激光平地机自动调平控制系统的研制

2017-07-13杨青丰尚业华刘思雨

安徽农业科学 2017年34期

杨青丰尚业华刘思雨

摘要现有的激光平地机对平地铲只有高程控制而没有水平平衡控制。分析了当前激光平地机在不平整地面上工作的缺点，提出了一种自调平控制系统，实现激光平地机水平方向上自调平控制，改进与提高其平整精度和效率。当激光平地机在斜坡上工作时，使用该系统可自动保持农具平衡。实时倾角通过固定机具中心的倾角传感器获得，控制器将根据实时倾角来驱动电磁阀，控制油缸动作，使得机具实现自调平控制；同时对其进行静态试验和动态试验，通过数据分析，发现该系统能有效提高土地作业的稳定性。最终得出该系统相对于常规的激光平地机地块平整前后的绝对改善度提高了50.0%，相对改善度提高了18.6%，土地误差水平小于1.0%。

关键词激光平地机；自动调平控制；倾斜角；稳定性

中图分类号 S129；O311.1 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2017）34-0218-04

Abstract The problem of attitude control of the ground shovel must be solved，that is to maintain the horizontal balance control.As the existing trailing laser graders have only height control of the ground shovel without horizontal balance control.This article analyzes the shortcomings of the current laser graders working on uneven ground，a selfleveling control system to realize the selfleveling control in the horizontal direction of the laser grader，to improve its leveling accuracy and efficiency.When the laser grader works on a slope，the system automatically maintains the balance of the farm.The real dip is obtained by means of a fixed tool center gyroscope sensor，while the controller will drive the solenoid valve according to the real angle.So that elevation and level control at the same time，and its measurement accuracy of static and dynamic test and analysis，effectively improve the stability of land operations.Making the land area before and after the absolute improvement of 50.0%，relative improvement increased by 18.6%，land error level of less than 1.0%.

Key words Laser leveling machine； Selfbalancing adjustment control； Angle of inclination； Stability

激光平地机作为农业科技新产品，它融合了激光技术和液压技术，越来越广泛地应用于我国的平地作业中。该技术可有效地提高土地平整度，提高用水灌溉率，是当前主流推广的节水技术之一。目前，大多激光平地机都基本上能够实现平地铲高度方向上的控制即高程控制[1-5]，但水平方向上的左右平衡控制研究较少。往往实际作业中，由于土地地块的大小不一、坡度较大、高低起伏等因素，容易导致拖拉机左右轮水平落差较大，使得拖拉机机身倾斜，带动平地机具左右摇摆，在水平方向上不能始终保持平衡，使得土地作业质量达不到规定的要求[6]。激光平地机在水田平整作业时，水田激光平地系统只能控制高程，而不能保证水平平衡控制，作业后的田面平整度达不到南方水稻等作物的种植要求[7-9]。激光平地机在旱地进行平地作业时，会遇到地面局部坡度较大的情况，在斜坡上平地铲不能保持水平平衡状态，从而铲出各种斜坡，不符合土地精细平整作业的要求。在此情况下，笔者使用了倾角传感器，来实时采集平地铲作业时产生的倾角，并通过调节油缸来使平地铲始终保持水平，大大提高了土地的平整情况[10]。

在精准农业的要求中，提高土地平整作业质量是不可或缺的。李庆等[9]设计了一种配置阻尼油结构的倾角传感器的水田激光平地机；赵祚喜等[8，11-14]设计了基于MEMS惯性传感器融合算法的水田激光平地机控制系统，该控制系统在南方水田平地作业中得到了广泛的应用，同时也取得了良好的效益。但MEMS惯性传感器融合算法[8]仍然不是很准确，并且容易受到高程控制系统和水平液压油缸调节的影响[14]，使得二者不能同时进行。传感器系统往往直接安装在平地铲上，安装较困难，振动性大，实际操作还是不理想。因此，为了提高平地作业质量，实现激光平地机水平方向上自调平控制，笔者采用了主流的现代自动化控制技术和传感器技术，设计了一种通用型激光平地机自动调平控制系统。节流阀的使用和双缸控制代替三点悬挂的新液压结构大大提高了其稳定性，满足土地精准作業的要求。

