深松整地作业深度检测系统的设计

白洪波 ， 胡 军

（1.黑龙江八一农垦大学工程学院，黑龙江 大庆 163319；2.延军农场有限公司延兴管理区，黑龙江 鹤岗 156109）

0 前言

农业是我国第一大产业，也是基础性产业，近年来更是成为国家重点的发展对象。随着农业技术的发展和农机装备的进步，大农机、大信息化、自动化的农业已成为目前农业发展的主要形式[1-3]。在农业机械的发展进程中，农机信息智能化装备的注入大大提高了农业机械标准化作业、标准化管理水平，减轻了农机驾驶员的工作量和工作强度，也使得农业机械标准化管理步入了新时代。农机信息智能化管理对于数字农业的发展有着强大的支撑作用，随着大数据技术的发展，传统的农机管理将更加便捷，对于农机合作社、作业车组、农机管理部门管理农机将起到强大的辅助作用，节省了大量的人力，有利于惠农强农政策的落实。国务院也在政府工作报告中强调，深松作业补助要建立在定期、专业人工抽查模式的基础上，并利用先进的信息技术手段，对深松整地全作业流程进行实时监测，确保整地检测质量及工作的效率，杜绝虚假测试检测结果[4-6]。

综上，针对当前深松作业面临的诸多问题，有计划地开展深松作业深度监测技术研究具有重要意义。为了解决以上问题，农机的信息化监管、农机深松监控系统等的应用日益增加，通过对农机的信息化监管可以使农机拥有户实时掌握农业机械的工作地点、工作状态、工作时间等信息，而农机深松监控系统的使用，则可以避免虚报作业模式及补贴面积等问题[7-9]。本文通过研究深松机的机械构造与几何尺寸，结合拖拉机深松铲的运动过程，探究了拖拉机的三点悬挂系统及其运动过程；并根据实际作业流程中深松机具的机械构造等效几何变换，寻找了深松作业深度变化和深松机械高度及角度变换间的关联，推导出有关计算公式；再通过建立模式，以检验测量方法的可行性，最后确定了深松作业深度检测手段。

1 耕深测算原理概述

农用深松机在进行田间工作时，作为动力输出的拖拉机液压系统，通过操控深松机的液压悬挂系统进而操控作业部件进行往复式升降运动[10]。拖拉机的液压悬架装置，一般根据方式和作用不同区分为全分置式、半分置式和整体式液压装置这三类。拖拉机的液压悬挂机构一般由液压系统和悬架结构组成，液压系统一般由油泵、气缸、燃油管、分电器和控制阀等装置构成。因为液态并不像固体那样能够互相挤压，因此必须先利用油泵将气缸的机械能转变为液态的内能，而后利用气缸又把液态的内能转变为发动机能量，最后再利用分电器调节液态的运动方式，从而达到间接控制油缸的动作的效果[11]。在农机深松工作过程中，油缸的操作位置始终保持着高低浮动，深松机随着地形的起伏进行作业，但因为其实际工作深度无法由拖拉机的悬架体系自行调节，所以只能通过调节深松机的起伏操作。深松机横梁相对地面的高度也可通过控制深松机的限深轮来调节[12]。

2 基于倾角传感器和超声波传感器的耕深测算方法研究

2.1 耕深测量方法

由于深松作业是在大田中进行，其作业环境较为特殊，并且日常工作中需考虑到其便利性与实用性，通过对国内众多学者对深松作业耕深监测研究的深入分析，本文采用基于传感器间接测量的方法，对耕深进行监测。通过深入研究拖拉机上液压悬吊系统的结构机理，找出在拖拉机工作过程中提升深松机，以及深松机提铲落铲过程中三点悬挂结构的运动变化规律，并对其按照作业深度所形成的数学几何模拟，再通过分析，可以得出计算方法的和式子[13-14]。深松机是一款与大马力牵引车配合使用的农业机械，一般用于广泛深度的土地耕种翻整作业。深松设备与牵引车之间使用如图1所示的连接方法，利用拖拽机下拉杆与深松机械的悬架装置相连，在作业过程中可通过调整拖拽机的下拉杆位置实现土壤深度的调整，以保证深松铲具有一定的入土倾斜度。为使前后铲的耕深一致，当深松铲入土层到达规定深度后，要保证深松机的前后深松铲在相等水平位置上。通过解析深松机构造和悬吊系数的几何模型，可以选择间接测量土地耕深方法。通过把超声波传感器装在深松机大梁上，并且在犁架内设置倾角感应器，可以通过深松机及上下水平拉杆在作业过程中的运动状况来间接地测量耕深情况。

