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摘 要： 摘 要: 針對小型電動葉菜收獲機(jī)工作部件速度固定導(dǎo)致的收獲機(jī)適應(yīng)性差、能耗大、收獲損失率較高及割茬高度調(diào)整不便等問題，開發(fā)了一種葉菜收獲機(jī)智能控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以可編程邏輯控制器為核心，采 用 超 聲 波 傳感器、光電編碼器進(jìn)行高度、速度檢測，利用
摘 要: 針對小型電動葉菜收獲機(jī)工作部件速度固定導(dǎo)致的收獲機(jī)適應(yīng)性差、能耗大、收獲損失率較高及割茬高度調(diào)整不便等問題，開發(fā)了一種葉菜收獲機(jī)智能控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以可編程邏輯控制器為核心，采 用 超 聲 波 傳感器、光電編碼器進(jìn)行高度、速度檢測，利用直流電機(jī) 驅(qū) 動 模 塊、電液缸等實(shí)現(xiàn)收獲機(jī)工作部件的速度和高度控制。試驗(yàn)結(jié)果表明: 該系統(tǒng)能夠根據(jù)設(shè)定的葉菜留茬高度自動調(diào)節(jié)葉菜收獲機(jī)的割刀高度，并能根據(jù)收獲機(jī)行進(jìn)速度自動調(diào)整割刀切割速度、撥苗速度及傳送帶輸送速度，葉菜留茬高度平均誤差≤3. 33%，葉菜收獲損失率 ≤5.10%，提高了葉菜收獲的經(jīng)濟(jì)效益，對于提升我國葉菜收獲作業(yè)的智能化水平及實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排具有積極意義。
關(guān)鍵詞: 葉菜收獲機(jī); 自動檢測; 智能控制; 收獲試驗(yàn)
0 引言
葉菜是指以植物嫩葉為主的蔬菜，如甜葉菊、菠菜、生菜等，已成為人們增收致富的重要經(jīng)濟(jì)作物[1]。近年來，國內(nèi)對葉菜收獲機(jī)的研究較多[2 - 3]，丁馨明等開發(fā)了小型手提式蔬菜收獲機(jī)，采用往復(fù)式切割刀和帶式傳送方式，可實(shí)現(xiàn)葉類蔬菜的無序收獲，適合收割三葉蔬菜、豆芽、蔬菜苗等蔬菜。其動力源采用直流電機(jī)，克服了采用柴油機(jī)收獲時(shí)產(chǎn)生廢氣污染蔬菜的缺點(diǎn)[4]。高龍等為實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝融合，設(shè)計(jì)了一種小型自動化葉菜類蔬菜收割機(jī)，采用直流驅(qū)動、絲杠升降與分級傳送技術(shù)，能夠根據(jù)蔬菜種類的不同，通過直流電機(jī)調(diào)節(jié)割幅和割茬高度，但其智能化程度較低，未見工作部件速度的自動控制報(bào)道[5]。伍淵遠(yuǎn)等提出了利用機(jī)器視覺技術(shù)獲取葉菜收獲機(jī)導(dǎo)航參數(shù)與割臺高度參數(shù)的方法，為收獲機(jī)的智能、精準(zhǔn)作業(yè)提供了技術(shù)支持，但成本較高且耗時(shí)較大[6]。針對上述問題，本文設(shè)計(jì)開發(fā)了一種新型電動葉菜收獲機(jī)智能控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了葉菜收獲機(jī)速度自適應(yīng)控制、割茬高度自動調(diào)整等功能，以期滿足葉菜收獲操作便捷、人性化設(shè)計(jì)的需求，為智能化葉菜收獲機(jī)的設(shè)計(jì)提供技術(shù)支撐。
1 葉菜收獲機(jī)結(jié)構(gòu)組成及工作原理
葉菜收獲機(jī)主要由切割裝置、撥苗裝置、輸送裝置、割茬高度調(diào)整裝置、行走機(jī)構(gòu)和控制器等組成，如圖 1 所示。收獲時(shí)，由往復(fù)式割刀對葉菜進(jìn)行切割，收割的葉菜由撥苗裝置將其撥送到傳送帶上，葉菜到達(dá)傳送帶末端后經(jīng)歸集裝置放入收集箱。
