馬鈴薯聯合收獲機控制系統設計

王晉 王旭光 程建波

摘 要：馬鈴薯是世界上僅次于小麥、水稻和玉米之后的第四大糧食作物，世界種植面積約2200萬hm2[1]。我國現階段的馬鈴薯聯合收獲的機械化程度并不高，存在著操作復雜，電氣化程度低，人工投入大等問題，為此研制出適應我國北方規模化種植區的馬鈴薯聯合收獲機，操作簡便，機電液儀結合自動化程度高，減少雇工、降低勞動強度，改善我國馬鈴薯收獲的機械化狀況，提高農業機械化技術水平。以德沃集團設計的4UML-180牽引式馬鈴薯聯合收獲機為基礎，為其設計了一套收獲機控制系統，以解決上述問題。

關鍵詞：農業機械;馬鈴薯聯合收獲機;控制系統

中圖分類號：S225.71 ? ? ? ?文獻標識碼：A開放科學（資源服務）標識碼

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

馬鈴薯收獲是馬鈴薯產業全程機械化的關鍵環節之一，目前國內的聯合收獲機械化程度仍然較低，受其影響，在收獲環節中，作業成本高、機器投入量大、人工投入多。國內現有馬鈴薯聯合收獲機產品種類繁多，但多數是通過引進國外設備進行消化吸收，取得了一定進步[1]。但一味地模仿并不能適應我國國內現有的馬鈴薯種植模式以及收獲的農藝特點。以德沃集團自行研制的4UML-180牽引式馬鈴薯聯合收獲機為基礎，自主開發一套符合機器特點和農藝要求的收獲機控制系統。

鑒于系統實時信息處理的特殊要求以及現場應用性，選用應用廣泛的STM32處理器進行信息采集處理。同時，隨著嵌入式系統的發展與不斷完善，將嵌入式系統應用在農業機械中會是未來發展的道路。

STM32系列微處理器是由意法半導體（STMicroelectronics）集團推出的高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用設計的微處理器[2]。

1 馬鈴薯聯合收獲機工作原理

1.1 主要結構

4UML-180型牽引式馬鈴薯聯合收獲機結構如圖1所示，主要由挖掘機構、傳動系統、抖動機構、分秧機構、輸送機構、分揀平臺、提升機構、液壓缸和料斗箱等部分構成。采用正牽引形式與拖拉機掛接。拖拉機動力輸出軸將動力通過傳動軸帶動液壓泵工作，為整機的液壓馬達提供動力，其余運動機構由拖拉機的液壓輸出端提供動力。

1.2 工作原理

機器作業前，將挖掘部分通過液壓調節至適當高度。機器作業時，挖掘鏟入土200～250 mm將馬鈴薯鏟出連帶土壤和秧、雜草等送至一級傳動，隨后經過一級抖動與二級抖動，將大部分碎土去除;剩余的雜土、馬鈴薯、秧和雜草等進入一級分秧機構，通過對輥相向轉動分離部分馬鈴薯秧和雜草;再經過二級傳動后進入二級分秧機構，液壓馬達驅動二級分秧機構帶動帶有倒鉤狀的除雜帶向車尾旋轉，將上一級剩余的大部分秧和雜草拋至車尾外部，剩余的馬鈴薯、少量的雜土、土塊和少量的薯秧進入提升籠，由數個網兜組成提升籠可將一部分碎土篩掉。經過提升籠后，絕大部分雜質被篩掉，剩余馬鈴薯及少量土塊與秧稈被提升至一級輸送，其中一級輸送、二級輸送兩側設有分揀平臺，由分揀平臺兩側配置人工對馬鈴薯中摻雜的石塊、秧和雜草進行最后的分揀。最后，馬鈴薯通過三級輸送進入料斗箱。至此，完成一個工作循環。

2 系統設計

系統的硬件構成如圖2所示。設計的控制系統以STM32 ?F4芯片作為主控制芯片，以主芯片制作的控制主板安裝在收獲機上，駕駛室中放置人機界面與操控盒。駕駛室中人機界面以CAN總線通訊方式與主板通訊，操控盒以CAN總線通訊方式與主板通訊，其余各個傳感器以直連的方式與主板相連接。執行元件通過驅動板來驅動運轉[3，4]。

