薯类收获机挖掘深度自动控制系统设计与试验

李 涛 李 娜 刘存根 朱正波 周 进 张 华

(1.山东省农业机械科学研究院， 济南 250100； 2.山东建筑大学信息与电气工程学院， 济南 250101)

0 引言

薯类作物是土下果实非常重要的一类，主要包括马铃薯、甘薯、木薯、芋和薯蓣等[1-2]。其中，种植面积最大的是马铃薯和甘薯，它们既是重要的粮食作物，又是重要的工业原料、蔬菜和饲料。我国虽是薯类作物生产大国，但其机械化作业程度却不高，尤其是劳动强度大、需要人工多的收获作业，机械发展严重滞后，严重制约着我国薯类产业的发展[3-4]。

薯类作物机械化收获主要分为分段收获和联合收获2种方式。挖掘铲是收获机的关键部件，其挖掘深度的精确控制不仅可以提升收获性能指标，还可以减阻降耗、降低生产成本。挖掘深度控制技术有3种：机械式、液压式和自动控制式。目前国外的薯类机械化收获以联合收获为主，机具大型化，其对薯类作物挖掘深度自动控制系统研究较早，运用了大量高新技术，目前已开发出多种先进的机电液一体化挖掘限深技术，并朝着集成化、自动化和智能化的方向发展[5-7]。德国Grimme 公司生产的GT170型马铃薯联合收获机，采用自动控制限深技术，控制系统由仿形轮、位移传感器、液压系统和控制器等组成，具有精准度和自动化程度高、稳定性好等特点。

目前国内薯类作物机械化收获方式以分段收获为主，收获机械多为中小型。薯类收获机挖掘深度控制技术以机械式为主，即采用限深轮和挖掘铲入土角度调整机构控制挖掘深度。机械式限深轮实时仿形精度低，挖掘铲深度控制稳定性差，调整不方便。液压式和自动控制式大都处于研发试验阶段，如熊佳等[8]采用液压限深设计了一种木薯收获机挖深液压控制系统，实时仿形性有待提高，同时由于驾驶员需要经常观察地面状况做出调整，造成操作误差和劳动强度大；南春磊等[9]基于单片机和红外测距传感器，设计了一种挖掘深度自动控制系统，其非接触式探测机构采集信息速度快，但容易受到地面状况扰动，受温度、水分等因素影响；李涛等[10]以垄行截面走向为研究对象，采用基于PID的速度控制模式实现收获机的自动对行功能，但如果垄行截面尺寸变化较大，会影响其工作稳定性，同时由于系统输出惯性会造成超调或振荡。当前，我国薯类收获机械采用的这些自动控制技术大多较为落后，已成为制约收获作业性能提高的主要瓶颈之一。

本文以自主研制的4UGS2型双行薯类收获机为载体，设计一种挖掘深度自动控制装置，采用接触式深度探测系统，设计仿形装置和挖掘机构，采用双阈值死区控制算法，以期实现地面高低状况自动仿形，保证实时准确地控制调整挖掘深度，提高薯类收获机作业性能指标。

1 挖掘深度控制系统总体结构与工作原理

1.1 总体结构

4UGS2型双行薯类收获机挖掘深度自动控制系统由前仿形装置、挖掘机构、液压装置和电子控制器组成[11-14]，总体结构如图1所示。

1.2 主要工作原理

如图2所示，挖掘深度自动控制系统开始工作时，前仿形装置探测垄沟起伏变化，通过其上角度传感器采集地面信息并传递给控制器，控制器通过控制算法输出液压电磁阀控制信号，液压油缸带动挖掘机构绕固定轴旋转，改变挖掘铲齿的离地高度，保证掘起土垡高度一致。同时油缸活塞杆伸缩量信息通过其位移传感器传递给控制器，控制器获取信息并根据算法实时调整挖掘铲挖掘深度，构成挖深闭环控制系统，保证挖掘深度的精确控制。

