吊杯式移栽机作业时地表不平度的测量分析

张　波，李旭英，鲁国成，杨　媛，侯占峰

(内蒙古农业大学 机电工程学院，呼和浩特　010018)



吊杯式移栽机作业时地表不平度的测量分析

张波，李旭英，鲁国成，杨媛，侯占峰

(内蒙古农业大学 机电工程学院，呼和浩特010018)

摘要：为了研究吊杯式移栽机作业时所栽植土壤的地表不平度，采用超声波测距传感器，对吊杯式移栽机作业时的土壤表面不平度进行了测量分析。将超声波测距传感器垂直于地面安装到移栽机上，连续测量地表高低的变化，采用LabVIEW编程控制超声波传感器的参数设定，由NI USB-6343 X系列数据采集卡采集数据，并可实时显示和存储在笔记本电脑上。计算分析所测数据，得出了试验田地土壤表面不平度的一些参数值，即地表不平度的RMS高度、轮廓微观不平度的平均间距和分形维数，为研究土壤特性对吊杯式移栽机性能的影响提供了一定的基础数据。

关键词：移栽机；土壤；不平度；数据采集

0引言

移栽技术具有直播难以比拟的优越性,能将作物的生育期提前15天左右，有效地避开作物受早春、低温、倒春寒、霜冻及冰雹等灾害性气候的影响，提高幼苗的成活率，保证单位作物株数达到农艺要求，并能延长作物生育期，有效地提高单产和作物的品质，具有显著的节本增产增收效果。机械移栽能够提早作物的生育进程、提高单产,能有效抵御大风、雨害、低温等自然灾害,并且节省种子[1-2]。随着我国经济的发展和现代农业的生产要求，机械化移栽已成为一种必然的趋势。

吊杯式移栽机是移栽机械中栽植效果比较好的一种钵苗移栽机械。吊杯式移栽机作业时，土壤表面不平度对移栽机的滑移率、栽植深度都有着非常重要的影响，因此对吊杯式移栽机作业时所栽植土壤地表的不平度进行测量分析，具有非常重要的意义。目前，研究农业机械在田间作业时测量地表不平度的文献相对较少，国内的实际田地土壤不平度的测试分析，以南京农业大学的研究文献相对比较全面，其他研究多在理论研究方面，实际测试与研究相对较少。

本文以2ZP-2型吊杯式移栽机为研究对象，垂直于地面布设超声波测距传感器，在移栽机作业的同时，对所栽植的土壤表面不平度进行了测量，利用LabVIEW软件编程对超声波传感器的采集参数进行控制，并同时将采集到的数据实时显示。通过对上述数据分析，计算得出了移栽机作业地表的土壤表面不平度。该土壤表面不平度利用RMS高度、轮廓微观不平度的平均间距和分形维数值进行表达，为研究土壤特性对吊杯式移栽机性能的影响和日后移栽机试验台土槽部分的设计提供了一定的数据参考。

1试验设备及试验方法

1.1试验机器和测量设备

1)移栽机型号：2ZP-2型吊杯式移栽机。

2)拖拉机型号：R4105T1拖拉机(48kW/65马力)。

3)超声波测距传感器型号：NU112F30TR-1MD，精度1mm，最大测距1m。

4)数据采集卡型号：NI USB-6343 X系列。

5)供电仪器及相关设备：24V6A蓄电瓶，24V转220V逆变器等。

1.2试验方法

试验地点为内蒙古农业大学农学院试验田。试验土壤类型为砂壤土，采用犁耙耕作方式。测试时间为2014年11月23-25日。

在充分了解2ZP-2型吊杯式移栽机工作原理和结构特征的基础上，将超声波测距传感器选择安装在移栽机移栽框架的左后方位置，在移栽机作业的同时，对土壤表面不平度进行测量。田间试验时，利用笔记本电脑进行传感器参数和存储数据的操作控制。

