CN110024544A - 根茎类作物收获机自动对行控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种根茎类作物收获机自动对行控制系统及方法，实现收获机作业路线实时调整，从而实现收获机行进过程中的自动对行功能。根茎类作物收获机自动对行控制系统包括信号采集模块、比例阀驱动模块、车载控制器和监控终端，其中信号采集模块包括左角度传感器、右角度传感器和位移传感器，左角度传感器及右角度传感器用于测量地垄处探测板偏移数据，位移传感器用于测量液压油缸伸缩数据；比例电磁换向阀驱动液压油缸的动作，液压油缸与收获机牵引座连接；监控终端和车载控制器之间通过无线通讯单元进行信号传递；车载控制器输入端与信号采集模块连接，输出端与比例阀驱动模块连接。

Description

根茎类作物收获机自动对行控制系统及方法

技术领域

本发明涉及一种根茎类作物收获机的控制技术，具体涉及一种根茎类作物收获机自动对行控制系统及方法。

背景技术

甜菜、花生、马铃薯、甘薯等根茎类作物是我国重要的经济作物，种植面积及产量均居世界首位。根茎类作物果实埋于地下，不同于稻麦、玉米等地上作物，收获时需要挖掘收获。挖掘收获时若挖掘铲前进方向出现偏差，就会漏挖、少挖，作业效率低。为了提高产量，根茎类作物主产区大量采用垄作方式，由于农艺不规范，各地垄作模式不统一，为了提高根茎类作物收获机械自动化水平和作业性能，自动对行控制技术的研究迫在眉睫。

自动对行是根茎类作物收获的关键作业环节，国内外科研人员在农业机械自动控制方面已经做了大量研究，也取得了很大进展。王申莹等在借鉴日本TBH45T型甜菜联合收获机导向系统的基础上，采用液压技术、传感器信号采集技术和微处理器控制技术设计了一套自动对行控制系统。王方艳等针对圆盘式甜菜收获机的结构特点和甜菜机械化双行移栽的种植方式，试制了一种机械式液压对行控制系统，提高了圆盘式甜菜收获机的对行收获质量。杨然兵等研制花生联合收获机活动底盘，运用自动化对行技术实现对正挖掘，有效提高挖掘效果。

上述几种自动对行控制系统不是一种完整的闭环控制系统，都缺少一个相对完善的算法，同时液压冲击高，结构复杂，造价成本较高，仅仅停留在研究探索阶段。 发明内容

为了克服现有根茎类作物收获机自动对行控制系统的不足，本发明提供一种根茎类作物收获机自动对行控制系统及方法，实现收获机作业路线实时调整，从而实现收获机行进过程中的自动对行功能。

本发明为实现上述目的，通过以下技术方案实现：

一种根茎类作物收获机自动对行控制系统，其特征在于：包括信号采集模块、比例阀驱动模块、车载控制器和监控终端，其中信号采集模块包括与收获机左仿形机构连接的左角度传感器、与收获机右仿形机构连接的右角度传感器和与收获机牵引座的液压油缸连接的位移传感器，左角度传感器及右角度传感器用于测量地垄处探测板偏移数据，位移传感器用于测量液压油缸伸缩数据；比例阀驱动模块包括比例电磁换向阀，比例电磁换向阀驱动液压油缸的动作，液压油缸与收获机牵引座连接；监控终端和车载控制器之间通过无线通讯单元进行信号传递；车载控制器输入端与信号采集模块连接，输出端与比例阀驱动模块连接，车载控制器制器根据实时检测的信号来判断牵引座偏转角度是否达到要求，构成对行闭环控制系统。

上述的根茎类作物收获机自动对行控制系统优选方案，比例阀驱动模块包括油箱、过滤器和比例电磁换向阀，比例电磁换向阀为三位四通电磁换向阀，三位四通电磁换向阀的进油口连接减压阀出口端，减压阀进口端连接过滤器出油一端，过滤器进油一端经球阀连接油箱，三位四通电磁换向阀的回油口连接油箱，三位四通电磁换向阀的两个工作油口连接液压油缸。

上述的根茎类作物收获机自动对行控制系统优选方案，无线通信单元用于监控终端和车载控制器之间的信号传递，通过433模块与监控终端交换信息，并通过RS232接口与车载控制器连接用于接收和发送控制指令。