2 前仿形装置和挖掘机构设计

2.1 前仿形装置

前仿形装置主要功能是通过其机械装置仿形垄沟地面，同时其控制装置通过角度传感器采集地面高低状况，前仿形装置结构如图3所示。

前仿形机构后端通过螺栓与收获机机架连接，其位置可根据垄行位置左右调整。机架安装座前端由回位弹簧与摆动臂相连接，回位弹簧的预紧拉力保证前仿形轮紧贴地面，摆动臂在框板的矩形框中摆动，起到限位作用，使摆动臂在一定范围内运动，满足前仿形轮根据地面高低状况仿形的要求[15]。

安装座横梁通过快速挂接销外套在左右调节架横梁上，安装座横梁上左右等距分布有竖直孔，可与左右调节架的单个孔配合，通过横梁上不同孔的连接，可以改变左右前仿形轮轮距，满足不同垄作植物垄距变化的需要。安装座支撑横轴轴端安装有角度传感器，角度传感器将地面高低变化信息传递给控制器。

左右调节架竖梁通过快速挂接销外套在左右轴支架竖梁上，左右调节架竖梁上下等距分布有水平孔，可与左右轴支架的单个孔配合，通过竖梁上不同孔的连接，可以调整左右前仿形轮的高低位置，满足不同地面收获要求，保证左右前仿形轮紧贴地面。

图4为前仿形机构工作示意图，仿形机构以速度v前进，前仿形轮沿垄底由点A运动到点B，左右轴支架可绕铰接点O旋转，其摆动杆与垂直面的夹角相应从δ0变为δ1，则垄底高度变化量H2和角度变化量δ2计算式为

(1)

式中H0——点A摆动中心高度

L——摆动杆长度

δ0——仿形机构工作初始角度，即点A摆动杆与垂直面的夹角

δ1——点B摆动杆与垂直面的夹角

H1——点B摆动中心高度

设计取L=700 mm，则式(1)可简化为

H2=700(cosδ0-cosδ1)

(2)

当δ2>0，δ0<δ1，即H2>0时，表明从点A到点B，垄底位置升高，则需要减小挖掘深度；当δ2<0，δ0>δ1，即H2<0时，表明从点A到点B，垄底位置降低，则需要增加挖掘深度。

2.2 挖掘机构

挖掘机构的主要功能是根据控制器传递的挖掘深度信息，以最少的铲土量挖掘薯垄、捡拾薯块、松碎土壤，在克服阻力的基础上消耗最少的能量，并将铲起物传送到分离机构上。挖掘机构结构如图5所示[16]。

挖掘机构中部有连接在收获机上的固定轴，铲齿架上的轴套外套在固定轴上，铲齿架可绕固定轴做旋转运动，其前端安装有挖掘铲齿，后端安装有连接臂，从而可以带动挖掘铲齿和连接臂绕固定轴做旋转运动。液压油缸缸体端连接机架安装座，活塞杆端与连接臂相连，控制器发出指令，使活塞杆伸长和缩短，从而可以实时调节连接臂的偏摆角度，保证快速准确地调整挖掘深度[17-18]。

挖掘机构工作过程如图6所示，O1、O2和O3分别为液压缸缸体端铰接点、固定轴铰接点和液压缸活塞杆端铰接点。当前仿形机构探测到垄底高度变化时，控制器根据式(1)计算得出垄底高度变化量H2，通过液压缸活塞杆端驱动连接臂以固定轴为中心进行旋转，使连接臂上下摆动相应的距离，挖掘机构工作角度，即点O2与点O1的连线和点O2与点O3的连线之间夹角β变化量βp1(与前仿形机构相关)与垄底高度变化量H2可表示为

(3)

(4)

式中N5——点O2与挖掘铲齿前端面的距离

如图6所示，在三角形O1O2O3中，根据余弦定理可得到油缸活塞杆的伸出长度N3与β的计算公式，即

(5)

