甘蔗收獲機切割器入土切割深度監控系統設計與試驗

何馮光　陳自宏　鄧干然　李騰輝　周思理　李國杰　崔振德　鄭爽　李玲　覃雙眉　王翔　楊少應　周德強

摘要：入土切割是降低甘蔗收獲機破頭率的重要方法。為了實現甘蔗收獲機切割器隨地面起伏自動調控入土深度，保持切割器入土深度的一致性，基于4GQ-1型甘蔗收獲機，設計一種甘蔗收獲機切割器入土切割深度監測與自動控制系統，實現切割器入土深度自動調控及其參數可視化，并通過室內試驗和田間試驗檢驗系統的監控性能。室內試驗結果表明，監控系統的入土深度監測精度平均值為98.90%，自動控制精度平均值為97.7%，監測精度和自動控制精度達到95.0%以上。田間試驗結果表明，在20、30和50 mm入土深度的條件下，監控系統的自動控制精度的平均值分別是85.3%、90.6%、94.1%，自動控制精度達到85.0%以上，監控系統總體設計合理，性能良好。研究結果可為甘蔗收獲機切割器入土切割深度控制系統研究提供理論參考，對甘蔗收獲機優化升級具有重要的參考意義。

關鍵詞：甘蔗收獲機；切割器；監測；控制；入土深度

doi：10.13304/j.nykjdb.2023.0110

中圖分類號：S225.8 文獻標志碼：A 文章編號：10080864（2024）05010109

甘蔗是我國主要糖料作物，常年種植約135萬hm2，占我國糖料作物種植面積85%以上，其產量占糖料總產量90%以上[1]。隨著農村動力短缺、勞動力老齡化問題日益嚴重，生產成本不斷上漲，甘蔗機械化生產技術與裝備的需求愈發強烈。目前，我國甘蔗生產機耕、機種、機管、機收的全程機械化取得突破，全國甘蔗生產綜合機械化率達到50%，但機收率僅為2%左右[1]，因此，機械化收獲已經成為我國甘蔗生產全程機械化發展的瓶頸問題。由于甘蔗是多年生植物，機械化收獲的破頭率大小直接影響甘蔗宿根的發芽率，當前在用甘蔗收獲機的宿根破頭率20%以上[2]，嚴重影響蔗農的經濟效益和甘蔗收割機的可靠性，是制約甘蔗機械化收獲發展的重要因素[3-6]。

切割器是甘蔗收獲機直接對甘蔗產生作用的部件，其切割質量直接決定甘蔗宿根破頭率。切割器的切割方式、結構參數、工作參數等方面進行了大量研究研究[7-12]，有效降低了甘蔗宿根破頭率。研究發現，切割器入土切割能有效降低破頭率，提高甘蔗切割質量60%，保證甘蔗宿根發芽率[13-18]。由于我國甘蔗多種植在丘陵地帶，地勢崎嶇變化大，甘蔗收獲機無法依據地勢實時有效地控制切割器入土切割深度，存在過切或者切深不足現象，導致甘蔗收獲機收割損失和破頭率高。目前，我國的甘蔗收獲機切割器自動控制系統研究處于起步階段，張亮[19]研制了一種甘蔗收割機刀盤仿形隨動控制系統，經過驗證該系統可滿足作業要求；徐莉萍等[20]通過虛擬樣機技術進行了刀盤仿形系統的研究和仿真，得出系統響應速度和穩定性基本能滿足設計要求的結果；宮元娟等[21]設計了甘蔗收獲機割臺隨動控制系統，實現割臺高度隨地形起伏變化自動控制，使甘蔗收獲機平均破頭率降低18.5%。

以上切割器仿形自動控制系統研究較好地保證了甘蔗留茬高度的一致性，為甘蔗收獲機的性能優化升級提供重要的技術支撐和理論依據。但由于甘蔗收獲機切割器留茬作業與入土切割作業的條件與要求不一樣，亟需借助現有技術、方法和理論基礎，深入探索研究甘蔗收獲機切割器入土切割深度自動控制系統。同時，入土切割深度實時在線監測及其數值可視化可使駕駛員直接獲取作業參數，操控調整入土審讀，提高甘蔗收獲機作業質量。因此，本研究基于4GQ-1型甘蔗收獲機，設計一種切割器入土切割深度監測與控制系統，實現切割器作業參數實時監測和入土切割深度自動控制，為駕駛員調整作業參數提供參考，旨在提高甘蔗收獲機切割質量，降低甘蔗宿根破頭率。

