农田地面不平度测量与分析

徐竹凤，薛新宇，崔龙飞

(1.农业部 南京农业机械化研究所，南京 2100141；2.安徽农业大学，合肥 230036)



农田地面不平度测量与分析

徐竹凤1,2，薛新宇1，崔龙飞1

(1.农业部 南京农业机械化研究所，南京 2100141；2.安徽农业大学，合肥 230036)

农田地面高低不平是导致农机行驶时产生振动的原因，想要研究各种农机在不同农田地面行驶时的振动问题，不可避免地要研究不同农田的地面不平度。针对目前国内还未开始系统全面地研究不同农田地面不平度及科研工作者在研究农机振动问题时受限于没有农田地面不平度作为随机激励的现状，设计开发了一套适用于不同类型拖拉机且安装方便的测量系统，并对陕西海升现代农业园区中的3种地面(果园软路面、坚实土路、石子路)的不平度进行了测量与分析，得到3种地面的不平度与功率谱密度曲线。经与标准等级功率谱密度比较，得出软路面和坚实土路的地面等级介于C级和D级之间，石子路的地面等级介于B级和C级之间，表明石子路地面较其他两种地面平整。其结果与所观察到的真实地况相符，从而验证了该套测量系统的可靠性，为以后建立农田地面不平度数据库和研究农机行驶振动奠定了基础。

农田；地面不平度；功率谱密度；惯性基准；测量系统

0 引言

农业机械(以下简称农机)在田间工作时通过各种复杂路面，路面凹凸不平使农机行驶机构如轮胎或履带对地面的附着能力降低，不利于对农机稳定操纵，给操作者人身安全带来隐患；同时，路面不平使得农机在行驶中产生振动，长时间振动会导致机身零部件过早地出现磨损、疲劳和损坏现象，不仅会缩短农机使用寿命，还会导致农机维修次数增加，耗时费力，不利于农业生产。在作业过程中，农机的振动会降低作业效果，比较显著的就是喷杆喷雾机喷洒农药时由于路面不平引起喷杆振动，容易发生喷杆与地面接触产生挤压变形；喷杆振动还会不断改变喷嘴与植株的距离，造成一部分植株施药不足，一部分植株施药过量，达不到喷雾机在作业过程中施药均匀性的要求，施药效果就会降低。因此，研究农田地面不平度对于农机具的使用寿命及作业稳定性研究具有重要意义。

对农田地面不平度的研究，记录较早的有20世纪90年代,以郑联珠[1-4]为代表的几位学者利用专门研制的软路面不平度测定仪, 测量了几种田间软地面的路面谱, 根据试验数据并经系列换算，统计出考虑了土壤和轮胎特性影响的有效软路面谱计算表达式，虽然年代较早，所使用的测量设备也相对落后，但其提供的理论基础为以后工作者的研究起到了一定的参考作用。随着传感器技术、计算机技术和信号处理技术的发展，人们也一直在不断更新和改进地面不平度的测量和分析方法。谢斌[5]等采用五轮仪对某块耕作地的路面不平度进行测量，得到该地块的三维模型，用于研究某国产联合收割样机在该模型路上行驶平顺性。韩愈[6]等提出一种软路面识别方法，用于提高军用越野车在软路面的机动性。刘姝[7]等利用Solid Works 软件建立车轮和土壤模型，在土壤模型的定义材料当中输入所测得的土壤特性参数(包括土壤试样的内摩擦角φ，粘聚力c，弹性模量E及应力应变曲线)，再使用Solid works Simulation(Solid works 插件) 对车轮碾压土壤过程进行有限元分析，最终得出轮胎与土壤相互作用时的应力、应变、位移分布图。鲁植雄[8]利用激光式不平度测试仪测定犁耕耕地地面、圆盘耙耙地地面和驱动耙耙地地面的不平度。这些学者们的研究对于今后农田地面不平度的采集工作提供了宝贵的借鉴参考价值。为此，在以上一些工作者的研究基础上，自行设计了一套相对简便的测量系统，并对陕西省海升现代农业园区中的软路面、坚实土路及石子路进行了测量，以验证系统的可靠性。

1 试验项目

1.1 惯性基准测量原理[9]

