摘要：因田間地表起伏，高地隙施藥機(jī)在作業(yè)過(guò)程中車(chē)體極易發(fā)生橫滾方向的傾斜，同車(chē)體剛性連接的噴桿同時(shí)傾斜，甚至與作物、地面碰觸，影響噴藥均勻性和作業(yè)安全性。為此基于機(jī)電液一體化控制方法，研制了高地隙施藥機(jī)噴桿自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)。設(shè)計(jì)電控液壓調(diào)平機(jī)構(gòu)，使噴桿與車(chē)體柔性聯(lián)接，實(shí)現(xiàn)在橫滾方向上噴桿與車(chē)體的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。采用姿態(tài)測(cè)量方法實(shí)時(shí)檢測(cè)噴桿橫滾角度，對(duì)橫滾角度值進(jìn)行平均值濾波以準(zhǔn)確感知噴桿姿態(tài)。采用增量式PID算法計(jì)算并輸出信號(hào)至液壓電磁閥以控制調(diào)平油缸動(dòng)作，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)噴桿在橫滾方向上的姿態(tài)。以華盛泰山3WP500G型施藥機(jī)為平臺(tái)，在場(chǎng)地試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)改變響應(yīng)閾值與平均值濾波器參數(shù)，對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)速度、穩(wěn)定性和控制誤差進(jìn)行對(duì)比分析，確定了噴桿自動(dòng)調(diào)平參數(shù)最優(yōu)組合，測(cè)試調(diào)平誤差最大值為1.84，均方根誤差小于等于0.689。在田間試驗(yàn)結(jié)果表明，調(diào)平誤差的最大值是1.53，平均值為0.135，均方根誤差小于等于0.5，噴桿調(diào)平后角度保持1°以內(nèi)，70%時(shí)間角度在0.5°以下，滿足噴桿自動(dòng)調(diào)平控制要求。

　　關(guān)鍵詞：高地隙施藥機(jī);噴桿;PID;自動(dòng)調(diào)平;調(diào)平控制

　　0引言

　　高地隙施藥機(jī)以其作業(yè)噴幅寬、噴灑精量化、噴藥量均勻化等高效施藥作業(yè)優(yōu)勢(shì)[14]，越來(lái)越廣泛地應(yīng)用在田間植保作業(yè)中。常用施藥機(jī)的噴幅為12m(如雷沃ZP9500)，大型噴霧機(jī)的展幅有的甚至可達(dá)42m，由于高地隙施藥機(jī)的噴桿展幅長(zhǎng)、撓性大[7]，在田間作業(yè)時(shí)，因地表硬度底層高低不一，車(chē)身微小的顛簸會(huì)引起噴桿末端較大的起伏變化[710]，不僅影響噴霧量分布均勻性，導(dǎo)致施藥質(zhì)量下降，嚴(yán)重時(shí)噴桿末端還會(huì)觸碰地面或者作物冠層[11]，造成噴桿、作物、機(jī)器的損傷.

　　為保證作業(yè)質(zhì)量和作業(yè)安全，噴霧機(jī)駕駛員在作業(yè)過(guò)程中要觀察噴桿與作物之間是否有接觸，手動(dòng)對(duì)噴桿的傾斜角度進(jìn)行調(diào)節(jié)，增加了駕駛員的勞動(dòng)強(qiáng)度。隨著對(duì)噴桿調(diào)節(jié)系統(tǒng)應(yīng)用研究越來(lái)越多[1215]，因此，有必要實(shí)現(xiàn)噴霧機(jī)在田間植保作業(yè)過(guò)程對(duì)噴桿傾斜角度進(jìn)行實(shí)時(shí)自動(dòng)調(diào)節(jié)，使噴桿處于允許的傾斜角度范圍內(nèi)，避免噴桿與作物的接觸、降低駕駛員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

　　為此，國(guó)內(nèi)外研究人員基于非接觸式傳感器和傾角傳感器設(shè)計(jì)了調(diào)平控制系統(tǒng)。非接觸式傳感器包括激光測(cè)距儀、紅外傳感器和超聲波傳感器等，HERBST等[16]設(shè)計(jì)了基于激光測(cè)距儀的噴桿調(diào)節(jié)系統(tǒng);SINFORT等[17]采用紅外發(fā)射器檢測(cè)噴桿姿態(tài);OOMS等[18]采用多傳感器的組合實(shí)現(xiàn)噴桿姿態(tài)檢測(cè);魏新華等[2]設(shè)計(jì)了基于超聲波傳感器和PLC控制系統(tǒng)的噴桿高度及平衡調(diào)控系統(tǒng)，可以將噴桿高度變化值控制在±3cm范圍內(nèi).

