悬挂式深松机耕深自动测量及控制方法的研究

杨少奇 张磊 张含思 徐峰 李广宇

摘 要：针对目前悬挂式深松机耕深自动测量系统在一定坡度的斜面上作业时，不能准确反映深松作业的实际耕深，提出了一种耕深自动测量通用数学模型。在下拉杆上安装角度传感器，利用最小二乘法建立水平作业面上的下拉杆角度与深松机耕深的数学模型，通过在拖拉机车身上安装角度传感器实时测量作业面的坡面角度，综合利用下拉杆角度和车身角度建立耕深自动测量通用数学模型。由于拖拉机-悬挂-深松机三者组成刚性连接，在作业面中出现起伏状况时容易造成实际耕深过深或过浅，所以提出了一种以下拉杆角度为控制目标的耕深控制方法。确定目标耕深后，通过水平作业面耕深测量数学模型换算得到下拉杆的角度作为目标角度，利用车身的实时测量角度进行1次目标角度的修正;车身角度变化反映作业面的起伏，利用车身角度的变化量对目标角度再次修正。2次修正确定最终的目标角度。通过提高耕深的测量精度和控制精度，以提高深松作業效果和作业质量。

关键词：

深松机;耕深;测量;控制方法;坡地

中图分类号：S233.1

文献标识码：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20191230016

引言

深松作业对农作物根系生长、作物耗水和作物产量等有重要的影响作用[1-3]。其中，耕深是深松作业效果和作业质量的重要评价指标，耕深过浅则不能满足农技要求，不利于作物根系生长，影响作物的生长发育和产量;耕深过深则会增加拖拉机功率消耗，增加作业成本，影响作业效率[4-7]。目前，耕深的测量方法主要包括人工测量和自动测量，人工测量是通过人工扒土的方式对耕深进行测量;自动测量又包括直接测量和间接测量，其中直接测量是基于超声波测距仪，根据农机具机架距离地面的初始距离和实际距离之差来计算耕深，易受温度和地表覆盖物的干扰而影响测量精度;间接测量是基于倾角传感器，运用拖拉机悬挂和农机具相互之间的几何关系以及运动学原理，建立耕深与相应运动构件的角度之间的数学模型，从而通过实时采集的角度值计算出耕深[8-12]。然而，这些基于倾角传感器的耕深测量数学模型仅适用于作业平面为水平面的作业状况，在一定坡度的斜面上作业或者水平作业面中出现起伏时，通过倾角传感器的测量角度计算出来的耕深就会有偏差，不能准确反映深松作业的实际耕深。

对耕深的控制方面的研究也取得了一定的进展。

有些学者以耕深为控制目标，通过电机驱动提升器液压阀门来控制和调节耕深[13，14]。有些学者分别设计了模糊控制器、模糊PID控制器、P—模糊控制器和P—模糊PID控制器等智能控制器实现了耕深的自动控制。在实际控制过程中，先设定目标耕深，并以测量耕深与目标耕深的偏差和偏差率作为智能控制器的输入，通过智能控制器的输出来控制电液比例换向阀，电液比例换向阀控制和调节提升液压缸，实现耕深的自动调节和控制[15-23]。

为了实现在坡面上作业时也可以准确测量深松作业的耕深，本文通过在拖拉机车身上安装角度传感器实时反映作业平面坡面角度，提出了一种通用的耕深测量数学模型来提高耕深的测量精度，并利用车身角度以及作业平面起伏而引起车身角度变化量提出了一种耕深控制方法来提高控制精度，旨在提高深松作业效果和作业质量。

1 系统结构

耕深测量控制系统的整体结构主要包括拖拉机、控制器、悬挂式深松机、倾角传感器、电液比例换向阀和提升液压缸。其中倾角传感器有2个，倾角传感器1安装在左下拉杆上，倾角传感器2安装在拖拉机的车身上。整体结构简图如图1所示。