图1中，包括质量M，弹簧刚度K，阻尼C，测量轮w。测量仪安装在农机上(农机后车桥位置为宜)，随着农机行驶，测量轮跟随地面的起伏而升降，测量过程中，为确保测量轮始终保持与地面接触， 要求测量轮组件的质量小，以提高其自振频率；控制测量行驶的速度，使所测量的地面谐量的激励频率低于测量轮的自振频率。测量时，由于测量轮跟随地面不平而运动，所以测量轮产生的垂直位移W就是被测地面的不平度。图2为自行设计研制的测量仪三维图。

图1 惯性基准测量原理

图2 惯性基准测量仪三维图

1.2 地面不平度测量系统

有了测量仪，还需要有对地面不平度数据进行采集并保存的仪器，本试验采用DAHAS测试系统。如图3所示：测量仪安装在拖拉机后桥上，直线位移传感器固定在测量仪上，测试端紧贴测量仪底部的圆盘，通过数据线连接位移传感器与DAHAS测试硬件；打开硬件电源和计算机上的DAHAS测试软件，待测试界面显示，设置好各项参数后，即可开始测量农田地面不平度。

1.连接板 2.基于惯性基准的测量仪 3.直线位移传感器(200mm量程) 4.DHDAS信号采集器(硬件) 5.DHDAS测试系统界面(软件)

该测试系统有以下几个优点：

1)满足不同离地间隙农机具的测量。连接板上的滑动槽长度为40cm,满足离地高度范围在0.3～0.7m的拖拉机，还可根据实际需要进行改进。

2)跟随轮是装有小直径橡胶轮子，轮子的直径为100cm。选择小直径的理由是：①减轻轮子的质量；②小轮的包容效应较小，对地面几何形状的滤波作用小；③小测量轮圆度误差的输出信号为高频，处于分析频带之外，从而可以排除圆度误差的影响。

3)无线传送。信号采集器可以通过无线连接将采集到的数据传送至电脑中并保存，无线传送的距离约为100m。

2 试验过程

2.1 地面不平度数据采集

测试前，设置测试系统的分析参数如下：①分析方法，快速傅里叶变换(FFT)；②抗混淆滤波衰减率，40分贝/倍频程(40db/oct)；③伯特沃斯滤波器(Butterworth)，低通截断频率 80Hz；④采样频率为1 000Hz；⑤采样窗函数，海宁窗(Hanning)。

测试系统安装在拖拉机的后车桥位置并固定，确保测试轮不离地面并随地面起伏而升降。安装在测试仪上的直线位移传感器测试端紧贴测试仪底部的圆盘，测试端伸出约100mm，保证测试系统能够测得±100mm的位移。

测试系统安装完毕、分析参数设定完成后，对海升现代农业园区中存在的3种地面(果园软路面、果园坚实土路以及果园石子路)进行测量，试验场景如图4所示。

图4 试验场景

试验测得3种地面的不平度如图5所示。

(a) 软路面

(b) 坚实土路

(c) 石子路

2.2 数据预处理

数据预处理是在数据准备完成之后进行，以测得的3种地面的试验数据为分析对象，对数据进行预处理分析，即提取路面不平度曲线的趋势项、去除所有数据中的毛刺、进行分段路面数据间的平滑过渡连接、将等时间间隔采样数据转换为等距离间隔数据，得到有效的地面不平度曲线，如图6所示。

(a) 软路面

(b) 坚实土路

(c) 石子路

2.3 地面功率谱密度

得到3种地面的不平度之后，需要对其进行描述。现有描述路面不平度的方法主要是功率谱密度函数。在空间频域，路面不平度的功率谱密度函数可以反映路面不平度能量的分布，以及路面波的结构与路面的总体特征[10]。因此，研究者一般通过研究路面谱来研究路面不平度。同样地，可以通过研究农田地面功率谱密度来研究农田地面不平度。根据标准ISO/TC108[11]和标准《车辆振动输入—路面平度的表示方法》[12]两个文件，拟定路面不平度的路面位移功率谱密度函数的表达式为

(1)

考虑车辆行驶速度u对汽车振动系统的影响，对式(1)空间功率谱进行转换，得到时间功率谱密度函数为

(2)

式中Gq(n)—路面位移功率谱密度(m3)；

n—空间频率(m-1)；

n0—参考空间频率，n0=0.1m-1；

Gq(n0)—路面不平度系数(m2/m-1)；

w—频率指数,一般取w=2；

f —时间频率；

u—车速。

将f=un代入式(2)，转换得到

(3)

