發布時間：2020-02-24所屬分類：農業論文瀏覽：1次
摘 要： 摘 要: 針對小型電動葉菜收獲機工作部件速度固定導致的收獲機適應性差、能耗大、收獲損失率較高及割茬高度調整不便等問題，開發了一種葉菜收獲機智能控制系統。該系統以可編程邏輯控制器為核心，采 用 超 聲 波 傳感器、光電編碼器進行高度、速度檢測，利用
摘 要: 針對小型電動葉菜收獲機工作部件速度固定導致的收獲機適應性差、能耗大、收獲損失率較高及割茬高度調整不便等問題，開發了一種葉菜收獲機智能控制系統。該系統以可編程邏輯控制器為核心，采 用 超 聲 波 傳感器、光電編碼器進行高度、速度檢測，利用直流電機 驅 動 模 塊、電液缸等實現收獲機工作部件的速度和高度控制。試驗結果表明: 該系統能夠根據設定的葉菜留茬高度自動調節葉菜收獲機的割刀高度，并能根據收獲機行進速度自動調整割刀切割速度、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濟效益，對于提升我國葉菜收獲作業的智能化水平及實現節能減排具有積極意義。
關鍵詞: 葉菜收獲機; 自動檢測; 智能控制; 收獲試驗
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濟作物[1]。近年來，國內對葉菜收獲機的研究較多[2 - 3]，丁馨明等開發了小型手提式蔬菜收獲機，采用往復式切割刀和帶式傳送方式，可實現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，克服了采用柴油機收獲時產生廢氣污染蔬菜的缺點[4]。高龍等為實現農機與農藝融合，設計了一種小型自動化葉菜類蔬菜收割機，采用直流驅動、絲杠升降與分級傳送技術，能夠根據蔬菜種類的不同，通過直流電機調節割幅和割茬高度，但其智能化程度較低，未見工作部件速度的自動控制報道[5]。伍淵遠等提出了利用機器視覺技術獲取葉菜收獲機導航參數與割臺高度參數的方法，為收獲機的智能、精準作業提供了技術支持，但成本較高且耗時較大[6]。針對上述問題，本文設計開發了一種新型電動葉菜收獲機智能控制系統，實現了葉菜收獲機速度自適應控制、割茬高度自動調整等功能，以期滿足葉菜收獲操作便捷、人性化設計的需求，為智能化葉菜收獲機的設計提供技術支撐。
1 葉菜收獲機結構組成及工作原理
葉菜收獲機主要由切割裝置、撥苗裝置、輸送裝置、割茬高度調整裝置、行走機構和控制器等組成，如圖 1 所示。收獲時，由往復式割刀對葉菜進行切割，收割的葉菜由撥苗裝置將其撥送到傳送帶上，葉菜到達傳送帶末端后經歸集裝置放入收集箱。
2 控制系統設計方案
葉菜收獲機智能控制系統主要包括 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等組成部分，可實現割刀高度、收獲機行走速度、撥苗速度及傳送帶速度的檢測與控制功能。
收獲前，先通過觸摸屏進行割茬高度和行走速度設置; 收獲過程中，系統根據設置的參數自動調整割刀高度，并實現切割、撥苗和傳送速度的匹配控制。
3 系統硬件設計
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 IO 接口，具有超高的處理速度，最多可接 16 個拓展模塊，且內部自帶 PID。另外，為實現模擬信號輸入，配備了模擬量 A/D 轉換模塊，型號為 XD-E4AD2DA。人機界面是實現 PLC 與操作人員之間交互性的界面，系統選用 TG765S -XT 型觸幕屏，通過 Modbus 協議與 PLC 進行通信。
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射的聲波信號轉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、方向性好等優點，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，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) 計算[16 -1 8]
根據葉菜收獲需求的不同，設置割刀高度可調范圍為 5 ～ 200mm。工作時，系統根據預先設定的葉菜留茬高度自動調節葉菜收獲機的割刀高度，割刀高度調整的執行機構采用 UT450 型電液缸，工作參數為: 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測量裝置，系統將編碼器的輸出脈沖信號直接輸入 PLC，利用 PLC 的高速計數器對其脈沖信號進行計數，以獲得測量結果。
葉菜收獲機調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 個部分; 執行部件采用直流減速電機，并配套相應的 BLD 系列驅動器，減速電機參數如表 2 所示。葉菜收獲機作業時，機手可根據需要自行設置或實時調整收獲機的作業速度，系統根據實時采集的收獲機行走速度和最佳速比參數，通過 PLC 實現割刀切割速度、傳送帶速度、撥苗速度與行走速度的最佳匹配控制。
4 系統軟件設計
4.1 系統主程序
系統主程序流程圖如圖 3 所示，主要完成參數測量、顯示和控制功能等。系統啟動后，首先根據種植農藝和用戶需求，通過 PLC 控制器進行割刀高度及行走速度和各部分速比的設置; 收獲機作業時，系統進行收獲機行走速度、割刀高度、割刀切割速度、撥菜速度及傳送速度的實時檢測，同時根據收獲機前進速度和速比參數，自動實現各部件工作速度的匹配控制。
4.2 系統子程序
系統子程序主要實現割茬高度及切割、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測采集割刀距地面的高度，再由 PLC 對實測高度與設定高度進行比較，求出高度的偏差量; 經 PID 運算，獲得控制信號，自動控制電動推桿的伸縮速度和長度，實現割刀高度調整的快速響應，可有效提高割刀控制精度。
2) 速度調整控制: 速度控制子程序中，首先根據行走速度的測量值設定割刀切割速度、撥菜速度及傳送速度 3 個被控對象的匹配速度值，進而實時檢測 3 個速度參數，并對實測值與設定值求差，計算出各個速度的偏差信號，最后經 PID 算法，得到控制信號，由電機驅動器控制各個電機的轉速，實現割刀切割速度、撥菜速度及傳送速度的快速、準確調整。
4.3 人機界面開發
人機界面是實現 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 PLC，再由 PLC 執行該動作。本系統采用 TouchWin 信捷觸摸屏編程軟件開發，人機界面主要包括數據顯示、參數設置及啟停按鈕和指示燈等組成部分，對應的輸入按鈕和輸入框及顯示框如圖 6 所示。收獲機工作時，系統將測量數據自動顯示在觸摸屏界面中，另外通過速度和高度的設
5 試驗與分析
收獲試驗時，選取茼蒿作為試驗對象，設定的留茬高度為 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，每種速度下進行 5 次試驗，每次試驗收獲 0.01hm2 ; 收獲后，用游標卡尺測量割茬高度，數據如圖 7 所示，數據分析如表 3 所示。單次試驗中，最高誤差 10.0%，發生在中高速收獲期間; 中速收獲時平均誤差最小，為-0.67%，其變異系數和損失率也最小，說明中速收獲作業的精度、可靠性和穩定性均優于低速和高速收獲作業的。
推薦閱讀：探討當下農業機械化現狀及發展趨勢
6 結論
1) 該葉菜收獲機智能控制系統能夠實現作業參數實時檢測及割茬高度自動調整，并能根據收獲機行走速度切割、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際需求，為提升我國葉菜收獲作業的智能化水平提供了參考。
SCISSCIAHCI
