微耕机耕深辅助控制系统的设计和试验研究

何家慧，康　杰，聂友红，何培祥，李云伍，赵华慧

(西南大学 工程技术学院，重庆　400715)



微耕机耕深辅助控制系统的设计和试验研究

何家慧，康杰，聂友红，何培祥，李云伍，赵华慧

(西南大学 工程技术学院，重庆400715)

摘要：在农业生产中，耕深的稳定性是评价耕作质量的重要指标。为此，结合目前微耕机耕深不稳定的现状,设计了一种耕深辅助控制系统，主要用于辅助控制微耕机的耕作深度,提高微耕机的耕作质量。该系统主要由耕深检测装置、控制装置、执行装置和显示界面组成。检测装置用来间接检测耕深，控制单元对检测到的信号进行分析后控制电机转动，从而间接控制耕深调节阻力杆的上下移动，以实现耕深辅助调节。显示模块用于显示实时耕深，为操作人员提供参考。田间试验结果表明：耕深稳定在120～130mm时的耕深稳定性变异系数为5.82%，满足农艺要求。所提出的耕深测量方法、辅助控制执行装置和显示界面对微耕机设计具有一定的参考意义。

关键词：微耕机；耕深；稳定性；辅助控制

0引言

微耕机在欧美地区主要用于园艺、温室等小面积耕地机械作业。我国西南农村地区，丘陵和山区占了很大面积，由于地块小、地势起伏不平、农村道路狭窄，微耕机被广泛用于其土地耕整作业。虽然微耕机提高了西南地区的农业机械化水平，但现有的微耕机在工作过程中，主要由操作者下压机身后端的阻力棒来控制微耕机的前进速度以间接调节旋耕刀片的入土深度，这种方式完全依靠操作者的经验，作业耕深很不稳定，作业质量往往达不到农艺要求。为此，本文提出了一种微耕机耕深辅助控制系统，在微耕机上安装该系统，可以实现微耕机的耕深辅助调节，提高微耕机的耕作质量。

1控制系统整体设计方案

该系统主要分为耕深检测装置、控制装置、执行装置和显示界面4个部分(如图1所示)，蓄电池为整个系统提供电能，支架用于该系统的安装并将该系统与微耕机相连接。耕深检测装置用于检测微耕机的实时耕深信号并将该信号发送给控制装置；控制单元在对应的几何关系基础上，通过内部算法计算得到此时的耕作深度，然后通过控制执行装置来控制阻力棒插入土壤的深度以间接控制微耕机的前进速度,使微耕机的耕深达到设定的耕深范围；同时，显示界面显示实时耕深值，为操作者下一步的操作提供参考。

图1　整体安装示意图

1.1耕深检测装置及其原理

目前，国内对拖拉机作业耕深进行实时测量的方式主要有凸轮轴式和电位计式两种，国内有关于采用倾角传感器或者电感式位移传感器对拖拉机作业耕深进行连续测量[1-2]的文献；国外还有利用超声波传感器实时检测拖拉机的作业耕深[3]的文献。借鉴拖拉机的耕深检测方式，本文采用和电位计原理类似的角度传感器来间接检测微耕机的实时耕深。这种方式与其他耕深测量方式相比，结构简单、安装和维护方便、电路集成度较高、价格低廉。首先由安装在微耕机上的耕深检测装置与微耕机的几何关系推导出来耕深与角度传感器转动角度的关系式，然后由角度传感器特性得到转角与输出电压的关系式。根据这两个关系式，就能从传感器检测电压算出微耕机的耕深值。

1.1.1几何关系

如图1所示，耕深检测装置由1个滑掌、1个连接架和角度传感器组成，连接架的一端与角度传感器的转动轴固定连接，可实现±45°的转动，另外一端铰接于与地面接触的滑掌上。

当旋耕刀片切入土壤后，由于耕深的变化，连接架ABC将随着与角度传感器转动轴的固定连接点C一起转动，滑掌也被连接架驱动在土地表面前后滑动, 如图2所示。假设土壤表面是水平面，并且滑掌在作业过程中与地面接触良好，则微耕机耕作深度d为

(1)

其中，lPC是连接架与微耕机的固定连接点C到旋耕刀尖P之间的垂直距离，lAC是固定连接点C到滑掌与连接架的铰接点A之间的长度，α是连接架的BC和AC之间的夹角,β是连接架BC与垂线PC之间的夹角。