1 材料與方法

1.1 4GQ-1 型甘蔗收獲機總體結構與主要參數

4GQ-1型甘蔗收獲機由雷州雷寶機械有限公司研發生產，主要由切梢器、扶倒器、切割器、輸送裝置、切段裝置、風機部件、集蔗裝置等部件組成，結構如圖1所示。工作時，先將切割器部分抬起一定的高度，然后調整連接切割器的液壓馬達，使其達到額定的轉速，根據甘蔗的高度和蔗地的地形，調節切割器到合適高度，實現入土切割的功能。扶倒器將倒伏或交錯的甘蔗分開并扶起，壓蔗輥將甘蔗壓倒并送至切割器切割，輸送裝置將切段的甘蔗輸送拋出，并由風機將蔗葉、雜草等雜物分離，甘蔗段落入集蔗裝置內。4GQ-1型甘蔗收獲機主要參數如表1所示。

1.2 監控系統的結構組成和工作原理

甘蔗收獲機切割器入土切割深度監控系統主要由硬件系統和軟件系統組成，硬件系統包括主控制模塊、數據采集模塊、入土深度控制模塊、上位機顯示模塊等；軟件系統包括下位機控制軟件和上位機顯示軟件等。根據監測系統功能要求，實現作業前進速度、切割器入土深度、切割器轉速的實時監測，數據采集模塊通過傳感器獲取作業前進速度、切割器入土深度、切割器轉速的參數，并傳輸至主控制模塊，經過主控制模塊對數據進行解算，利用無線傳輸模塊將解算后的數據傳輸至上位機顯示模塊。通過下位機控制軟件設計和電路設計，實現數據采集模塊數據實時采集和傳輸，上位機顯示軟件實現參數的可視化顯示、記錄保存以及動態曲線顯示等功能。

1.3 主控制模塊設計

主控制模塊選用STM32系列單片機控制器作為主控制器，單片機芯片選用STM32F103ZET6，該芯片配置傳感器接口、繼電器接口、程序下載接口、串口等接口。利用SPI1_SCK作為時鐘信號，SPI1_MISO作為SPI的主器設備數據輸入，從器件數據輸出接口SPI1_MOSI作為SPI的主器設備數據輸出，從器件數據輸出接口，使用PA4接口作為傳感器的使能信號接口，讀取傳感器ID。PD2接口作為傳感器中斷接口。PC6和PC7分別作為繼電器的輸入控制信號接口；PA9和PA10作為串口接口，經SP3232 芯片轉換連接工控觸摸屏的RS232串口，該串口也可同時用于初始程序下載。為確保監測系統正常穩定運行，需利用電源電路提供有效穩定電壓。電源模塊選用TLE4296芯片將12 V電源轉換成5和3.3 V電源，TLE4296芯片輸入電壓和輸出電壓范圍分別為5～12 V和3.26～3.33 V。輸出電壓中，5 V電壓可滿足傳感器及無線傳輸模塊的電源需求，3.3 V電壓可滿足單片機的電源需求。電源模塊電路如圖2所示。

1.4 數據采集模塊設計

數據采集模塊采集切割器的入土深度和轉速、甘蔗收獲機作業前進速度。

1.4.1 切割器入土深度檢測

距離測算方式主要分為間接測量和直接測算，由于直接測算易受到外界客觀因素影響，抗干擾能力差，因此，切割器入土深度采用間接測算方式。利用檢測機構采集切割器的角度變化信息，通過角度與高度的數學運算方式，獲得切割器入土深度，通過SPI通訊，現檢測機構與單片機數據傳輸。檢測機構由支撐連桿、仿形輪、減震墊片、MLX90363姿態傳感器等組成，采用鉸接方式與前機架連接，如圖3 所示。在MLX90363姿態傳感器采集到支撐連桿變化角度后，利用MLX90363內部自帶DMP將采集到的角度數據進行姿態解算，通過姿態解算以及角度與高度的數學轉換公式獲得切割器入土深度。

由于蔗地地面凹凸不平，在工作過程中，支撐連桿與仿形輪會隨著地面高度變化而發生上下運動，運動變化如圖4所示，高度變化由公式（1）計算可得。

h = L [sin（ β + θ0 ） - sin（θ0 - α） ] （1）

式中，h 為仿形輪高度變化量，mm；L 為支撐連桿長度，mm；α 為支撐連桿上升變化角度，（°）；β 為支撐連桿下降變化角度，（°）；θ0為初始工作角度，（°）。

