水田打浆机水平控制器设计与试验

张震 臧克江 王冬 孙悦

摘要：针对现有水田打浆机水平控制系统在耕作时机械的倾斜和振动会导致耕整后的地表平整精度低、可控性差等问题，设计了以STM32为主控芯片的平地系统控制器。为了消除振动对控制效果的影响，设计了基于限幅递推平均滤波的PID算法并进行试验研究，试验结果证明，限幅递推平均滤波对倾角数据处理有效地抑制了系统干扰和机具振动干扰;再此之后并进行了田间试验以证明本设计的水平控制系统明显比现有的平地系统耕整后的田间土壤起伏波动小，以期达到较好的控制效果。

关键词：水田打浆机;水平控制器;控制系统;滤波器;限幅递推平均滤波;PID算法;水田表面高程

中图分类号： S222.5+1文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2020）04-0235-05

收稿日期：2018-11-26

基金项目：佳木斯大学学生科技创新创业项目（编号：X2YF2018-15）。

作者简介：张 震（1994—），男，黑龙江齐齐哈尔人，硕士研究生，主要从事机械工程、液气压传动与控制技术研究。E-mail：1458516851@qq.com。

通信作者：臧克江，博士，教授，硕士研究生导师，主要从事液气压传动与控制技术、现代设计方法、机械设计制造及自动化教学与研究。E-mail：kjzang@163.com。

随着自动控制技术的发展，农业自动化程度越来越高，水田地面平整机的控制系统亦多样化发展[1]。打浆机作为平地方式的一种，采用先打浆再通过平地装置将泥浆抹平的方式平整水田地面，以其成本低、效率高的特点被广泛使用。李明金设计了水田打浆平地机[2];余水生设计了水田高茬秸秆还田耕整机[3];陈鑫研究了小型水田耕耙平地机等传统平地机具，发现在耕作时无法根据田间复杂的地形状况，对机具进行实时调整，平整精度有限[4]。为了提高水田的平整精度，万松等设计了基于传感技术的水田旋耕机平地系统[5];胡炼等设计了农机具自动调平控制系统[6]。之后又出现了激光平地技术，胡炼等设计了三点悬挂式1PJ-4.0型水田激光平地机[7];苏焱等设计了JGP-2500型激光平地机[8]，试验结果表明，能有效提高田面平整精度。但经研究，传统平地机械虽造价便宜，但平整精度有限;现有的自动调平控制系统虽能满足水稻种植的农艺要求，但是不能达到高精度调平。而激光平整精度虽然高但配套设备多且造价昂贵，不宜推广使用。为了提高打浆机作业质量，实现打浆机自动调平控制，本研究设计了以STM32为主控芯片控制器，并采用了限幅递推平均滤波的PID算法满足平地要求。

1 水田打浆机水平控制器设计

1.1 硬件系统设计

系统硬件结构见图1。系统的硬件包括STM32主控芯片、SST810倾角传感器及SD卡存储器（EEROM）等。STM32具有较高的性能和较低的动态功耗。从性能能上看，STM32 F103RCT6处理器可以作为本研究的融合算法以及控制算法的硬件实现。STM32主控芯片使用IIC总线接收来自SST810的數据并保存在SD卡存储器。其采样得到的三轴角速度和加速度计数据通过传感器信息融合测量，从而得到平地铲水平倾角;数码管用于显示当前测量角度和控制参数等，可通过按键改变显示模式和参数调整，二者组成简单的人机界面，易于调试。

1.2 滤波器设计

在倾角传感器信号采集中，拖拉机与打浆机的振动都会干扰传感器的数据采集，所以为了提高倾角传感器的倾角信号采集精度，本研究应用限幅递推平均滤波算法技术对采集到的信号进行滤波处理。本研究滤波过程是对所测量的参数进行B次采样（图3），然后再计算当前采样数据Si与前1次Si-1的差值，若超过设定的阈值A，则用前1次Si-1代替本次采样值;否则采用本次采样值Si。将采样的所有数据放进数组A[i]中，其中如果采样值个数小于M，则继续执行数据采样;否则进行数据队列移动，把队首的数据挤掉，将新采样值放在数据队尾，然后进行M个数据求均值，当N>Nmax（其中Nmax为原始数据队列长度最大值与滤波参数差值）时，则滤波结束见图2。

1.3 软件设计

主程序流程见图3。主程序是调平系统工作过程中的主要运行程序，从动态倾角传感器SST810中读取传感器角度数据，然后对数据进行限幅递推平均滤波，之后再根据倾角数据作出调节。初始化完成后，进入调节程序，调节程序是一个死循环，每个循环从读取倾角数据R开始，读取到倾角数据后判断倾角R是否为0，若倾角R为0则不须要进行调节，设置PWM波占空比为0。若倾角R不为0，则判断倾角方向，若倾角R<0，设置M1_CW为高电平;若倾角R>0，则设置倾角M1_CW为低电平。方向设置完成后，须要设置电压大小，即调节速度，由于是比例调节，因此设置PWM波占空比为Kp×R，Kp是比例调节系数。一个循环结束，开始下一个循环。