一种利用所述根茎类作物收获机自动对行控制系统进行对行控制方法，包括以下步骤：

A、上电后，系统自动对车载控制器进行初始化，主要包括各模块、参数初始化，牵引座调整居中，工作标志置零；

B、接收并解析监控终端发送的控制指令，从而完成相应操作，如果接收到急停指令，首先停止液压油缸动作，然后发送报警指令至监控终端进行报警，程序停止运行，断电检修后重新上电运行；如果接收到设置参数指令，则根据监控终端输入的参数信息进行设置，此功能在收获机开始工作前设置；

C、如果收到启动命令，则置工作标志位为1，此功能在收获机开始工作时刻设置。如果工作标志为1，则进入工作状态，开始实时采集角度传感器数据，如果左角度传感器触发，则牵引座右摆；如果右角度传感器触发，则牵引座左摆；如果左角度传感器及右角度传感器均未触发，则牵引座停止动作；

D、牵引座动作控制方式采用PID控制方式，当误差大于设定阈值时，只采用比例控制，以提高系统的响应速度，当误差小于等于设定阈值时，加入积分和和微分控制；

E、根据偏移角度算法，实时计算偏移角度并上传至监控终端进行显示和存储，如果偏移角度大于设定阈值，则停止牵引座动作，程序停止运行，断电检修后重新上电运行；

F、如果收到停止命令，则置工作标志位为0，此功能在收获机结束工作时刻设置。

上述的根茎类作物收获机自动对行控制方法优选方案，步骤D牵引座动作控制方式包括以下步骤：

D1、系统工作时，探测板与地垄侧面紧密贴合，当地垄走向发生左右偏移时，探测板相应从中间位置转动了角度δ ，即固定在探测板上的左、右角度传感器轴也转动了相同角度，控制器根据偏转角度大小，采用PID速度控制方式调节比例换向阀的阀芯开度，控制液压油缸活塞杆的速度，使牵引机构发生偏转，实现自动对行功能；

D2、比例阀速度控制信号u：

其中，当左传感器触发时，=1，当右传感器触发时，=-1，为左角度传感器或右角度传感器的偏移角度，、、分别为比例项、积分项和微分项系数。

上述的根茎类作物收获机自动对行控制方法优选方案，步骤E包括以下步骤：

E1、当地垄仿形机构探测到垄侧面偏移时，控制器根据探测板偏转角度大小，通过液压油缸来驱动牵引座偏移，即牵引座以O₂为中心进行旋转，根据几何关系可求得θ与液压油缸活塞杆的伸出长度L₃ 的对应关系，由三角形余弦定理可知：

式中，L₁ 为牵引座绞接点与液压油缸缸体端绞接点的距离；L₂ 为牵引座绞接点与液压油缸活塞杆端绞接点的距离；L₃为液压油缸活塞杆的伸出长度；L₄为液压油缸缸体端长度；θ为牵引座绞接点与液压油缸缸体端绞接点的连线和牵引座绞接点与液压油缸活塞杆端绞接点的连线之间角度;

E2、对上式移项、变换后可得：

式中，定义当牵引座纵梁与机架横梁垂直时，θ值为初始角，设计初始角θ_i=85°，

E3、θ变化量为：

式中，θ_p为牵引座角度变化值；正负号分别表示收获机左偏和右偏,θ_p 是自动对行性能的重要评价指标。

本发明的优点在于：

本发明以垄行截面走向为研究对象，综合运用机械、液压和电子控制等领域关键技术，采用基于PID的速度控制模式实现收获机作业路线实时调整，从而实现收获机行进过程中的自动对行功能，进一步提高了根茎类作物收获机械自动化水平和作业性能。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明比例阀驱动模块示意图；

图3为本发明方法流程图；

图4为本发明仿形机构工作示意图；

图5为本发明牵引机构工作示意图；

其中，1. 监控终端，2. 无线通讯单元，3. 车载控制器，4. 比例阀驱动模块，5. 信号采集模块，6. 电磁阀，7. 液压油缸，8. 牵引座，9. 位移传感器，10. 左角度传感器，11.左仿形机构，12. 右角度传感器，13. 右仿形机构，14. 油箱，15. 球阀，16. 过滤器，17.减压阀，18. 压力表。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