由式（1）可知，高度變化主要受支撐連桿長度、初始工作角度影響，支撐連桿長度越大，初始工作角度越小，檢測機構作業也越穩定，但支撐連桿長度過長，會對切割器產生干擾，因此，根據蔗地地面高度最大變化量、支撐連桿長度最大上升變化角度和最大下降變化角度，參考仿形檢測機構[2223]設計支撐連桿長度。設計最大上升變化角度為35°，最大下降變化角度為52°，初始工作角度為10°，高度最大變化量為300 mm，因此，計算可得支撐連桿長度為420.79 mm，取支撐連桿設計長度為420 mm。

在檢測機構作業前，需支撐連桿初始工作角度進行標定，明確支撐連桿初始工作狀態。在作業過程中，支撐連桿工作角度隨著地面的起伏變化發生改變。通過姿態傳感器檢測支撐連桿工作角度的變化，利用公式（2）轉換獲得切割器入土切割深度。

H0 = H - Lsin（θ - θ0 ） - R （2）

式中，H0為切割器入土深度，mm；R 為仿形輪半徑，mm；H 為切割器初始工作高度，mm；L 為仿形桿長度，mm；θ 為支撐連桿工作角度，（°）。

由于甘蔗收獲機作業時，甘蔗植株位于切割器正前方，導致檢測機構無法直接安裝在切割器正前方。為了更準確地獲得甘蔗根部地面起伏情況信息，考慮甘蔗收獲機實際作業時分道擋板較接近甘蔗根部，結合4GQ-1型甘蔗收獲機結構特征，將檢測機構固定安裝在分道擋板外側，解決甘蔗對檢測機構的直接干擾，并獲得較好的檢測效果。

1.4.2 切割器轉速檢測

切割器轉速利用旋轉編碼器獲取，選用OMRON E6B2-CWZ6 旋轉編碼器，每轉輸出1 000個脈沖，并將1 s內的脈沖信號發送到單片機，通過公式（3）獲得切割器轉速。

W = N／T × n0（3）

式中，W 為切割器轉速，r·min-1；N 為T 時間內的脈沖信號總數；T 為工作時間，s；n0為1 s內脈沖數量。

1.4.3 作業前進速度檢測

甘蔗收獲機作業前進速度采用GPS定位直接獲取，選用ATGM332D型號的GPS/BDS 雙模定位模塊，主要技術參數如表2所示。

1.4.4 入土深度控制模塊設計

入土深度自動控制依靠液壓控制系統實現，主要由雙作用液壓缸、液壓同步馬達、三位四通電磁換向閥、溢流閥、液壓油箱、油泵等組成。工作時，油泵中出來的液壓油過溢流閥可使液壓系統系統油壓力維持恒定，此時流經三位四通電磁換向閥，一端通電經過油路變換后進入溢流閥控制出油液壓流量，經由液壓同步馬達然后由有桿腔進油，可液壓缸實現油缸伸出；當電磁換向閥另一端通電時，無桿腔進油，可實現油缸收縮動作，進而實現甘蔗收獲機切割器入土深度的自動控制功能。當實際切割器入土深度小于設定切割器入土深度范圍時，電磁換向閥處于右位，液壓油缸無桿腔進油，液壓缸活塞桿伸長，切割器入土深度增加，控制到設定入土深度范圍內；當實際切割器入土深度滿足設定范圍要求時，電磁換向閥處于中位，液壓油缸無動作，切割器入土深度滿足設定范圍要求；當實際切割器入土深度大于設定切割器入土深度范圍時，電磁換向閥處于左位，液壓油缸有桿腔進油，液壓缸活塞桿收縮，切割器入土深度減小，控制到設定入土深度范圍內。

1.4.5 上位機顯示模塊設計

上位機顯示模塊采用處理器為J1800、運行內存為2 G、固態硬盤為32 G 的懸掛式工控觸摸屏，運行系統環境為Windows 7，配備2 個COM 接口、4 個USB 接口、1個VGA接口、1個HDMI接口、1個LAN接口等。

