棉花打顶机自动对行装置设计与试验

张晋国 郑 超 赵 金 张瑞星 赵西哲 李峰涛

(1.河北农业大学机电工程学院， 保定 071001； 2.河北省棉花产业协同创新中心， 保定 071001；3.石家庄学院机电学院， 石家庄 050031； 4.河北双天机械制造有限公司， 定州 073000)

0 引言

棉花具有无限生长的习性，其顶端优势尤为明显，棉花顶端的无限生长将消耗果枝的营养，导致棉花产量降低[1-2]。因此需通过摘除顶心来提高产量。棉花打顶方式可分为：人工打顶、化学打顶和机械打顶[3-4]。人工打顶费时、费力，化学打顶和机械打顶可大幅度提高打顶效率，将逐渐取代人工打顶[5-8]。

研究发现，打顶时除切除顶尖外还需切除最高侧枝，虽然最高侧枝也会结桃，但结桃能力远低于下面的果枝[9]。相关学者设计了同时切除顶尖与最高侧枝的打顶机，但并未涉及自动对行问题[10-11]，再加上导航播种技术尚未完全普及，使人工对行播种行距不一，棉株偏行时打顶效果差[12-13]。为此，本文设计一款同时切除顶尖与最高侧枝的高地隙底盘棉花打顶机，并融入智能控制技术，设计自动对行装置，以期提高打顶机的作业质量。

1 总体设计

1.1 打顶刀仿形布置

为适应棉花全程机械化，机采棉品种果枝短不易缠绕，大多采用76 cm等行距单行种植，种植密度4.5株/m2以上，株距24～30 cm[14-16]。

对打顶时期机采棉品种实测，如图1所示，机采棉品种相对于手采棉品种，其最低侧枝距地面较高，平均高度可达23 cm，棉株底部主茎秆偏离中心线长度在0～15 cm。

若要切除顶尖和两侧最高侧枝，本文设计3片刀片同时工作，中间刀片切除顶尖，两侧刀片切除最高侧枝。生长笔直的棉株通过检测机构获取底部主茎秆位置后对行打顶，打顶效果如图2a所示，若未对行，则可能会造成侧枝漏打或过打，如图2b所示。但部分棉株生长不是笔直的，顶尖与底部主茎秆存在偏差，实测发现该偏差多在15 cm内。设计刀片长度为30 cm，对行系统使刀片对准主茎秆后，打顶效果如图2c所示，其效果虽不如图2a，但相对图2d，自动对行系统对提高打顶质量有很大帮助。

1.2 整机结构与原理

1.2.1整机结构

结构如图3所示，主要包括主枝打顶机构、侧枝打顶机构、升降机构、对行机构和检测机构。整机通过悬挂机构安装于驱动底盘后端，主枝打顶机构两侧固定连接侧枝打顶机构，两打顶机构连接对行机构，检测机构安装在打顶机下方。

1.2.2工作原理

本机通过四点悬挂的方式与驱动底盘连接。工作时，直流电机通电带动刀片工作；通过控制升降机构中步进电机调节打顶高度；检测机构获取棉株位置信息，通过控制对行机构中滑块横向移动，进而带动主枝打顶机构和侧枝打顶机构移动实现对行打顶。

1.2.3打顶机主要技术参数

主要技术参数如表1所示。

表1 主要部件性能参数

2 关键部件设计

2.1 检测机构

2.1.1结构设计

检测机构如图4所示，棉株底部主茎秆一侧偏移，则带动该侧检测机构的检测杆摆动，进而主轴与角度传感器转动，从而将棉株横向偏移量转换为角度变化量；当检测机构通过棉株后，则扭簧使检测杆回位。

为了避免检测杆频繁转动，导致控制信号的频繁跳变，棉株主茎秆与检测杆间留有间距。如图5所示，检测杆转动角与偏移量间的关系式为

(1)

式中β——检测杆转动角，(°)

