CN107736088B - 一种用于精整地土壤密实度测量与自动调节系统 - Google Patents

一种用于精整地土壤密实度测量与自动调节系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种用于精整地土壤密实度测量与自动调节系统，包括土壤密实度测量机构、镇压深度自动调节机构和控制器，土壤密实度测量机构包括垂直拉压传感器、水平拉压传感器和监测轮；镇压深度自动调节机构包括横梁、电动缸和镇压辊；控制器采集压力传感器测量的土壤对监测轮的水平和垂直方向作用力，并根据建立的监测轮受力、压入深度与土壤密实度的关系模型，在线获取精整地作业后的土壤密实度；控制器根据镇压深度与土壤密实度的关系，实时反馈调节镇压辊的镇压深度，使土壤密实度在设定的目标值范围内，满足不同作物种植的农艺要求。本发明有效避免镇压深度不合理导致的土壤密实度差异化，提高了精整地机作业质量和其对不同土壤环境的适应性。

Description

一种用于精整地土壤密实度测量与自动调节系统
技术领域
本发明属于精整地机自动控制技术领域，具体涉及一种用于精整地土壤密实度测量与自动调节系统，主要用于精整地机作业后土壤密实度的连续测量和实时反馈调节。
背景技术
精整地机是果蔬机械化生产的重要装备，它主要由作畦起垄、旋耕碎土和镇压平整等装置构成，可一次完成旋耕、碎土、平整、起垄和镇压等多道工序，作业后能得到深层松动、中间松塇、表土细平的土壤立体构型。其中，土壤密实度是评价精整地质量的重要指标，合适的土壤密实度不仅有利于根系从土壤中吸收水分和养分，还能使种籽与土壤充分接触，防止透风跑墒，促进发芽和苗期生长。直播、移栽种植不同作物对土壤密实度的要求存在差异，精整地机尾部的镇压辊则是完成土壤压实平整的核心装置。土壤的颗粒形态、力学特性和镇压辊镇压深度是决定土壤密实度的主要因素。
目前，镇压深度还主要是依赖人的经验进行手动调节，作业过程中镇压深度保持恒定；土壤密实度则是在完成精整地作业后，采用土壤密实度仪在土壤垄面选点测量，测量结果随机性较大。实际作业过程中，时常出现由于土壤质地、结构特性和含水量的变化导致精整地作业后的土壤密实度不稳定，土壤密实度的波动则会影响土壤透气性、水分渗透性、肥料利用率和生物活性。因此，本发明提出一种精整地作业土壤密实度的连续测量方法，并根据测量结果实时反馈调节镇压深度，以满足作物种植的土壤密实度的农艺要求，从而提高精整地机的工作性能和适应性，具有重要的理论研究意义和实用价值，目前未见公开研究报道。
发明内容
本发明的目的是针对上述问题提供一种用于精整地土壤密实度测量与自动调节系统，包括土壤密实度测量机构、镇压深度自动调节机构和控制器，通过在精整机机架上安装电动缸，驱动镇压辊垂直运动以改变镇压深度；在镇压辊尾部、左右两侧安装监测轮，监测轮压入精整地作业后土壤一定深度，并通过两组拉压传感器分别测量土壤对左右监测轮的水平、垂直作用力；控制器实时采集拉压传感器输出信号，根据建立的密实度监测模型获取土壤密实度；控制器将实时获取的土壤密实度与设定的土壤密实度目标值进行比较分析，然后根据建立的镇压深度控制模型，输出电动缸运动控制信号，通过改变镇压辊的镇压深度以自动调节精整地后的土壤密实度，使之在设定目标值范围内波动，从而满足不同作物种植的土壤密实度要求。
本发明的技术方案是：一种用于精整地土壤密实度测量与自动调节系统，包括土壤密实度测量机构、镇压深度自动调节机构以及控制器；