对式(5)移项、变换后可得

(6)

其中，连接臂长度N1、固定轴铰接点与油缸缸体端铰接点距离N2和油缸缸体端长度N4为已知尺寸，油缸活塞杆长度N3由安装在油缸上的位移传感器实时获取并传送给控制器。定义当初始挖掘深度W0为260 mm时，β为初始角β0(取56°)，则β变化量可表示为

(7)

式中β1——实时测量角

βp2——β变化量(与挖掘机构相关)，正值和负值分别表示挖掘深度相对初始挖掘深度W0减小和增大

βp为挖掘深度调控重要指标，控制器比较βp2和βp1的数值，根据算法确定油缸伸缩量，实现自动挖深功能。

同时挖掘深度W可表示为

(8)

薯类作物整体结薯深度在200～350 mm之间，变化量在150 mm左右。收获机通过牵引机构连接在拖拉机下拉杆上，收获机开始作业前，应根据田间状况调整拖拉机下拉杆离地高度，同时调整好仿形机构摆动杆长度L，这样就可以确定仿形机构工作初始角度δ0和收获机初始挖掘深度。由于仿形机构和挖掘机构都位于收获机的前部，纵向距离小，挖掘机构可以实时根据仿形机构的角度变化做出深度调整，同时由于收获机长度和高度相比于挖掘深度变化范围大很多，且挖掘机构挖掘地垄后，后面的收获机地面刮平机构可使整机在较平整的地面上工作，所以收获机高度变化较小，对系统工作影响较小。

3 液压装置设计

液压装置原理如图7所示，自动挖掘深度控制系统启动时，控制器输出三位四通比例电磁换向阀的控制信号，根据前仿形机构获取的垄沟地面信息，控制液压缸活塞杆的速度和位移，驱动自动挖深油缸工作，带动挖掘机构绕固定轴旋转，改变挖掘铲齿的离地高度，保证快速准确地调整挖掘深度。液压锁可以将油回路锁住，以保证外界有一定载荷变化的情况下油缸活塞位置静止不动，避免挖掘铲齿频繁上下动作。位移传感器实时获取油缸活塞杆的伸长或缩短数据并上传控制器，控制器根据挖掘铲偏移角算法来判断挖掘机构挖掘深度是否符合要求[19-20]。

4 电子控制器设计

4.1 硬件

薯类作物收获机电子控制器结构图如图8所示，主要由微处理器、信号处理电路、通信系统和监控终端等组成。

驾驶员在监控终端输入自动挖深控制指令，系统指令通过通信系统发出。微处理器首先将其转变成模拟控制信号，然后通过比例阀驱动电路驱动三位四通换向阀，使自动挖深油缸活塞杆伸长和缩短，从而控制挖掘铲的挖掘深度；同时微处理器通过角度传感器和位移传感器实时获取仿形轮支架与地面角度和挖深油缸伸缩量数据，使用垄底高度变化量算法和挖掘铲偏移角算法判断挖掘深度是否达到要求。监控终端可实时显示上传数据并存储，如果系统发生故障，可以自动声光报警[21-24]。

4.1.1微处理器

系统采用8位单片机作为微处理器，芯片内部集成64 KB存储器容量、2 KB EEPROM存储器容量、64 KB闪存容量、4 KB RAM、最多可使用64个IO接口、7组模数转换器输入、3组计时器、4通道PWM，最高32 MHz时钟频率，工作电压2.7～5.5 V，工作温度-40～85℃。

4.1.2电源

微处理器主供电电源采用艾诺公司AN50系列直流稳压电源，其电压输出范围为0～35 V，采用电压模式PWM控制和IGBT高频全桥变换技术，动态响应快，过流能力强，输出纹波低。具有体积小、质量轻、噪声低、效率高、操作简单等优点，可保证相关电器设备供电稳定，满足性能测试要求。