L——棉株偏移量，mm

R——检测杆长度，mm

r——检测杆半径，mm

h——主茎秆与检测杆间距，mm

d——棉株底部主茎秆长轴，mm

结构设计上，检测杆采用半径为5 mm的钢管，即r=5 mm，检测杆转动角范围为-60°～60°。田间试验时测得轮胎下陷最大深度为5 cm，试验时将检测杆高度调节距地面15 cm。经实测得，棉株距离地面高度10～15 cm处，主茎秆平均长轴d=20 mm；同行棉株小偏移量多为0～3 cm，即h=30 mm；由上文得L多为0～15 cm。由式(1)可看出L与β为正比关系，设计选取β=60°，L=15 cm时，代入式(1)得R≥25 cm，由于棉花种植行距为76 cm，且棉株最大偏离为15 cm，则R≤61 cm，设计取R=450 mm。则式(1)可简化为

L=450(1-cosβ)+15

田间作业环境复杂，难免出现杂草等干扰，但杂草硬度比棉株茎秆小很多，为避免干扰，需控制扭簧扭矩，使得只有棉株茎秆才可带动检测杆转动。本设计选用线径2 mm、圈数9的扭簧，通过田间试验发现，该扭簧不受杂草干扰。

2.1.2运动仿真

在三维设计软件中绘制实体模型后导成x-t格式，并在动力学软件RecurDyn中模拟检测机构运动轨迹[17-18]。在软件中将实体模型简化，添加移动副、转动副和接触实现检测机构的运动仿真模拟，如图6所示。

经求解可得检测杆的运动轨迹，接触棉株后，检测杆与前进方向夹角逐渐减小，直至完全通过棉株后，扭簧扭力将检测杆复位。因此检测杆经过棉株后，其与前进方向夹角变化曲线会产生一个极小值点。通过在仿真环境中设置3棵棉株，其夹角变化曲线出现了3个极小值点，如图7所示。因此可通过读取角度传感器输出模拟量变化曲线的极值点得出棉株横向偏移量。

2.2 对行机构

对行机构如图8所示，具体机构及原理如下：步进电机转动，通过联轴器带动丝杠转动；丝杠与螺母螺纹连接，则丝杠转动带动螺母移动，螺母与滑块固定连接，滑块与主枝打顶机构和侧枝打顶机构固定连接，从而带动两打顶机构移动实现精确打顶。

棉花种植株距小、偏行量大、步进电机转速有限，为保证滑块能及时移动至棉株位置，工作时，同行相邻的3棵棉株中，控制器程序读取中间棉株的位置信息，但步进电机不执行该棵棉株位置偏差运动。

采用5点梅花法[19]，实测得棉花株距为24～30 cm，棉株单侧偏行量多为0～15 cm。驱动底盘工作速度为1～1.5 km/h，丝杠总长度需大于34 cm，导程为5～20 mm。电机转速计算式为

(2)

式中S——株距，m

v——底盘速度，m/s

D——滑块移动量，m

t——丝杠导程，m

n——电机转速，r/min

为保证滑块能反应及时，则电机转速应取最大值，则变量Smin=24 cm，vmax=1.5 km/h，Dmax=30 cm。丝杠长度选取36 cm，导程t取最大值2 cm，则通过式(2)得nmax=781 r/min，设计取n=800 r/min，作为电机的工作转速。

3 控制系统设计

3.1 系统方案

系统结构框图如图9所示，检测机构获取棉株位置信息，将棉株偏移量转换为角度传至角度传感器。控制器获取角度信息，并分析处理后输出步进电机的控制信号，进而控制丝杠转动。编码器检测丝杠转速反馈至电机驱动器。光电传感器对滑块进行限位，报警器用于提醒驾驶员驾驶偏行量是否过大，并通过人机交互界面显示偏行方向。