参考图1，一种根茎类作物收获机自动对行控制系统，包括信号采集模块5、比例阀驱动模块4、车载控制器3和监控终端1，

其中信号采集模块5包括与收获机左仿形机构连接的左角度传感器10、与收获机右仿形机构连接的右角度传感器12和与收获机牵引座的液压油缸7连接的位移传感器9，左角度传感器10及右角度传感器12用于测量地垄处探测板偏移数据并上传至车载控制器3作为收获机牵引座如何动作的控制依据，位移传感器9用于测量液压油缸7伸缩数据；比例阀驱动模块4包括比例电磁换向阀，比例电磁换向阀驱动液压油缸7的动作，液压油缸7收获机牵引座连接；监控终端1和车载控制器3之间通过无线通讯单元2进行信号传递；车载控制器3输入端与信号采集模块5连接，输出端与比例阀驱动模块4连接，车载控制器3制器根据实时检测的信号来判断牵引座偏转角度是否达到要求，构成对行闭环控制系统，实现收获机行进过程中的自动对行功能。

参考图2，比例阀驱动模块4包括油箱14、过滤器16和比例电磁换向阀6，比例电磁换向阀6为三位四通电磁换向阀，三位四通电磁换向阀的进油口连接减压阀17出口端，减压阀17进口端连接过滤器16出油一端，过滤器16进油一端经球阀15连接油箱14，三位四通电磁换向阀的回油口连接油箱14，三位四通电磁换向阀的两个工作油口连接液压油缸。为了方便检修减压阀17上还连接压力表18。工作时，车载控制器3将指令信号经比例放大器进行功率放大后传递给比例电磁换向阀6，比例电磁换向阀6的电磁铁按比例移动阀芯的位置，即可按比例控制液流的流量和改变液流的方向，进而控制液压油缸活塞杆的速度和位移，最终实现牵引机构的偏转。

本实施例中，无线通信单元用于监控终端1和车载控制器3之间的信号传递，通过433模块与监控终端1交换信息，并通过RS232接口与车载控制器3连接用于接收和发送控制指令。

本实施例中，监控终端1用于控制信号的接收和传递，操作人员通过监控终端1输入收获机工作参数和各种控制指令，并通过433模块经无线通讯单元2下发。同时车载控制器3将数据通过433模块经无线通讯单元2上传至监控终端1，以动态曲线方式实时显示和存储测量数据，监控终端1还具有数据导出功能，方便进行数据分析，系统异常报警时（如偏移角度超过最大设定值），监控终端自动报警。

参考图3，一种利用根茎类作物收获机自动对行控制系统进行对行控制方法，包括以下步骤：

A、上电后，系统自动对车载控制器3进行初始化，主要包括各模块、参数初始化，牵引座调整居中，工作标志置零；

B、接收并解析监控终端1发送的控制指令，从而完成相应操作，如果接收到急停指令，首先停止液压油缸7动作，然后发送报警指令至监控终端1进行报警，程序停止运行，断电检修后重新上电运行；如果接收到设置参数指令，则根据监控终端1输入的参数信息进行设置，此功能在收获机开始工作前设置；

C、如果收到启动命令，则置工作标志位为1，此功能在收获机开始工作时刻设置。如果工作标志为1，则进入工作状态，开始实时采集角度传感器数据，如果左角度传感器10触发，则牵引座右摆；如果右角度传感器12触发，则牵引座左摆；如果左角度传感器10及右角度传感器12均未触发，则牵引座停止动作；

D、牵引座动作控制方式采用PID控制方式，当误差大于设定阈值时，只采用比例控制，以提高系统的响应速度，当误差小于等于设定阈值时，加入积分和和微分控制，从而提高稳态误差，减少振荡；

E、根据偏移角度算法，实时计算偏移角度并上传至监控终端1进行显示和存储，如果偏移角度大于设定阈值，则停止牵引座动作，程序停止运行，断电检修后重新上电运行；

F、如果收到停止命令，则置工作标志位为0，此功能在收获机结束工作时刻设置。

参考图4，步骤D牵引座动作控制方式包括以下步骤：

D1、系统工作时，探测板与地垄侧面紧密贴合，当地垄走向发生左右偏移时，探测板相应从中间位置转动了角度δ ，即固定在探测板上的左、右角度传感器12轴也转动了相同角度，控制器根据偏转角度大小，采用PID速度控制方式调节比例换向阀的阀芯开度，控制液压油缸活塞杆的速度，使牵引机构发生偏转，实现自动对行功能；