先测出初始即耕深为0时的α角度值，然后通过角度传感器转动轴在作业过程中转过的角度可以算出此时的α角度值。角度传感器转动轴的转角可以用与其有线性关系的输出电压计算得到。由此可知，只要采集到角度传感器的输出电压就可以通过上述关系计算得到微耕机的耕作深度。

图2　微耕机耕深检测原理图

1.1.2系统标定

为了提高程序的效率和测量精确度，在实现电控自动化中，并不针对参数变化的关系式进行编程，而是采用系统标定的方法得到角度传感器检测电压值与实际耕深的关系。若有不同的安装形式以及部件尺寸的变化就应当对系统进行重新标定，获得新的运算关系式。

图3　角度传感器标定曲线

1.2控制装置的设计

控制装置主要由PIC16F877微控制器、TA8483电机驱动芯片及其外围电路组成，主要用于设定耕作深度、采集角度传感器输出电压信号并通过内部算法得到实时耕深值、将计算得到的耕深值信号发送给显示界面显示和控制电机的转动。

图4是电机驱动电路图。引脚M1和M2决定电机的转动方式:当M1 = 0，M2 = 0时，电机按整步方式运转。引脚CW/CWW用于控制电机转动方向，通过控制CK1时钟输入的频率，可以控制电机的转动速率。引脚NFA和NFB用来控制电机的输入电流，电机按二相双极性使用[5]。

1.3执行装置的设计

如图1所示，该系统的机械执行装置主要由电机、减速器和耕深调节阻力棒组成。该装置结构简单，传动效率高，响应速度较快。减速器的输入轴与直流电机相连接，其输出轴与阻力棒相连接并可以沿着其轴线方向做往复运动。当直流电机和伺服电机转动时，经过减速后的耕深调节阻力棒转入或转出土壤，从而对微耕机产生不同的前进阻力以调节微耕机的前进速度，最终使微耕机的作业耕深发生改变。

1.4显示界面的设计

显示界面主要由4个LED数码显示管及其外围电路组成，如图5所示。其用于实时显示微耕机的耕作深度，结合实际的工作状况，为操作者判断耕深辅助控制系统工作是否正常，以及为下一步的操作提供参考。本文中显示界面采用动态显示的方式。相对于静态显示，动态显示所使用的元件少、引线少、电路简单，只要通过PIC16F877控制一定的刷新频率[6]，就能实时稳定地显示微耕机的耕作深度。

图4　电机驱动电路图

图5　显示界面电路图

2耕深辅助控制

微耕机耕深辅助控制系统的被控制量为旋耕刀片的入土深度；角度传感器检测出与滑掌链接的连接架的角度变化，换算后得到耕深，并提供反馈信号。系统控制的目的是使微耕机的耕深保持在系统设定的耕深范围内，控制原理如图6所示。控制器在比较耕深设定值和反馈值后，若反馈值超出了设定耕深值范围，则输出控制驱动直流电机正转或反转，由耕深调节阻力棒不同的入土深度即不同的阻力大小调节微耕机的作业速度，以维持耕深均匀。为平衡滑掌与土壤表面不完全接触时的测量偏差，角度传感器测量值要经过加权平均处理。

图6　控制系统流程图

3田间试验及结果分析

微耕机耕深辅助控制效果通过耕深稳定性变异系数表示。该系数指的是耕地过程中，沿耕作方向，作业机具对规定耕深变化的程度[7]，其算法如式(2)所示。在该试验中，试验对象为鑫源SR1Z-100型微耕机及其配套的旋耕刀片。微耕机采用慢挡位进行试验作业，试验地块为重庆西南大学后山试验田，其最大起伏度在50～70mm左右。采用耕深辅助控制系统控制方法与传统的手动操作耕深控制方法的实测耕深数据的对比曲线如图7所示。其中，实际耕深是通过对微耕机的作业线路每隔0.5m进行多点人工测量得到的。两种耕深控制方法的结果对比如表1所示。

(2)

图7　田间试验耕深测量实测对比曲线

控制方式辅助控制系统手动操作控制工作挡位ⅠⅠ作业距离/m5050作业时间/s272214平均耕深/mm125112耕深稳定性变异系数/%5.8211.59田间状况麦茬地,地况较干旱

