何馮光　陳自宏　鄧干然　李騰輝　周思理　李國杰　崔振德　鄭爽　李玲　覃雙眉　王翔　楊少應(yīng)　周德強

摘要：入土切割是降低甘蔗收獲機破頭率的重要方法。為了實現(xiàn)甘蔗收獲機切割器隨地面起伏自動調(diào)控入土深度，保持切割器入土深度的一致性，基于4GQ-1型甘蔗收獲機，設(shè)計一種甘蔗收獲機切割器入土切割深度監(jiān)測與自動控制系統(tǒng)，實現(xiàn)切割器入土深度自動調(diào)控及其參數(shù)可視化，并通過室內(nèi)試驗和田間試驗檢驗系統(tǒng)的監(jiān)控性能。室內(nèi)試驗結(jié)果表明，監(jiān)控系統(tǒng)的入土深度監(jiān)測精度平均值為98.90%，自動控制精度平均值為97.7%，監(jiān)測精度和自動控制精度達到95.0%以上。田間試驗結(jié)果表明，在20、30和50 mm入土深度的條件下，監(jiān)控系統(tǒng)的自動控制精度的平均值分別是85.3%、90.6%、94.1%，自動控制精度達到85.0%以上，監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計合理，性能良好。研究結(jié)果可為甘蔗收獲機切割器入土切割深度控制系統(tǒng)研究提供理論參考，對甘蔗收獲機優(yōu)化升級具有重要的參考意義。

關(guān)鍵詞：甘蔗收獲機；切割器；監(jiān)測；控制；入土深度

doi：10.13304/j.nykjdb.2023.0110

中圖分類號：S225.8 文獻標志碼：A 文章編號：10080864（2024）05010109

甘蔗是我國主要糖料作物，常年種植約135萬hm2，占我國糖料作物種植面積85%以上，其產(chǎn)量占糖料總產(chǎn)量90%以上[1]。隨著農(nóng)村動力短缺、勞動力老齡化問題日益嚴重，生產(chǎn)成本不斷上漲，甘蔗機械化生產(chǎn)技術(shù)與裝備的需求愈發(fā)強烈。目前，我國甘蔗生產(chǎn)機耕、機種、機管、機收的全程機械化取得突破，全國甘蔗生產(chǎn)綜合機械化率達到50%，但機收率僅為2%左右[1]，因此，機械化收獲已經(jīng)成為我國甘蔗生產(chǎn)全程機械化發(fā)展的瓶頸問題。由于甘蔗是多年生植物，機械化收獲的破頭率大小直接影響甘蔗宿根的發(fā)芽率，當前在用甘蔗收獲機的宿根破頭率20%以上[2]，嚴重影響蔗農(nóng)的經(jīng)濟效益和甘蔗收割機的可靠性，是制約甘蔗機械化收獲發(fā)展的重要因素[3-6]。

切割器是甘蔗收獲機直接對甘蔗產(chǎn)生作用的部件，其切割質(zhì)量直接決定甘蔗宿根破頭率。切割器的切割方式、結(jié)構(gòu)參數(shù)、工作參數(shù)等方面進行了大量研究研究[7-12]，有效降低了甘蔗宿根破頭率。研究發(fā)現(xiàn)，切割器入土切割能有效降低破頭率，提高甘蔗切割質(zhì)量60%，保證甘蔗宿根發(fā)芽率[13-18]。由于我國甘蔗多種植在丘陵地帶，地勢崎嶇變化大，甘蔗收獲機無法依據(jù)地勢實時有效地控制切割器入土切割深度，存在過切或者切深不足現(xiàn)象，導致甘蔗收獲機收割損失和破頭率高。目前，我國的甘蔗收獲機切割器自動控制系統(tǒng)研究處于起步階段，張亮[19]研制了一種甘蔗收割機刀盤仿形隨動控制系統(tǒng)，經(jīng)過驗證該系統(tǒng)可滿足作業(yè)要求；徐莉萍等[20]通過虛擬樣機技術(shù)進行了刀盤仿形系統(tǒng)的研究和仿真，得出系統(tǒng)響應(yīng)速度和穩(wěn)定性基本能滿足設(shè)計要求的結(jié)果；宮元娟等[21]設(shè)計了甘蔗收獲機割臺隨動控制系統(tǒng)，實現(xiàn)割臺高度隨地形起伏變化自動控制，使甘蔗收獲機平均破頭率降低18.5%。