2.1 信號分類

馬鈴薯聯合收獲機信號種類可以分為五類：模擬量輸入、開關量輸入、模擬量輸出、開關量輸出和CAN總線。模擬量輸入信號參數主要是傾角傳感器、兩個角度傳感器和超聲波傳感器，用于收集車身水平狀態、挖掘深度、轉向角度與入料斗輸送帶高度;開關量輸入信號主要是布置在各個油缸的極限位置，作為限定運動行程用，用于超聲波油缸、挖掘油缸、仿形油缸和轉向油缸。傳感器采集到的信號經過調理電路，包括放大、隔離、濾波等處理，進入A/D轉換器中進行轉換，輸入到STM32芯片中進行數據的處理分析。模擬量輸出信號主要是用來控制提升馬達、輸送馬達、除雜馬達和料斗馬達的轉速，其中這四組馬達均為單向轉動;開關量輸出信號主要是用來控制超聲波油缸、挖掘油缸、仿形油缸和轉向油缸的運動換向。但是由于STM32 的模擬量輸出和開關量輸出的容量不足以驅動馬達與油缸，所以在兩者間加了模擬量輸出驅動板與開關量輸出驅動板，確保馬達與油缸可以正常運轉。CAN總線主要是用于STM32與人機界面和STM32與控制器之間的數據通訊。使用CAN總線的好處：一是對數據傳輸進行標準化，使得這些數據的讀寫具有高可靠性、可擴展性和靈活性;二是對參數進行分類，可以減少節點數和ID數，提高效率，便于測試與管理。

2.2 控制系統設計

控制系統是以STM32芯片作為控制核心，配合傳感器所檢測的數據與液壓系統的被控特性來實現馬鈴薯聯合收獲機的動作控制。

此款馬鈴薯聯合收獲機采用“手動+自動”模式進行控制。手動模式主要包括挖掘部的升降、料斗升降、料斗門開閉、馬達開關。這幾部分的開關需要機手通過視覺、監控屏幕以及人機界面數據顯示來做出動作判斷;手動模式下，所有的液壓系統動作均為單動，各個動作之間沒有邏輯關系，控制器如圖3所示。

自動模式主要包括入料斗傳送帶高度控制、車身水平控制兩個主要方面。在機器作業時，這兩部分會根據傳感器的檢測數據進行自行控制所關聯液壓系統的動作，實現自動控制部分的工作。以上動作基于用戶按鍵輸入以及傳感器檢測信號作為輸入信號，通過運行STM32內存儲的程序來控制液壓系統的動作，液壓系統通過控制挖掘部分，輸送部分，除雜部分以及入料斗輸送帶等部件，實現馬鈴薯的挖掘、除雜、收獲。同時，與STM32通過CAN總線通訊的人機界面與控制器實現人機交互功能。

2.3 模糊控制原理

對馬鈴薯聯合收獲機入料斗輸送帶高度進行實時控制，采用模糊控制原理，通過控制液壓電磁閥繼電器通電時間來控制入料斗輸送帶高度。

在對馬鈴薯聯合收獲機入料斗輸送帶（以下簡稱輸送帶）高度進行模糊控制時，利用傳感器檢測數據和當量高度構建模型;采用傳感器檢測到的輸送帶距離馬鈴薯堆實際高度數據，與控制系統設定的輸送帶目標高度進行比較，可以得到輸送帶高度的偏差以及偏差變化率;經過控制器的模糊推理、判斷運算后控制輸出環節;通過控制液壓電磁閥閥體繼電器通電時間對輸送帶高度進行實時控制[5，6]。工作原理如圖4所示。

圖中e為輸送帶高度偏差數值;E、Ec分別為輸送帶高度偏差和偏差變化率;U為控制輸出，具體到系統內就是電磁閥通電時間;y為控制系統的輸出，經過換算后為實際輸送帶高度Q′。模糊控制將輸送帶高度控制在工作設定的輸送帶高度Q范圍內。