所述土壤密实度测量机构包括右垂直拉压传感器、右水平拉压传感器、左垂直拉压传感器、左水平拉压传感器、右监测轮和左监测轮；
所述镇压深度自动调节机构包括横梁、电动缸和镇压辊；所述横梁两端分别垂直固定安装导向轴，所述导向轴分别与安装在机架的尾部两端的导向轴承配合安装，所述横梁中部连接电动缸的活塞杆，所述电动缸的底座安装在机架的尾部；所述镇压辊水平安装、且两端分别通过轴承与导向轴的底端连接，所述导向轴相同高度位置分别水平安装左支架和右支架，所述右支架的末端设有右丝杠升降装置，右丝杠升降装置上安装有右垂直拉压传感器和右水平拉压传感器，右丝杠升降装置的末端与右支撑轴连接，所述右监测轮与右支撑轴通过转动副连接；所述左支架的末端设有左丝杠升降装置，左丝杠升降装置上安装有左垂直拉压传感器和左水平拉压传感器，左丝杠升降装置的末端与左支撑轴连接，左监测轮与左支撑轴通过转动副连接；左监测轮和右监测轮的垂直位移分别通过左丝杠升降装置和右丝杠升降装置调节；
所述控制器分别与右垂直拉压传感器、右水平拉压传感器、左垂直拉压传感器、左水平拉压传感器和电动缸电连接；控制器根据右垂直拉压传感器、右水平拉压传感器、左垂直拉压传感器、左水平拉压传感器、右监测轮和左监测轮压入深度计算土壤密实度P，并与目标土壤密实度P0比较，得到密实度偏差，控制器根据密实度偏差和电动缸的位移信号控制电动缸驱动横梁，调节镇压辊与机架的垂直位移Z，改变精整地后的土壤密实度P。
上述方案中，所述控制器接收到左垂直拉压传感器、左水平拉压传感器、右垂直拉压传感器、右水平拉压传感器输出的压力信号分别为F1z、F1x、F2z、F2x，以及所述电动缸输出的位移信号H；
所述控制器中设定左监测轮的底部与镇压辊底部的垂直位移为h1，所述右监测轮的底部与镇压辊底部的垂直位移为h2；
所述控制器根据密实度监测模型f1实时计算得到精整地后左监测轮和右监测轮区域连续的土壤密实度分别为P1和P2，将P1和P2求均值后得到土壤密实度P，然后将P与P0进行比较，计算密实度偏差ΔP＝P-P0。
上述方案中，f1是通过在不同土壤环境下进行精整地性能试验建立的，即分别调节镇压辊与机架的垂直位移Z，以改变精整地后的土壤密实度，调节监测轮的底部与镇压辊底部的垂直位移h，改变监测轮压入土壤的深度，水平拉压传感器和垂直拉压传感器测量获得精整地作业后土壤对监测轮的水平作用力、垂直作用力分别为Fx、Fz，并采用土壤密实度仪测量精整地后土壤的密实度值P，采用非线性拟合建立所述土壤密实度P与右监测轮和左监测轮的垂直作用力Fz、右监测轮和左监测轮水平作用力Fx、右监测轮和左监测轮的底部与镇压辊底部的垂直位移即压入深度h的数学函数，即土壤密实度监测模型为：
P＝f1(Fz、Fx、h)。
上述方案中，当密实度偏差ΔP在允许范围时，则所述控制器不发出信号给电动缸，所述镇压辊的垂直位移保持恒定，当密实度偏差ΔP超出允许范围时，控制器根据镇压深度控制模型f2计算得到调节镇压辊相对机架的垂直位移Z，所述控制器输出信号给电动缸，驱动电动缸活塞杆运动，调节镇压辊与机架的垂直位移Z。
上述方案中，它是通过在不同土壤环境下进行精整地性能试验建立的，即分别调节镇压辊与机架的垂直位移Z，以改变精整地后的土壤密实度P，采用非线性拟合建立所述土壤密实度P与镇压辊相对机架的垂直位移Z的数学函数，即镇压深度控制模型：
P＝f2(Z)。
上述方案中，还包括显示器；
所述控制器和显示器电连接；所述显示器用于精整地作业状态显示。
上述方案中，所述横梁中部通过销连接电动缸的活塞杆。