2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案
葉菜收獲機(jī)智能控制系統(tǒng)主要包括 PLC 可編程控制器、觸摸屏、超聲波傳感器、光電編碼器及直流電機(jī)等組成部分，可實(shí)現(xiàn)割刀高度、收獲機(jī)行走速度、撥苗速度及傳送帶速度的檢測與控制功能。
收獲前，先通過觸摸屏進(jìn)行割茬高度和行走速度設(shè)置; 收獲過程中，系統(tǒng)根據(jù)設(shè)置的參數(shù)自動調(diào)整割刀高度，并實(shí)現(xiàn)切割、撥苗和傳送速度的匹配控制。
3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
3.1 PLC 及觸摸屏選型
PLC 選用信捷 XDC-24T-C 型可編程控制器，工作電壓為直流 24V，有 24 個(gè) IO 接口，具有超高的處理速度，最多可接 16 個(gè)拓展模塊，且內(nèi)部自帶 PID。另外，為實(shí)現(xiàn)模擬信號輸入，配備了模擬量 A/D 轉(zhuǎn)換模塊，型號為 XD-E4AD2DA。人機(jī)界面是實(shí)現(xiàn) PLC 與操作人員之間交互性的界面，系統(tǒng)選用 TG765S -XT 型觸幕屏，通過 Modbus 協(xié)議與 PLC 進(jìn)行通信。
3.2 割刀高度檢測與控制
高度測量部分由超聲波超傳感器來完成，超聲波測距傳感器的工作原理是將發(fā)射的聲波信號轉(zhuǎn)換成可以接收的電信號的一種換能器[7-11]。超聲波傳感器具有波長短、頻率高、衍射小、方向性好等優(yōu)點(diǎn)，可利用射線來形成定向傳播等[12 -1 5]。超聲波傳感器的型號為 LM-112-010-DAC，輸出信號為 0 ～ 10V 的電壓信號，考慮到其測量盲區(qū)，其位置安裝于切割刀正上方部位，距離地面的高度可用式( 1) 計(jì)算[16 -1 8]
根據(jù)葉菜收獲需求的不同，設(shè)置割刀高度可調(diào)范圍為 5 ～ 200mm。工作時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)預(yù)先設(shè)定的葉菜留茬高度自動調(diào)節(jié)葉菜收獲機(jī)的割刀高度，割刀高度調(diào)整的執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用 UT450 型電液缸，工作參數(shù)為: 推力 150kg，速度 10 ～ 35mm /s，行程 100 ～ 600mm。
3.3 速度檢測與控制速度測量部分采用 2500 線增量式光電編碼器來完成。光電編碼器是一種旋轉(zhuǎn)測量裝置，系統(tǒng)將編碼器的輸出脈沖信號直接輸入 PLC，利用 PLC 的高速計(jì)數(shù)器對其脈沖信號進(jìn)行計(jì)數(shù)，以獲得測量結(jié)果。
葉菜收獲機(jī)調(diào)速部分主要包括行走速度、割刀切割速度、傳送帶速度及撥苗速度 4 個(gè)部分; 執(zhí)行部件采用直流減速電機(jī)，并配套相應(yīng)的 BLD 系列驅(qū)動器，減速電機(jī)參數(shù)如表 2 所示。葉菜收獲機(jī)作業(yè)時(shí)，機(jī)手可根據(jù)需要自行設(shè)置或?qū)崟r(shí)調(diào)整收獲機(jī)的作業(yè)速度，系統(tǒng)根據(jù)實(shí)時(shí)采集的收獲機(jī)行走速度和最佳速比參數(shù)，通過 PLC 實(shí)現(xiàn)割刀切割速度、傳送帶速度、撥苗速度與行走速度的最佳匹配控制。
4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
4.1 系統(tǒng)主程序
