基于VR技術的旋耕埋草機功率檢測研究

梁俊娟，李巧君

(河南工業職業技術學院，河南 南陽 473000)

0 引言

為了對農業生產過程中產生的秸稈進行處理、改善土壤結構及提升農作物的作業質量，旋耕埋草機械被廣泛地應用在農作物的耕種作業過程中。旋耕埋草機在作業過程中功率消耗較大，在其結構優化設計過程中首先應該考慮功率問題。旋耕埋草機的功率采集較為麻煩，如果采用一種虛擬儀器可以集數據采集與仿真模擬為一體，可以大大提高旋耕埋草機的設計效率。虛擬儀器技術是在PC技術的基礎上發展起來的，完全“繼承”了以現成即用的PC技術為主導的最新商業技術的優點，包括功能超卓的處理器和文件I/O。其在采集數據后可以同時進行復雜的分析，且隨著互聯網技術的發展，虛擬儀器可以和外網鏈接，實現遠程控制。本研究將虛擬仿真儀器使用在旋耕埋草機的功率虛擬檢測過程中，從而實現功率數據的采集和處理及仿真模擬，有效地提高了功率的檢測效率。

1 旋耕埋草機及其功率虛擬檢測技術

旋耕機械從出現到現在已經有100多年的時間，最初是在美國和英國出現的，主要用于庭園的耕作。在L型旋耕刀出現后，旋耕機械被應用到了大田作業。日本從歐洲引入該型機械后，通過改造研制出了彎型旋耕刀具，從而有效地避免了旋耕刀和草的纏繞問題，使旋耕機得到了迅速得到發展。在我國，驅動型的耕作機械主要是旋耕機，自20世紀90年代以來，我國又研制了一些新的復式旋耕作業產品，并投放到市場，在水稻生產、蔬菜種植和旱地滅茬方面都得到了廣泛的應用。

虛擬儀器是由美國的NI公司提出來的，利用計算機的軟件和硬件設備可以創建很多現實中的儀器，使用者在操作計算機上的儀器時可以像操作現實的電子儀器一樣。虛擬儀器是測控技術和計算機技術相集合的產物，其軟件設計部分是關鍵，功能可以根據用戶的需求來定。本研究主要是利用虛擬儀器的功率檢測功能對旋耕埋草機進行優化設計。虛擬儀器除了進行虛擬仿真外，還可以與網絡進行連接，也可以采集現實設備的信息。系統框架如圖1所示。

圖1 虛擬儀器系統總體框架Fig.1 The general framework of virtual instrument system

虛擬儀器在被NI公司提出時，還同時提出了虛擬儀器的開發平臺，即LabVIEW。該平臺對硬件有非常強大的訪問能力，可以利用簡單的編程界面集成開發各種虛擬儀器功能。同C語言等編程軟件一樣，LabVIEW也是一個程序開發平臺，但該平臺采用了基于圖形的程序設計語言，帶有自己的函數庫和過程庫。因此，除了可以進行一般的程序設計之外，還具有較強的數據獲取能力，尤其是在GPIB和串行儀器控制上。因此，本次設計的旋耕埋草機的虛擬儀器部分主要采用LabVIEW軟件來完成。

2 基于VR虛擬現實的旋耕埋草機功率測試儀器設計

在旋耕埋草機作業過程中，可以將采集到的電流和電壓值輸入到虛擬儀器中，在線實時顯示埋草機的功率。信號的獲取有兩種方式：一種是直接采集旋耕埋草機的，一種是利用信號發生器產生。在實驗時，可以采用第1種方式；在功率優化過程中，可以采取第2種方式。功率虛擬測試儀器由3個部分組成，包括相位分析部分、功率分析部分和選擇部分。總體框架如圖2所示。

圖2 功率虛擬測試儀器總體設計框架Fig.2 The overall design framework for power virtual testing instruments

將采集得到的旋耕埋草機的電壓和電流信號虛擬儀器的計算處理部分，然后通過計算視在功率和有效值等得到有功功功率。在總體設計框架中，選擇部分包括信號發生器和數據采集部分。設計流程如圖3所示。

