發(fā)布時間：2020-03-19所屬分類：農(nóng)業(yè)論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要:甜菜是甘蔗以外主要糖來源之一，在生產(chǎn)生活過程中具有重要地位。為提高甜菜的收獲效率，需要研發(fā)收獲機(jī)自動對行控制系統(tǒng)和控制技術(shù)，而對行檢測是實現(xiàn)甜菜自動對行收獲的基礎(chǔ)與難點。為此，設(shè)計研發(fā)了一種適用于自走式甜菜收獲機(jī)的對行檢測裝置，并進(jìn)行
摘要:甜菜是甘蔗以外主要糖來源之一，在生產(chǎn)生活過程中具有重要地位。為提高甜菜的收獲效率，需要研發(fā)收獲機(jī)自動對行控制系統(tǒng)和控制技術(shù)，而對行檢測是實現(xiàn)甜菜自動對行收獲的基礎(chǔ)與難點。為此，設(shè)計研發(fā)了一種適用于自走式甜菜收獲機(jī)的對行檢測裝置，并進(jìn)行了性能測試。實驗結(jié)果表明:所設(shè)計的裝置能夠精確檢測偏離作物行的程度，為實現(xiàn)自走式甜菜聯(lián)合收獲機(jī)的自動對行控制奠定了基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞:甜菜收獲機(jī);導(dǎo)航;自動對行;對行偏移量檢測
0引言
甜菜是甘蔗以外的重要糖類作物，由于近些年國家供給側(cè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整及食糖價格的提升，增強(qiáng)了我國農(nóng)民對甜菜種植的積極性，食糖產(chǎn)業(yè)的需求的增長，不僅給制糖廠帶來發(fā)展良機(jī)[1]，還促進(jìn)了自走式甜菜聯(lián)合收獲機(jī)的自主研發(fā)。我國在甜菜收獲機(jī)智能化方面起步較晚，甜菜收獲機(jī)械化與智能化程度與國外相比具有很大的差距[2]。目前，我國甜菜收獲機(jī)主要是以進(jìn)口為主，在國內(nèi)自主研發(fā)的甜菜收獲機(jī)方面，多以牽引式為主，自走式聯(lián)合收獲機(jī)則處于樣機(jī)狀態(tài)。目前，國內(nèi)外甜菜收獲機(jī)都存在著一些問題:國產(chǎn)甜菜收獲機(jī)的機(jī)械化水平與生產(chǎn)要求相去甚遠(yuǎn)，且存在利用率低、使用成本高的情況;國外進(jìn)口生產(chǎn)收獲機(jī)械則存在不能適應(yīng)我國甜菜種植與收獲條件的問題[3]。
甜菜收獲機(jī)自動對行控制是甜菜收獲的關(guān)鍵作業(yè)環(huán)節(jié)，地面不平整及其它因素導(dǎo)致的甜菜收獲機(jī)作業(yè)過程中存在漂移，駕駛員需要不斷調(diào)整方向盤以對齊甜菜作物行，難以集中精力調(diào)整收獲質(zhì)量控制參數(shù)，影響收獲質(zhì)量與效率。因此，甜菜收獲機(jī)自動對行控制技術(shù)具有重要的研究價值。
對行控制技術(shù)研究主要包括作物行檢測方法研究與軌跡跟蹤方法研究兩部分，本文重點研究作物行檢測方法。
作物行檢測方法主要分為視覺檢測方法與機(jī)械檢測方法。其中，視覺檢測方法能夠提供包括偏航角和橫向偏差在內(nèi)的導(dǎo)航信息，這些信息在收獲機(jī)姿態(tài)控制中起決定性作用。視覺檢測方法主要分為兩步:第一步是采用圖像處理的手段獲得作物行的特征點，第二步是采用霍夫變換或者線性回歸的方法提取作物行。直接掃描作物行的方法在一些低矮的農(nóng)作物上已經(jīng)有比較好的效果，對于甜菜的作物行的檢測具有參考價值。M.Montalvo[4]提到了可以使用模板匹配的方法獲得特征點，然后通過線性回歸的方法可以進(jìn)行玉米作物行檢測，可以檢測出ROI內(nèi)的玉米作物行，然后規(guī)劃出一條比較合適的路徑。梁習(xí)卉子[5]的文章中描述了一種通過提取已收割與未收割分界線的方法進(jìn)行作物行檢測。BillingsleyJ[6]分別通過線性回歸的方法縮短了圖像處理所需的時間。XuL等人[7-8]通過使用隨機(jī)Hough變換，縮短了Hough變換所需的時間，進(jìn)而提高了基于視覺的作物行檢測的實用性。M.Montalvo的文章中所述的方案是在玉米生長期中且雜草比較濃密的情況下對作物行進(jìn)行檢測，對于甜菜這類帶有莖葉的收獲過程中的作物行檢測具有一定的參考價值。