以上切割器仿形自動控制系統(tǒng)研究較好地保證了甘蔗留茬高度的一致性，為甘蔗收獲機的性能優(yōu)化升級提供重要的技術(shù)支撐和理論依據(jù)。但由于甘蔗收獲機切割器留茬作業(yè)與入土切割作業(yè)的條件與要求不一樣，亟需借助現(xiàn)有技術(shù)、方法和理論基礎(chǔ)，深入探索研究甘蔗收獲機切割器入土切割深度自動控制系統(tǒng)。同時，入土切割深度實時在線監(jiān)測及其數(shù)值可視化可使駕駛員直接獲取作業(yè)參數(shù)，操控調(diào)整入土審讀，提高甘蔗收獲機作業(yè)質(zhì)量。因此，本研究基于4GQ-1型甘蔗收獲機，設(shè)計一種切割器入土切割深度監(jiān)測與控制系統(tǒng)，實現(xiàn)切割器作業(yè)參數(shù)實時監(jiān)測和入土切割深度自動控制，為駕駛員調(diào)整作業(yè)參數(shù)提供參考，旨在提高甘蔗收獲機切割質(zhì)量，降低甘蔗宿根破頭率。

1 材料與方法

1.1 4GQ-1 型甘蔗收獲機總體結(jié)構(gòu)與主要參數(shù)

4GQ-1型甘蔗收獲機由雷州雷寶機械有限公司研發(fā)生產(chǎn)，主要由切梢器、扶倒器、切割器、輸送裝置、切段裝置、風機部件、集蔗裝置等部件組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。工作時，先將切割器部分抬起一定的高度，然后調(diào)整連接切割器的液壓馬達，使其達到額定的轉(zhuǎn)速，根據(jù)甘蔗的高度和蔗地的地形，調(diào)節(jié)切割器到合適高度，實現(xiàn)入土切割的功能。扶倒器將倒伏或交錯的甘蔗分開并扶起，壓蔗輥將甘蔗壓倒并送至切割器切割，輸送裝置將切段的甘蔗輸送拋出，并由風機將蔗葉、雜草等雜物分離，甘蔗段落入集蔗裝置內(nèi)。4GQ-1型甘蔗收獲機主要參數(shù)如表1所示。

1.2 監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成和工作原理

甘蔗收獲機切割器入土切割深度監(jiān)控系統(tǒng)主要由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成，硬件系統(tǒng)包括主控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、入土深度控制模塊、上位機顯示模塊等；軟件系統(tǒng)包括下位機控制軟件和上位機顯示軟件等。根據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)功能要求，實現(xiàn)作業(yè)前進速度、切割器入土深度、切割器轉(zhuǎn)速的實時監(jiān)測，數(shù)據(jù)采集模塊通過傳感器獲取作業(yè)前進速度、切割器入土深度、切割器轉(zhuǎn)速的參數(shù)，并傳輸至主控制模塊，經(jīng)過主控制模塊對數(shù)據(jù)進行解算，利用無線傳輸模塊將解算后的數(shù)據(jù)傳輸至上位機顯示模塊。通過下位機控制軟件設(shè)計和電路設(shè)計，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集模塊數(shù)據(jù)實時采集和傳輸，上位機顯示軟件實現(xiàn)參數(shù)的可視化顯示、記錄保存以及動態(tài)曲線顯示等功能。

