棉花高度仿形装置研究

彭强吉++马继春++宋和平++何青海++吕爱民

摘要：针对现有棉花打顶设备作业过程中棉花顶部仿形效果差，且受作业环境影响比较明显的问题，提出了仿形板与角度传感器相结合的方案，研制了一种基于FPGA的棉花高度仿形装置。确定了打顶期内棉株的弹性模量，并运用有限元仿真软件模拟了棉株受力状态，确定了核心部件仿形板的材料属性及尺寸参数。田间试验结果表明，该装置能够对棉花高度进行仿形，机具作业速度在3.24 km/h内时，打顶率最高可达90.0%，打顶效果较好，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；高度仿形；弹性模量；智能控制；打顶机械化；试验

中图分类号： S224.9文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2016）12-0356-03

收稿日期：2015-11-12

基金項目：山东省自然科学基金（编号：ZR2014EEP005）。

作者简介：彭强吉（1984—），男，山东临沂人，硕士，助理工程师，从事农业机械化工程研究。E-mail：pengqiangji1984@126.com。

[JP3]棉花是我国重要经济作物，种植管理复杂，在整个生产过程中，除打顶、采收环节外，已基本实现全程机械化[1-2]。棉花打顶是棉花生产的关键技术，近年来备受关注，棉花高度仿形是棉花打顶的核心技术之一，仿形效果直接影响打顶效果[3-4]。

现阶段棉花高度仿形主要有非接触式、接触式2种形式。非接触式主要有利用超声波传感器技术[5]、激光传感器技术[6]、遥感技术[7]、近红外多光谱传感器及光谱分割技术[8]、机器视觉技术[9]等方法检测棉花高度进行仿形。虽然上述技术在工业领域应用比较成熟，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十分明显；接触式仿形主要有预设高度及地轮对地面仿形实现棉花高度仿形[10]、仿形板与接近开关对棉花高度仿形[11]等方法，仿形精度有待提高。

鉴于棉花打顶机特定的作业环境，上述仿形技术未能推广使用。针对上述问题本研究提出了角度传感器与仿形板相结合的方案，研制了一种基于FPGA的棉花高度仿形装置，实现了在田间复杂环境下棉花高度精准仿形，研究成果有助于研制新型棉花打顶机械，为促进棉花打顶机械化技术的推广应用提供理论依据。

1设计原理及结构

1.1设计原理

该仿形装置利用仿形板与棉花顶部接触，依靠棉花顶部对仿形板的支撑力来测量棉花的高度；仿形板随棉花的高低起伏摆动，带动角度传感器角度变化，通过角度换算出棉花实际生长高度。为便于直观表示效果，将棉花顶部简化用光滑曲线连接，其理想状态下效果图如图1所示，实线为棉花实际生长高度，虚线为棉花与仿形板接触后棉花高度，双点划线为按仿形高度打顶后的棉花高度。

该仿形装置优点是能够适应田间复杂的作业环境，结构相对简单，成本低；该研究为促进棉花打顶机械化技术的推广应用提供了理论依据。

[TPPQJ1.tif]

1.2装置结构

仿形装置结构如图2所示，主要由转轴、FPGA控制器、角度传感器、固定板、连接板、安装板、仿形板等组成。角度传感器通过螺栓安装在固定板上，传感器轴与转轴一端固定连接，转轴另一端与轴承配合相连；转轴与仿形板一端固定；安装板上开有安装孔可通过螺栓安装在打顶设备上。

工作过程中仿形板与被测棉株顶部接触，随棉花的顶部高低起伏变化，进而带动转轴旋转，角度传感器将信号传递到控制器，控制器换算出棉花高度变化值[12]。

2关键部件设计

仿形板的结构参数是该仿形装置的核心部件，直接影响高度仿形效果。为更好地确定其参数，拟通过试验对棉株受力特性进行研究，然后运用有限元虚拟仿真的方法确定仿形板材料属性及结构参数。

2.1棉株力学特性

以中棉915为研究对象，选取山东省滨州无棣机采棉基地处于打顶期内的棉花作为试验样品。棉田种植密度10.5万株/hm2，采集试样时间2015年8月2号，随机选取株高[CM（25]相差不多的棉花12株，去枝叶，测量直径及株高，标号，放[CM）]

[FK（W16][TPPQJ2.tif]

入密封袋中带回。

根据棉株在田间时根部固定、茎秆悬空这一生长特性，给棉株离地面高度为h的部位施加一水平推力F，使得棉株在水平方向上移动距离为ω，构成悬臂梁模型，如图3所示。

[FK（W13][TPPQJ3.tif]

悬臂梁的挠曲线方程为[11]

[JZ（]ω=-[SX（]Fh33EI[SX）]；[JZ）][JY]（1）

从而得出弹性模量为

[JZ（]E=-[SX（]Fh33Iω[SX）]=-[SX（]32h3F3πωd4[SX）]。[JZ）][JY]（2）

式中：E为弹性模量；I为惯性矩，kg·m2；ω为水平移动距离，m；F为水平推力，N；h为水平推力作用点离地面高度，m；d为棉株直径，m。

对所取棉株试样分3段进行测量，并且多次测量取平均值。利用游标卡尺测量棉株的直径d（精度0.02 mm）；钢板尺测量高度h及位移ω（精度1 mm）；推力通过电子数显推拉力计进行测量（精度0.01 N）。

