穗茎兼收鲜食玉米收获机割台自适应仿形系统研制

张桐林， 翟学迪， 高江永， 华荣江， 唐遵峰， 李军叶

（1.中国农业机械化科学研究院集团有限公司，北京 100083； 2.中机美诺科技股份有限公司，北京 100083；3.现代农装科技股份有限公司，北京 100083）

0 引言

现有收获机割台高度调整控制的传统方法有机械式、液压式和电液式[1]。刘伟建等[2]设计了一种再生稻自适应仿形割台，可实现割台高度及水平自适应调整。曹向虎等[3]为提高玉米收获机的作业效率，降低其劳动强度，解决割台高度调节实时性和准确度差的问题，提出一种基于模糊PID 算法的割台高度控制策略。为提高玉米收获机割台仿形机构对田间地形变化感知的灵敏度和对田间地形仿形的准确度，金诚谦等[4]设计了一种主副板压紧式割台仿形机构。廖勇等[5]为碧浪4 LZ-1.2 型履带自走式联合收割机设计了一种割台高度自适应调节系统，主要组成分为作物高度检测装置、割台高度检测装置、液压执行装置和控制单元。中国铁建重工集团股份有限公司[6]发明了一种收割机及其割台仿形液压控制系统，主要由压力油口、减压溢流阀、割台仿形油缸和回油口等部件组成，可优化割台作业负载，提高收割作业效率。新疆牧神机械有限责任公司等[7]发明了一种割台仿形系统及其控制方法，可通过自动升降机构辅助液压蓄能器控制割台升降，使得割台仿形能力更佳。中国铁建重工集团股份有限公司[8]发明了一种番茄收获机及其割台仿形系统，可在机械左右不平整的情况下实现调平。还有其他文献也在控制策略和控制结构上进行了深入研究[9-11]。这些都为穗茎兼收鲜食玉米收获机割台仿形系统的研制提供参考。

针对穗茎兼收鲜食玉米收获机结构特征、割台调整方式等特点，基于超声波测距原理与多传感器应用，研制了一种穗茎兼收鲜食玉米收获机的割台自适应仿形系统，以1 台4 行190 kW 的穗茎兼收鲜食玉米收获机为样机，搭载所研制的割台自适应仿形系统，开展仿形系统验证试验。

1 割台仿形原理

割台仿形原理为依据割台与地面之间的高度变化，对割台距地面高度进行调节，从而使割台随地形起伏变化而自适应调整，保证割台与地面高度维持在适当的高度。因此，割台仿形中关键在于割台高度的感知与调控。

根据玉米收获机实际作业与结构特点，本研究中，采用超声波测距传感器进行割台高度感知。割台高度传感器安装位置如图1 所示。在割台前方放置超声波传感器S1，用于感知预测地面信息h1，中部放置超声波传感器S2，用于测量实时的割台离地高度h2，前后传感器水平间距L1，同时在控制割台升降的液压缸处装上拉线传感器S3，用于测量液压缸伸缩的长度h3，仿形系统控制器通过液压缸伸缩的长度与割台高度之间的比例计算出割台的调整高度值，此高度主要用于辅助确定割台的离地高度是否准确。

为准确反映割台即将经过的地形，不产生误报、漏报等情况，应尽可能检测前方全地形特征和高差等信息，这将需要处理大量的数据，无法及时地完成割台控制，为此，在割台前方左右两端安装超声波高度传感器的同时，在割台中间也安装了一个传感器，以降低数据处理量的同时，尽可能全面地反映前方地形特征。在割台前端安装的多个高度传感器S1，用于测量割台即将经过的地势信息，此传感器选用超声波传感器来对地面信息进行测量和计算。通过对左、中、右3 个高度传感器传回的高度信息进行处理，得到一条近似垂直于车辆前进方向的高度折线，而后通过这条高度折线来判断整个割台是否需要提升或降低高度。当控制器发送控制命令后，再通过割台中部的传感器与拉线传感器输出的高度信息进行反馈，判断割台是否达到控制高度，让整个割台高度控制形成闭环控制体系，使玉米收获机在收获过程中不断地调节割台高度，维持割台高度在最佳收获范围内，保证收获效率，同时提高收净率。