4.1.3角度传感器

角度传感器采用Robo Brain公司RB100系列产品，其内部集成了高精度的霍尔角度传感器。内部采用先进的磁场方向检测与转换技术，稳定可靠。检测范围0°～360°，分辨率0.022°，精度0.5%。

角度传感器输出信号为0～5 V模拟电压。如图9所示，MCP3208 A/D转换电路可实现8路模拟信号的A/D转换，信号由CH0端输入并转换为数字信号后，送入单片机进行数据处理。

4.1.4位移传感器

位移传感器采用Miran公司KTC系列直线位移传感器，量程为400 mm，分辨率0.01 mm，输出信号为0～5 V模拟电压，输出信号经接口电路连接到微处理器，由微处理器内部高性能 A/D 转换模块进行模数转换，以便微处理器进行处理分析。

4.1.5通信系统

433模块选用SX1278射频芯片，由SEMTECH公司生产，其通信距离最大可达2～3 km，可根据实际通信距离需求调整其信号的发射功率，发射功率越大，通信距离越远，其功耗也会相应增大。本系统根据试验测试要求，选取通信距离不小于100 m，实际通信距离可达300 m以上，同时功耗较小，车载电池可连续工作12 h；该无线模块支持RS232和USB接口，可与监控终端和微处理器进行数据通信。

4.1.6监控终端

监控终端采用LCD 液晶显示屏，自行开发上位机软件，选用安卓平板计算机，操作方便。驾驶员登录后可以设置挖掘深度、作业时间等工作参数；可实时监测系统工作状况，参数可实时显示；系统出现故障时可以提供声光报警。

4.2 软件

软件采用C和C++语言编写，主要包括初始化程序、主程序和输入输出程序等。主程序包括垄底高度变化量子程序、挖深油缸控制子程序和挖掘铲摆角计算子程序等，输入输出程序可实现监控终端的初始作业参数的设定，作业过程中参数的显示、存储和导出。

为实现精确稳定控制，主程序设计了双阈值死区控制算法[25]，本软件控制的死区阈值δ2=±2°，当|δ2|≥2°，垄底起伏量超过±10 mm，控制器才输出液压缸控制信号，调整挖掘深度。当|δ2|<2°时，控制器不输出液压缸控制信号，挖掘深度维持不变。这样可以消除挖掘铲由于前仿形机构微小偏移而产生的频繁摆动，同时防止液压缸频繁动作，避免控制信号的频繁跳变，有效减少超调，提高系统稳定性和抗干扰性。

系统软件流程如图10所示。首先，系统进行初始化工作，包括工作标志位置零、输入输出模块初始化和通信接口初始化。然后，根据监控终端发送的控制指令进行相应操作。如果系统发出急停指令，则停止工作并报警。如果需要参数设置，则根据挖掘深度的要求设置调整系统初始工作角δ0和β0。最后，发出启动命令，则程序置工作标志位为1，系统开始实时采集工作角δ1和β1。根据式(1)，当|δ2|≥2°，即挖掘深度变化超过10 mm时，系统开始工作，系统调用挖掘铲摆角计算子程序和挖深油缸控制子程序，调整挖掘铲入土深度。根据式(7)，当|βp|≤0.07°，即挖掘深度变化量比较值小于1 mm时，系统完成深度调整工作。如果仿形结构偏移过大，即|δ2|≥24°时，挖掘深度变化太大，容易造成零部件损坏，则系统停止工作并发出声光报警。

5 试验

5.1 模拟试验

采用东方红1504型拖拉机牵引薯类收获机，提升悬挂装置使挖掘机构离地。软件模拟前仿形装置中的角度传感器信号输入，监测挖掘深度控制系统的动作。控制反馈信号来源于挖掘机构液压油缸上的位移传感器，经数据处理可得挖掘铲角度变化值βp2曲线。如图11所示，试验模拟三角波信号输入，监测反馈信号对输入信号的跟踪。样机设计前仿形机构角度δ变化范围±20°，挖掘机构角度β的变化范围±10°。适当加大输入信号即前仿形机构角度δ变化范围为±40°，则输出信号挖掘机构角度β变化范围±20°。设置信号周期为10 s，βp2理想工作曲线与输入信号的幅值比例由前仿形机构和挖掘机构尺寸参数决定。试验结果分析显示，三角波输入信号跟踪最大延时小于0.4 s，最大误差为1.8°，平均误差为 0.3°。