　　孫星等[19]采用超聲波傳感器和傾角傳感器，通過(guò)加權(quán)平均算法融合兩種傳感器信息，設(shè)計(jì)了基于專(zhuān)家控制的噴桿高度調(diào)節(jié)系統(tǒng)。在傾角傳感器方面，張盟等[20]采用高精度EMS慣性傳感器測(cè)得噴桿姿態(tài)，設(shè)計(jì)了基于DSP處理器自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng);薛濤等[21]設(shè)計(jì)了基于傾角傳感器和自適應(yīng)模糊滑模算法的噴桿懸架控制方法。

　　綜合上述，調(diào)平控制系統(tǒng)主要采用紅外傳感器、超聲波傳感器和傾角傳感器檢測(cè)噴桿傾角，紅外與超聲波傳感器通過(guò)測(cè)量噴桿兩端離地距離，推算其傾斜角度，但作業(yè)時(shí)噴桿自身柔性大兩端易發(fā)生形變，導(dǎo)致測(cè)量精度變低，而傾角傳感器可以在動(dòng)態(tài)環(huán)境下測(cè)得傾斜角度，并廣泛應(yīng)用于小型無(wú)人機(jī)、智能農(nóng)業(yè)裝備、汽車(chē)等領(lǐng)域，成本較低，測(cè)量精度高。本文針對(duì)上述問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種適用于高低隙施藥機(jī)的噴桿自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)，使用低成本傾角傳感器通過(guò)信息融合實(shí)現(xiàn)噴桿水平傾角動(dòng)態(tài)檢測(cè)，基于ID控制策略和機(jī)電液一體化技術(shù)，使噴桿始終保持水平。分析噴桿調(diào)平系統(tǒng)的工作原理，開(kāi)展場(chǎng)地與田間測(cè)試試驗(yàn)，驗(yàn)證系統(tǒng)在田間作業(yè)時(shí)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

　　1高低隙施藥機(jī)噴桿自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　高地隙施藥機(jī)噴桿自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)以山東華盛中天機(jī)械集團(tuán)股份有限公司生產(chǎn)的3WP500G型三段式噴桿噴霧機(jī)為研發(fā)平臺(tái)，由噴桿調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、傾角傳感器、調(diào)平控制器、液壓閥組組成。噴桿調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)主要包括升降機(jī)構(gòu)和三段式噴桿支架。升降機(jī)構(gòu)由平行四桿機(jī)構(gòu)和橫梁組成，噴桿升降是經(jīng)過(guò)電磁換向閥控制液壓油缸伸縮，帶動(dòng)平行四桿機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。三段式噴桿支架采用折疊式結(jié)構(gòu)，噴桿通過(guò)管夾與噴桿支架連接，兩側(cè)伸展油缸用于控制噴桿支架的展開(kāi)折疊;中段噴桿支架的上端和橫梁鉸接，噴桿支架通過(guò)調(diào)平油缸的伸縮實(shí)現(xiàn)相對(duì)于鉸接點(diǎn)的左右擺動(dòng)，從而調(diào)節(jié)噴桿在橫滾平面上的角度。

　　傾角傳感器水平安裝在噴桿支架上，實(shí)時(shí)測(cè)量噴桿的傾斜角度。調(diào)平控制器以PIC18F258處理器為核心，采用維特智能公司生產(chǎn)的JY61P型傾角傳感器。液壓閥組中液壓油缸為雙作用單杠活塞式工程液壓缸，采用滑閥機(jī)能為型結(jié)構(gòu)的三位四通電磁閥，控制液壓缸的啟停以及運(yùn)動(dòng)方向的改變。調(diào)平控制器通過(guò)串口與傾角傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，獲取噴桿姿態(tài)信息、運(yùn)行數(shù)據(jù)處理和控制算法，并向液壓閥組發(fā)送指令數(shù)據(jù)。