1.3 主控制模塊設(shè)計

主控制模塊選用STM32系列單片機控制器作為主控制器，單片機芯片選用STM32F103ZET6，該芯片配置傳感器接口、繼電器接口、程序下載接口、串口等接口。利用SPI1_SCK作為時鐘信號，SPI1_MISO作為SPI的主器設(shè)備數(shù)據(jù)輸入，從器件數(shù)據(jù)輸出接口SPI1_MOSI作為SPI的主器設(shè)備數(shù)據(jù)輸出，從器件數(shù)據(jù)輸出接口，使用PA4接口作為傳感器的使能信號接口，讀取傳感器ID。PD2接口作為傳感器中斷接口。PC6和PC7分別作為繼電器的輸入控制信號接口；PA9和PA10作為串口接口，經(jīng)SP3232 芯片轉(zhuǎn)換連接工控觸摸屏的RS232串口，該串口也可同時用于初始程序下載。為確保監(jiān)測系統(tǒng)正常穩(wěn)定運行，需利用電源電路提供有效穩(wěn)定電壓。電源模塊選用TLE4296芯片將12 V電源轉(zhuǎn)換成5和3.3 V電源，TLE4296芯片輸入電壓和輸出電壓范圍分別為5～12 V和3.26～3.33 V。輸出電壓中，5 V電壓可滿足傳感器及無線傳輸模塊的電源需求，3.3 V電壓可滿足單片機的電源需求。電源模塊電路如圖2所示。

1.4 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計

數(shù)據(jù)采集模塊采集切割器的入土深度和轉(zhuǎn)速、甘蔗收獲機作業(yè)前進速度。

1.4.1 切割器入土深度檢測

距離測算方式主要分為間接測量和直接測算，由于直接測算易受到外界客觀因素影響，抗干擾能力差，因此，切割器入土深度采用間接測算方式。利用檢測機構(gòu)采集切割器的角度變化信息，通過角度與高度的數(shù)學運算方式，獲得切割器入土深度，通過SPI通訊，現(xiàn)檢測機構(gòu)與單片機數(shù)據(jù)傳輸。檢測機構(gòu)由支撐連桿、仿形輪、減震墊片、MLX90363姿態(tài)傳感器等組成，采用鉸接方式與前機架連接，如圖3 所示。在MLX90363姿態(tài)傳感器采集到支撐連桿變化角度后，利用MLX90363內(nèi)部自帶DMP將采集到的角度數(shù)據(jù)進行姿態(tài)解算，通過姿態(tài)解算以及角度與高度的數(shù)學轉(zhuǎn)換公式獲得切割器入土深度。

由于蔗地地面凹凸不平，在工作過程中，支撐連桿與仿形輪會隨著地面高度變化而發(fā)生上下運動，運動變化如圖4所示，高度變化由公式（1）計算可得。

h = L [sin（ β + θ0 ） - sin（θ0 - α） ] （1）

式中，h 為仿形輪高度變化量，mm；L 為支撐連桿長度，mm；α 為支撐連桿上升變化角度，（°）；β 為支撐連桿下降變化角度，（°）；θ0為初始工作角度，（°）。

由式（1）可知，高度變化主要受支撐連桿長度、初始工作角度影響，支撐連桿長度越大，初始工作角度越小，檢測機構(gòu)作業(yè)也越穩(wěn)定，但支撐連桿長度過長，會對切割器產(chǎn)生干擾，因此，根據(jù)蔗地地面高度最大變化量、支撐連桿長度最大上升變化角度和最大下降變化角度，參考仿形檢測機構(gòu)[2223]設(shè)計支撐連桿長度。設(shè)計最大上升變化角度為35°，最大下降變化角度為52°，初始工作角度為10°，高度最大變化量為300 mm，因此，計算可得支撐連桿長度為420.79 mm，取支撐連桿設(shè)計長度為420 mm。

在檢測機構(gòu)作業(yè)前，需支撐連桿初始工作角度進行標定，明確支撐連桿初始工作狀態(tài)。在作業(yè)過程中，支撐連桿工作角度隨著地面的起伏變化發(fā)生改變。通過姿態(tài)傳感器檢測支撐連桿工作角度的變化，利用公式（2）轉(zhuǎn)換獲得切割器入土切割深度。