式(3)称为速度功率谱密度。可以看出：速度功率谱密度幅值大小只与Gq(n0)和u有关。

对离散随机数据进行Fourier变换可得到功率谱，公式为

(4)

式中 x(k)—离散傅里叶变换，k=0,1,2,…,N-1;

x(n)—采样数据，本文中指采集到的地面不平度数据，n=0,1,2,…,N-1;

N—采样点数。

对测得的3种地面不平度进行傅立叶计算，得到3种地面的功率谱密度曲线，如图7所示。

2.4 功率谱密度平滑

图7中，用固定带宽计算振动谱密度，并取log-log坐标。图形的高频端表现出特别剧烈的波动，这是由真实功率分布和统计噪音所造成的功率谱密度的波动。因而，需要用平滑的形式来表示功率谱密度，即在以下频率的带宽中的功率谱密度进行平滑计算。

(a) 软路面

(b) 坚实土路

(c) 石子路

1)倍频程带宽的计算区间：从最低的计算频率(零频率除外)到0.031 2周/m(0.196 3rad/m)中心频率处；

2)1/3倍频程带宽的计算区间：从最后一个倍频程带宽到0.25周/m(1.570 8rad/m)中心频率处；

3)其余：1/12倍频程带宽直到最高计算频率。

表1为使用倍频程平滑用的中心频率和截断频率(以空间频率表示)。其中，nl为截断频率下限，nc为中心频率，nh为截断频率上限。nc=2EXP，EXP为指数。1/3倍频程与1/12倍频程的中心频率与截断频率详见参考文献[9]。

在规定的带宽内对功率谱密度进行平均，按下式计算，有

式中Gs(i)—在第i个频带内的平滑功率谱密度；

Be—频率分辨率。

运用上式对图7中的3条功率谱密度曲线进行计算即可完成功率谱密度的平滑处理，得到平滑后的曲线，再与标准等级功率谱密度进行比较，如图8所示。

表1 倍频程带宽的中心频率与截断频率

(a) 软路面

(b) 坚实土路

(c) 石子路

3 结果分析与评价

试验测得果园软路面、坚实土路及石子路的地面不平度标准差分别为11.437、11.423、4.908mm，从图5和图6可以大致看出：石子路较其他两种地面的平整度高，这与所观察到的真实路况相符。图8中，果园软路面和坚实土路的路面等级都介于C级和D级之间，石子路的路面等级介于B级和C级之间，进一步说明所测的石子路地面质量高于其他两种地面。

有了农田地面功率谱，就可以进行农机振动仿真试验。在农业装备设计阶段，农田功率谱经过转换可以用于主流的仿真分析软件的输入激励，对农机进行各种仿真分析试验。例如，农田地面功率谱室内模拟试验，该试验通过在振动试验台上模拟农机在实际农田地面上行驶时受到地面激励产生的振动情况来研究分析农机及其各零部件的可靠性与疲劳损坏的原因，还可进行农机耐久性试验。若能将采集到的不同等级的农田地面不平度应用到振动试验台，就可以观察和分析农机在不同农田里作业时的振动情况，为提高农机设计水平和优化关键零部件提供依据。

4 结论与展望

1)设计制造了基于惯性基准测量的测量仪，通过直线位移传感器和东华测试软件来输出农机行驶时产生振动的位移信号。该测量系统安装方便，且适用于不同离地间隙的拖拉机，可用于多地区农田地面不平度的测量。

2)参照路面不平度测量的基本原理和步骤，结合国标GB/T 7031-2005中的要求，对采集到的数据进行分析处理，得到农田地面不平度与功率谱密度。结果表明：果园软路面和坚实土路的路面等级都介于C级和D级之间，石子路的路面等级介于B级和C级之间，说明所测的石子路地面质量高于其他两种地面。同时，该系统测得的农田地面不平度与实际地况相符，从而验证了测试系统的可靠性，为以后建立农田地面不平度数据库和研究农机行驶振动奠定了基础。