1 系统设计

该研究设计的带自调平控制系统的激光平地机主要由激光发射器、激光接收器、控制器、倾角传感器、液压系统和平地铲等组成。主要工作原理是：激光发射器、激光接收器将平地机铲位置与地面高程的状态信息传递给控制器（高程控制）；与此同时姿态传感器会将平地铲的水平姿态程度和它自身的倾斜程度实时反馈给控制器（水平控制）；控制器接收到这两路信号，通过三位四通电磁阀直接控制液压系统，实现平地铲的水平和高程升降同时控制。该高程控制和水平控制合二为一的控制系统总体设计图如图1所示。

1.1 液压系统设计

该研究采用液压双缸直连机具结构替代了传统的悬挂提升杆结构，使得平地机具平地范围更大，平地效果更加明显。同时使用了节流阀控制油液流量，使得平地铲升降调节速度可控，避免了平地过程中机具骤升骤降的情形，提高了系统的稳定性和土地的作业质量。该液压系统主要是通过控制阀来改变油液的流向和流量，从而驱动油缸的伸缩。由于该研究的油缸与平地铲是直接相连的，所以能直接控制平地铲的提升和下降。故设计的液压系统能够满足平地铲机械左右提升和下降的动作需求，实现了农田土地的精细平整。该研究设计的液压系统包括泵源、溢流阀、节流阀、压力表、液压缸、电磁阀组和液压管路等其他液压原件构成，该液压系统的原理图如图2所示。

液压系统的工作原理是：在平整土地的过程中，当平地铲比水平基准平面高时，三位四通电磁阀的左边电磁铁通电，泵源流出的油液从活塞式液压缸右边进入有杆腔，使得平地铲执行下降操作；当平地铲比水平基准平面低时，换向阀的右边电磁铁加电，泵源输出的油液从左边进入液压缸的无杆腔，使得平地铲执行抬升操作；当平地铲和水平基准平面相持平时，电磁换向阀将处于中位，平地铲则保持原高度继续平地。在此过程中节流阀的使用使得平地铲的上升下降快慢速度可调，大大提高了其平稳性。经实验证明，该设计的液压系统能满足平地铲自动调平时各种姿态的要求，能够满足农田土地精细平整的作业要求。液压双缸直连机具结构实物图如图3所示。

1.2 电控系统设计

目前，激光平地机电控系统的高程控制技术已相当成熟，而该研究开发的控制器能够使高程控制与水平控制同时进行，使得无论在什么路况下，平地铲都能够始终保持水平。该研究开发的控制器不仅能接收两路信号：激光接收器的信号和姿态传感器的信号；同时还能输出两路用于阀控的信号；设计的应用拨挡开关还具有实现2种控制功能（自动和手动）。根据控制器的功能需要，该研究采用了STCl2C5A60S2型单片机作为控制器的主控芯片，分别设计了控制器输入信号的调理电路和输出信号的控制电路，经实验证明，该激光控制器的电路设计能切实满足需要。

当激光平地机的控制器开关调至自动开关时，在此工作状态下，角度传感器将实时测量出平地機平地铲的倾斜角倾斜情况，并即时上传给控制器，控制器发出相对应的控制信号，控制三位四通电磁阀驱动液压缸的活塞杆伸出或缩回，从而对平地铲的一端进行上升或者下降的姿态调节，使得平地铲始终保持水平平衡状态，向前方运行。然后，激光接收器通过接收水平激光发射器所发出的水平基准信号，检测出平地铲的位置是否与激光基准平面有所偏差，与此同时，将该位置偏差信号转变为电信号，传递至控制器中的单片机中；单片机接收到该电信号后，会发送相应的指令对平地铲的高程进行调节，使得平地铲的整个高度能够在低于激光基准面时进行提升操作，在高于激光基准面时进行降低操作，从而确保平地铲的铲刀始终能平行于标定的基准平面上。该控制器的实物图如图4所示。