根据超声波传感器的硬件已知参数，传感器测量并分析结果的反应时间为0.1～0.2 s，根据控制器CPU的处理能力可知，从控制器接收到上位机输出控制信号，控制器输出对应的割台高度控制信号的时间为微秒级，可忽略不计，控制玉米收获机割台高度的液压阀在接收到控制器输出的高度控制信号后，使割台高度产生变化的反应时间为0.4～0.5 s，整体割台高度控制的反应时间在0.5～0.7 s，取中间值0.6 s。当车速为5 km/h 时，0.6 s 的行走距离约为0.8 m，为保证割台仿形及时反映，确保割台不触地，L1距离应不小于该长度。

2 自适应仿形控制系统软硬件实现

2.1 硬件构成

控制系统硬件组成部分主要由上位机触摸屏、玉米收获机控制器、各种传感器和液压控制部分等组成。其中，上位机触摸屏主要用于展示各类信息及下发各类控制操作命令；玉米收获机控制器则是整个控制系统的中心，负责接收各种传感器输出的参数，采集玉米收获机各种运行信息，以及接收上位机命令和控制对应部件工作等；其他还有各种用于采集车辆运行信息的传感器，保证了在机器工作中各个部件的信息化和可视化，液压缸负责执行割台高度的升降调整动作。

上位机触摸屏使用昆仑通态MCGS 触摸屏，该触摸屏具有容量小、速度快、成本低及稳定性高，提供中断处理，定时扫描精度可达到毫秒级，提供计算机通讯的RS232 串行接口，通讯方便，操作简便，并内置多种设备连接的固化协议等特点，大大简化了设计开发工作。MCGS 嵌入版具有强大的网络通讯功能，支持串口通讯、Modem 串口通讯、以太网TCP/IP 通讯，并且提供多种不同的报警方式，具有丰富的报警类型，方便用户进行报警设置并且系统能够实时显示报警信息，对报警数据进行存储与应答，方便控制复杂的运行流程。最后，用户可用自建的文件系统来管理数据存储，系统可靠性更高。

我国在电子商务相关立法方面还存在立法空白，相对于西方国家，我国对客户的信息安全、交易安全以及知识产权保护还是不到位。宿迁市司法机关和相关政府部门应当严格落实既有的法律和行政法规，维护从事电子商务双方主体的合法权益。通过调研，对于实践中立法的缺失，宿迁市人大常委会可以报请省级人大及其常委会在不抵触上位法的前提下，及时制定地方性法规，宿迁市政府也可以制定不与法律、法规相抵触的行政规章，从法律层面规范电子商务产业的发展。同时，在农村地区，宿迁市政府应当加强对相关法律的宣传工作，使得村民在从事电子商务过程中能够知法守法，并通过法律解决纠纷，维护交易的安全性和稳定性[7-8]。

玉米收获机控制器是自主开发设计的一款适用于各类农业机械使用的控制器，可以监测车辆的各部位模拟量信号输入输出，开关量信号输入输出的控制管理，可访问车辆ECU、具备GPS/BDS 定位等功能，可实现车辆割台转速控制、转向调节和监控车辆安全等各种智能控制功能。控制器采用STM32F4 系列高性能CPU，以高效执行各种控制功能。同时控制器还支持MOSBUS 串口通讯、CAN 通讯等多种通讯方式，并且拥有8 路数字量信号采集通道、4 路数字量信号控制模块、8 路模拟量信号输入通道及4 路模拟量信号输出模块，满足各种控制需求和信号采集。