2 滤波算法试验研究

2.1 试验过程

倾角传感器信号采集中，振动干扰主要来源于正常工作的拖拉机与打浆机，试验过程中为了保证采集数据的准确，必须保证拖拉机与打浆机正常工作（但是为了采集数据方便只须将拖拉机与打浆机原地启动）。验证试验如下：（1）在打浆机上安装水平控制系统，并用平衡仪测量打浆机是否处于水平状态（通过田间试验发现，由于土地平整度与打浆机质量问题，打浆机常保持在0.15°左右，而无法保持在0°左右，所以本研究把打浆机保持在0.15°左右默认为水平状态。）;（2）开启拖拉机与打浆机，将传感器与计算机连接并采集数据（采集时间为10 s，0.05 s采集1次，共采集200次）;（3）计算机运行Matlab融合程序对采集的数据进行处理。滤波算法试验现场见图4，可以看出拖拉机与打浆机处于水平状态。

2.2 试验分析

拖拉机与打浆机正常启动原始倾角数据状态见图5，该图中的曲线是由机具处于水平状态（0.15°）时采集到的原始倾角数据绘制而成的（图中纵坐标为机具实时的倾斜角度，横坐标为采样时间）。从图5可以看出，水平状态下曲线的变化趋势以及幅值变化，如果将未滤波的数据直接用于机具调平控制，会严重影响打浆机正常工作。

融合滤波算法后的倾角数据曲线见图6（图中纵坐标为机具实时的倾斜角度，横坐标为采样时间）。原始数据曲线经过滤波处理后，曲线都变得比较平滑（未产生图4中角度大幅度跳动的情况），误差值在0.15° 附近跳动，经过试验验证，滤波算法对倾角数据处理有效地抑制了系统干扰和机具振动干扰。

3 田间试验

3.1 试验过程

3.1.1 水田准备 用圆盘耙将水田耕整1遍，然后淹水泡3 d。

3.1.2 田间试验 用全站仪测量水田的地理位置信息并记录数据;计算水田的平均高程，并以该高程作为水田平整的参考相对高程;运用现有的控制系统与打浆机配套使用进行平整水田作业;水田平整完后，利用全站仪测量平整过后水田并记录数据。然后运用本研究设计的控制系统与打浆机配套使用再进行平整水田作业;水田平整完后，利用全站仪测量平整过后水田并记录数据。

3.1.3 数据处理与分析 运用Matlab软件对试验前后采集到的数据进行处理，计算出耕整平地后田地的平整度。运用griddata（）函数的差值原理进行曲面拟合生成三维地形图，观察2次耕整平地后水田地形图的地貌起伏情况，评估平地效果。观察平整前后水田地形的变化情况，计算出平整前后水田的平均高程和平整度Sd，评估平地效果。平整度一般可采用田块内所有测点处地面相对高程的标准偏差值Sd来定量描述。

Sd=∑ni=1（hi-h）2/n-1。（1）

式中：hi为田间的第i个采样点的相对高程，cm;h为该田间相对期望高程，cm;n为田块内所有采样点的数量。

现有的控制系统平整后采样数据见表1，本研究设计的控制系统平整后采样数据见表2。其中，水田的面积为长50 m、宽30 m，采样间隔为5 m，采样点为60个。

3.2 试验分析

（根据土地实际尺寸缩小5倍）分别为现有的平地系统（图7）和本研究设计的平地系统田间试验后（图8），用Matlab对采集的数据进行曲面拟合模拟的地形。由模拟的地形图可知，本研究设计的平地系统耕整后的田面相比现有的平地系统较为平整，田面起伏波动小。由平均相对高程可知，本研究设计的平地系统比现有的平地系统减小了0.081 cm，由平整度结果分析可得现有的平地系统试验后的平整度2.52 cm（平整度不超过3 cm），本研究设计的平地系统试验后的平整度为2.13 cm，满足平整精度要求，平整度明显比现有的平地系统小，平整效果好。因此，本研究设计的平地系统耕整后的平地精度与现有的平地系统相比，有明显的提高。

4 结束语

为满足水稻种植的农艺要求，笔者设计了水田打浆机水平控制系统。通过试验可知，该系统所使用的滤波技术能有效减小振动对传感器的影响，并可通过按键改变显示模式和参数调整实现简单的人机界面。由田间试验可知，本研究设计的水平控制系统明显比现有的平地系统耕整后田间的土壤起伏波動小。但是控制系统的超调效果仍存在问题，并在田间试验时发现当农机具转弯时，调平控制系统会出现不工作状态等问题，还须进一步研究改进。

参考文献：

[1]李益农，许 迪，李福祥. 田面平整精度对畦灌性能和作物产量影响的试验研究[J]. 水利学报，2000（12）：82-87.

[2]李明金. 水田搅浆机平地装置的设计与试验研究[D]. 大庆：黑龙江八一农垦大学，2014.

[3]余水生. 水田高茬秸秆还田耕整机的研制[D]. 武汉：华中农业大学，2012.

[4]陈 鑫. 小型水田耕耙平地机关键部件设计与建模[J]. 农机使用与维修，2011（2）：23-25.

[5]万 松，陈子林，展鹏程，等. 基于传感技术的水田旋耕机平地系统的设计与试验[J]. 华中农业大学学报，2016，35（4）：129-135.

[6]胡 炼，林潮兴，罗锡文，等. 农机具自动调平控制系统设计与试验[J]. 农业工程学报，2015，31（8）：15-20.

[7]胡 炼，罗锡文，林潮兴，等. 1PJ-4.0型水田激光平地机设计与试验[J]. 农业机械学报，2014，45（4）：146-151.

[8]苏 焱，王永辉. JGP-2500型激光平地机工作机理研究[J]. 农业科技与装备，2012（6）：36-37.