2 实验验证与分析

2.1 传感器性能测试

为了验证平地铲自调平状态下各种姿态调节的情形，分别设计了静态实验和动态实验来检验传感器调节的稳定性和准确性，实验过程中使用了德国SBG测姿传感器实时采集姿态角。采集静态数据，需统计出倾角的算术平均值、最大值和最小值。观察姿态角随时间的变化，偏差越小则说明其越稳定，变化数值越低则说明该系统调节的性能就越好。其静态姿态角随时间分布图如5所示。

图5中的横轴为采样时间，采样时间间隔为0.1 s，纵轴为姿态角的测量值。统计的静态姿态角数据最大值、最小值以及算数平均值分别为0.125°、-0.101°、0.003°。

动态实验也是通过姿态角数据的改变情况来实时反映系统的调节性能。动态实验在北京小汤山实验基地进行。

在自制土坡上分别进行南向和北向激光平地机平地实验，共进行了16次。表1记录了姿态传感器输出频率为10 Hz、滤波系数为0.1的姿态角数据和角速度的情况，表2记录了姿态传感器输出频率20 Hz、滤波系数0.1的姿态角数据和角速度的情况。

通过实验数据的记录和分析，得出了不同频率下动态试验倾角瞬时调节最大度数可达8.65°（10 Hz））和10.33°（20 Hz）。因此可得出结论：频率越高，调节越快，调节度数的曲线越平缓。

2.2 平地情况分析

农田平整度可作为衡量田里地形起伏程度变化状况的指标之一，通过它可以很直观地反映出农田地面的平整情况。通常用农田内各处地面的相对高程到标定的拟合面垂直距离的标准偏差值（Sd）来表示[15]。Sd的值越小，表明农田地块表面的平整度就越好，地面的起伏则越不明显；Sd的值越大，说明农田地块表面则越不平整，地面的起伏则越明显。设拟合的平面方程为Z=PX+QY+D，那么各插值到拟合面的垂直距离计算公式如下：

表3通过对比常规激光平地机和带自调平控制系统的激光平地机整地情况，分别比较记录它们各自在田间平整地块时标准偏差值Sd，计算出土地平整的绝对改善度和相对改善度。其中，绝对改善度的值是平地前后地块Sd的差值，它是用来衡量地面平整状况改善的绝对幅度；相对改善度的值则是绝对改善度与平地前地块Sd的比值，它反映了地面平整状况改善的相对程度。该研究选取的实验基地为北京小汤山实验基地，此次作业地块面积为2 hm2。

根据实际测试情况，从记录的数据中可以得出该系统相对于常规的激光平地机地块平整前后的绝对改善度提高了50.0%，相对改善度提高了18.6%，土地误差水平小于1.0%。

3 结论

（1）该系统不但具有高程调节控制且能够实现机具水平自动调平控制，使得激光平地作业的精度提高，实现了精准农业高精准高效率的要求。

（2）该研究采用液压双缸直连机具结构替代了传统的悬挂提升杆结构，扩大了平地范围，提高了平地质量。节流阀的使用提高了平地铲升降的稳定性，而稳定性的研究则为平地效果指标开创了一个新的方向。

（3）根据实际测试情况，该系统相对于常规的激光平地机地块平整前后的绝对改善度提高了50.0%，相对改善度提高了18.6%，土地误差水平小于1.0%。

参考文献

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[6] 李庆，赵祚喜，王在满，等.水田激光平地机工作原理的研究与应用[J].农业装备与车辆工程，2013，51（9）：10-12.