張亞超,徐 洋,李素敏

(許昌電氣職業(yè)學院,河南 許昌 461000)

0 引言

我國作為農(nóng)業(yè)大國,國土面積位居世界第三,但我國也是一個人均耕地位于較低水平的國家之一。隨著現(xiàn)代化城市的建設,耕地面積不斷被城市用地占用,為保證土壤質(zhì)量,國家出臺一系列耕地保護政策,提高耕地質(zhì)量。深松機作為保護性耕作的主要整地機械之一,如圖1所示,在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領域使用廣泛。深松機特殊的深松鏟能夠在保證原有土壤結(jié)構(gòu)較為完整的基礎上,作業(yè)過程能夠有效破壞堅實的犁底層,使土壤變得松散,增加土壤儲水保墑能力[1]。

圖1 深松機

深松機保證作業(yè)耕深是衡量深松作業(yè)好壞的重要指標。但是由于一些地區(qū)土質(zhì)或地表前茬作物殘留的緣故,導致傳統(tǒng)的深松機深淺不一,作業(yè)深度過淺,達不到犁底層深度影響作物生長,不符合農(nóng)藝要求;作業(yè)深度過深,牽引動力增加,油耗提高導致成本上升[2-5]?，F(xiàn)階段,測量作業(yè)深度分為自動測量和人工測量兩種。自動測量可分為直接和間接,目前多數(shù)采用超聲波原理測量作業(yè)機具與原地面標定平面高度差計算深度的控制系統(tǒng)屬于直接測量;采用傾角傳感器借助數(shù)學幾何關系,計算地面與當前作業(yè)機具的位置狀態(tài)的角度關系,進而計算作業(yè)深度的方法屬于間接測量。

隨著電子信息技術的發(fā)展,國內(nèi)學者逐漸開展了對作業(yè)深度自動化測量的研究。丁瑞華[6]利用測量作業(yè)機具上設計的測力臂與地面的角度建立數(shù)學模型計算作業(yè)深度。但此類方法對于地面平整度精度不高的地塊誤差較大。蔣哮虎等[7]為測量地面平整度不高地塊的作業(yè)耕深,利用超聲波和紅外傳感器結(jié)合的方式,測量準確度得到一定程度上的保證。杜新武及其團隊[8]為解決旋耕機作業(yè)過程中的旋刀組形變和車輪位置變化引起結(jié)果的影響,利用傾角傳感器并且建立機具下拉桿與機具平臺平面之間的角度數(shù)學模型關系間接計算作業(yè)深度。

本文在前人研究成果基礎上,在深松機上安裝傾角傳感器以及輔助監(jiān)測系統(tǒng),對深松過程中的傾角變化量進行動態(tài)監(jiān)測,根據(jù)深松機傾角變化量計算深松機入土深度,利用智能控制技術調(diào)節(jié)深松機的入土深度,達到精準深松作業(yè)控制的目的,從而提高深松作業(yè)質(zhì)量,降低深松機的動力消耗。

1 系統(tǒng)組成設計

本文所述深松機作業(yè)系統(tǒng)主要包括拖拉機、車載控制器、升降裝置、深松鏟、智能化控制系統(tǒng)。根據(jù)深松機械智能化控制系統(tǒng)的功能需求,將傳感器技術、物聯(lián)網(wǎng)技術和無線傳輸技術相結(jié)合,確定智能深松機械控制系統(tǒng)的設計與各部分主要作用。監(jiān)控系統(tǒng)主要包括傳感器、車載終端、服務器、監(jiān)控終端四個部分。深松機械智能化控制系統(tǒng)的主要組成如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

深松機械智能化控制系統(tǒng)主要由農(nóng)具識別、作業(yè)角度采集、農(nóng)具圖像監(jiān)測、農(nóng)具作業(yè)控制、歷史數(shù)據(jù)查詢、報警6個功能模塊組成,系統(tǒng)組成框圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)功能組成框圖

本文在拖拉機以及深松鏟各安裝了一傾角傳感器,兩傾角傳感器之間的數(shù)據(jù)差值即為深松鏟的入土角度,通過運算處理可得到深松鏟的實際入土深度,如深松鏟實際入土深度偏離理想深松土壤深度范圍,車載終端將驅(qū)動升降裝置完成深松機作業(yè)系統(tǒng)入土深度精確控制,并產(chǎn)生報警信號發(fā)送至監(jiān)控終端;車載終端還可將監(jiān)測到的深松鏟作業(yè)深度信息存儲到服務器內(nèi),供操作人員查詢歷史數(shù)據(jù)。