传感器主要用于采集机器在工作过程中的各类工作参数，其功能主要有采集高度信息、各类转速信息、发动机ETU 信息及定位信息等。割台高度信息通过超声波传感器和拉线传感器进行采集，其中割台前端传感器负责感知和预测地面信息，中部的传感器负责测量割台整体实时离地高度的采集，拉线传感器则是通过采集液压缸伸缩的长度换算得到割台高度，用于对比和校验超声波传感器采集的高度信息。转速信息使用接近开关传感器采集，可实时监控当前状态下的割台转速信息，方便操作人员调整割台转速，使机器达到最佳收获质量。BDS/GPS 定位功能采用由杭州中科微电子有限公司生产的ATGM332D-5N 定位模块，该模块支持多种卫星导航系统，具有高灵敏度、低功耗和低成本等优势，ATGM332D-5N 系列模块通过UART 作为主要输出通道，按照NMEA0183 的协议格式输出，可采集到车辆的经纬度、车速和航向角等多种信息。

2.2 软件设计

本控制系统软件开发主要分为上位机触摸屏界面开发及控制器软件控制系统开发。上位机触摸屏开发平台为MCGS 嵌入版组态软件，此软件为昆仑通态厂商自带的触摸屏开发软件，是在MCGS 通用版的基础上开发的，专门应用于嵌入式计算机监控系统的组态软件。MCGS 嵌入版包括组态环境和运行环境两部分，适应于应用系统对功能、可靠性、成本、体积和功耗等综合性能有严格要求的专用计算机系统。其通过对现场数据的采集处理，以动画显示、报警处理、流程控制和报表输出等多种方式向用户提供解决实际工程问题的方案，在自动化领域有着广泛的应用。此外MCGS嵌入版还带有一个模拟运行环境，用于对组态后的工程进行模拟测试，方便用户对组态过程的调试。主要界面如图2、图3 所示。

图2 上位机主界面Fig.2 Main interface of host computer

图3 割台高度控制界面Fig.3 Header height control interface

玉米收获机控制器为自行设计开发的线路板，并采用Keil uVision5 平台对控制程序进行编写，采用C语言并且使用ST 官方提供的HAL 固件库函数辅助程序编译，是控制系统的核心，并负责具体实施和执行触摸屏输入和系统运行所需的各种功能。

3 割台仿形控制策略

为提高割台控制准确性，割台离地高度根据作物的不同和地势特点可以进行修改，以控制青饲的收净率。每次开始工作前，需要由上位机开始设定工作时的割台高度，并且下发命令至控制器，控制器控制割台升降，当割台高度为设定高度时，机器的收获质量为最佳。机器在行进过程中会遭遇各种障碍，若前方地势有凸起，机器继续前进可能使割刀触地，碰坏割台或污染茎秆青饲，此时需通过控制器控制割台上升；反之前方地势如果出现凹陷，机器在前进过程中可能会发生下陷，或割台与地面夹角过大导致收割玉米不完全，此时控制器需降低割台高度，等到机器越过障碍，即测得实时割台高度与之前设定的割台高度相等时，控制器完成一次割台高度的仿形控制。之后控制器仍然实时检测割台前端离地高度，以备进行下次割台高度仿形。

在整个控制系统中，由上位机触摸屏设定的数值均由大写字母表示，由控制器采集的传感器数值均由小写字母表示。在整个割台高度仿形过程中，首先通过上位机触摸屏下发设定的最佳收获割台高度H2和容差Δα；在控制器接收到设定的割台高度时，将此时采集的实时割台高度h2与设定高度H2进行比较，通过输出升高或降低割台命令使割台实际高度h2逼近设定高度H2。机器通过液压缸的伸缩来控制割台升降，控制器采集液压缸的长度h3来判断割台是否达到设定高度H2，当采集的h2与h3同时与设定的割台高度H2的差值在允差Δα范围内时，表示当前割台达到了设定高度，控制器调整割台高度完毕。此时控制器记录下割台前端的离地高度H1，此高度为之后机器进行收获任务时的基准高度，并且控制器向上位机触摸屏发送允许开始进行收获任务及允许割台仿形标志。

当上位机接收到开始工作标志时，操作人员才可以进行收获任务，在收获过程中，控制器不断采集割台前端的实时高度h1，同时与之前记录的割台前端基准高度H1进行比较，当出现两者差值的绝对值＞3Δα时，控制器分析得出当前传感器检测位置存在障碍的结论，之后割台立即执行割台仿形控制。