一种安装所述用于精整地土壤密实度测量与自动调节系统的精整地机，包括所述用于精整地土壤密实度测量与自动调节系统、机架、盖板和旋耕碎土部件；
所述用于精整地土壤密实度测量与自动调节系统安装在机架的尾部；所述机架的前部通过轴承水平安装旋耕碎土部件，所述旋耕碎土部件的上方安装盖板。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明在分析精整地机结构、作业过程以及土壤与机具的交互作用力学特性的基础上，提出建立土壤密实度监测机构，通过镇压辊的镇压深度自动调节机构和控制器，并在镇压辊后部安装监测轮和压力传感器测量精整地作业后土壤对监测轮的水平、垂直作用力，实现了土壤密实度的连续测量，避免了采用土壤垄面选点测量方法的随机性和滞后性；提出根据土壤镇压力学特性建立镇压辊镇压深度控制机构，实现了精整地土壤密实度的实时反馈调节，使之稳定在设定的目标值范围内，有效解决了由于土壤质地、结构特性和含水量的变化导致精整地作业后的土壤密实度不稳定的问题，从而满足作物种植的土壤密实度的农艺要求，提高精整地机的工作性能和适应性。
附图说明
图1是发明一实施方式的精整地机的三维结构示意图。
图2是发明一实施方式的精整地机的俯视图。
图3是发明一实施方式的精整地机的左视图。
图4是发明一实施方式的土壤密实度测量与调节控制线路原理图。
图5是发明一实施方式的土壤密实度的测量与反馈调节原理图。
图中：1机架，2盖板，3旋耕碎土部件，4横梁，5电动缸，6导向轴，7导向轴承，8右支架，9右丝杠升降装置，10右垂直拉压传感器，11右水平拉压传感器，12右支撑轴，13右监测轮，14镇压辊，15左监测轮，16左支撑轴，17左水平拉压传感器，18左垂直拉压传感器，19左丝杠升降装置，20左支架，21控制器，22显示器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于此。
图1所示为本发明所述用于精整地土壤密实度测量与自动调节系统的一种实施方式，所述用于精整地土壤密实度测量与自动调节系统安装在精整地机机架1的尾部；所述机架1的前部通过轴承水平安装旋耕碎土部件3，所述旋耕碎土部件3的上方安装盖板2。
所述用于精整地土壤密实度测量与自动调节系统，包括土壤密实度测量机构、镇压深度自动调节机构和控制器21。
所述土壤密实度测量机构包括右垂直拉压传感器10、右水平拉压传感器11、左垂直拉压传感器18、左水平拉压传感器17、右监测轮13和左监测轮15；所述镇压深度自动调节机构包括横梁4、电动缸5和镇压辊14。
所述横梁4两端分别垂直固定安装导向轴6，所述导向轴6分别与固定安装在机架1的尾部两端的导向轴承7配合安装，所述横梁4中部通过销连接电动缸5的活塞杆，所述电动缸5的底座安装在机架1的尾部；所述镇压辊14水平安装、且两端分别通过轴承与导向轴6的底端连接，所述导向轴6相同高度位置分别水平固定安装左支架20和右支架8，所述右支架8的末端设有右丝杠升降装置9，右丝杠升降装置9上安装有右垂直拉压传感器10和右水平拉压传感器11，右丝杠升降装置9的末端与右支撑轴12连接，所述右监测轮13与右支撑轴12通过转动副连接；所述左支架20的末端设有左丝杠升降装置19，左丝杠升降装置19上安装有左垂直拉压传感器18和左水平拉压传感器17，左丝杠升降装置19的末端与左支撑轴16连接，左监测轮15与左支撑轴16通过转动副连接；左监测轮15和右监测轮13的垂直位移分别通过左丝杠升降装置19和右丝杠9升降装置调节。