3)由于时间限制，文中只测量了一个地区的3种农田地面不平度，还远远达不到建立农田地面不平度数据库的要求，这项工作需要相关单位更多科研工作者从事研究，才有可能建立起我国的农田地面不平度数据库。因此，本文的一个主要目的是呼吁相关行业对农田地面不平度研究的重视。中国的农田地面不平度数据，同中国的基础地理信息数据一样，属于基础数据，不能照搬国外农田的数据来研究我国的农田，也不能简单地把我国某一地区农田地面振动谱数据应用到另一地区的农田，只能实地测量，采集各地区不同农田的地面不平度，这方面的工作可以参考借鉴公路部门在采集典型道路路面谱的经验。随着我国农业机械的发展，采集典型农田地面振动谱，建立农田路面不平度数据库将是农业领域未来发展的一个重要方向。

[1] 郑联珠,刘明树,张友坤，等.田间有效软路面谱形成过程分析[J].农业工程学报, 1994,10(2):29-34.

[2] 郑联珠,殷涌光,郁工瑞，等.软路面谱的田间实测和结果分析[J].农业机械学报,1991(3):65-71.

[3] 郑联珠,程悦荪,梅雷军，等.田间有效软路面谱的统计分析[J].农业工程学报,1991,7(4):20-27.

[4] 郑联珠,梅雷军,程悦荪，等.软路面有效不平度形成机理探讨[J].农业机械学报,1991,(4):67-73.

[5] 谢斌,鲁倩倩，毛恩荣，等.基于ADAMS的联合收割机行驶平顺性仿真[J].农机化研究,2014,36(11):38-41,50.

[6] 韩愈,孟广伟,黄朝胜，等.基于滚动阻力实时监测的软路面识别方法[J].农业工程学报,2014,30(11):45-52.

[7] 刘姝,李永奎.基于Solidworks 车轮-土壤相互作用的有限元分析[J].农机化研究,2012,34(11):42-45.

[8] 鲁植雄,吴平, U D Perdok，等.耕作土壤表面不平度分析[J].农业机械学报,2004,35(1):112-116.

[9] 赵济海，王哲人，关朝雳.路面不平度的测量分析与应用[M]. 北京：北京理工大学出版社，2000.

[10] 黄亮，闫维明，张向东，等．北京东六环路面不平度实测及数值模拟[J]．施工技术，2008,8(2):191-193.

[11] International Organization for Standardization,ISO/TC 108/ WG9,BSI proposals for generalized road inputs to vehicles.Document No.5,1972[S].

[12] GB/T 7031-2005/ISO8608:1995 机械振动道路路面谱测量数据报告[S].

Measurement and Analysis of Farmland Surface Roughness

Xu Zhufeng1，2，Xue Xinyu1，Cui Longfei1

(1.Nanjing Research Institute for Agriculture Mechanization, Nanjing 210014，China; 2.Anhui Agricultural University,Hefei 230036,China)

The uneven farmland is easy to cause vibration of the agricultural machinery when traveling, and it is necessary to study the surface roughness of different farmland for studying the vibration of various agricultural machinery in different fields. In view of the present situation that the research on the surface roughness of different fields in China has not been carried out systematically and researchers studying agricultural machinery vibration problems don’t have the ground vibration spectrum as a random excitation, in this paper, a set of measuring system which is not only for different types of tractors, but also installed easily is designed and made to measure three kinds of ground roughness (that is soft pavement, hard dirt road and cobblestone street) in the modern agricultural park of Shaanxi Haisheng. Three kinds of different ground roughness and power spectral density curve are obtained by measurement and analysis. By comparing standard grade power spectral density, it is concluded that the ground level of soft pavement and hard dirt road is between class C and class D, and the ground level of cobblestone street is between class B and class C, indicating that the gravel surface flatness is higher than the other two kinds of pavement, which is consistent with the actual situation we have observed. The test verifies the reliability of the measurement system and is helpful to establishment of farmland surface roughness database and research of agricultural machinery driving vibration for the future.

farmland; surface roughness; power spectral density curve; inertial reference; measurement system

2016-02-01

公益性行业(农业)科研专项(201203025)

徐竹凤(1988-)，女，安徽安庆人，硕士研究生，(E-mail)1092461058@qq.com。

薛新宇(1969-)，女，江苏苏州人，研究员，博士，博士生导师，(E-mail)735178312@qq.com。

S29;U416

A

1003-188X(2017)01-0171-06