马铃薯联合收获机控制系统设计

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　　摘 要：马铃薯是世界上仅次于小麦、水稻和玉米之后的第四大粮食作物，世界种植面积约2200万hm2[1]。我国现阶段的马铃薯联合收获的机械化程度并不高，存在着操作复杂，电气化程度低，人工投入大等问题，为此研制出适应我国北方规模化种植区的马铃薯联合收获机，操作简便，机电液仪结合自动化程度高，减少雇工、降低劳动强度，改善我国马铃薯收获的机械化状况，提高农业机械化技术水平。以德沃集团设计的4UML-180牵引式马铃薯联合收获机为基础，为其设计了一套收获机控制系统，以解决上述问题。
　　关键词：农业机械;马铃薯联合收获机;控制系统
　　中图分类号：S225.71        文献标识码：A开放科学（资源服务）标识码
　　doi：10.14031/j.cnki.njwx.2020.01.001Open Science Identity（OSID）
　　Absrtact：Potato is the fourth largest food crop in the world after wheat， rice and corn， with an area of about 22 million hm2.Potato harvest mechanization degree is not high at the present stage in China， there exists a complex operation， low degree of electrification， artificial into more problems， therefore developed to adapt to the potato combine in north China region， easy to operate， and combining degree is high， reduce artificial working strength etc. improve China's potato harvester， improve the level of agricultural machinery design.Based on the 4UML-180 traction potato harvester designed by devo group， a set of control system of harvester is designed to solve the above problems.
　　Keywords： agricultural machinery;potato harvesting;control systems
　　0 引言
　　馬铃薯收获是马铃薯产业全程机械化的关键环节之一，目前国内的联合收获机械化程度仍然较低，受其影响，在收获环节中，作业成本高、机器投入量大、人工投入多。国内现有马铃薯联合收获机产品种类繁多，但多数是通过引进国外设备进行消化吸收，取得了一定进步[1]。但一味地模仿并不能适应我国国内现有的马铃薯种植模式以及收获的农艺特点。以德沃集团自行研制的4UML-180牵引式马铃薯联合收获机为基础，自主开发一套符合机器特点和农艺要求的收获机控制系统。
　　鉴于系统实时信息处理的特殊要求以及现场应用性，选用应用广泛的STM32处理器进行信息采集处理。同时，随着嵌入式系统的发展与不断完善，将嵌入式系统应用在农业机械中会是未来发展的道路。
　　STM32系列微处理器是由意法半导体（STMicroelectronics）集团推出的高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用设计的微处理器[2]。
　　1 马铃薯联合收获机工作原理
　　1.1 主要结构
　　4UML-180型牵引式马铃薯联合收获机结构如图1所示，主要由挖掘机构、传动系统、抖动机构、分秧机构、输送机构、分拣平台、提升机构、液压缸和料斗箱等部分构成。采用正牵引形式与拖拉机挂接。拖拉机动力输出轴将动力通过传动轴带动液压泵工作，为整机的液压马达提供动力，其余运动机构由拖拉机的液压输出端提供动力。