如图2和3所示，所述左监测轮15和右监测轮13位于镇压辊14后部，左监测轮15和右监测轮13的中心线与镇压辊14轴线距离为M。
所述左监测轮15和右监测轮13的底部位于镇压辊14底部下方，定义监测轮的底部与镇压辊14底部的垂直位移为h，即压入深度h，左监测轮15和右监测轮13的压入深度分别为h1、h2。
所述左监测轮15和右监测轮13位于镇压辊14中心区域，与镇压辊14左、右端面的距离分别为L1、L2。
如图4所示，所述控制器21分别与右垂直拉压传感器10、右水平拉压传感器11、左垂直拉压传感器18、左水平拉压传感器17和电动缸5电连接；控制器21根据右垂直拉压传感器10、右水平拉压传感器11、左垂直拉压传感器18、左水平拉压传感器17和电动缸5的数据信号计算测得的土壤密实度P，并与设定的土壤密实度P0比较，得到密实度偏差，控制器21根据密实度偏差控制电动缸5驱动横梁4，导向轴6可在导向轴承7内垂直移动，调节镇压辊14与机架1的垂直位移Z，改变精整地后的土壤密实度P。
所述控制器21接收到左垂直拉压传感器18、左水平拉压传感器17、右垂直拉压传感器10、右水平拉压传感器11输出的压力信号分别为F1z、F1x、F2z、F2x，以及所述电动缸5输出的位移信号H。所述控制器和显示器22电连接；所述显示器22用于精整地作业状态显示。
密实度监测模型与镇压深度控制模型建立：在不同土壤环境下进行精整地性能试验，当调节镇压辊14与机架1的垂直位移为Z，即调节镇压深、监测轮底部与镇压辊14底部的垂直位移为h时，水平拉压传感器和垂直拉压传感器测量获得精整地作业后土壤对监测轮的水平作用力和垂直作用力分别为Fx和Fz，并采用土壤密实度仪测量精整地后土壤密实度值P。
分别调节镇压辊14与机架1的垂直位移Z，以改变精整地后的土壤密实度，调节监测轮的底部与镇压辊14底部的垂直位移h，改变监测轮压入土壤的深度，重复进行精整地性能试验。
根据试验测量结果，采用非线性拟合建立所述土壤密实度P与右监测轮13和左监测轮15的垂直作用力Fz、右监测轮13和左监测轮15水平作用力Fx、右监测轮13和左监测轮15的底部与镇压辊14底部的垂直位移即压入深度h的数学函数，即土壤密实度监测模型为：
P＝f1(Fz、Fx、h)。
非线性拟合建立土壤密实度P与镇压辊相对机架的垂直位移Z的数学函数，即镇压深度控制模型P＝f2(Z)。
土壤密实度的测量与反馈调节如图5所示：所述控制器21以ARM为核心，控制器21内部建立密实度监测模型P＝f1(Fz、Fx、h)与镇压深度控制模型P＝f2(Z)。
精整地作业过程中，控制器21实时采集左垂直拉压传感器18、左水平拉压传感器17、右垂直拉压传感器10、右水平拉压传感器11的输出信号F1z、F1x、F2z、F2x和电动缸位移信号H，根据调节镇压辊14与机架1的结构参数计算垂直位移Z。
所述控制器21中输入左监测轮15的底部与镇压辊14底部的垂直位移为h1、右监测轮13的底部与镇压辊14底部的垂直位移为h2和目标土壤密实度P0。
所述控制器21根据密实度监测模型f1实时计算得到精整地后左监测轮15和右监测轮13区域连续的土壤密实度分别为P1和P2，将P1和P2求均值后得到P，然后将P与P0进行比较，计算密实度偏差ΔP＝P-P0。
当密实度偏差ΔP在允许范围时，则控制器21不发出信号给电动缸5，镇压辊14的垂直位移保持恒定。