5.2 田间试验

5.2.1试验条件

田间试验于2020年10月在山东省农业机械科学研究院章丘市枣园镇甘薯试验基地进行，品种为济薯26，土壤类型为褐土，土质较黏重。试验地长120 m，宽60 m，面积0.72 hm2。种植模式为单垄单行，株距为210 mm，垄距为860 mm，垄高为240 mm，垄顶宽250 mm，垄底宽530 mm，甘薯秧蔓平均长度2 100 mm，结薯深度为240～290 mm。配套动力为东方红1504型拖拉机，试验前已经人工割除秧蔓。试验情况如图12所示。

5.2.2试验方法

根据甘薯结薯深度，设置初始挖掘深度为260 mm，启动自动挖掘深度装置收获6垄，关闭自动挖掘深度装置固定深度收获6垄，交错进行收获试验，共收获12垄进行对比试验，收获作业速度为1.4～1.6 m/s。每收获一垄按照标准NY/T 1130—2006《马铃薯收获机械》测定该垄明薯率、伤薯率、漏挖率指标。同时导出挖掘机构挖掘深度W曲线、仿形机构工作角δ曲线和挖掘机构工作角变化量βp2曲线，实际测量地垄中心挖掘点曲线。

5.2.3结果分析

地垄中心挖掘点曲线、挖掘机构挖掘深度曲线、仿形机构工作角度曲线和挖掘机构工作角度变化量曲线如图13所示。

收获机根据作业工况设置初始参数，即仿形机构工作角δ0=24°和挖掘深度W0=260 mm，从曲线图可知，实际测量挖掘深度与系统挖掘深度变化规律一致，误差符合设计要求，仿形机构工作角δ和挖掘机构工作角变化量βp2曲线变化规律符合式(2)、(7)的规定，误差范围符合设计规定。当垄底高度发生变化时，前仿形机构上的角度传感器探测垄沟起伏变化，根据控制算法驱动液压油缸，改变挖掘深度，保证掘起土垡高度一致，挖掘深度自动控制系统起到了减阻降耗的重要作用。

试验结果如表1所示。通过对比可以看出，安装自动挖掘深度控制装置后，平均明薯率提升了2.20个百分点，平均伤薯率降低了1.41个百分点，平均漏挖率降低了2.00个百分点。各收获性能指标都超过了合格值要求。由此可以看出，4UGS2型双行薯类收获机采用该装置后，收获机可以根据垄沟高度改变挖掘深度，可提高其作业性能指标，减少收获过程中的损失，从而增加经济效益。

表1 收获试验结果Tab.1 Results of harvesting test %

6 结论

(1)根据垄作薯类作物种植模式，以牵引式薯类收获机为载体，采用传感器和微处理器控制技术，设计了一种挖掘深度自动控制系统。挖掘深度控制系统调整最大延时小于0.4 s，最大误差为1.8°，平均误差为0.3°，提高了薯类收获机械自动化水平。

(2)设计了前仿形装置、挖掘机构、液压装置和控制系统，运用挖掘深度实时调整算法，建立挖掘深度调节模型，有效地实现收获机挖掘深度的精确控制。

(3)薯类收获机安装了自动挖掘深度控制系统后，平均明薯率提升了2.20个百分点，平均伤薯率降低了1.41个百分点，平均漏挖率降低了2.00个百分点，不仅减阻降耗，而且提高其作业性能指标，减少收获过程中的损失，增加经济效益。