3MDZJ-1型电力驱动式棉花智能精准打顶机的研制

彭强吉，荐世春，宋和平，何青海，位国建，付乾坤，马继春

(山东省农业机械科学研究院，济南　250100)



3MDZJ-1型电力驱动式棉花智能精准打顶机的研制

彭强吉，荐世春，宋和平，何青海，位国建，付乾坤，马继春

(山东省农业机械科学研究院，济南250100)

摘要：针对现有棉花打顶机械对棉花实际生长高度测量效果差及打顶过程中漏打顶、过打顶等问题，提出了检测装置与打顶装置分开、升降动力与切割动力分开的方案，研制了一种基于FPGA的电力驱动式棉花智能精准打顶机。检测装置对棉花高度精准检测，打顶装置根据机具前进速度进行实时调整，实现了精准定量打顶；触屏控制系统能够实时显示作业速度、作业面积及监控棉花打顶过程，大大提高了棉花打顶机械的智能化水平。田间试验结果表明:整机结构稳定，机具作业速度在2.97km·h-1以内时，打顶率达90%以上，机具结构设计合理，为棉花打顶机械化提供了技术支持。

关键词：棉花打顶；打顶装置；检测装置；智能控制

0引言

棉花是我国主要的经济作物，打顶是棉花增产增收的关键环节之一[1]。目前，国外主要通过化控技术控制棉花的生长趋势[2]，国内棉花打顶的研究主要集中在化控和打顶两个领域。棉花化控技术性强，受棉花品种、天气等因素影响显著，多次喷洒增加了机具对土壤的有害压实，不利于保护性耕作；同时污染环境及危害身体健康，其大面积推广一直备受争议[3-4]。人工打顶效率低、劳动强度大、用工成本高，严重制约了棉花全程机械化的发展[5]。

机械化和自动化的物理方法打顶正成为精确农业科学领域的研究热点。针对棉花打顶机械存在的问题，国内多所院校及相关企业对棉花打顶机械进行了研究，并在传感器、图像识别等多个方向进行了相应的探索，取得了一定的效果[6-9]。但是，在田间复杂作业环境下，受机械振动、泥土灰尘较多、雨天、早上露水较大等问题的影响，打顶率及智能化水平有待提高，目前主要停留在试验阶段，没有成熟的产品投放市场。

针对上述情况，本文研制了一种以FPGA控制器为核心的电力驱动式棉花智能精准打顶机。该机通过检测装置与打顶装置分开、升降动力与切割动力分开的方案，实现精准定量去除棉花顶芯，达到去除棉花顶端优势的效果，提高了棉花产量和质量，降低了劳动强度。同时，智能触屏控制系统能够实现一键控制，实时显示机具前进速度、作业面积及监控作业状态等，大大提高了棉花机械打顶的智能化水平。

1结构设计

1.1　设计原理

针对现有棉花打顶机械对棉花实际生长高度测量效果差及打顶过程中漏打顶、过打顶等问题，研制了电力驱动式棉花智能精准打顶机。该机通过对棉花收拢-检测-计算位移量-响应切割的方法完成棉花打顶作业。棉花打顶机作业后，棉花实际生长高度与打顶后高度效果图，如图1所示。

图1　棉花打顶前后高度效果图

其优点是检测装置与打顶装置分开、升降动力与切割动力分开，既能避免棉花高度检测与棉花顶部的切割相互干扰，又便于升降动力与打顶切割动力的灵活调节；智能控制系统能够根据机具作业速度实时调整，大大提高了棉花打顶的精准性。该机具采用前悬挂装置与高地隙拖拉机配套使用，方便拖拉机后部悬挂喷药装置，实现了一机多用，减少了机具的进地次数，降低了作业成本，对棉花全程机械化作业具有重要意义。

1.2　整机结构

电力驱动式棉花智能精准打顶机，主要由触摸屏、控制柜、升降装置、数字摄像头、机架、导轨、拉杆、打顶装置、滑块、前悬挂装置、加固装置、检测装置及编码器等组成，如图2所示。