　　噴桿自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)原理框圖。施藥機(jī)田間作業(yè)時(shí)，噴桿支架與水平面夾角發(fā)生變化，傾角傳感器測(cè)得噴桿支架傾角傳輸給調(diào)平控制器，控制器對(duì)采集的角度信號(hào)進(jìn)行濾波處理，削弱測(cè)量噪聲影響，并基于PID算法對(duì)電磁換向閥發(fā)送控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)調(diào)平油缸伸縮調(diào)整噴桿支架達(dá)到預(yù)設(shè)角度，實(shí)現(xiàn)噴桿自動(dòng)調(diào)平。

　　2調(diào)平機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　噴桿的運(yùn)動(dòng)分為施藥機(jī)的牽引動(dòng)作和相對(duì)于機(jī)身的轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)作。不考慮施藥機(jī)前進(jìn)方向的牽引運(yùn)動(dòng)，可以把噴桿相對(duì)于機(jī)身的轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)看作為平面轉(zhuǎn)動(dòng)。噴桿與施藥機(jī)相對(duì)運(yùn)動(dòng)示意，在施藥機(jī)坐標(biāo)系中，正方向?yàn)闄C(jī)器前進(jìn)方向，為噴桿支架與橫梁的上固定點(diǎn)，噴桿調(diào)平部分可以簡(jiǎn)化為噴桿橫滾傳感平面和轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，施藥機(jī)橫滾傳感平面平行于施藥機(jī)四輪平面，傾角傳感器安裝在中段噴桿支架上，傾角傳感器坐標(biāo)系與施藥機(jī)坐標(biāo)系方向相同，測(cè)得噴桿傾斜角(即橫滾角度)，高低隙施藥機(jī)噴桿向右傾斜時(shí)測(cè)量到噴桿傾角為負(fù)，向左側(cè)傾斜時(shí)為正。噴桿支架及相關(guān)機(jī)構(gòu)可簡(jiǎn)化為支架、轉(zhuǎn)動(dòng)鉸接點(diǎn)與油缸連接點(diǎn)。

　　3噴桿自動(dòng)調(diào)平控制方法

　　3.1橫滾角度數(shù)據(jù)預(yù)處理

　　施藥機(jī)在田間作業(yè)時(shí)，由于地勢(shì)不平會(huì)導(dǎo)致傾角傳感器獲取的角度信息發(fā)生階躍性變化，瞬時(shí)性、偶然性的信號(hào)變化會(huì)影響噴桿調(diào)平精度。本研究采用的傾角傳感器精度為0.01，對(duì)相鄰角度信號(hào)的階躍脈沖做濾波處理即可提高角度信息的采集精度，因此該控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種移動(dòng)平均濾波算法對(duì)原始角度信號(hào)進(jìn)行平滑。

　　3.2自動(dòng)調(diào)平控制算法

　　噴桿自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)采用ID反饋調(diào)節(jié)算法作為傾斜度調(diào)節(jié)的主要算法對(duì)調(diào)平油缸伸縮量進(jìn)行閉環(huán)控制。對(duì)噴桿調(diào)平控制過(guò)程為：根據(jù)噴桿實(shí)際傾角和預(yù)設(shè)傾角的偏差計(jì)算調(diào)平油缸的流量方向和伸縮量，對(duì)偏差的比例、積分和微分進(jìn)行控制，使偏差趨于零。調(diào)平控制器預(yù)設(shè)傾角φ作為ID控制系統(tǒng)輸入量之一，傾角傳感器測(cè)出噴桿實(shí)際傾角φ作為ID控制系統(tǒng)另一輸入量。為了精確控制噴桿傾角，PID控制器持續(xù)從比較器單元讀取誤差，該單元對(duì)目標(biāo)傾斜角度φ與實(shí)際傾斜角度φ進(jìn)行減法運(yùn)算。PID控制系統(tǒng)將進(jìn)行比例、積分、微分運(yùn)算，將電平信號(hào)發(fā)送至繼電器，繼電器通斷決定了電磁閥通斷和液壓油流向。

　　4調(diào)平控制器設(shè)計(jì)

　　4.1硬件設(shè)計(jì)

