基于移動4G的株距自適應(yīng)玉米收割機優(yōu)化設(shè)計

寇雪梅，楊靜宜，崔建弘，汪小志

(1.河北工程技術(shù)學(xué)院，石家莊　050091;2.南昌工學(xué)院，南昌　330108；3.武漢理工大學(xué)，武漢　430070)

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基于移動4G的株距自適應(yīng)玉米收割機優(yōu)化設(shè)計

寇雪梅1，楊靜宜1，崔建弘1，汪小志2，3

(1.河北工程技術(shù)學(xué)院，石家莊050091;2.南昌工學(xué)院，南昌330108；3.武漢理工大學(xué)，武漢430070)

摘要：為了提高玉米收割機的株距的自適應(yīng)能力、降低漏采率、提升工作效率，設(shè)計了一種新的株距自適應(yīng)玉米收割機，大大提高了玉米收割機的作業(yè)精度和效率。依據(jù)移動4G信號的傳播特性，設(shè)計了玉米株距實時測量系統(tǒng)，針對中國4G現(xiàn)場測試環(huán)境，研究提出了一種電波傳播特性測量與建模方法，結(jié)合高性能測試儀器和虛擬儀器技術(shù)設(shè)計構(gòu)建了3.5GHz測量系統(tǒng)。測量得到的株距量由A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再由單片機進行處理，對執(zhí)行末端發(fā)出指令，調(diào)整玉米收割機割臺分禾器的間距，從而可以對不同株距的玉米進行收割作業(yè)。對設(shè)計的玉米收割機進行測試發(fā)現(xiàn)：其株距自適應(yīng)能力較好，可以隨株距的變化自動調(diào)整分禾器間距，玉米穗的漏采率和破碎率較低，符合高精度作業(yè)玉米收割機的設(shè)計要求，為玉米自動化收割機械裝置的研究提供了較有價值的參考。

關(guān)鍵詞：玉米收割機；移動4G；株距測量；單片機；分禾器；自適應(yīng)

0引言

我國玉米種植歷史悠久、種植面積廣泛，且是我國三大主要糧食作物之一，主要產(chǎn)區(qū)分布在東北、華北和西北等地區(qū)，在我國糧食生產(chǎn)和經(jīng)濟發(fā)展過程中起到非常重要的作用。但是，隨著種植面積的增加，加上玉米收割難度大，玉米的種、管和收等都面臨很多問題。近年來，在國家實施強農(nóng)惠農(nóng)政策支持及聯(lián)合收割機購置補貼的拉動下，聯(lián)合收獲機的研究日益成為人們關(guān)注的問題。在玉米收割過程中，由于株距的不同，玉米秸稈的收割位置有所不同，如果不調(diào)整分禾裝置的位置，很容易造成玉米的漏采或者割臺的阻塞。為此，利用4G間距測量系統(tǒng)，設(shè)計了株距自適應(yīng)的調(diào)節(jié)的分禾系統(tǒng)，提高了玉米收割機的作業(yè)精度和生產(chǎn)效率，對于收割機的優(yōu)化設(shè)計具有重要意義。

1株距自適應(yīng)玉米收割機總體優(yōu)化設(shè)計

由于玉米播種的機械化程度低，人工點播行距不均，寬行達(dá)到800mm，窄行一般為400mm，這就要求收獲機對行距的適應(yīng)性要好。

1.1株距自適應(yīng)總體設(shè)計

在配置兩對摘輥中心距時，考慮中間情況定位800mm，然后在分禾器、摘輥前端的秸稈引導(dǎo)裝置上采取一定的措施，提高機組的行距適應(yīng)能力，其總體設(shè)計如圖1所示。

圖1　玉米收割機株距自適應(yīng)調(diào)節(jié)過程

圖1中，株距的測量使用4G測量系統(tǒng)，并利用PC單片機實現(xiàn)A/D和D/A轉(zhuǎn)換功能，最后將間距調(diào)整信號發(fā)送給液壓傳感器，實現(xiàn)分禾器間距的自適應(yīng)調(diào)節(jié)。

1.2機組生產(chǎn)率

玉米收割機的機組生成效率可表示為

Q=2×5.4ηBV

(1)

其中，η表示機組工作時間利用系數(shù)，一般為0.7～0.9；B表示行距；V表示機組作業(yè)速度。

表1　收割機各擋速度

表1表示收割機各個擋的速度。根據(jù)各個擋位的速度，可以在不同地塊選擇不同的擋位，從而調(diào)節(jié)收割的速度，來實現(xiàn)收割機的優(yōu)化設(shè)計，提高作業(yè)效率。