1.触摸屏　2.控制柜　3.升降装置　4.数字摄像头

整机结构以机架为基准，控制柜固定于机架前端上部，对整机进行智能控制；触摸屏安装于驾驶室通过电缆与控制柜连接，完成作业过程一键控制；升降装置通过U型螺栓固定于机架中部，通过螺栓与打顶装置连接，为打顶装置提供升降动力并根据控制器实现精准位移；打顶装置通过螺栓与滑块固定，滑块与导轨配合，导轨通过螺栓固定于机架上，保证垂直移动，完成打顶切割过程；检测装置通过螺栓固定于机架下部，左右对称安装，完成棉花高度检测过程；编码器与轮轴连接，将机具实时前进速度反馈给控制器；整机通过前悬挂装置与拉杆固定于拖拉机前部。

1.3　关键部件设计

1.3.1升降装置

升降装置主要由升降伺服电机、减速器、底座、联轴器、固定板、上横梁、轴承、丝杠、丝母及下横梁等组成，如图3所示。工作过程中，由升降伺服电机提供驱动动力，通过控制电机转速快慢调节丝杆转速；电机正反转带动丝杠正反转，丝杠带动与其配合的丝母完成上下移动；与丝母连接的打顶装置完成打顶作业。移动速度由导程与电机转数决定，在导程一定的情况下，控制器通过控制电机单位时间内的转数实现丝母定量移动，进而实现打顶装置定量打顶。

1.伺服电机　2.减速器　3.底座　4.联轴器　5.固定板

电机选用60ASM400-24V低电压交流伺服电机，电源由拖拉机自带电池经逆变器提供。控制器通过调节电流方向实现正反转，通过调节脉冲频率控制电机单位时间内的转数。减速器传动比为1/5，与电机固定增加转矩，增加升降动力。

1.3.2打顶装置

打顶装置主要由伺服电机、底座、联轴器、轴承、刀轴及锯齿圆盘刀等组成，如图4所示。底座通过滑块与导轨配合，依靠导轨作用保持垂直移动，打顶动力由安装在底座上面的打顶伺服电机提供；为保证打顶刀轴的垂直性及稳定性采用双轴承固定；打顶刀采用带锯齿的圆盘刀，极大增加了切削效果；刀轴转速及转向可根据实际需要通过触摸屏设定。

1.3.3检测装置

检测装置主要由前扶禾板、测量光幕、固定角钢、护板及光幕固定板等组成，如图5所示。检测装置在机架上为左右对称安装，前扶禾板将行间棉花收拢到一起便于测量光幕检测；光幕安装过程中应保证对称度及稳定性，同时加装橡胶条予以减震保护。

1.打顶伺服电机　2.底座　3.联轴器　4.轴承　5.刀轴　6.打顶刀

1.前扶禾板　2.测量光幕　3.固定角钢

测量光幕是一种特殊的光电传感器，由相互分离且相对放置的发射器和接收器两部分组成。由发射器产生相同间距的光束阵列，形成一个“光幕”，以一种不间断循环扫描的方式对其检测区域进行实时监控扫描，扫描后的数据配合控制器及其软件，实现棉花高度测量[10]。光幕为定制元件，测量高度范围30cm，响应时间小于20ms(深圳斑马线科技有限公司生产)。

1.3.4前悬挂装置

前悬挂装置主要由上挂板、矩形管横梁及悬挂板组成，各部分间通过焊合连接到一起，如图6所示。

1.上挂板　2.矩形管横梁　3.悬挂板

矩形管横梁上安装孔尺寸位置与高地隙拖拉机前部挂接配重的安装孔位置相对应；该装置通过细牙螺栓固定到拖拉机前部，与机架通过拉杆及销轴挂接。

1.3.5机架

整个机架由一定尺寸的方管及挂板焊接而成，如图7所示。管板焊接于机架后端上部横梁位置，机架后端竖梁中下部均布有间距为4cm的安装孔；作业前，机架需要根据田间棉花实际生长高度进行安装，保证棉花顶部波动范围在平面光栅尺的测量范围内。

1.方管　2.挂板

2控制系统设计

2.1　硬件电路设计

整机控制系统以FPGA构建的控制器为核心元件，主要由速度检测编码器、检测光幕、数字摄像头、伺服电机、通讯电路、电源开关、FPGA控制器等组成，如图8所示。

图8　控制系统结构图

传感器电路实现检测指标的信号采集，数字摄像头实现数字信号实时采集，伺服电机驱动电路实现升降控制及刀轴转速控制。其中，触摸屏由输入、输出、显示电路等组成，主要实现人机交互、显示即时指标信息及实时监控，由拖拉机自带电池提供电源。