当密实度偏差ΔP超出允许范围时，控制器21根据镇压深度控制模型f2计算得到调节镇压辊14相对机架1的垂直位移Z，然后控制器21输出信号给电动缸5，驱动电动缸5活塞杆运动，调节镇压辊14至垂直位移Z。
下面结合实例做进一步的阐述：
所述精整地机在拖拉机牵引下进行田间作业，通过传动系统驱动旋耕碎土部件3作逆时针旋转，将耕种土壤翻起、打碎、高速抛出，高速抛出的碎土在盖板2的遮挡下松散下落覆盖在田垄表面。
所述镇压辊14在传动系统驱动下作逆时针旋转，镇压辊14将田垄表面松散土壤镇压成具有一定密实度的平面，土壤的密实度主要取决于镇压辊14与机架1的垂直位移Z。
由于所述左监测轮15和右监测轮13的底部分别位于镇压辊14底部下方h1、h2位置，即压入镇压平整后的垄面土壤，土壤会对左监测轮15产生的水平方向作用力F1x和垂直方向的作用力F1z，右监测轮13产生的水平方向作用力F2x和垂直方向的作用力F2z，这些力通过左水平拉压传感器17、左垂直拉压传感器18、右水平拉压传感器11和右垂直拉压传感器10进行测量，测量结果输入控制器21。
所述控制器21实时采集F1x、F1z、F2x、F2z和电动缸位移信号H，并根据精整地机的尺寸和形状等结构参数计算垂直位移Z。
所述控制器21中设定参数h1、h2和土壤密实度目标值P0。
所述控制器21根据参数F1x、F1z、F2x、F2z、h1、h2，并通过密实度监测模型P＝f1(Fx、Fz、h)计算得到精整地后左监测轮15和右监测轮13区域连续的土壤密实度P1和P2，将P1和P2求均值后得到P。
所述控制器21将P与P0进行比较，计算密实度偏差ΔP＝P-P0。
当密实度偏差ΔP在允许范围时，则控制器21不发出信号给电动缸5，镇压辊14的垂直位移保持恒定。
当密实度偏差ΔP超出允许范围时，控制器21根据镇压深度控制模型P＝f2(Z)计算得到调节镇压辊14相对机架1的垂直位移Z，然后控制器21输出信号给电动缸5，驱动电动缸5活塞杆运动，调节镇压辊14至垂直位移Z，以使精整地后的土壤密实度保持在允许范围内。
本发明主要用于精整地机作业后土壤密实度的连续测量和实时反馈调节。在精整地机上设计了土壤密实度测量机构、镇压辊的镇压深度自动调节机构和控制器21，在镇压辊后部安装监测轮和压力传感器。精整地作业过程中，控制器实时采集压力传感器测量的土壤对监测轮的水平和垂直方向作用力，并根据建立的监测轮受力、压入深度与土壤密实度的关系模型，在线获取精整地作业后的土壤密实度；控制器根据镇压辊的镇压深度与土壤密实度的关系，实时反馈调节镇压辊的镇压深度，以使土壤密实度稳定在设定的目标值范围内，满足不同作物种植的农艺要求。本发明有效避免了镇压深度不合理导致的土壤密实度差异化，提高了精整地机作业质量和其对不同土壤环境的适应性。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种用于精整地土壤密实度测量与自动调节系统，其特征在于，包括土壤密实度测量机构、镇压深度自动调节机构和控制器(21)；
所述土壤密实度测量机构包括右垂直拉压传感器(10)、右水平拉压传感器(11)、左垂直拉压传感器(18)、左水平拉压传感器(17)、右监测轮(13)和左监测轮(15)；
所述镇压深度自动调节机构包括横梁(4)、电动缸(5)和镇压辊(14)；