3.2 硬件选型与设计

3.2.1角度传感器

为保证采集精度，检测模块采用GT-C型角度传感器，分辨率4 096位(12位)。

3.2.2光电传感器

由于丝杠的长度有限，则滑块两侧移动量有限。理想环境下，若底盘按导航直线行走，则滑块两侧可移动量大于棉株两侧最大偏移量，但人工驾驶无法走出理想直线[12]。若底盘单侧偏移，则可能会造成另一侧检测杆转动角度过大，此时滑块移动量将超过丝杠导程，硬件系统将会损坏。为此需设计报警系统提醒驾驶员驾驶偏行量是否过大。此外棉株无偏行时，滑块需回零，则每行都需3个限位传感器。在滑块顶部中心处安装挡光片，可通过检测挡光片确定滑块位置，因此槽型光电传感器与挡光片较匹配，本系统选用EE-SX672-WR型槽型光电传感器，安装实物如图10所示。

3.2.3驱动电机

本系统选用86系列闭环步进电机作为对行执行部件。驱动器的选取需要与步进电机配套，则选取ZDM-2HA860型驱动器[20]。

3.2.4触摸屏

选用速控云(上海)智能科技有限公司的HC-Suk8070型触摸屏作为控制系统的人机交互界面[21-22]。

3.2.5控制器

PLC需完成对模拟信号和开关信号的采集，并输出开关信号和脉冲控制执行部件工作，通过串口通讯与触摸屏连接。PLC具体型号依据系统架构、I/O 端口数、参考精度和经济性进行选择[23]。为满足系统自动对行需求，选择三菱FX2N-32MT PLC。

3.2.6高度升降模块

打顶时期棉株高度为80～110 cm，若打顶高度固定，则会造成过打或漏打现象，不同打顶高度会对产量带来影响[24-25]，为此需将打顶高度设为可调。本系统中利用脉冲发生器控制步进电机，遥控装置控制脉冲发生器的启/停和正/反。遥控装置选用TAD-T70P四路智能无线遥控开关。脉冲发生器型号为CS10-3，可控制步进电机和伺服电机。

3.2.7硬件电路

硬件电路如图11所示，PLC作为从机，需由上位机控制，通过RS-485远程遥控网关实现从机与上位主机的通讯。

3.3 软件设计

3.3.1控制策略

编程环境中，使用PLSY指令控制步进电机，使用该指令需计算脉冲频率

(3)

式中P——输出脉冲频率，Hz

θ——电机固有步距角，(°)

m——细分数，取8

由式(2)计算得出步进电机工作转速为800 r/min，依据式(3)可得输出脉冲频率为21 333 Hz，控制程序如图12所示。

虽然机采棉品种最低侧枝平均高度可达23 cm，但棉株生长不一，难免有侧枝高度低于检测杆。若两侧侧枝高度相近，且均低于检测机构，如图13a所示，则对比两侧检测杆转动量，判定主茎秆偏离中心线方向为转动角度较大的检测杆一侧，偏离量估算为大角度检测杆量减小角度检测杆量后的一半。若仅单侧侧枝高度低于检测杆，如图13b所示，则难以与主茎秆进行区分，但通过对打顶时期4行棉株实测发现，侧枝茎秆高度低于15 cm(检测杆高度)的棉株中，多数与图13a类似，两侧侧枝高度相近，单侧侧枝高度低于检测杆的棉株数仅占低侧枝样本的10%，因此可对该部分误差忽略。

滑块移动程序流程图如图14所示，工作时，首先需判断是否有偏行棉株，若两侧偏行，则直接结束；若单侧偏行，则判断偏行方向。第1次对行结束后，对行程序要记录第1次棉株的偏行方向以及偏行量D1。检测到下棵偏行棉株时，需将该次偏行方向与上次对比，若偏行方向相同，则将该次偏行量与上次对比；若偏行方向不同，滑块先回零，再执行该次偏行运动。该次对行工作结束后，去除上次棉株偏行信息，记录该次偏行信息。