2 耕深测量原理

2.1 水平作业面耕深测量数学模型

建立水平作业面中的下拉杆角度α与深松机耕深h的数学关系模型，即可通过采集到下拉杆的倾角数值，得到耕深数值。悬挂式深松机的3点悬挂运动结构简图如图2所示，A为下铰接点，B为上铰接点，C为上悬挂点，D为下悬挂点，ABCD组成四连杆机构，AB视为机架固定不动，杆CD（即深松机）通过拉杆BC和拉杆AD的连接可以绕着机架旋转，从而实现深松机的提升或降落。

在深松机从最高点降落到最低点的过程中依次测量若干个数据点，{（αi，hi）}（i=0，1，…，n），利用最小二乘法求出拟合曲线，找出映射关系式即

h=b0+b1α（1）

式中，b0为截距，cm;b1为斜率。

2.2 耕深测量通用数学模型

在一定坡度的斜面上作业时，以坡面角度β为例，坡面上的运动结构简图如图3所示。

从图3中的几何关系以及考虑到γ角的正负符号可以得出：

γ=α-β（2）

此时，参考水平作业面的耕深测量模型，可以得出坡面上的耕深测量数学模型为：

h=b0+b1（α-β）（3）

利用安装在拖拉机车身上的角度传感器实时测量的坡面角度，得出耕深测量的通用数学模型：

h=b0+b1（α-β）+c（4）

式中，c为补偿值（cm），其求法是：将深松机调到任意位置保持不动，人工测量的实际耕深与通过式（4）计算的耕深之间的差值即为补偿值;

当β=0时，正是水平作业面上的耕深测量数学模型。

3 耕深控制方法

目前，常用的耕深自动控制算法均基于模糊算法。以测量耕深与目标耕深的偏差和偏差率作为模糊算法的输入，以控制信号作为输出，从而实现耕深的自动控制和调节。测量耕深的精度直接影响到耕深的控制精度。

首先，确定目标耕深，将目标耕深换算得到水平作业平面上的目标角度：

α=（h-b0-c）/b1（5）

利用实时采集到的车身角度对目标角度进行1次修正，得到新的目标角度：

α=（h-b0-c）/b1+β（6）

由于拖拉机、悬挂、深松机三者组成刚性连接，在作业面中出现起伏状况时容易造成实际耕深过深或过浅。以作业平面出现突起状况为例，由图4可以看出，拖拉机、悬挂、深松机三者组成的刚性连接，在经过此状况时，容易造成耕深过深，需要进行修正目标角度，以满足目标耕深的要求。同理，当作业平面出现低伏状况时，容易造成耕深过浅。

当拖拉机在作业时，作业平面的起伏引起车身倾角β的变化，用△β表示作业平面的起伏变化：

Δβ=β2-β1（7）

式中，β2为当前拖拉机车身倾角数值（°）;β1为前1次测量的拖拉机车身倾角数值（°）。

综合考虑作业平面的角度以及作业平面起伏变化，通过2次对目标角度的修正，最终确定目标角度

α=（h-b0-c）/b1+β-Δβ（8）

耕深自動控制流程图，如图5所示。

4 总结

综合利用下拉杆角度和车身角度，提出了一种耕深自动测量通用数学模型，此模型适用于各种角度的作业平面，可以较真实地反映实际耕深。

由于拖拉机、悬挂、深松机三者组成刚性连接，在作业面中出现起伏状况时容易造成实际耕深过深或过浅，提出了一种以下拉杆角度为控制目标的耕深控制方法。利用车身的实时测量角度和车身角度的变化量对目标角度进行2次修正，确定最终的目标角度。

为提高耕深的测量精度和控制精度提供理论参考和支持，以提高深松作业效果和作业质量。

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作者简介：

杨少奇（1985-），男，硕士，工程师。研究方向：农业机械化和机电一体化;李广宇（1975-），男，高级工程师。研究方向：农业机械化和机电一体化。