图1 深松装置悬挂现场图

如图2所示，在深松机液压悬挂系统的连接杆上，装设了测量角度的倾角传感器2，超声波传感器4被设置在拖拉机下拉杆和深松机接头的下部。图2中深松机固定的参数有：前后深松铲中间的连接杆高度为L1；深松铲尖端与锄臂的距离为L2；深松铲尖端与深松机连接杆的距离为h；超声波传感器与土壤的距离为L3。当拖拉机牵引深松机进行作业时，可视分析对象及分析条件不同，将拖拉机下拉杆和深松铲看作共同进行圆周运动。对深松铲作业过程中的运动轨迹进行分析可得，下拉杆和深松铲的圆周运动轨迹决定了深松作业的耕深。

图2 耕深测量方法

根据几何原理，可得耕深等于h1+h2，其中运算公式如（1）和（2）中所示：

公式中h、L1、L2的值固定不变，因此本文只需求得a及L3的值即可计算出耕深。

2.2 传感器选型及卡尔曼滤波姿态解算

该项目中耕深数据的收集设备，主要是由倾角感应器和超声波传感器构成，这两个感应器可根据作业参数的不同实时更新耕深信息，为实时监测耕深信息提供了数据支撑。电源模块即供电系统，是运行传感器及设备各组成部分的能量输出装置。在传感器进行测距试验时，其内部敏感元件与地面的姿态角会发生变化，这种倾角变化产生的模拟信号和脉冲信息会经过处理后转变为数字信号输出。本项目选用的倾角感应器是MPU6050倾斜度感应器模块，此倾角传感器模块的测距稳定且测试精度高。在MPU6050倾角传感器模块的内部，设计有稳压电路并支持3.3 V/5 V的电源模块。这样的设计使其更加适用于大田深松作业，以及较为恶劣的工作环境。该模块还配置有I2C端口，客户可通过I2C端口开发底层应用。该模块内自带的数字滤波电路，能够提高传感器的准确度，有效减小噪声对测量数据的干扰。在动态条件下，该系统采用卡尔曼滤波方法检测出系统的真实状态，其准确度最大能够超过0.01°，具备高度的安全性。

姿态解算是利用姿态计算来对姿势坐标系加以修改，利用姿态矩阵I调整姿势角度（俯视角、方向角、滚转角），飞行器的状态数据将由这三种角度加以反映。设定了一个地理坐标系n系，向东为x轴，北为y轴。MPU6050的定义中b系是载体坐标系，所以将n系和b系相对的转动状态也称为b系的状态，一般采用姿态矩阵T为3×3，四元数Q=(q0，q1，q2，q3)表示这种旋转关系。那么表示状态的四要素是归一化的，方程如式（3）所示：

根据式（3）定义的信息（横滚和俯仰），结合姿态偏差6态卡尔曼滤波算法矫正得到相应估计，表明上述传感器及相应的算法适用于深松作业状态下运动或振动状态下的倾角测量。

3 总结

本文根据当前深松机械化作业技术过程中的实际情况，研究发展出了基于农机具几何模型的深松整地技术的深度测量方法，并根据深松机悬吊系统和在深松工作中的机械操作特性构建并处理了相应的几何模型，研究发展出了将传感器采集模型与深松工作机械操作原理相结合的深松工作技术深度测量方法，并导出了深度测试计算公式。