H0 = H - Lsin（θ - θ0 ） - R （2）

式中，H0為切割器入土深度，mm；R 為仿形輪半徑，mm；H 為切割器初始工作高度，mm；L 為仿形桿長度，mm；θ 為支撐連桿工作角度，（°）。

由于甘蔗收獲機作業(yè)時，甘蔗植株位于切割器正前方，導致檢測機構(gòu)無法直接安裝在切割器正前方。為了更準確地獲得甘蔗根部地面起伏情況信息，考慮甘蔗收獲機實際作業(yè)時分道擋板較接近甘蔗根部，結(jié)合4GQ-1型甘蔗收獲機結(jié)構(gòu)特征，將檢測機構(gòu)固定安裝在分道擋板外側(cè)，解決甘蔗對檢測機構(gòu)的直接干擾，并獲得較好的檢測效果。

1.4.2 切割器轉(zhuǎn)速檢測

切割器轉(zhuǎn)速利用旋轉(zhuǎn)編碼器獲取，選用OMRON E6B2-CWZ6 旋轉(zhuǎn)編碼器，每轉(zhuǎn)輸出1 000個脈沖，并將1 s內(nèi)的脈沖信號發(fā)送到單片機，通過公式（3）獲得切割器轉(zhuǎn)速。

W = N／T × n0（3）

式中，W 為切割器轉(zhuǎn)速，r·min-1；N 為T 時間內(nèi)的脈沖信號總數(shù)；T 為工作時間，s；n0為1 s內(nèi)脈沖數(shù)量。

1.4.3 作業(yè)前進速度檢測

甘蔗收獲機作業(yè)前進速度采用GPS定位直接獲取，選用ATGM332D型號的GPS/BDS 雙模定位模塊，主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。

1.4.4 入土深度控制模塊設(shè)計

入土深度自動控制依靠液壓控制系統(tǒng)實現(xiàn)，主要由雙作用液壓缸、液壓同步馬達、三位四通電磁換向閥、溢流閥、液壓油箱、油泵等組成。工作時，油泵中出來的液壓油過溢流閥可使液壓系統(tǒng)系統(tǒng)油壓力維持恒定，此時流經(jīng)三位四通電磁換向閥，一端通電經(jīng)過油路變換后進入溢流閥控制出油液壓流量，經(jīng)由液壓同步馬達然后由有桿腔進油，可液壓缸實現(xiàn)油缸伸出；當電磁換向閥另一端通電時，無桿腔進油，可實現(xiàn)油缸收縮動作，進而實現(xiàn)甘蔗收獲機切割器入土深度的自動控制功能。當實際切割器入土深度小于設(shè)定切割器入土深度范圍時，電磁換向閥處于右位，液壓油缸無桿腔進油，液壓缸活塞桿伸長，切割器入土深度增加，控制到設(shè)定入土深度范圍內(nèi)；當實際切割器入土深度滿足設(shè)定范圍要求時，電磁換向閥處于中位，液壓油缸無動作，切割器入土深度滿足設(shè)定范圍要求；當實際切割器入土深度大于設(shè)定切割器入土深度范圍時，電磁換向閥處于左位，液壓油缸有桿腔進油，液壓缸活塞桿收縮，切割器入土深度減小，控制到設(shè)定入土深度范圍內(nèi)。

1.4.5 上位機顯示模塊設(shè)計

上位機顯示模塊采用處理器為J1800、運行內(nèi)存為2 G、固態(tài)硬盤為32 G 的懸掛式工控觸摸屏，運行系統(tǒng)環(huán)境為Windows 7，配備2 個COM 接口、4 個USB 接口、1個VGA接口、1個HDMI接口、1個LAN接口等。

1.5 軟件系統(tǒng)設(shè)計

1.5.1 采集數(shù)據(jù)處理軟件開發(fā)