　　1.2 工作原理
　　机器作业前，将挖掘部分通过液压调节至适当高度。机器作业时，挖掘铲入土200～250 mm将马铃薯铲出连带土壤和秧、杂草等送至一级传动，随后经过一级抖动与二级抖动，将大部分碎土去除;剩余的杂土、马铃薯、秧和杂草等进入一级分秧机构，通过对辊相向转动分离部分马铃薯秧和杂草;再经过二级传动后进入二级分秧机构，液压马达驱动二级分秧机构带动带有倒钩状的除杂带向车尾旋转，将上一级剩余的大部分秧和杂草抛至车尾外部，剩余的马铃薯、少量的杂土、土块和少量的薯秧进入提升笼，由数个网兜组成提升笼可将一部分碎土筛掉。经过提升笼后，绝大部分杂质被筛掉，剩余马铃薯及少量土块与秧秆被提升至一级输送，其中一级输送、二级输送两侧设有分拣平台，由分拣平台两侧配置人工对马铃薯中掺杂的石块、秧和杂草进行最后的分拣。最后，马铃薯通过三级输送进入料斗箱。至此，完成一个工作循环。
　　2 系统设计
　　系统的硬件构成如图2所示。设计的控制系统以STM32  F4芯片作为主控制芯片，以主芯片制作的控制主板安装在收获机上，驾驶室中放置人机界面与操控盒。驾驶室中人机界面以CAN总线通讯方式与主板通讯，操控盒以CAN总线通讯方式与主板通讯，其余各个传感器以直连的方式与主板相连接。执行元件通过驱动板来驱动运转[3，4]。
　　2.1 信号分类
　　马铃薯联合收获机信号种类可以分为五类：模拟量输入、开关量输入、模拟量输出、开关量输出和CAN总线。模拟量输入信号参数主要是倾角传感器、两个角度传感器和超声波传感器，用于收集车身水平状态、挖掘深度、转向角度与入料斗输送带高度;开关量输入信号主要是布置在各个油缸的极限位置，作为限定运动行程用，用于超声波油缸、挖掘油缸、仿形油缸和转向油缸。传感器采集到的信号经过调理电路，包括放大、隔离、滤波等处理，进入A/D转换器中进行转换，输入到STM32芯片中进行数据的处理分析。模拟量输出信号主要是用来控制提升马达、输送马达、除杂马达和料斗马达的转速，其中这四组马达均为单向转动;开关量输出信号主要是用来控制超声波油缸、挖掘油缸、仿形油缸和转向油缸的运动换向。但是由于STM32 的模拟量输出和开关量输出的容量不足以驱动马达与油缸，所以在两者间加了模拟量输出驱动板与开关量输出驱动板，确保马达与油缸可以正常运转。CAN总线主要是用于STM32与人机界面和STM32与控制器之间的数据通讯。使用CAN总线的好处：一是对数据传输进行标准化，使得这些数据的读写具有高可靠性、可扩展性和灵活性;二是对参数进行分类，可以减少节点数和ID数，提高效率，便于测试与管理。 　　2.2 控制系统设计
　　控制系统是以STM32芯片作为控制核心，配合传感器所检测的数据与液压系统的被控特性来实现马铃薯联合收获机的动作控制。
　　此款马铃薯联合收获机采用“手动+自动”模式进行控制。手动模式主要包括挖掘部的升降、料斗升降、料斗门开闭、马达开关。这几部分的开关需要机手通过视觉、监控屏幕以及人机界面数据显示来做出动作判断;手动模式下，所有的液压系统动作均为单动，各个动作之间没有逻辑关系，控制器如图3所示。
　　自动模式主要包括入料斗传送带高度控制、车身水平控制两个主要方面。在机器作业时，这两部分会根据传感器的检测数据进行自行控制所关联液压系统的动作，实现自动控制部分的工作。以上动作基于用户按键输入以及传感器检测信号作为输入信号，通过运行STM32内存储的程序来控制液压系统的动作，液压系统通过控制挖掘部分，输送部分，除杂部分以及入料斗输送带等部件，实现马铃薯的挖掘、除杂、收获。同时，与STM32通过CAN总线通讯的人机界面与控制器实现人机交互功能。
　　2.3 模糊控制原理
　　对马铃薯联合收获机入料斗输送带高度进行实时控制，采用模糊控制原理，通过控制液压电磁阀继电器通电时间来控制入料斗输送带高度。
