yīng)的實(shí)際值和測(cè)量值。

4.2 測(cè)量數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)總共記錄13 組對(duì)比數(shù)據(jù)，試驗(yàn)結(jié)果如圖7 所示。對(duì)比13 組數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，測(cè)量值與實(shí)際值之間最大差值為1.10 cm，出現(xiàn)在第12 組。經(jīng)計(jì)算，機(jī)組降低過(guò)程平均誤差為0.70 cm，機(jī)組上升過(guò)程平均誤差為0.75 cm，滯后誤差較小，表明該監(jiān)控裝置運(yùn)行較穩(wěn)定。總體平均誤差為0.72 cm，均方根誤差為0.74 cm，可見(jiàn)通過(guò)該監(jiān)控裝置反饋的耕深數(shù)值與實(shí)際值的符合度較高，具有較高的穩(wěn)定性。

圖7 測(cè)量值與實(shí)際值數(shù)據(jù)對(duì)比圖Fig.7 Comparison of measured value and actual value data

5 結(jié)論

結(jié)合三點(diǎn)懸掛裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)深松機(jī)組運(yùn)動(dòng)姿態(tài)進(jìn)行了理論分析，采用MPU6050 陀螺儀實(shí)時(shí)得到下拉桿與水平方向夾角以及車(chē)身側(cè)傾角的變化，建立了耕深計(jì)算模型，減少了因機(jī)身側(cè)傾帶來(lái)的測(cè)量誤差。

設(shè)計(jì)了由三維角度采集模塊、定時(shí)器模塊和CAN 通信模塊等組成的懸掛式深松機(jī)耕深監(jiān)控裝置，實(shí)現(xiàn)了耕深實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的功能。

進(jìn)行了懸掛式深松機(jī)耕深監(jiān)控裝置田間試驗(yàn)，對(duì)比裝置反饋值與人工測(cè)量值，發(fā)現(xiàn)兩者的最大差值為1.10 cm，均差為0.72 cm，表明該監(jiān)控裝置具有較高的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，符合設(shè)計(jì)要求。