所述横梁(4)两端分别垂直固定安装导向轴(6)，所述导向轴(6)分别与安装在机架(1)的尾部两端的导向轴承(7)配合安装，所述横梁(4)中部连接电动缸(5)的活塞杆，所述电动缸(5)的底座安装在机架(1)的尾部；所述镇压辊(14)水平安装、且两端分别通过轴承与导向轴(6)的底端连接，所述导向轴(6)相同高度位置分别水平安装左支架(20)和右支架(8)，所述右支架(8)的末端设有右丝杠升降装置(9)，右丝杠升降装置(9)上安装有右垂直拉压传感器(10)和右水平拉压传感器(11)，右丝杠升降装置(9)的末端与右支撑轴(12)连接，所述右监测轮(13)与右支撑轴(12)通过转动副连接；所述左支架(20)的末端设有左丝杠升降装置(19)，左丝杠升降装置(19)上安装有左垂直拉压传感器(18)和左水平拉压传感器(17)，左丝杠升降装置(19)的末端与左支撑轴(16)连接，左监测轮(15)与左支撑轴(16)通过转动副连接；
所述控制器(21)分别与右垂直拉压传感器(10)、右水平拉压传感器(11)、左垂直拉压传感器(18)、左水平拉压传感器(17)和电动缸(5)电连接；控制器(21)根据右垂直拉压传感器(10)、右水平拉压传感器(11)、左垂直拉压传感器(18)、左水平拉压传感器(17)、右监测轮(13)和左监测轮(15)压入深度计算土壤密实度P，并与目标土壤密实度P0比较，得到密实度偏差，控制器(21)根据密实度偏差和电动缸(5)的位移信号控制电动缸(5)驱动横梁(4)，调节镇压辊(14)与机架(1)的垂直位移Z，改变精整地后的土壤密实度P；
采用非线性拟合建立所述土壤密实度P与右监测轮(13)和左监测轮(15)的垂直作用力Fz、右监测轮(13)和左监测轮(15)水平作用力Fx、右监测轮(13)和左监测轮(15)的底部与镇压辊(14)底部的垂直位移即压入深度h的数学函数，即土壤密实度监测模型为：
P＝f1(Fz、Fx、h)；
所述控制器(21)接收到左垂直拉压传感器(18)、左水平拉压传感器(17)、右垂直拉压传感器(10)、右水平拉压传感器(11)输出的压力信号分别为F1z、F1x、F2z、F2x，以及所述电动缸(5)输出的位移信号H；
所述控制器(21)中设定左监测轮(15)的底部与镇压辊(14)底部的垂直位移为h1，所述右监测轮(13)的底部与镇压辊(14)底部的垂直位移为h2；
所述控制器(21)根据密实度监测模型f1实时计算得到精整地后左监测轮(15)和右监测轮(13)区域连续的土壤密实度分别为P1和P2，将P1和P2求均值后得到土壤密实度P，然后将P与P0进行比较，计算密实度偏差ΔP＝P-P0；
采用非线性拟合建立所述土壤密实度P与镇压辊(14)相对机架(1)的垂直位移Z的数学函数，即镇压深度控制模型：P＝f2(Z)；
当密实度偏差ΔP在允许范围时，则所述控制器(21)不发出信号给电动缸(5)，所述镇压辊(14)的垂直位移保持恒定，当密实度偏差ΔP超出允许范围时，控制器(21)根据镇压深度控制模型f2计算得到调节镇压辊(14)相对机架(1)的垂直位移Z，所述控制器(21)输出信号给电动缸(5)，驱动电动缸(5)活塞杆运动，调节镇压辊(14)与机架(1)的垂直位移Z。
2.根据权利要求1所述的用于精整地土壤密实度测量与自动调节系统，其特征在于，还包括显示器(22)；
所述控制器和显示器(22)电连接；所述显示器(22)用于精整地作业状态显示。
3.根据权利要求1所述的用于精整地土壤密实度测量与自动调节系统，其特征在于，所述横梁(4)中部通过销连接电动缸(5)的活塞杆。
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