1.3留茬高度

留茬高度是指秸稈粉碎還田機構(gòu)粉碎秸稈時所留根茬高度。秸稈粉碎還田機構(gòu)工作時，因為粉碎機的轉(zhuǎn)速比較高，刀片不能進入土中作業(yè)，因此需要利用支撐輪的高度來限制留茬高度。為了使收割機適應(yīng)不同地塊的收割效果，在設(shè)計時保持支撐輪的位置可調(diào)整，實現(xiàn)留茬高度0～100mm內(nèi)可調(diào)。

1.4割臺總體設(shè)計

玉米收割機的優(yōu)化設(shè)計主要是割臺的優(yōu)化設(shè)計，通過優(yōu)化達(dá)到不同株距玉米收割的自適應(yīng)調(diào)節(jié)功能。割臺的總體設(shè)計如圖2所示。

1.分禾器　2.喂入裝置　3.摘穗錕　4.第一升運器　5.排莖錕

圖2中，主要部分為分禾器和摘穗錕。為了適應(yīng)不同株距玉米收割的需要，需要對分禾器進行改進，利用4G移動信號進行株距測量，使用液壓控制系統(tǒng)和單片機完成分禾器間距的自動調(diào)節(jié)。

2株距自適應(yīng)玉米收割機結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)

為了實現(xiàn)對不同株距的玉米進行收割，需要對分禾器的結(jié)構(gòu)進行改進。在此利用4G測距裝置、PC單片機和液壓控制系統(tǒng)對分禾器的間距進行調(diào)節(jié)，系統(tǒng)分布在割臺的分禾部分，其收割臺的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　割臺單行布局圖

圖3中，主要分為分禾部分和摘穗部分，株距自適應(yīng)收割系統(tǒng)安裝在分禾部分；而分禾的機械結(jié)構(gòu)主要利用張緊輪進行控制，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

圖4　割臺分禾器張緊鏈輪部分

工作時，利用PC單片機的D/A轉(zhuǎn)換功能，將不同的株距控制轉(zhuǎn)換為模擬信號對張緊部件進行控制，從而實現(xiàn)分禾器的不同間距調(diào)整。

表2表示玉米收割機設(shè)計植株參考數(shù)據(jù)。其中，包括玉米植株高度、玉米莖粗、結(jié)穗高度、玉米穗直徑和玉米行距。其中，分禾器自適應(yīng)調(diào)整系統(tǒng)的設(shè)計主要參考玉米行距，通過設(shè)計滿足不同行距收割的需要。

表2　植株參考數(shù)據(jù)

測量系統(tǒng)包據(jù)發(fā)射端和接受端，如圖5所示。發(fā)射端由信號發(fā)生器、功率放大器和發(fā)射天線組成；接收端由頻譜分析儀、控制計算機和GPS接收機系統(tǒng)組成。依據(jù)發(fā)射端和接收端的GPS地理坐標(biāo)信息測試結(jié)果，接收采樣點與基站之間的距離d可以表示為

(2)

其中，接收采樣點的坐標(biāo)為(Xr,Yr)，基站坐標(biāo)為 (Xt,Yt)。在測量過程中，使用虛擬儀器實現(xiàn)自動化采集、采樣和存儲數(shù)據(jù)，一般來說路徑損耗理論模型可以表示為

PL(d)=A+10nlg(d/d0)+χ

(3)

其中，d0表示參考距離；d表示測量點和基站之間的距離；n表示路徑損耗指數(shù)；χ表示陰影衰落，符合正態(tài)分布；A為自由空間損耗。其表達(dá)式為

(4)

其中，λ表示發(fā)射信號波長。將式(2)等效為d的一元函數(shù)形式，其表達(dá)式為

PL(d)=B+10nlgd+χ

(5)

B的表達(dá)式為

B=A-10nlgd0

(6)

傳播測試模型采用最小二乘法擬合預(yù)處理后的測試數(shù)據(jù)PL(d)和d，對于不同的玉米植株可以分別進行測距，對兩次測距結(jié)果進行對比可以得到株距的實際值。利用測距系統(tǒng)對分禾器間距進行控制原理如圖6所示。

圖5　4G測距系統(tǒng)框圖

圖6　分禾器間距控制原理圖

玉米收割機利用3.5GHz測量系統(tǒng)可以實時地測量玉米的株距，利用A/D轉(zhuǎn)換器對模擬進行轉(zhuǎn)換，然后利用PC單片機對數(shù)字信號進行處理，再將數(shù)字信號利用D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為控制量進行輸出；利用變頻器對液壓控制系統(tǒng)發(fā)出信號，控制分禾器不同間距的調(diào)節(jié)，從而提高收割機不同株距收割的適應(yīng)能力。