2土壤表面不平度的数据采集程序

利用超声波测距传感器可实现地表不平度的数据采集。该程序在LabVIEW 2013软件平台上进行编写，主要采用其中的DAQmx编程实现。

借鉴传统数据采集系统的常规功能[3]，通过LabVIEW2013中的控件选板和工具选板，对前面板进行编辑设计。采样频率设置为100，即超声波传感器每0.01s测取一个数据点。系统前面板如图1所示。

该程序经仿真调试无任何问题后，连接实体元器件进行实际调试，确认无故障后，准备田间试验。

3试验结果与分析

3.1土壤地表不平度

为了能够更好地表达地表不平度的特征, 在同一田地里选出3个地段进行测试。3个地段不重合，在移栽机速度已经稳定的状况下，每段测出2 100个数据点，即约5m左右的距离。3 个测试地段的地表不平度测试结果如图2所示。

图1　系统前面板

图2　3个地段的地表不平度

3.2地表不平度的RMS 高度分析

RMS高度用于描述表面不平度的方差, 又称为表面不平度标准差。RMS 高度是度量表面不平度的基本指标, 其计算式为[4]

(1)

式中n—测量点数；

s(i)—在表面i处的高度。

RMS 高度是用来说明离散随机信号各可能值对其平均值的偏离程度的，是随机信号在均值上下起伏变化的一种度量[5]。3段土地表面不平度计算结果如表1 所示。

表1　3个地段表面不平度RMS 高度均值

RMS 高度与土壤地表的类型是具有很好的相关性的[7]。从表1可以看出：整个试验田地的RMS 高度值分布在17～26mm之间，RMS 高度值随测量地段的不同表现出一定的不稳定性。

3.3轮廓微观不平度的平均间距

轮廓微观不平度的平均间距，通常用Sm表示，是指在取样长度内，轮廓与中线相交点的各个微观不平度间距的平均值[5]，计算公式为

(2)

其中，Smi为轮廓与中线相交点的第i个微观不平度间距。

该参数对评价承载能力、耐磨性都具有重要的意义，在各国标准中被广泛采用[5]。计算结果如表2所示。

表2　3个地段的地表不平度的Sm均值

轮廓微观不平度的平均间距和土壤地表的类型也有较好的相关性。Sm越小，表明该土壤表面越细密，它的承载能力、耐磨性就越好。由表2可以看出：所实验田地的轮廓微观不平度多分布在59～70mm间，轮廓微观不平度的平均间距随测量地段的不同也表现出一定的不稳定性。

3.4分形维数

目前，分形维数的计算方法有很多，如变差法、结构函数法、半方差法、均方根法、R/S法和功率谱密度法等[7-8]。根据所查文献，均方根法和半方差法在计算分形维数的过程中有着较高的计算精度，因此本文采用均方根法分析所试验田地的土壤表面不平度的分形维数。

均方根法在分析计算时，选取一个取样长度，对于所要分形的曲线，其曲线高度均方根为[9]

S(τ)≤Z(x)2

cτ2-D≤Z(x)2

(3)

对式(3)进行对数运算，得到如下直线方程形式，即[5]

lgS(τ)=lgc+(2-D)lgτ

(4)

从式(4)容易发现：该方程曲线在双对数坐标上，呈现了测度与尺度的线性关系。所以，可得到分形维数同直线斜率K的关系为D= 2-k。利用此方法计算3个地段的分维值，如表3所示。

表3　3个地段地表不平度的分形维数值

分形维数和耕作方式有很好的相关性，利用分维值可以较好地表征不同耕作方式的地表[10]。因所试验田地皆是采用犁耙的耕作方式，所以分维值应几乎相同。从表3可以看出：分形维数非常接近,:分形维数值并不随测量地段的不同而波动。可见，分维值是一种与测量区间无关的地表不平度评价参数，能够更好地反映出地表的不平度状况。因分维值越小，地表就越粗糙，从所查文献知，圆盘耙、驱动耙等方式耕作的土壤地表分形维数在1.55左右，而本试验田地犁耙耕作的土壤地表分形维数在1.29左右，可见犁耙耕作效果不如圆盘耙、驱动耙等方式耕作效果好。