采集數(shù)據(jù)由單片機完成，采用Keil開發(fā)軟件、C語言開發(fā)采集數(shù)據(jù)處理軟件。軟件由MLX90363姿態(tài)傳感器的原始數(shù)據(jù)讀取、SPI通信、DMP姿態(tài)解算、串口通信等主要程序模塊組成。原始數(shù)據(jù)的采集主要由初始化STM32的SPI、使用SPI協(xié)議發(fā)送GET1和NOP指令，并定時讀取SPI原始數(shù)據(jù)3個步驟完成。采集原始數(shù)據(jù)后，利用MLX90363姿態(tài)傳感器內(nèi)部自帶DMP對原始數(shù)據(jù)進行姿態(tài)解算，隨即緩存到FIFO中，同時外部生成中斷。在主程序接收到外部中斷信號后，利用IIC從FIFO緩沖或通過DMP寄存器直接讀取檢測機構(gòu)姿態(tài)的四元數(shù)并轉(zhuǎn)換成姿態(tài)角。原始數(shù)據(jù)經(jīng)過DMP姿態(tài)解算后，使用串口通信方式將實時狀態(tài)下的姿態(tài)角數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機。為了防止串口通信中數(shù)據(jù)發(fā)生錯誤，保證數(shù)據(jù)收發(fā)質(zhì)量，因此，加入了串口通信協(xié)議，該協(xié)議發(fā)送到上位機的每幀數(shù)據(jù)由幀頭、功能字、長度、主體數(shù)據(jù)、校驗和組成，采用STATUS數(shù)據(jù)幀，“幀頭”用于表示數(shù)據(jù)包的開始，均使用2個字節(jié)的0xAA表示；“功能字”用于區(qū)分數(shù)據(jù)幀的類型，0x01 表示STATUS 幀，0x02 表示SENSER 幀；“長度”表示后面主體數(shù)據(jù)內(nèi)容的字節(jié)數(shù)；“校驗和”用于校驗，它是前面所有內(nèi)容的總和。

1.5.2 上位機顯示軟件開發(fā)

上位機顯示軟件在Visual Studio Code 的環(huán)境下搭建的開發(fā)平臺，運用Python語言開發(fā)，基于Wxpython架構(gòu)設(shè)計登錄界面、數(shù)據(jù)顯示主頁面。登錄界面包括用戶登錄、用戶注冊2部分，在進入系統(tǒng)時，用戶可首先進入用戶注冊界面注冊自己的用戶名和密碼，然后返回登陸界面即可登陸，系統(tǒng)自動保存已注冊用戶的用戶名和密碼，保證了系統(tǒng)的安全使用。數(shù)據(jù)顯示主頁面主要由通信接口、信息顯示模塊、視頻監(jiān)測模塊、參數(shù)設(shè)置模塊、數(shù)據(jù)保存模塊組成，實現(xiàn)作業(yè)數(shù)據(jù)記錄與保存、通信端口、作業(yè)速度監(jiān)測、切割器轉(zhuǎn)速監(jiān)測、姿態(tài)角度監(jiān)測、入土切割深度監(jiān)測、動態(tài)曲線顯示、參數(shù)設(shè)置、入土深度自動控制等功能。

1.6 試驗方法

通過室內(nèi)臺架試驗和田間試驗檢驗監(jiān)控系統(tǒng)的工作性能。試驗臺架主要由仿形壟面、支撐臺架、液壓工作站、液壓缸、監(jiān)控系統(tǒng)、電源等組成，采用電機驅(qū)動仿形壟面移動、檢測機構(gòu)固定的方式，形成仿形壟面與檢測機構(gòu)的相對運動。室內(nèi)臺架試驗在廣東省湛江市中國熱帶農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)機械所開展，田間試驗在廣東省湛江市雷州市火炬農(nóng)場甘蔗種植基地開展。

1.6.1 入土深度監(jiān)測精度臺架試驗

為了檢驗監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)測精度，采用單因素試驗方法，在不同的前進速度下分析上位機顯示值與入土深度實際值的差值，獲得監(jiān)測數(shù)據(jù)的偏差值，并計算入土深度監(jiān)測精度（式4）。利用高速攝影儀記錄液壓缸伸縮運動軌跡，測量測機構(gòu)在仿形壟面最高點時的壟面信息。前進速度設(shè)置0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5 m·s-1，共進行9組試驗，每組試驗重復測量3次取平均值。