3 特點分析

結合控制器面板按鈕，對馬鈴薯聯合收獲機進行特點分析，主要針對以下幾部分分析：挖掘機構、轉向部分、車身調平、入料斗輸送帶高度以及馬達速度等五方面。挖掘機構：挖掘鏟可通過按鍵進行一鍵升起與一鍵下降操作，此操作可加快作業效率，減少機手手動調整過程，使得整個作業過程更加快速高效。轉向部分：由于車體較長，在田間作業需要掉頭或是道路行駛中需要轉彎，為了減小轉彎半徑，機器后輪可以通過操控器上的搖桿進行左右調整，并且增加回正按鈕，在調整完畢后，恢復至初始位置。車身調平：田間作業以及農村道路行駛中，由于道路條件差，經常會出現凹坑或凸起情況，亦或是土地整體呈現坡度，機器行駛在以上道路上，存在著側翻的風險，為了降低風險發生的可能性，機器后橋部分可以繞支點做轉動，時刻令車體部分與地平面保持水平關系。入料斗輸送帶高度可調：馬鈴薯收獲塊莖損傷是影響馬鈴薯品質的一個重要因素，在馬鈴薯收獲過程中，機械碰撞、跌落、擠壓是造成馬鈴薯塊莖損傷的幾個主要原因。針對跌落可能造成的馬鈴薯塊莖損傷，令入料斗輸送帶高度可隨料斗內馬鈴薯堆積高度保持適當的距離，以減少在入料過程中來自高度跌落造成的馬鈴薯塊莖損傷。

4 系統調試與試驗

系統調試在室內完成：通過模擬入料斗輸送帶高度傳感器信號、車身調平傾角傳感器信號、挖掘深度角度傳感器信號以及各個開關量信號，監測人機界面顯示內容是否正常;校對手動模式與自動模式下，各個執行機構響應速度與動作完成情況。待系統模擬調試完畢后，將此系統應用于4UML-180型牽引式馬鈴薯聯合收獲機，進行田間試驗，對此款牽引式馬鈴薯聯合收獲機控制系統進行綜合性能測試。

實驗結果表明：本系統能很好地執行所述動作，完整地實現了馬鈴薯從挖掘、輸送到除雜的整個過程。與傳統的牽引式馬鈴薯聯合收獲機相比，操作更簡便、效率更高，并且料斗內馬鈴薯可直接上車，減少了裝車等待時間。同時，由于入料斗輸送帶高度全自動可調，減少了馬鈴薯入料斗過程中的機械損傷，大大提高了良薯率，提高了經濟效益，并且車身水平系統可保證機器在遇到復雜路況時的安全性，減少翻車事故的發生，很好地守護了人民財產的安全。此控制系統的研發成功，為下一步更具智能化、高效化的馬鈴薯聯合收獲機的研制打下了堅實的基礎。

5 結論

（1）為牽引式馬鈴薯聯合收獲機設計了一種控制系統，實現整個收獲過程機械動作全部以“手動+自動”形式執行，簡化操作，提高效率。

（2）基于“物理按鍵+觸摸屏”人機界面的操作模式，顯示更直觀，傳感器采集數據會經過轉換顯示在屏幕中。物理按鍵在機手操作過程中反饋更加直觀，減少誤操作風險，并在故障工況下進行報警顯示。

（3）進行模擬實驗與田間試驗，驗證本系統的可靠性與實用性。

參考文獻：

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[2]青鑫月，蔣躍豐.基于STM32控制的玉米聯合收獲機自動剝皮裝置的研究[J].數控技術，2015（12）.

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[4]劉立強，項建廷.基于觸摸屏的玉米聯合收獲機智能監測系統的研究[J].農業科技與裝備，2016（10）.

[5]周冬冬，金城謙，倪有亮，等.聯合收獲機割臺高度模糊控制系統的設計與試驗[J].江蘇農業科學，2019，47（13）：264-267.

[6]劉林.基于拖拉機三點懸掛耕作機具調平系統研究[D].長沙：湖南農業大學，2014（6）.