3株距自適應(yīng)玉米收割機性能測試

為了測試設(shè)計的玉米收割機自適應(yīng)株距的收割效果，在玉米收獲機上安裝分禾器自適應(yīng)調(diào)整裝置后，對玉米聯(lián)合收割機進行了性能測試。測試項目主要包括分禾器間距調(diào)整的響應(yīng)性能、收割間距隨時間變化及漏采率和破碎率等收割性能。測試場景如圖7所示。

圖7　株距自適應(yīng)玉米收割機性能測試圖

圖7中，可收割行數(shù)為6行。為了適應(yīng)不同株距玉米的收割，采用自適應(yīng)調(diào)節(jié)式的分禾器，通過測試，得到了如圖8所示的分禾器間距響應(yīng)曲線。

由圖8可以看出：利用自適應(yīng)調(diào)整系統(tǒng)后，分和器響應(yīng)時間短，響應(yīng)速度快，超調(diào)量低，可以滿足分禾器間距調(diào)整的自適應(yīng)設(shè)計需要。

圖8　分禾器間距調(diào)整系統(tǒng)響應(yīng)曲線

圖9表示分禾器間距調(diào)整數(shù)據(jù)隨時間變化曲線。由圖9可以看出：在4G測距的作用下，收割機的分禾器可以實現(xiàn)非線性調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)精度高，可以滿足高精度玉米收割作業(yè)的需求。

圖9　分和器間距調(diào)整隨時間變化曲線

表3表示株距自適應(yīng)調(diào)節(jié)玉米收割機的性能測試結(jié)果。由測試結(jié)果可以看出：株距自適應(yīng)玉米收割機除可以自動調(diào)整收割株距外，其果穗的漏采率和籽粒破碎都比較低，可以滿足高精度采摘作業(yè)需求。

表3　株距自適應(yīng)玉米收割機性能測試表

4結(jié)論

針對玉米種植株距不均勻、收割難度大等問題，設(shè)計了一種新的可自適應(yīng)調(diào)整株距的玉米收割機。在收割機上安裝了4G株距測量系統(tǒng)，可以實時地測量玉米的株距，并根據(jù)株距來調(diào)整分禾器的間距，實現(xiàn)不同株距玉米的收割，大大提高了收割效率，降低了漏采率等。對收割機的整體性能進行測試發(fā)現(xiàn)：收割機的漏采率低，總體果穗的損失率和破碎率較低，收割性能較好，為玉米聯(lián)合收割機的研發(fā)提供了較有價值的參考。

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Optimization Design for Corn Harvester of Adaptive Spacing Based on Mobile 4G

Kou Xuemei1,Yang Jingyi1,Cui Jianhong1,Wang Xiaozhi2,3

(1.Hebei Polytechnic Institute, Shijiazhuang 050091, China; 2.Nanchang Institute of Science & Technology, Nanchang 330108,China;3.Wuhan University of Technology,Wuhan 430070,China)

Abstract：In order to improve the adaptive ability of row spacing in corn harvester, reduce the loss rate, improve work efficiency,it designs a new adaptive spacing in the rows of corn harvester, and it greatly improves the working precision and production efficiency of corn harvester. According to the propagation characteristics of 4G mobile signal,it designs the spacing corn real-time measurement system, for Chinese 4G field test environment.Combined with the high performance testing instrument and virtual instrument technology,the study proposes a method of measurement and modeling of radio propagation characteristics, and it constructs the 3.5GHz measurement system. Amount of spacing measurements it obtains by the A/D converter conversion to digital signals, and then processes by the microcontroller, spacing on end effector issued a directive, the adjustment of corn harvester header divider, which can different spacing in the rows of corn harvesting operations.On the design of the corn harvester was measured, the spacing of adaptive ability is good, which can be change with spacing automatically adjust the divider between.And the corn leakage recovery rate and the broken rate is low, in line with the design requirements of high precision operation,the research offers a more valuable reference for the study of corn automation mechanical harvesting device.

Key words：corn harvester; mobile 4G; distance measurement; MCU; divider; adaptive

文章編號：1003-188X(2016)07-0070-05

中圖分類號：S225.5+1

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

作者簡介：寇雪梅(1980-)，女(滿族)，河北承德人，副教授。通訊作者：汪小志(1981-)，女，武漢人，副教授，博士研究生，(E-mail) wangxiaozhi@ncu.edu.cn。

基金項目：湖北省自然科學(xué)基金項目(2014CFB322)

收稿日期：2015-07-06