为防止驾驶偏行过大，需设报警程序，全程监测滑块位置信息，并通过人机交互界面实时显示。报警程序流程图如图15所示，滑块运动至一侧光电传感器，即令滑块停止运动并判断滑块位置，判断结束后控制报警器报警，并将滑块位置信息传至人机交互界面，从而提醒工作人员调节前进方向。

3.3.2人机交互界面

通过在HMI组态软件中添加PLC的I/O通道，进而将PLC采集到的工作数据传输至触摸屏中。依据自动对行棉花打顶机的监控需求，人机交互界面设计如图16所示，在主控制界面中，用户可完成对打顶高度的调节和程序的切换；实时显示棉株偏行量和滑块位置。驾驶人员可通过人机交互界面判断驾驶是否有单侧偏行过大的现象，尽量使底盘走出理想直线。

3.3.3通讯协议

本系统中从站打顶机与监控终端主站之间基于Modbus通过RS-485无线网关通讯传输数据。终端主站通过组态程序经RS-232通讯与上位机触摸屏连接，显示此时棉株横向偏移方向与偏移量，通讯协议如图17所示。

通过触摸屏配套的手机APP:HMI Smart，实现手机界面与触摸屏界面同步显示并控制。

PLC主站与触摸屏之间采用比特率9 600，数据位7，停止位1，偶校验(EVEN)的RS-232通讯。PLC主站与PLC从站之间采用比特率9 600，数据位8，停止位1，无校验(N)的RS-485通讯。主站通讯模块设定为服务器，从站通讯模块设定为客户端，并启用相同监听端口，即可实现远程RS-485通讯。

4 田间试验

2020年12月在河北农业大学三分场棉花试验地进行了试验，如图18所示。试验地行距为76 cm，平均株距为24 cm。为了方便观察打顶机对行系统的对行效果，试验前人工将棉株顶部切除，只留距地面10～20 cm的主茎秆。此外，在打顶机中间刀片顶部固定安装滴水装置，以便于追寻打顶装置的行走轨迹。

使用自动对行系统行走4行。停止自动对行，在人工对行下行走4行。自动对行下，滴水装置滴出褐色水；人工对行下，滴水装置滴出蓝色水。打顶速度设定为1～1.5 km/h，在自动对行与人工对行试验结束之后，分别测其每行的平均偏行量，如图19所示。定义水滴在打顶机前进方向左侧为左偏行，在打顶机前进方向右侧为右偏行。由上述可知，同行棉株最小偏移量多为0～3 cm，因此棉株左右两侧3 cm内的水滴定义为无偏行，试验结果如表2所示。

表2 打顶试验结果

经过试验统计，人工对行工作4行平均偏行量为14.27 cm，无偏行率为5.00%。而自动对行工作4行平均左偏量为5.10 cm，平均右偏量为7.29 cm，平均偏行量为6.19 cm，无偏行率为18.75%。通过对比可以看出采用自动对行技术后，平均偏行量减小了8.08 cm，同比降低56.62%，无偏行率提高了275%。由此可以看出设计的自动对行打顶机相对于非对行棉花打顶机能够提高打顶工作的质量。

5 结论

(1)设计的自动对行装置由检测机构、对行机构、电机控制系统、电子控制系统和控制软件组成。检测机构将棉株横向偏量转换为角度变化量传至控制系统，电机控制系统控制对行机构执行对行指令。打顶过程中通过人机交互界面对控制系统进行实时监测，以提高驾驶直线度。

(2)为避免侧枝干扰，控制系统对两侧低侧枝情况采用位置信息对比方法获取主茎秆位置；对单侧低侧枝情况按原程序执行，田间实测表明该误差可忽略。试验表明，相对于人工对行，自动对行平均偏行量减小了8.08 cm，同比降低56.62%，无偏行率同比提高275%，提高了打顶作业质量和种植户的经济效益。