式中，Q 為入土深度監(jiān)測精度，%；LT為上位機顯示值，mm；LS為液壓缸實際伸縮變化量，mm。

1.6.2 自動控制精度臺架試驗

為了檢驗甘蔗收獲機前進速度和傳感器安裝高度對控制系統(tǒng)的控制精度，以仿形壟面前進速度和傳感器安裝高度為因素（表3），以系統(tǒng)入土深度預設(shè)值與入土切割實際深度值的相對誤差為指標進行正交試驗。利用高速攝影儀記錄液壓缸伸縮運動軌跡，測量采集檢測機構(gòu)在仿形壟面最高點和最低點時液壓缸伸縮變化值，獲得入土切割實際深度值，由公式（5）計算自動控制精度。每組試驗采集10個數(shù)據(jù)樣本，取平均值作為該組試驗結(jié)果。根據(jù)前期研究結(jié)果[17]，選取系統(tǒng)入土深度預設(shè)值為20 mm。

式中，y 為自動控制精度，%；LS為液壓缸實際伸縮變化量，mm；20為入土深度預設(shè)值，mm。

1.6.3 田間試驗

通過田間試驗檢驗監(jiān)控系統(tǒng)實際作業(yè)的自動控制性能。試驗前，將系統(tǒng)安裝到4GQ-1型甘蔗收獲機。選取長度為100 m的試驗區(qū)間，中間80 m為試驗數(shù)據(jù)采集區(qū)間，并在試驗數(shù)據(jù)采集區(qū)間內(nèi)間隔15 m標記數(shù)據(jù)采集點，數(shù)據(jù)采集點共6個。試驗時，選用1.50 m·s-1作為田間試驗的前進速度，選取系統(tǒng)入土深度預設(shè)值20、30和50 mm為試驗條件[24]。試驗后，測量統(tǒng)計每個試驗條件下的6 個數(shù)據(jù)采集點的入土切割深度，在每個數(shù)據(jù)采集點的不同位置測量3組數(shù)據(jù)，取3組數(shù)據(jù)的平均值作為該采集點的試驗數(shù)據(jù)。分析測量結(jié)果與系統(tǒng)入土深度預設(shè)值相對誤差，評價控制系統(tǒng)田間作業(yè)的控制性能（式6）。

式中，yT 為自動控制精度，%；LK 為實際入土深度，mm；LC為入土深度預設(shè)值，mm。

1.7 數(shù)據(jù)分析

采用Origin軟件對試驗結(jié)果進行方差分析，

2 結(jié)果與分析

2.1 入土深度監(jiān)測精度分析

由表4可知，監(jiān)控系統(tǒng)入土深度監(jiān)測精度的最大值為100.00%（前進速度為0.5 m·s-1），最小值為98.18%（前進速度為4.0 m·s-1），平均值為98.90%，監(jiān)測精度的極差為1.82%，監(jiān)測精度總體變化趨勢較平穩(wěn)，表明前進速度對入土深度的監(jiān)測精度影響不大，入土深度檢測機構(gòu)設(shè)計合理以及監(jiān)測性能可靠，符合甘蔗收獲機切割器入土切割深度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計要求。

2.2 入土切割深度自動控制精度分析

入土切割深度自動控制精度試驗結(jié)果如表5所示，可以看出，監(jiān)控系統(tǒng)的入土切割深度自動控制精度均大于95.0%，控制精度平均值為97.7%，前進速度1.50 m·s-1，安裝高度30 mm時控制精度高達99.8%。

采用Origin軟件對試驗結(jié)果進行方差分析，結(jié)果如表6所示?？梢钥闯?，前進速度和安裝高度的P 值均大于0.05，因此，前進速度與安裝高度對監(jiān)測系統(tǒng)的控制精度的影響不顯著，表明監(jiān)控系統(tǒng)的自動控制性能受前進速度與安裝高度的影響極小，符合甘蔗收獲機切割器入土切割深度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計要求。