　　硬件部分主要由控制器、檢測(cè)模塊、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、電源模塊組成�？刂破饕訧C18258處理器為核心，時(shí)鐘頻率20Hz，供電電源，具有ART接口，電位計(jì)信號(hào)輸出端與處理器A/D轉(zhuǎn)換端口A0連接，對(duì)預(yù)設(shè)角度進(jìn)行調(diào)整。檢測(cè)模塊為JY61P型傾角傳感器，工作電壓，輸出頻率為20H，支持ART串口數(shù)字輸出，串口波特率選用115200bps，橫滾角度檢測(cè)范圍為360。執(zhí)行機(jī)構(gòu)為繼電器模塊，工作電壓，低電平吸合，高電平釋放，繼電器控制端N+連接控制器/O口、C1及IN連接地，輸出端常開(kāi)端O1與常閉端C1連接電磁換向閥。通過(guò)N+高低電平的設(shè)定，可控制電磁換向閥流向。電源模塊包括12直流電源、12轉(zhuǎn)電源轉(zhuǎn)換模塊，可直接為傾角傳感器和控制模塊供電。

　　4.2軟件設(shè)計(jì)

　　控制程序使用語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，運(yùn)行平臺(tái)為PIC18F258單片機(jī)。依據(jù)噴桿支架調(diào)節(jié)原理對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，系統(tǒng)運(yùn)行后按照固定的時(shí)間間隔運(yùn)行主程序，首先對(duì)噴桿傾斜角度狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，然后根據(jù)傾斜狀態(tài)采用相應(yīng)的控制方法調(diào)節(jié)噴桿支架的轉(zhuǎn)向。

　　噴桿不同傾斜角度會(huì)對(duì)應(yīng)控制器不同動(dòng)作狀態(tài)，結(jié)合油缸伸縮量與噴桿的幾何關(guān)系求得相對(duì)角度，實(shí)現(xiàn)噴桿自動(dòng)調(diào)平的閉環(huán)控制。系統(tǒng)啟動(dòng)后首先進(jìn)行初始化，測(cè)量噴桿和施藥機(jī)傾斜角度，觀察噴桿是否達(dá)到預(yù)設(shè)角度以及與預(yù)設(shè)角度的差值，判斷是否對(duì)噴桿進(jìn)行水平控制，當(dāng)需要對(duì)噴桿支架進(jìn)行水平控制時(shí)，單片機(jī)輸出高低電平控制繼電器通斷，驅(qū)動(dòng)電磁換向閥作業(yè)調(diào)節(jié)噴桿傾斜角度，直至調(diào)到目標(biāo)傾斜角度;反之，重新測(cè)量角度信息調(diào)節(jié)油缸伸縮量，直至噴桿調(diào)整為目標(biāo)角度。

　　5試驗(yàn)

　　為測(cè)試在自動(dòng)調(diào)平模式下調(diào)平系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，于2021年月在山東理工大學(xué)生態(tài)無(wú)人農(nóng)場(chǎng)分別進(jìn)行了場(chǎng)地試驗(yàn)和田間試驗(yàn)。

　　6結(jié)論

　　(1)設(shè)計(jì)了以PIC18F258為核心的噴桿自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)，采用傾角傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量噴桿傾角，并基于PID算法控制電磁換向閥實(shí)現(xiàn)噴桿自動(dòng)調(diào)平控制。

　　(2)場(chǎng)地試驗(yàn)表明，以華盛泰山3WP500G型施藥機(jī)為平臺(tái)，裝配有噴桿自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)后，可以有效改善路面起伏不平引起的噴桿傾斜角度變化，在10的臺(tái)階路面上以2.5km/h速度行駛，在響應(yīng)閾值為、采樣值為的情況下，噴桿支架傾角變化平均調(diào)平誤差小于0.05，平均絕對(duì)誤差小于0.59，均方根誤差小于0.689，可以將噴桿傾斜角度控制在±1.5范圍內(nèi)，且無(wú)超調(diào)現(xiàn)象。

　　(3)田間試驗(yàn)表明，噴桿支架傾角傳感器測(cè)得調(diào)平后角度平均值為0.135，平均絕對(duì)誤差小于0.40，均方根誤差小于0.50，最大誤差為1.53。噴桿自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)田間工作正常，在地面起伏時(shí)偶有晃動(dòng)，但能快速恢復(fù)平衡，未發(fā)生噴桿與作物接觸現(xiàn)象，噴桿調(diào)節(jié)穩(wěn)定。

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　　作者：印祥1,2安家豪1王顯1王亞林1李加琪1金誠(chéng)謙1,3