1.5 軟件系統設計

1.5.1 采集數據處理軟件開發

采集數據由單片機完成，采用Keil開發軟件、C語言開發采集數據處理軟件。軟件由MLX90363姿態傳感器的原始數據讀取、SPI通信、DMP姿態解算、串口通信等主要程序模塊組成。原始數據的采集主要由初始化STM32的SPI、使用SPI協議發送GET1和NOP指令，并定時讀取SPI原始數據3個步驟完成。采集原始數據后，利用MLX90363姿態傳感器內部自帶DMP對原始數據進行姿態解算，隨即緩存到FIFO中，同時外部生成中斷。在主程序接收到外部中斷信號后，利用IIC從FIFO緩沖或通過DMP寄存器直接讀取檢測機構姿態的四元數并轉換成姿態角。原始數據經過DMP姿態解算后，使用串口通信方式將實時狀態下的姿態角數據發送到上位機。為了防止串口通信中數據發生錯誤，保證數據收發質量，因此，加入了串口通信協議，該協議發送到上位機的每幀數據由幀頭、功能字、長度、主體數據、校驗和組成，采用STATUS數據幀，“幀頭”用于表示數據包的開始，均使用2個字節的0xAA表示；“功能字”用于區分數據幀的類型，0x01 表示STATUS 幀，0x02 表示SENSER 幀；“長度”表示后面主體數據內容的字節數；“校驗和”用于校驗，它是前面所有內容的總和。

1.5.2 上位機顯示軟件開發

上位機顯示軟件在Visual Studio Code 的環境下搭建的開發平臺，運用Python語言開發，基于Wxpython架構設計登錄界面、數據顯示主頁面。登錄界面包括用戶登錄、用戶注冊2部分，在進入系統時，用戶可首先進入用戶注冊界面注冊自己的用戶名和密碼，然后返回登陸界面即可登陸，系統自動保存已注冊用戶的用戶名和密碼，保證了系統的安全使用。數據顯示主頁面主要由通信接口、信息顯示模塊、視頻監測模塊、參數設置模塊、數據保存模塊組成，實現作業數據記錄與保存、通信端口、作業速度監測、切割器轉速監測、姿態角度監測、入土切割深度監測、動態曲線顯示、參數設置、入土深度自動控制等功能。

1.6 試驗方法

通過室內臺架試驗和田間試驗檢驗監控系統的工作性能。試驗臺架主要由仿形壟面、支撐臺架、液壓工作站、液壓缸、監控系統、電源等組成，采用電機驅動仿形壟面移動、檢測機構固定的方式，形成仿形壟面與檢測機構的相對運動。室內臺架試驗在廣東省湛江市中國熱帶農業科學院農業機械所開展，田間試驗在廣東省湛江市雷州市火炬農場甘蔗種植基地開展。

1.6.1 入土深度監測精度臺架試驗

為了檢驗監控系統的監測精度，采用單因素試驗方法，在不同的前進速度下分析上位機顯示值與入土深度實際值的差值，獲得監測數據的偏差值，并計算入土深度監測精度（式4）。利用高速攝影儀記錄液壓缸伸縮運動軌跡，測量測機構在仿形壟面最高點時的壟面信息。前進速度設置0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5 m·s-1，共進行9組試驗，每組試驗重復測量3次取平均值。

式中，Q 為入土深度監測精度，%；LT為上位機顯示值，mm；LS為液壓缸實際伸縮變化量，mm。

1.6.2 自動控制精度臺架試驗

為了檢驗甘蔗收獲機前進速度和傳感器安裝高度對控制系統的控制精度，以仿形壟面前進速度和傳感器安裝高度為因素（表3），以系統入土深度預設值與入土切割實際深度值的相對誤差為指標進行正交試驗。利用高速攝影儀記錄液壓缸伸縮運動軌跡，測量采集檢測機構在仿形壟面最高點和最低點時液壓缸伸縮變化值，獲得入土切割實際深度值，由公式（5）計算自動控制精度。每組試驗采集10個數據樣本，取平均值作為該組試驗結果。根據前期研究結果[17]，選取系統入土深度預設值為20 mm。

式中，y 為自動控制精度，%；LS為液壓缸實際伸縮變化量，mm；20為入土深度預設值，mm。

1.6.3 田間試驗

通過田間試驗檢驗監控系統實際作業的自動控制性能。試驗前，將系統安裝到4GQ-1型甘蔗收獲機。選取長度為100 m的試驗區間，中間80 m為試驗數據采集區間，并在試驗數據采集區間內間隔15 m標記數據采集點，數據采集點共6個。試驗時，選用1.50 m·s-1作為田間試驗的前進速度，選取系統入土深度預設值20、30和50 mm為試驗條件[24]。試驗后，測量統計每個試驗條件下的6 個數據采集點的入土切割深度，在每個數據采集點的不同位置測量3組數據，取3組數據的平均值作為該采集點的試驗數據。分析測量結果與系統入土深度預設值相對誤差，評價控制系統田間作業的控制性能（式6）。

