基于VR技术的旋耕埋草机功率检测研究

梁俊娟，李巧君

(河南工业职业技术学院，河南 南阳 473000)

0 引言

为了对农业生产过程中产生的秸秆进行处理、改善土壤结构及提升农作物的作业质量，旋耕埋草机械被广泛地应用在农作物的耕种作业过程中。旋耕埋草机在作业过程中功率消耗较大，在其结构优化设计过程中首先应该考虑功率问题。旋耕埋草机的功率采集较为麻烦，如果采用一种虚拟仪器可以集数据采集与仿真模拟为一体，可以大大提高旋耕埋草机的设计效率。虚拟仪器技术是在PC技术的基础上发展起来的，完全“继承”了以现成即用的PC技术为主导的最新商业技术的优点，包括功能超卓的处理器和文件I/O。其在采集数据后可以同时进行复杂的分析，且随着互联网技术的发展，虚拟仪器可以和外网链接，实现远程控制。本研究将虚拟仿真仪器使用在旋耕埋草机的功率虚拟检测过程中，从而实现功率数据的采集和处理及仿真模拟，有效地提高了功率的检测效率。

1 旋耕埋草机及其功率虚拟检测技术

旋耕机械从出现到现在已经有100多年的时间，最初是在美国和英国出现的，主要用于庭园的耕作。在L型旋耕刀出现后，旋耕机械被应用到了大田作业。日本从欧洲引入该型机械后，通过改造研制出了弯型旋耕刀具，从而有效地避免了旋耕刀和草的缠绕问题，使旋耕机得到了迅速得到发展。在我国，驱动型的耕作机械主要是旋耕机，自20世纪90年代以来，我国又研制了一些新的复式旋耕作业产品，并投放到市场，在水稻生产、蔬菜种植和旱地灭茬方面都得到了广泛的应用。

虚拟仪器是由美国的NI公司提出来的，利用计算机的软件和硬件设备可以创建很多现实中的仪器，使用者在操作计算机上的仪器时可以像操作现实的电子仪器一样。虚拟仪器是测控技术和计算机技术相集合的产物，其软件设计部分是关键，功能可以根据用户的需求来定。本研究主要是利用虚拟仪器的功率检测功能对旋耕埋草机进行优化设计。虚拟仪器除了进行虚拟仿真外，还可以与网络进行连接，也可以采集现实设备的信息。系统框架如图1所示。

图1 虚拟仪器系统总体框架Fig.1 The general framework of virtual instrument system

虚拟仪器在被NI公司提出时，还同时提出了虚拟仪器的开发平台，即LabVIEW。该平台对硬件有非常强大的访问能力，可以利用简单的编程界面集成开发各种虚拟仪器功能。同C语言等编程软件一样，LabVIEW也是一个程序开发平台，但该平台采用了基于图形的程序设计语言，带有自己的函数库和过程库。因此，除了可以进行一般的程序设计之外，还具有较强的数据获取能力，尤其是在GPIB和串行仪器控制上。因此，本次设计的旋耕埋草机的虚拟仪器部分主要采用LabVIEW软件来完成。

2 基于VR虚拟现实的旋耕埋草机功率测试仪器设计

在旋耕埋草机作业过程中，可以将采集到的电流和电压值输入到虚拟仪器中，在线实时显示埋草机的功率。信号的获取有两种方式：一种是直接采集旋耕埋草机的，一种是利用信号发生器产生。在实验时，可以采用第1种方式；在功率优化过程中，可以采取第2种方式。功率虚拟测试仪器由3个部分组成，包括相位分析部分、功率分析部分和选择部分。总体框架如图2所示。

图2 功率虚拟测试仪器总体设计框架Fig.2 The overall design framework for power virtual testing instruments

将采集得到的旋耕埋草机的电压和电流信号虚拟仪器的计算处理部分，然后通过计算视在功率和有效值等得到有功功功率。在总体设计框架中，选择部分包括信号发生器和数据采集部分。设计流程如图3所示。