图7所示曲线表明：尽管由于地形变化，在28～37m的作业距离区间耕深较浅且波动起伏较大，但是总体上耕深辅助控制系统比传统的手动操作对微耕机耕深控制更稳定，耕深波动起伏也更小。由表1可知：通过安装耕深辅助控制系统，虽然作业时间长于传统的手动操作，但是其平均作业耕深增加了13mm，作业质量也得到了提高。在稳定耕作阶段，设定耕深为120～130mm，采用辅助控制系统的微耕机实测耕深最大值为138mm，最小值为105mm，其耕深稳定性变异系数为5.82%，不仅小于手动操作的11.59%，同时也满足了该系数低于10%的农艺要求[7]。

4结论

提出了一种基于角度传感器间接测量耕深并实现耕深辅助控制的系统，利用电子控制的方式来完成微耕机的耕深辅助控制，实时性较高；作为一套独立的系统安装在微耕机上，基本不改变微耕机原有的机械结构，通用性较好。田间试验结果表明：安装了该系统的微耕机的耕深波动范围得到了限制，作业质量得到了提高。

由于耕深检测装置的滑掌与地面直接接触，起伏的地面会对耕深检测造成偏差。在地块起伏变化较大的区域，检测角度相比平坦的地块会偏大或偏小，造成实际耕深比需要控制的耕深偏小或偏大，影响耕深的稳定性。因此，更合适的耕深检测方法需要后续进一步探究和验证。

参考文献：

[1]谢斌,李皓,朱忠祥,等.基于倾角传感器的拖拉机悬挂机组耕深自动测量方法[J].农业工程学报,2013(4):15-21.

[2]李玲,李江全,李新荣,等. 耕深电子测试系统的设计与试验研究[J].石河子大学学报：自然科学版,2001(3):246-248.

[3]Mouazen A M, Anthonis J, Saeys W, et al.An automatic depth control system for online measurement of spatial variation in soil compaction, Part 1: Sensor design for measurement of frame height variation from soil surface[J].Biosystems engineering, 2004, 89(2): 139-150.

[4]李国文,陈鹏.旋耕机耕深自动测量记录装置[J].江苏工学院学报,1985(1):54-62.

[5]Toshiba Semiconductor.[EB/OL].[2004-12-30].The TA8483 datasheet http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/31523/TOSHIBA/TA8483.html.

[6]李学海.PIC单片机实用教程[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007:34-236.

[7]DB37-T 283-2000，农业机械作业质量：机械耕整地[S].

Design and Research on a System of Auxiliary Depth-control System for Micro-tiller

He Jiahui, Kang Jie, Nie Youhong, He Peixiang,Li Yunwu， Zhao Huahui

(School of Engineering and Technology, Southwest University, Chongqing 400715, China)

Abstract：Stability of tillage depth is important to agricultural tillage. Combining the current situation that tillage depth of the micro-farming machine is enormously unstable, presents an automatic depth control system applied in the micro-farming machine. The main objective of the system is to stabilize tillage depth of the micro-farming machine. The system has four parts: the detector, the controller, the executor and the display interface. The detector is used to detect tillage depth indirectly. Then the controller controls rotation of the step motor, regulating the depth of resistance rod into the soil for controlling running speed of the micro-farming machine, until tillage depth achieves the desired depth. Moreover, the display interface shows real-time tillage depth to provide the running condition of the system for the operator. The field tests showed that the system improved the stability of tillage depth because when cultivated tillage depth range is 120～130mm, variability coefficient of depth stability is 5.82%, meeting the agronomic requirement. That could prove the significance of the system in future micro-farming machine design.

Key words：micro-tiller; tillage depth; stability; complement control

文章编号：1003-188X(2016)03-0119-05

中图分类号：S222.3

文献标识码：A

作者简介：何家慧(1987-),女，湖北潜江人，硕士研究生，(E-mail) 602748337@qq.com。通讯作者：何培祥(1965-)，男，四川广安人，教授，硕士生导师，(E-mail) hpx65@yahoo.com。

基金项目：国家自然科学基金项目(51475385)；重庆市科委应用开发计划项目(cstc2014yykfA80001)；中央高校基本业务费专项(XDJK2014031)；重庆市研究生科研创新项目(CYS14061)

收稿日期：2015-03-11