4结论

1)采用超声波测距传感器可以实现土壤表面不平度的测量，其方法可行。该套测试装置结构简单，操作方便，容易实现。

2)在不同的测试地段，RMS高度、轮廓微观不平度的数值表现出一定的波动，而分形维数却不受影响。因此，利用分形维数能够更好的表征地表的不平度状况。

3)得出了吊杯式移栽机所作业地表的RMS高度、轮廓微观不平度和分形维数等土壤表面不平度数值，为研究土壤特性对吊杯式移栽机性能的影响提供了一定的数据支持。

参考文献：

[1]武科. 吊篮式棉花移栽机栽植器的研究与分析[D]. 石河子：石河子大学，2010.

[2]卢勇涛，李亚雄，刘洋，等．国内外移栽机及移栽技术现状分析[J]．新疆农机化，2011(3)：29-32.

[3]左昉，胡仁喜，闫聪聪，等．LabVIEW 2013中文版虚拟仪器从入门到精通[M]．北京：机械工业出版社，2014．

[4]鲁植雄，U D Perdok，W B Hoogmoed.农业土壤表面不平度和测量与分析[J]．农业工程学报，2003，19(s)：60-63．

[5]侯占峰，薛晶，闫建国，等．路面不平度的特性分析[J]．内蒙古农业大学学报，2012，33(1)：167-170.

[6]鲁植雄．耕作土壤表面不平度分析[J].农业机械学报，2004，35(1) : 112-116．

[7]姜春霞，鲁植雄，徐浩，等.农业土壤表面不平度分形维数计算方法的对比与分析[J]. 南京农业大学学报，2015，38(1) : 161-167.

[8]侯占峰. 基于分形理论的路面不平度特性研究[D].南京：南京农业大学，2006.

[9]葛世荣. 粗糙表面的分形特征与分形表达研究[J].摩擦学学报, 1997, 17(1): 73-79.

[10]侯占峰，鲁植雄，赵兰英.耕作土壤地表不平度的分形特性[J].农业机械学报，2007，38(4):50-53.

[11]关凯书，赵虹，王志文.路表不平的分形特征[J].农业机械学报，2000，31(6)：22-24.

Test Research on Soil Surface Roughness of Working Dibble-type Transplanter

Zhang Bo, Li Xuying, Lu Guocheng, Yang Yuan,Hou Zhanfeng

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010018, China)

Abstract：In order to research soil surface roughness which the dibble-type transplanter works on, an air ultrasonic ceramic transducer is used to measure the soil surface roughness in this paper. Put air ultrasonic ceramic transducer on the transplanter vertical to the earth,the change of the soil surface height can be achieved continuously.Adopt LabVIEW programming to set parameters of air ultrasonic ceramic transducer, the data gathered from NI USB-6343 DAQ card is real-time displayed and stored on a laptop. Finally,by calculating and analyzing the data, some parameter values of soil surface roughness are obtained, that is, soil surface’s RMS height, the mean spacing of the profile irregularities and fractal dimension.These data can provide a reference for studying the performance of the dibble-type transplanter based on soil properties in the future.

Key words：transplant； soil； roughness； data acquisition

文章编号：1003-188X(2016)05-0228-04

中图分类号：S223.9

文献标识码：A

作者简介：张波(1988-)，男，江苏徐州人，硕士研究生，(E-mail) zhangbo-1965.9.13@163.com。通讯作者：李旭英(1963-)，女，内蒙古巴彦淖尔人，教授，博士，硕士生导师，(E-mail)lixuy2000@imau.edu.cn。

基金项目：国家自然科学基金项目(51465048);内蒙古自治区高等学校研究项目 (NJZY050);内蒙古农业大学科技创新团队项目(NDTD2013-6)

收稿日期：2015-04-09