采用LabVIEW设计的虚拟仪器，不仅可以完成电流和电压等数据的采集，还可以对数据进行即时的处理，从而在线现实功率数据测试。除了完成功率分析，还可以采用信号发生器对功率进行仿真模拟，采用LabVIEW软件设计的旋耕埋草机虚拟功率分析仪界面如图4所示。

虚拟功率分析仪器一个重要的功能就是输入采样电流，利用LabVIEW的可视化显示功能，可以显示采样电流，如图5所示。

图3 旋耕埋草机功率虚拟测试仪器设计流程Fig.3 The design flow of power virtual test instrument for rotary tillage grasses

图4 旋耕埋草机虚拟功率分析仪器设计界面Fig.4 The design interface of power virtual test instrument for rotary tillage grasses

图5 采样电流显示Fig.5 Sampling current display

通过采样电流的显示可以检查采样是否准确，将输入的采样电流传输到计算部分，便可以进行功率的核算。在进行功率优化时，为了提高设计效率，可采用信号发生器直接生成电流和电压信号，如图6所示。

图6 信号发生器Fig.6 Signal generator

采用信号发生器可以直接产生电流信号，同理电压信号也可以采用这种方式生成。电流的有效值和有功功率都可以采用公式计算的方法进行核算，然后将其以编程的方式嵌入到界面中。其中，电压和电流有效值的计算公式为

(1)

这里可以采用采集电压和电流信号周期波形的均方根来表示电流电压有效值，进而求出视在功率，然后根据功率因数乘以视在功率求得总功率。采用LabVIEW设计的功率计算界面如图7所示。

图7 旋耕埋草机功率核算分析界面Fig.7 The power calculation and analysis interface of rotary tillage grasses

在进行功率计算时，除了自动计算得到功率外，还可以采用手动输入的方式，将功率因数根据电流电压幅值与初始相位运行程序后得出，将其手动输入到界面中便可以进行有功功率的核算。

3 基于VR虚拟仪器的旋耕埋草机功率测试

为了研究旋耕埋草机的功率问题，优化其作业时的性能，采用实验和虚拟仪器相结合的方法对机器的性能和功率问题进行了测试。旋耕埋草机是农业耕种作业最常用的机械之一，结构如图8所示。

图8 旋耕埋草机结构示意图Fig.8 The structure schematic diagram of rotary tillage grasses

为了验证方案的可行性，以最简单的旋耕埋草机为例，对旋耕埋草机的功率进行检测。首先确定试验条件，试验场地选择在较为开阔的耕种作业农田里。试验田主要参数如表1所示。

表1 试验田参数Table 1 The experimental field parameters

在试验过程中，主要考虑了待埋草高度、待埋草密度、泥脚深度、土壤平均坚实度和水层深度等，首先对旋耕埋草机的作业性能进行了测试，以保证其能正常作业。

旋耕埋草机作业性能测试如表2所示。为了保证旋耕埋草机能够正常作业，对埋草覆盖率、耕深和耕宽稳定系数和行驶速度等项目进行了测算。结果表明：各项指标均满足设计要求，可以进行合理的功率测量。

表2 旋耕埋草机作业性能测试Table 2 The performance test of rotary tillage grasses

续表2

试验功率测试和虚拟仪器功率测试如表3所示。将旋耕埋草机的作业参数转换为虚拟仪器的一些关键系数，采用虚拟仪器对功率进行了测算，并将其和实际功率仪器上的采集功率进行了对比。结果表明：采用虚拟仪器得到的功率和实际功率相吻合，从而验证了方案的可行性。

表3 试验功率测试和虚拟仪器功率测试Table 3 The experimental power test and the power test of virtual instrument kW

4 结论

为了实现旋耕埋草机功率的准确和快速测量，将VR虚拟现实技术引入到了功率测量系统的设计过程中，并结合LabVIEW软件设计了虚拟仪器测量平台，通过测量旋耕埋草机的有效电流和电压等参数，实现了有功功率的测量。对功率虚拟测量平台的可行性进行了测试，结果表明：采用虚拟仪器对旋耕埋草机检测得到的功率和功率采集仪采集的数据差距不大。由此验证了该方案的可行性，对农机智能测量仪器研究具有重要的现实意义。