式中，yT 為自動控制精度，%；LK 為實際入土深度，mm；LC為入土深度預設值，mm。

1.7 數據分析

采用Origin軟件對試驗結果進行方差分析，

2 結果與分析

2.1 入土深度監測精度分析

由表4可知，監控系統入土深度監測精度的最大值為100.00%（前進速度為0.5 m·s-1），最小值為98.18%（前進速度為4.0 m·s-1），平均值為98.90%，監測精度的極差為1.82%，監測精度總體變化趨勢較平穩，表明前進速度對入土深度的監測精度影響不大，入土深度檢測機構設計合理以及監測性能可靠，符合甘蔗收獲機切割器入土切割深度監控系統設計要求。

2.2 入土切割深度自動控制精度分析

入土切割深度自動控制精度試驗結果如表5所示，可以看出，監控系統的入土切割深度自動控制精度均大于95.0%，控制精度平均值為97.7%，前進速度1.50 m·s-1，安裝高度30 mm時控制精度高達99.8%。

采用Origin軟件對試驗結果進行方差分析，結果如表6所示。可以看出，前進速度和安裝高度的P 值均大于0.05，因此，前進速度與安裝高度對監測系統的控制精度的影響不顯著，表明監控系統的自動控制性能受前進速度與安裝高度的影響極小，符合甘蔗收獲機切割器入土切割深度監控系統設計要求。

2.3 田間驗證結果分析

由表7 可知，監控系統入土深度20、30 和50 mm 的控制精度分別為85.3%、90.6%、94.1%，均達到85.0%以上。隨著入土深度預設值增大，實際入土深度極差值越小，控制精度越高。由式（6）可知，入土深度預設值越小，控制精度要求越高，在同等比例的實際入土深度條件下，實現的控制精度相對偏低，因此，監控系統入土深度預設值越大，其控制精度性能越好。田間試驗控制精度與室內臺架試驗的平均控制精度相對誤差分別是12.7%、7.3%、3.7%，其原因是甘蔗地條件復雜多變，檢測機構受倒伏甘蔗、雜草等干擾，引起檢測獲取錯誤信息情況；同時由于4GQ-1型甘蔗收獲機的切割器升降液壓系統與整機升降功能一體，升降液壓系統的負載相對較大，執行控制過程的伸縮速度相對室內臺架試驗液壓系統的速度慢，反應時間較長，導致田間試驗的精度與室內臺架試驗的精度相對誤差大。

3 討論

入土切割是甘蔗收獲機降低甘蔗破頭率的有效措施，研究切割器入土切割深度監控系統可實現入土深度參數可視化和自動化控制。本研究基于4GQ-1型甘蔗收獲機，采用仿形檢測方法和單片機控制技術，設計甘蔗收獲機切割器入土切割深度監控系統，使甘蔗收獲機切割器可隨地面起伏情況自動調控入土切割深度及其參數實時監測，實現切割器入土深度自動控制和參數可視化。室內臺架試驗結果表明：監控系統的監測精度和自動控制精度達到95.0%以上，表明監控系統總體設計合理。與張亮[19]室內試驗研究結果一致，其研發了甘蔗收割機刀盤仿形隨動控制系統，在割茬高度為0～10 cm條件下，系統穩態偏差值約為1.4 mm，檢測值和人工測量值最大誤差為1 mm，控制精度和檢測精度均為90%以上。宮元娟等[21]在留茬高度為50、100、150 mm條件下開展甘蔗收獲機割臺隨動控制系統田間試驗研究，在留茬高度為50 mm時，控制精度為86.0%；留茬高度為100 mm 時，控制精度為91.2%；留茬高度為150 mm時，控制精度為94.5%。本研究田間試驗結果表明，在入土深度為20、30和50 mm的條件下，自動控制精度分別是85.3%、90.6%、94.1%，表明監控系統整體性能滿足設計及使用需求。

監控系統的自動控制精度仍有較大的提升空間。在田間試驗過程中發現，切割器升降控制系統的響應速率對自動控制精度的影響較大，后期需通過優化改進切割器升降控制系統，使其與整機升降系統分開控制，縮短切割器升降自動控制響應時間，以達到提高切割器升降控制系統的響應速率，提升監控系統的自動控制精度。同時，倒伏甘蔗或者雜草對仿形檢測機構采集地面信息具有一定程度的干擾，后期需通過配置仿形檢測機構防干擾機構或者雜草清理機構，降低外界因素對仿形檢測機構信息采集精度的影響。

參 考 文 獻

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（責任編輯：溫小杰）

基金項目：湛江市科技發展專項（2020A01005）；中央級公益性科研院所基本科研業務費專項（1630132022001）；湛江市科技計劃項目重點實驗室建設專項（2020A05004）。