農(nóng)業(yè)機械識別系統(tǒng)主要實現(xiàn)了對各種農(nóng)機具的識別,并對各種農(nóng)機具的工作角度信息進行了存儲。不同農(nóng)機具在收到車載終端命令后,會根據(jù)自己的ID數(shù)據(jù)類型向服務器發(fā)送數(shù)據(jù)。作業(yè)角度采集功能是對犁具下放以及提升的角度信息進行采集并儲存到數(shù)據(jù)庫中。

農(nóng)具圖像監(jiān)測功能能夠?qū)崿F(xiàn)利用車載終端接收服務器查看作業(yè)現(xiàn)場圖像命令后,將當前農(nóng)機具的圖像等信息參數(shù)實時發(fā)送給服務器,或無需指令,車載終端保持一定時間間隔采集當前農(nóng)機具作業(yè)情況圖像參數(shù)發(fā)送至服務器。農(nóng)具作業(yè)控制功能是通過農(nóng)具安裝的傳感器進行作業(yè)數(shù)據(jù)采集,深松機械控制系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理分析,并生成控制指令,由車載終端控制執(zhí)行機構(gòu)進行深松作業(yè)狀態(tài)調(diào)整,或按照控制指令進行系統(tǒng)報警與狀態(tài)顯示。

2 深松機傾角監(jiān)測原理

當拖拉機角度傳感器讀數(shù)為0時,深松機角度傳感器讀數(shù)實際反映深松鏟入土角度。當機組在坡面上作業(yè)行進時,安裝于拖拉機上的角度傳感器讀數(shù)為坡面角度,深松機上角度傳感器讀數(shù)與拖拉機上角度傳感器讀數(shù)的差值為深松鏟入土角度。

綜合考慮地面角度波動和深松目標深度,對深松機傾角進行修正,得出深松機傾角目標角度控制模型[9],即式(1)。

(1)

式中θ—深松機上角度傳感器讀數(shù),(°);

θ1——深松機傾角目標角度,(°);

β—拖拉機上的角度傳感器讀數(shù),(°);

Δβ—作業(yè)過程拖拉機角度變化量,(°);

h0—深松機與拖拉機連接點到深松鏟尖點的垂直高度,mm;

a—深松機與拖拉機連接點到深松鏟尖點的水平距離,mm。

3 深松機智能控制系統(tǒng)設計

深松機精準控制時,通過前端傳感器進行數(shù)據(jù)采集,車載終端進行數(shù)據(jù)處理分析,并生成控制指令,由后端執(zhí)行機構(gòu)進行深松作業(yè)狀態(tài)調(diào)整,或按照控制指令進行系統(tǒng)報警與狀態(tài)顯示。深松機控制系統(tǒng)采用高性能STM32F103ZET6作為車載終端核心處理芯片,選用傾角傳感器要求采集精度不低于±0.3°,且能夠同時進行多通道數(shù)據(jù)處理,傳感器與車載終端之間通過標準通訊方式進行數(shù)據(jù)交互。執(zhí)行機構(gòu)電氣控制系統(tǒng)接收車載終端生成的控制指令,驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)進行深松作業(yè)。本文深松機構(gòu)電氣控制系統(tǒng)采用STM32單片機進行系統(tǒng)設計,以車載終端內(nèi)部單片機所發(fā)送的控制指令作為輸入信號,以深松機構(gòu)的作業(yè)狀態(tài)作為輸出。圖4為深松機智能控制系統(tǒng)的主要控制流程圖。

圖4 系統(tǒng)控制流程圖

4 結(jié)論

隨著我國城鎮(zhèn)化建設的發(fā)展和農(nóng)業(yè)勞動力的轉(zhuǎn)移,農(nóng)業(yè)機械的應用數(shù)量會越來越多,國家對農(nóng)業(yè)機械的補貼投入越來越大,因而,應通過現(xiàn)代化的技術手段加強對農(nóng)業(yè)機械作業(yè)質(zhì)量的管理。深松機械智能化控制系統(tǒng),有效改變了無法真實掌握農(nóng)田深松機械的實際情況的狀況,加強了對作業(yè)機手的管理,提高了土地深松質(zhì)量,避免了與機手因面積和質(zhì)量產(chǎn)生糾紛,有效地使國家補貼政策真正的保質(zhì)保量的惠及到每個參與深松作業(yè)的農(nóng)機手,效果良好。通過本技術的應用,使我們初步看到了科技創(chuàng)新與農(nóng)業(yè)機械相結(jié)合的廣泛應用前景,對農(nóng)業(yè)機械智能化控制研究了提供參考。