控制器根据实际高度h1与基准高度H1之间的大小来进行分析，当h1的高度小于基准高度H1时，表示割台下方有突起物或其他因素，需升高割台高度，反之则表示割台前方有凹陷地形，需降低割台高度。控制器输出相应控制信号给液压控制器，液压控制器控制液压缸将割台抬升或降低。控制器控制割台升降由控制器上的开关量信号输出模块实现，共两路分别控制割台的上升与下降，其原理为控制器的CPU 输出高低电平控制相应的继电器线圈是否带电，当继电器线圈有电时，该模块常闭断开，常开闭合，依此便能对割台的高度进行控制。当控制割台上升时，继电器线圈带电，其控制上升回路闭合，将割台抬起，同时安装在液压控制器上的拉线传感器测量的长度h3随之发生变化，当达到目标高度时，继电器线圈掉电，控制回路断开，割台停止上升；同理进行割台下降控制。控制割台升降时控制器采集的割台中部的高度h2会伴随控制发生变化，当机器越过故障后，控制器采集到的高度h2与设定的割台高度H2的差值会回到Δα 范围内，此时停止控制割台高度，完成一次割台高度仿形控制，同时控制器再不断采集割台前端的实际高度h1，预备进行下次遇到障碍时的割台高度控制。

割台高度仿形流程如图4 所示。

4 收获作业试验验证

以1 台4 行190 kW 的穗茎兼收鲜食玉米收获机为样机，主要参数如表1 所示。

表1 样机主要参数Tab.1 Parameter of harvester

试验样机搭载所研制的割台自适应仿形系统，开展仿形系统验证试验，玉米收获机作业行走平均速度4 km/h，割台转速400 r/min，在割台前端安装2 个超声波测距传感器，传感器与割台最低点距离L1为1.05 m，割茬高度控制在90～110 mm 范围内。本次割台仿形穗茎兼收鲜食玉米收获机割台自适应仿形系统试验在河北省固安县中机美诺科技股份有限公司固安试验场进行，在试验过程中将采集割台高度和割台转速信息，以及工作状态下玉米收获机的前进速度、发动机转速。将采集的数据绘制成折线图，可分析玉米机在收获状态下，各个部件的参数信息。试验样机与试验现场如图5 所示。

图5 试验现场及样机Fig.5 Test site and harvester

玉米收获机前进速度可反映车辆的收获效率，在正常收获状态下，如前方无障碍且地面信息平整时，机器的收获速度最大可到6 km/h。割台高度信息则是割台高度仿形中最重要的参数，在试验前，需要提前确定割台收获高度，作为上位机的设定高度，控制器生成在平整地面环境下的地面信息趋势折线，之后在收获过程中可根据采集到的实时割台高度，生成新的地面信息趋势折线，之后通过割台高度仿形系统的软件控制逻辑，完成对应的割台高度控制。

在累计作业8 h 的验证试验中，割台调整平稳，割台无触地现象，截取部分代表性数据，绘制割台仿形实际控制效果如图6 所示。

图6 割台仿形高度随时间的变化Fig.6 Variation of header profile height over time

由图6 可知，割台调整均在合理范围内，整体试验过程并未发生触土现象，同时试验完毕，对玉米割茬进行抽样检查，割茬高度控制在90～110 mm，符合预期设定，试验结果验证了所研制的割台仿形系统的有效性。

5 结论

（1）基于超声测距原理，研制了一种穗茎兼收鲜食玉米收获机的割台自适应仿形系统。该系统中，超声波测距传感器安装在割台分禾器前端，用于实时检测割台分禾器与地面高度差，将高度差信号传输至玉米收获机的中心控制终端，由控制器发出相应调整指令，控制割台调整液压油缸进行割台高度调整，实现玉米收获机在作用过程中的割台自适应仿形。

（2）以1 台4 行190 kW 的穗茎兼收鲜食玉米收获机为样机，搭载割台自适应仿形系统，开展仿形系统验证试验，累计作业8 h，割台调整平稳，割台无触地现象，试验结果验证了所研制的基于超声测距的割台自适应仿形系统的可行性与有效性。