　　在对马铃薯联合收获机入料斗输送带（以下简称输送带）高度进行模糊控制时，利用传感器检测数据和当量高度构建模型;采用传感器检测到的输送带距离马铃薯堆实际高度数据，与控制系统设定的输送带目标高度进行比较，可以得到输送带高度的偏差以及偏差变化率;经过控制器的模糊推理、判断运算后控制输出环节;通过控制液压电磁阀阀体继电器通电时间对输送带高度进行实时控制[5，6]。工作原理如图4所示。
　　 图中e为输送带高度偏差数值;E、Ec分别为输送带高度偏差和偏差变化率;U为控制输出，具体到系统内就是电磁阀通电时间;y为控制系统的输出，经过换算后为实际输送带高度Q′。模糊控制将输送带高度控制在工作设定的输送带高度Q范围内。
　　3 特点分析
　　结合控制器面板按钮，对马铃薯联合收获机进行特点分析，主要针对以下几部分分析：挖掘机构、转向部分、车身调平、入料斗输送带高度以及马达速度等五方面。挖掘机构：挖掘铲可通过按键进行一键升起与一键下降操作，此操作可加快作业效率，减少机手手动调整过程，使得整个作业过程更加快速高效。转向部分：由于车体较长，在田间作业需要掉头或是道路行驶中需要转弯，为了减小转弯半径，机器后轮可以通过操控器上的搖杆进行左右调整，并且增加回正按钮，在调整完毕后，恢复至初始位置。车身调平：田间作业以及农村道路行驶中，由于道路条件差，经常会出现凹坑或凸起情况，亦或是土地整体呈现坡度，机器行驶在以上道路上，存在着侧翻的风险，为了降低风险发生的可能性，机器后桥部分可以绕支点做转动，时刻令车体部分与地平面保持水平关系。入料斗输送带高度可调：马铃薯收获块茎损伤是影响马铃薯品质的一个重要因素，在马铃薯收获过程中，机械碰撞、跌落、挤压是造成马铃薯块茎损伤的几个主要原因。针对跌落可能造成的马铃薯块茎损伤，令入料斗输送带高度可随料斗内马铃薯堆积高度保持适当的距离，以减少在入料过程中来自高度跌落造成的马铃薯块茎损伤。
　　4 系统调试与试验
　　系统调试在室内完成：通过模拟入料斗输送带高度传感器信号、车身调平倾角传感器信号、挖掘深度角度传感器信号以及各个开关量信号，监测人机界面显示内容是否正常;校对手动模式与自动模式下，各个执行机构响应速度与动作完成情况。待系统模拟调试完毕后，将此系统应用于4UML-180型牵引式马铃薯联合收获机，进行田间试验，对此款牵引式马铃薯联合收获机控制系统进行综合性能测试。
　　实验结果表明：本系统能很好地执行所述动作，完整地实现了马铃薯从挖掘、输送到除杂的整个过程。与传统的牵引式马铃薯联合收获机相比，操作更简便、效率更高，并且料斗内马铃薯可直接上车，减少了装车等待时间。同时，由于入料斗输送带高度全自动可调，减少了马铃薯入料斗过程中的机械损伤，大大提高了良薯率，提高了经济效益，并且车身水平系统可保证机器在遇到复杂路况时的安全性，减少翻车事故的发生，很好地守护了人民财产的安全。此控制系统的研发成功，为下一步更具智能化、高效化的马铃薯联合收获机的研制打下了坚实的基础。
　　5 结论
　　（1）为牵引式马铃薯联合收获机设计了一种控制系统，实现整个收获过程机械动作全部以“手动+自动”形式执行，简化操作，提高效率。
　　（2）基于“物理按键+触摸屏”人机界面的操作模式，显示更直观，传感器采集数据会经过转换显示在屏幕中。物理按键在机手操作过程中反馈更加直观，减少误操作风险，并在故障工况下进行报警显示。
　　（3）进行模拟实验与田间试验，验证本系统的可靠性与实用性。
　　参考文献：
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　　[2]青鑫月，蒋跃丰.基于STM32控制的玉米联合收获机自动剥皮装置的研究[J].数控技术，2015（12）.
　　[3]杨德秋.高度自控式马铃薯联合收获机升运装车装置[J].农机化研究，2011（9）.
　　[4]刘立强，项建廷.基于触摸屏的玉米联合收获机智能监测系统的研究[J].农业科技与装备，2016（10）.
　　[5]周冬冬，金城谦，倪有亮，等.联合收获机割台高度模糊控制系统的设计与试验[J].江苏农业科学，2019，47（13）：264-267.
　　[6]刘林.基于拖拉机三点悬挂耕作机具调平系统研究[D].长沙：湖南农业大学，2014（6）.
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