因甜菜根莖與土壤難以分辨出來，可以通過檢測甜菜莖葉來進(jìn)行作物行的檢測，再采用梁習(xí)卉子文章中所述的方案檢測作物行。雖然通過一些方法解決了基于視覺的作物行檢測中存在的識別時間長的問題，但基于視覺的對行檢測方法易受到光照、天氣等環(huán)境因素的影響，穩(wěn)定性差。機(jī)械檢測是通過機(jī)械裝置與作物的接觸對作物行進(jìn)行檢測的方法。吳慧昌[9]和王芳艷[10]提出了一種基于角度反饋的甜菜收獲機(jī)對行檢測裝置，進(jìn)行了分析與改進(jìn)，在收獲試驗過程中取得了良好的效果;但是，所提到的裝置是基于牽引式甜菜收獲機(jī)進(jìn)行設(shè)計，設(shè)計方案不能夠直接應(yīng)用于自走式甜菜聯(lián)合收獲機(jī)的自動對行控制。
基于以上分析，本文研發(fā)了一種基于角度信息反饋的對行檢測裝置，能夠提供定量的導(dǎo)航信息，用于實現(xiàn)對自走式甜菜聯(lián)合收獲機(jī)的自動對行控制。
1甜菜收獲機(jī)自動對行檢測裝置
1.1裝置的結(jié)構(gòu)
自動對行檢測裝置核心部件主要包括角度傳感器、扭簧、主軸與探測桿，如圖1所示。
甜菜收獲機(jī)自動對行檢測裝置被成對安裝在甜菜收獲機(jī)挖掘裝置的前部。
甜菜收獲機(jī)自動對行檢測裝置工作原理:在工作過程中，當(dāng)收獲車輛沿甜菜作物行收割時，甜菜露出地面部分的根可以從兩個探測桿中間通過;收獲車輛偏離甜菜作物行時，甜菜根露出地面的部分就會接觸其中一根探測桿并產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)的角度通過主軸傳遞給角度傳感器，角度傳感器產(chǎn)生角度偏轉(zhuǎn)信號傳遞給控制器，控制器通過運(yùn)行控制程序發(fā)送轉(zhuǎn)向信號控制甜菜收獲機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)向，最后使收獲機(jī)繼續(xù)沿甜菜作物行進(jìn)行收割。對行控制系統(tǒng)原理圖，如圖2所示。
作物行檢測過程中需要扭簧對檢測裝置進(jìn)行回位，使得探測桿能夠回復(fù)到初始位置。為了不讓探測桿回位時超過標(biāo)記的零點，在前端加上一塊限位擋板，旨在防止泥沙進(jìn)入到裝置里，降低了裝置因為泥沙而導(dǎo)致堵塞的概率。
角度傳感器選用了elobau公司生產(chǎn)的角度傳感器。因農(nóng)田收割環(huán)境惡劣，對防水防塵等密封性要求極高，角度傳感器的電氣防護(hù)等級為IP67，能夠適應(yīng)惡劣的收割環(huán)境。傳感器輸出特性如圖3所示。
角度傳感器技術(shù)參數(shù)為
工作電壓/V:4.5～5.5
輸出電壓/V:0.5～4.5
按比例輸出測量范圍:-45°～+45°
角度傳感器通過螺柱與圓蓋連接，傳感器的軸與主軸進(jìn)行配合。由于傳感器的測量范圍有限，所以傳感器的安裝方向需要進(jìn)行調(diào)整，以防止檢測裝置無法進(jìn)行正常測量。傳感器需要人工設(shè)置零點，以此來對測量出的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，此種方案可以減少在校準(zhǔn)過程中的工作。
扭簧選用了直臂旋轉(zhuǎn)扭簧，扭簧的各項參數(shù)均按照安裝空間進(jìn)行設(shè)計。彈簧的一端與一塊有凹槽的鐵塊固定，鐵塊通過頂絲與主軸固定，完成了彈簧一端與主軸的固定;彈簧另一端則是由圓蓋上面的一個固定銷進(jìn)行固定。扭簧需要進(jìn)行預(yù)緊，以防止出現(xiàn)擺探測桿在回擺時彈簧恢復(fù)力不足導(dǎo)致回復(fù)過慢的情況。
主軸通過銑削加工在圓柱軸表面上加工出了一個平面，是考慮在實際收割過程中會遭遇比較大的沖擊力，且裝置在軸與擺探測桿的固定上使用的為頂絲而非銷鍵，使用圓柱軸會導(dǎo)致主軸與擺探測桿發(fā)生相對滑動，使得檢測裝置出現(xiàn)故障無法正常使用，加工出平面則便于頂絲與主軸的緊密配合。同理，扭簧與主軸之間的固定也是頂絲配合，所以在配合的部位加工出平面。
為了保證擺探測桿具有耐磨、耐沖擊與輕便性，擺探測桿選用尼龍材料。為了解決直行過程中雜草與擺探測桿的糾纏問題，擺探測桿前端設(shè)計帶有回彎;擺探測桿起始位置與垂直于收割行的平面呈15°角。同時，考慮到甜菜根露出地面的程度不同，為了保證探測的穩(wěn)定性，擺桿設(shè)計厚度比吳慧昌中論文中提出的探測桿更厚一些。