2.3 田間驗證結(jié)果分析

由表7 可知，監(jiān)控系統(tǒng)入土深度20、30 和50 mm 的控制精度分別為85.3%、90.6%、94.1%，均達到85.0%以上。隨著入土深度預設(shè)值增大，實際入土深度極差值越小，控制精度越高。由式（6）可知，入土深度預設(shè)值越小，控制精度要求越高，在同等比例的實際入土深度條件下，實現(xiàn)的控制精度相對偏低，因此，監(jiān)控系統(tǒng)入土深度預設(shè)值越大，其控制精度性能越好。田間試驗控制精度與室內(nèi)臺架試驗的平均控制精度相對誤差分別是12.7%、7.3%、3.7%，其原因是甘蔗地條件復雜多變，檢測機構(gòu)受倒伏甘蔗、雜草等干擾，引起檢測獲取錯誤信息情況；同時由于4GQ-1型甘蔗收獲機的切割器升降液壓系統(tǒng)與整機升降功能一體，升降液壓系統(tǒng)的負載相對較大，執(zhí)行控制過程的伸縮速度相對室內(nèi)臺架試驗液壓系統(tǒng)的速度慢，反應(yīng)時間較長，導致田間試驗的精度與室內(nèi)臺架試驗的精度相對誤差大。

3 討論

入土切割是甘蔗收獲機降低甘蔗破頭率的有效措施，研究切割器入土切割深度監(jiān)控系統(tǒng)可實現(xiàn)入土深度參數(shù)可視化和自動化控制。本研究基于4GQ-1型甘蔗收獲機，采用仿形檢測方法和單片機控制技術(shù)，設(shè)計甘蔗收獲機切割器入土切割深度監(jiān)控系統(tǒng)，使甘蔗收獲機切割器可隨地面起伏情況自動調(diào)控入土切割深度及其參數(shù)實時監(jiān)測，實現(xiàn)切割器入土深度自動控制和參數(shù)可視化。室內(nèi)臺架試驗結(jié)果表明：監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)測精度和自動控制精度達到95.0%以上，表明監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計合理。與張亮[19]室內(nèi)試驗研究結(jié)果一致，其研發(fā)了甘蔗收割機刀盤仿形隨動控制系統(tǒng)，在割茬高度為0～10 cm條件下，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)偏差值約為1.4 mm，檢測值和人工測量值最大誤差為1 mm，控制精度和檢測精度均為90%以上。宮元娟等[21]在留茬高度為50、100、150 mm條件下開展甘蔗收獲機割臺隨動控制系統(tǒng)田間試驗研究，在留茬高度為50 mm時，控制精度為86.0%；留茬高度為100 mm 時，控制精度為91.2%；留茬高度為150 mm時，控制精度為94.5%。本研究田間試驗結(jié)果表明，在入土深度為20、30和50 mm的條件下，自動控制精度分別是85.3%、90.6%、94.1%，表明監(jiān)控系統(tǒng)整體性能滿足設(shè)計及使用需求。

監(jiān)控系統(tǒng)的自動控制精度仍有較大的提升空間。在田間試驗過程中發(fā)現(xiàn)，切割器升降控制系統(tǒng)的響應(yīng)速率對自動控制精度的影響較大，后期需通過優(yōu)化改進切割器升降控制系統(tǒng)，使其與整機升降系統(tǒng)分開控制，縮短切割器升降自動控制響應(yīng)時間，以達到提高切割器升降控制系統(tǒng)的響應(yīng)速率，提升監(jiān)控系統(tǒng)的自動控制精度。同時，倒伏甘蔗或者雜草對仿形檢測機構(gòu)采集地面信息具有一定程度的干擾，后期需通過配置仿形檢測機構(gòu)防干擾機構(gòu)或者雜草清理機構(gòu)，降低外界因素對仿形檢測機構(gòu)信息采集精度的影響。

參 考 文 獻

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（責任編輯：溫小杰）

基金項目：湛江市科技發(fā)展專項（2020A01005）；中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費專項（1630132022001）；湛江市科技計劃項目重點實驗室建設(shè)專項（2020A05004）。