系統(tǒng)主程序流程圖如圖 3 所示，主要完成參數(shù)測量、顯示和控制功能等。系統(tǒng)啟動后，首先根據(jù)種植農(nóng)藝和用戶需求，通過 PLC 控制器進(jìn)行割刀高度及行走速度和各部分速比的設(shè)置; 收獲機(jī)作業(yè)時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)行收獲機(jī)行走速度、割刀高度、割刀切割速度、撥菜速度及傳送速度的實(shí)時(shí)檢測，同時(shí)根據(jù)收獲機(jī)前進(jìn)速度和速比參數(shù)，自動實(shí)現(xiàn)各部件工作速度的匹配控制。
4.2 系統(tǒng)子程序
系統(tǒng)子程序主要實(shí)現(xiàn)割茬高度及切割、撥菜、輸送速度的控制。程序中采用了 PID 控制算法，其控制原理如圖 4 所示[19-2 0]。
1) 割茬高度調(diào)整控制: 由觸摸屏輸入葉菜留茬高度，葉菜高度測量元件在線監(jiān)測采集割刀距地面的高度，再由 PLC 對實(shí)測高度與設(shè)定高度進(jìn)行比較，求出高度的偏差量; 經(jīng) PID 運(yùn)算，獲得控制信號，自動控制電動推桿的伸縮速度和長度，實(shí)現(xiàn)割刀高度調(diào)整的快速響應(yīng)，可有效提高割刀控制精度。
2) 速度調(diào)整控制: 速度控制子程序中，首先根據(jù)行走速度的測量值設(shè)定割刀切割速度、撥菜速度及傳送速度 3 個(gè)被控對象的匹配速度值，進(jìn)而實(shí)時(shí)檢測 3 個(gè)速度參數(shù)，并對實(shí)測值與設(shè)定值求差，計(jì)算出各個(gè)速度的偏差信號，最后經(jīng) PID 算法，得到控制信號，由電機(jī)驅(qū)動器控制各個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)割刀切割速度、撥菜速度及傳送速度的快速、準(zhǔn)確調(diào)整。
4.3 人機(jī)界面開發(fā)
人機(jī)界面是實(shí)現(xiàn) PLC 與操作人員之間交互性的界面，可以方便快捷地將操作人員的動作送達(dá) PLC，再由 PLC 執(zhí)行該動作。本系統(tǒng)采用 TouchWin 信捷觸摸屏編程軟件開發(fā)，人機(jī)界面主要包括數(shù)據(jù)顯示、參數(shù)設(shè)置及啟停按鈕和指示燈等組成部分，對應(yīng)的輸入按鈕和輸入框及顯示框如圖 6 所示。收獲機(jī)工作時(shí)，系統(tǒng)將測量數(shù)據(jù)自動顯示在觸摸屏界面中，另外通過速度和高度的設(shè)
5 試驗(yàn)與分析
收獲試驗(yàn)時(shí)，選取茼蒿作為試驗(yàn)對象，設(shè)定的留茬高度為 15.0mm，收獲速度分為低速( 0.2hm2 / h) 、中速( 0.3hm2 / h) 和高速( 0.4hm2 / h) 3 檔，每種速度下進(jìn)行 5 次試驗(yàn)，每次試驗(yàn)收獲 0.01hm2 ; 收獲后，用游標(biāo)卡尺測量割茬高度，數(shù)據(jù)如圖 7 所示，數(shù)據(jù)分析如表 3 所示。單次試驗(yàn)中，最高誤差 10.0%，發(fā)生在中高速收獲期間; 中速收獲時(shí)平均誤差最小，為-0.67%，其變異系數(shù)和損失率也最小，說明中速收獲作業(yè)的精度、可靠性和穩(wěn)定性均優(yōu)于低速和高速收獲作業(yè)的。
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6 結(jié)論
1) 該葉菜收獲機(jī)智能控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)作業(yè)參數(shù)實(shí)時(shí)檢測及割茬高度自動調(diào)整，并能根據(jù)收獲機(jī)行走速度切割、撥苗速度和輸送速度的自動匹配。
2) 該控制系統(tǒng)葉菜留茬高度平均誤差≤3.33%，平均收獲損失率≤5.10%，較好滿足了葉菜收獲的實(shí)際需求，為提升我國葉菜收獲作業(yè)的智能化水平提供了參考。