2.2仿形板设计

仿形板结构如图4所示，整体由1块板材钣金成型。为增加接触面积及减小阻力，仿形板前端弯折成120°，工作时最低位置为前端成垂直状态，此时夹角最大，最高位置为水平，此时夹角为零。摆动范围即为棉花高度仿形范围。仿形板中间较长，且在中部对称位置开有均布的螺栓孔，可以根据实际情况增加或减少螺栓来增减仿形板质量；板材后端有少许弧度，降低对棉花顶部的损伤。

将仿形板进行简化称直线进行换算，板长L，则高度变化值Δh=Lsinθ；板长L取400 mm，仿形高度变化范围为 300 mm，Δh最大值为300 mm，此时θ最大值约为49°，宽度根据打顶设备扶禾器间距取170 mm，如图5所示。

2.3有限元仿真

2.3.1软件选用

分析软件ABAQUS，整个有限元模型的建立采用前处理软件Hypermesh完成，解算器采用Abaqus完成。

2.3.2材料设定

实地田间测量表明，绝大部分机采棉棉株高度在720～830 mm之间，棉株直径变化范围为3～20 mm。建模时为了保证模型与真实棉株的相近，取棉株高度 780 mm，棉株根部直径15 mm，棉株顶端直径4 mm，将棉株简化为线弹性材料。

根据试验所得弹性模量，拟将棉株分为3段模拟，低端为近地部分，占棉株总长度35%，取弹性模量5 200 Pa；中间段为棉株总长度的60%，取弹性模量3 200 Pa；顶部占棉秆总长度的5%，取弹性模量，1 000 Pa，整株泊松比取0.3。

仿形板导入时不设置材料属性。

2.3.3网格划分

棉株有限元模型采用实体单元（八节点六面体单元C3D8I及四节点四面体单元C3D4）模拟，直径从底部15 mm线性变化到末端直径4mm；仿形板采用壳单元模拟（四节点四边形单元S4R及三节点三角形单元S3R），具体模型见图6。

2.3.4约束、加载及结果分析

棉秆的底部为全约束，仿形板铰接中心RP-1处只保留沿z轴的旋转自由度，施加重力场，棉秆与仿形板间定义接触关系，模拟棉株顶部与仿形板的接触受力过程，进而得到棉株变形云图。通过棉株顶部与仿形板的接触试验，修改仿形板厚度及材料属性，得出各条件下的应力云图。通过对比分析，最终确定仿形板采用0.3 mm厚镀锌钢板制作。

3控制系统设计

控制系统由控制器、打顶伺服电机、升降伺服电机、速度检测传感器等组成，其中控制器是以XLINX公司的XC3S500

[FK（W13][TPPQJ6.tif]

為主控制芯片，其数据处理能力强，响应速度快；控制器设计有16路的通用输入输出接口；4路继电器输出；4路PWM输出；能够满足打顶控制系统的各项性能要求。整个控制系统软硬件由山东省农业机械科学研究院自行研制。

作业过程中仿形装置检测棉花高度，将信号输入给 FPGA 控制器；控制器启动打顶伺服电机驱动切削刀旋转工作，并根据机具前进速度控制升降伺服电机响应升降时间，从而精准的完成打顶作业。

控制原理是角度变化与电压变化相对应，+5 V电压对应90°，控制器通过电压变化计算出棉花高度变化值，实现棉株高度仿形。角度传感器选用WYH-3型角度传感器（北京通磁伟业传感技术有限公司），分辨率小于0.001°，360°可转，正弦输出，90°线性，无触点磨损，寿命长，可连续分辨。

4结果与分析

棉花高度仿形装置安装在智能精准棉花打顶机上（专利申请公布号：CN104186067A），于2015年8月7日在山东省滨州市无棣县机采棉试验场进行了田间试验（图7）[12]。

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打顶率是指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，是评价棉花打顶机的重要指标之一。田间性能试验参数如表1所示。

从表1可知，速度在3.24 km/h内时，打顶率较高，能够较好地完成打顶作业，速度增加到3.60 km/h时打顶率下降明显。利用统计分析软件SPSS，对作业速度与打顶率进行单因素方差分析（表2）可知，速度P=0.001<0.01，差异极显著，即速度是影响该机具打顶率的一个重要因素，进而表明作业速度对本研究设计的仿形装置影响明显。

5结论及建议

试验结果表明，本研究提出的仿形板与角度传感器相结合的的方案切实可行，该研究为促进棉花打顶机械化技术的推广应用提供了理论依据。对试验结果进行了统计分析，确定了作业速度是影响打顶率极为重要的因素，也是影响仿形装置的性能的主要因素。对打顶期内的棉花弹性模量的测定，应采用更加先进的技术手段；在作业速度适应方面，应该进行多因素试验，对该仿形装置进一步优化设计。

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