2.2　控制系统工作流程图

控制系统工作流程如图9所示。开启触摸屏设置打顶机控制系统参数，按下启动按钮后，打顶伺服电机开始工作;编码器采集机具前进速度，将信号传递到控制器，控制器计算分析后将速度及作业面积显示在触摸屏；检测光幕对收拢后的棉花高度进行测量，信号经控制器判断分析后发送到驱动器，进而升降伺服电机完成上升或下降动作。控制器通过脉冲信号的频率控制电机转动圈数；打顶装置的起始点在作业前通过手动按钮设定。

图9　控制系统工作流程图

作业前设定好打顶装置与检测装置的距离后，控制器可以根据机具前进的速度判断响应打顶时间，自动调节升降电机转速，进而控制升降速度，实现棉花顶部精确定量打顶。当打顶装置移动范围超过限位点后，升降电机马上停止运转，同时发出报警信号。数字摄像头采集作业过程录像后直接将数字信号传递到触换屏显示。

3试验结果及分析

3MDJD-1型电力驱动式棉花智能精准打顶机于2015年8月17日在山东滨州市无棣县机采棉试验场进行了试验[11]，如图10所示。工作全程内，整机结构性能稳定，各系统工作正常。试验以打顶量、打顶率及打顶前后棉花高度相关系数[12-13]作为评价指标。

图10　田间试验

打顶量：棉株打顶前高度与打顶后高度差值。

打顶率：被打下棉顶的棉株数量占处理区内棉株总数的比例，用%表示。

作业速度为机具在50m长度小区内打顶作业时往返2次以上测得的平均速度，性能指标如表1所示。

表1　性能指标统计表

由表1可知：机具前进速度在2.97km/h以内时，去顶量接近设定值，棉花打顶前后相关系数较高，打顶率在90%以上；速度在3.52km·h-1时，去顶量、相关系数及打顶率受速度影响较明显。

4结论

1)试验表明：本文提出的检测装置与打顶装置分开、升降动力与切割动力分开的方案切实可行，为促进棉花打顶机械化技术的推广应用提供了理论依据。

2)打顶装置在控制器控制下根据检测的棉花高度进行响应打顶，能够实现精准定量打顶。同时，智能触屏控制系统能够实现一键控制，实时显示机具前进速度、作业面积及监控作业状态等，大大提高了棉花机械打顶的智能化水平。

3)作业这速度在2.97km/h以内时，打顶效果较好；当速度达到3.52km/h时，打顶量误差变大，打顶率及打顶前后相关系数下降明显。这说明，升降速度较低，升降装置有待进一步优化提高。

参考文献：

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Development of 3MDZJ-1 Type power Driven Intelligent Precision Cotton Topping Machine

Peng Qiangji, Jian Shichun, Song Heping, He Qinghai, Wei Guojian, Fu Qiankun, Ma Jichun

(Shandong Academy of Agricultural Machinery Sciences, Jinan 250100, China)

Abstract：Aiming at the problems of the poor effect of actual height measurement of the growth of cotton,In the process of topping leakage topping and over topping etc about the existing cotton topping machine,proposed the scheme of detection device and topping device separately, lifting power and topping power separately, the intelligent precision cotton topping machine is designed based on FPGA technology.Detection device for cotton height precision detection,topping device adjusted in real time according to the speed of machines,which could achieve the goal of precise quantitative topping;The touch screen control system operating speed, work area and monitor the process of cotton topping,greatly improving the intelligence level of cotton topping.Field test shows that the whole structure of the machine is stable, machine

operation speed within 2.97km·h-1, multi-topping rate above 90%, machine structure design reasonable, provides technical support for cotton in multi-topping mechanization.

Key words：topping device; cotton topping; detection device; intelligent control

中图分类号：S224.1+49

文献标识码：A

文章编号：1003-188X(2016)12-0117-05

作者简介：彭强吉(1984-)，男，山东临沂人，助理工程师，硕士研究生，(E-mail) pengqiangji1984@126.com。通讯作者：荐世春(1963-)，男，山东青岛人，研究员，(E-mail)jscsh2002@163.com。

基金项目：山东省自然科学基金项目(ZR2014EEP005)

收稿日期：2015-11-01