為了固定對行傳感器，依據(jù)對行檢測裝置及自走式甜菜收獲機(jī)設(shè)計了對行檢測裝置的固定架，如圖7所示。
由于自走式甜菜收獲機(jī)割臺前端沒有合適的安裝位置，所以需要農(nóng)機(jī)廠設(shè)計支架，結(jié)合圖7所示的固定架，將對行檢測裝置安裝固定在挖掘裝置的前部。
1.2對行檢測裝置的分析
對行檢測裝置在用于基于模型的控制時，需要對檢測量進(jìn)行分解，但對于所選用的對行檢測裝置來說，其對行過程中可能的狀態(tài)總計9種，且存在兩對狀態(tài)，在偏向不同的方向時會觸發(fā)同一側(cè)檢測裝置，所以需要對狀態(tài)進(jìn)行討論分析，使得狀態(tài)與所觸發(fā)的裝置是一一對應(yīng)的。
1.2.1收獲機(jī)位置的分析
令集合A={左偏，無偏，右偏}，代表車輛偏離作物行的狀態(tài);集合B={左觸發(fā)，右觸發(fā)，無觸發(fā)}，代表檢測裝置觸發(fā)狀態(tài)。對集合A和集合B做笛卡爾積，可以得到A×B={(左偏，左觸發(fā))，(左偏，無觸發(fā))，(左偏，右觸發(fā))，(無偏，左觸發(fā))，(無偏，無觸發(fā))，(無偏，右觸發(fā))，(右偏，左觸發(fā))，(右偏，無觸發(fā))，(右偏，右觸發(fā))}，令集合中的每個元素分別對應(yīng)狀態(tài)S(n)。其中，n取1～9的整數(shù)，對應(yīng)的狀態(tài)圖，如圖8所示。
首先，對于狀態(tài)S(1)和S(9)這兩種工作狀態(tài)為異常工作狀態(tài)，在產(chǎn)生S(1)和S(9)狀態(tài)之前，農(nóng)機(jī)操縱員就已經(jīng)將自動對行狀態(tài)切換為手動駕駛狀態(tài)，所以這兩種狀態(tài)在一般情況下無法到達(dá)。
而對于S(2)和S(8)，此時對應(yīng)的橫向偏差為0，航向偏差則不為0。對于對行檢測裝置來說，存在當(dāng)測量值為0時，傳感器并不能返回有效數(shù)值，無法進(jìn)行分解的問題;但當(dāng)處于狀態(tài)S(2)和S(8)時，由于轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)無動作，其下一時刻的狀態(tài)將分別轉(zhuǎn)化為S(3)和S(7)，即正常工作狀態(tài)，使得對行檢測裝置可以進(jìn)行正常的測量工作。
當(dāng)處于狀態(tài)S(4)和S(6)時，會觸發(fā)對行檢測裝置進(jìn)行檢測，基于運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)的狀態(tài)分解方程，可以獲得測量值，就可以計算橫向偏差和航向偏差;然后，通過基于模型的控制律對控制車輛轉(zhuǎn)向，使得車輛能夠回到預(yù)定的行走路線上。
根據(jù)以上分析，可以將對行檢測裝置的工作狀態(tài)與所觸發(fā)的裝置一一對應(yīng)，分析后的工作狀態(tài)如圖9所示，在此基礎(chǔ)上可以對檢測量進(jìn)行橫向偏差與航向偏差的分解。以下分析均是基于探測桿與固定模塊軸線垂直的情況。
1.2.2檢測量的分解
在對對行檢測裝置進(jìn)行動力學(xué)分析之前，先根據(jù)其幾何條件進(jìn)行運(yùn)動學(xué)的分析，進(jìn)而求解出基于模型控制所需的變量。對行檢測裝置的運(yùn)動學(xué)模型如圖10所示。圖10中，ψe為航向偏差，xe為橫向偏差。
4結(jié)論
1)設(shè)計研發(fā)了一種自走式甜菜收獲機(jī)自動對行檢測裝置，相比于單純的機(jī)械開關(guān)能夠進(jìn)行更精確的反饋控制，設(shè)計思路相比于純機(jī)械開關(guān)復(fù)雜，但機(jī)構(gòu)簡單易于實現(xiàn)。實驗結(jié)果表明:所設(shè)計研發(fā)的裝置能夠準(zhǔn)確測量對行偏差量，滿足自動對行控制需求。下一步將重點開展對行控制方法的研究工作，以實現(xiàn)甜菜收獲精確自動對行。
2)實驗結(jié)果表明:不同的對行偏差有不同的角度讀數(shù)，且成正比關(guān)系，在進(jìn)行校正之后，兩邊傳感器輸出曲線相近，經(jīng)過處理后可以反映出對行偏差。