采用LabVIEW設計的虛擬儀器，不僅可以完成電流和電壓等數據的采集，還可以對數據進行即時的處理，從而在線現實功率數據測試。除了完成功率分析，還可以采用信號發生器對功率進行仿真模擬，采用LabVIEW軟件設計的旋耕埋草機虛擬功率分析儀界面如圖4所示。

虛擬功率分析儀器一個重要的功能就是輸入采樣電流，利用LabVIEW的可視化顯示功能，可以顯示采樣電流，如圖5所示。

圖3 旋耕埋草機功率虛擬測試儀器設計流程Fig.3 The design flow of power virtual test instrument for rotary tillage grasses

圖4 旋耕埋草機虛擬功率分析儀器設計界面Fig.4 The design interface of power virtual test instrument for rotary tillage grasses

圖5 采樣電流顯示Fig.5 Sampling current display

通過采樣電流的顯示可以檢查采樣是否準確，將輸入的采樣電流傳輸到計算部分，便可以進行功率的核算。在進行功率優化時，為了提高設計效率，可采用信號發生器直接生成電流和電壓信號，如圖6所示。

圖6 信號發生器Fig.6 Signal generator

采用信號發生器可以直接產生電流信號，同理電壓信號也可以采用這種方式生成。電流的有效值和有功功率都可以采用公式計算的方法進行核算，然后將其以編程的方式嵌入到界面中。其中，電壓和電流有效值的計算公式為

(1)

這里可以采用采集電壓和電流信號周期波形的均方根來表示電流電壓有效值，進而求出視在功率，然后根據功率因數乘以視在功率求得總功率。采用LabVIEW設計的功率計算界面如圖7所示。

圖7 旋耕埋草機功率核算分析界面Fig.7 The power calculation and analysis interface of rotary tillage grasses

在進行功率計算時，除了自動計算得到功率外，還可以采用手動輸入的方式，將功率因數根據電流電壓幅值與初始相位運行程序后得出，將其手動輸入到界面中便可以進行有功功率的核算。

3 基于VR虛擬儀器的旋耕埋草機功率測試

為了研究旋耕埋草機的功率問題，優化其作業時的性能，采用實驗和虛擬儀器相結合的方法對機器的性能和功率問題進行了測試。旋耕埋草機是農業耕種作業最常用的機械之一，結構如圖8所示。

圖8 旋耕埋草機結構示意圖Fig.8 The structure schematic diagram of rotary tillage grasses

為了驗證方案的可行性，以最簡單的旋耕埋草機為例，對旋耕埋草機的功率進行檢測。首先確定試驗條件，試驗場地選擇在較為開闊的耕種作業農田里。試驗田主要參數如表1所示。

表1 試驗田參數Table 1 The experimental field parameters

在試驗過程中，主要考慮了待埋草高度、待埋草密度、泥腳深度、土壤平均堅實度和水層深度等，首先對旋耕埋草機的作業性能進行了測試，以保證其能正常作業。

旋耕埋草機作業性能測試如表2所示。為了保證旋耕埋草機能夠正常作業，對埋草覆蓋率、耕深和耕寬穩定系數和行駛速度等項目進行了測算。結果表明：各項指標均滿足設計要求，可以進行合理的功率測量。

表2 旋耕埋草機作業性能測試Table 2 The performance test of rotary tillage grasses

續表2

試驗功率測試和虛擬儀器功率測試如表3所示。將旋耕埋草機的作業參數轉換為虛擬儀器的一些關鍵系數，采用虛擬儀器對功率進行了測算，并將其和實際功率儀器上的采集功率進行了對比。結果表明：采用虛擬儀器得到的功率和實際功率相吻合，從而驗證了方案的可行性。

表3 試驗功率測試和虛擬儀器功率測試Table 3 The experimental power test and the power test of virtual instrument kW

4 結論

為了實現旋耕埋草機功率的準確和快速測量，將VR虛擬現實技術引入到了功率測量系統的設計過程中，并結合LabVIEW軟件設計了虛擬儀器測量平臺，通過測量旋耕埋草機的有效電流和電壓等參數，實現了有功功率的測量。對功率虛擬測量平臺的可行性進行了測試，結果表明：采用虛擬儀器對旋耕埋草機檢測得到的功率和功率采集儀采集的數據差距不大。由此驗證了該方案的可行性，對農機智能測量儀器研究具有重要的現實意義。