D2、比例阀速度控制信号u：

其中，当左传感器触发时，=1，当右传感器触发时，=-1，为左角度传感器10或右角度传感器12的偏移角度，作为取样时间t的函数，、、分别为比例项、积分项和微分项系数。

参考图5，步骤E包括以下步骤：

E1、当地垄仿形机构探测到垄侧面偏移时，控制器根据探测板偏转角度大小，通过液压油缸7来驱动牵引座8偏移，即牵引座8以O₂为中心进行旋转，根据几何关系可求得θ与液压油缸7活塞杆的伸出长度L₃ 的对应关系，由三角形余弦定理可知：

式中，L₁ 为牵引座8绞接点与液压油缸缸体端绞接点的距离；L₂ 为牵引座8绞接点与液压油缸活塞杆端绞接点的距离；L₃为液压油缸活塞杆的伸出长度；L₄为液压油缸缸体端长度；θ为牵引座8绞接点与液压油缸缸体端绞接点的连线和牵引座8绞接点与液压油缸活塞杆端绞接点的连线之间角度;

E2、对上式移项、变换后可得：

式中，定义当牵引座8纵梁与机架横梁垂直时，θ值为初始角，设计初始角θi=85°，

E3、θ变化量为：

式中，θp为牵引座8角度变化值；正负号分别表示收获机左偏和右偏,θp 是自动对行性能的重要评价指标。

本发明的工作原理：通过在收获机仿形机构上设置左角度传感器10和右角度传感器12，开始收获时，车载控制器3根据左角度传感器10和右角度传感器12输出垄侧面偏移角度，车载控制器3实现收获机作业线路调整，比例电磁换向阀6驱动液压油缸7的动作，带动牵引座8左右移动，使挖掘位置始终对准垄的中间位置，同时位移传感器9将液压油缸7伸缩位移实时反馈给车载控制器3，车载控制器3根据实时测的信号判断牵引座8偏转角度是否达到要求，构成对行闭环控制系统，从而实现收获机行进过程中的自动对行功能。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种根茎类作物收获机自动对行控制系统，其特征在于：包括信号采集模块、比例阀驱动模块、车载控制器和监控终端，其中信号采集模块包括与收获机左仿形机构连接的左角度传感器、与收获机右仿形机构连接的右角度传感器和与收获机牵引座的液压油缸连接的位移传感器，左角度传感器及右角度传感器用于测量地垄处探测板偏移数据，位移传感器用于测量液压油缸伸缩数据；比例阀驱动模块包括比例电磁换向阀，比例电磁换向阀驱动液压油缸的动作，液压油缸与收获机牵引座连接；监控终端和车载控制器之间通过无线通讯单元进行信号传递；车载控制器输入端与信号采集模块连接，输出端与比例阀驱动模块连接，车载控制器制器根据实时检测的信号来判断牵引座偏转角度是否达到要求，构成对行闭环控制系统。

2.如权利要求书1所述的根茎类作物收获机自动对行控制系统，其特征是：比例阀驱动模块包括油箱、过滤器和比例电磁换向阀，比例电磁换向阀为三位四通电磁换向阀，三位四通电磁换向阀的进油口连接减压阀出口端，减压阀进口端连接过滤器出油一端，过滤器进油一端经球阀连接油箱，三位四通电磁换向阀的回油口连接油箱，三位四通电磁换向阀的两个工作油口连接液压油缸。

3.如权利要求书1所述的根茎类作物收获机自动对行控制系统，其特征是：无线通信单元用于监控终端和车载控制器之间的信号传递，通过433模块与监控终端交换信息，并通过RS232接口与车载控制器连接用于接收和发送控制指令。

4.一种利用权利要求1至3任一项所述根茎类作物收获机自动对行控制系统进行对行控制方法，其特征是：包括以下步骤：

A、上电后，系统自动对车载控制器进行初始化，主要包括各模块、参数初始化，牵引座调整居中，工作标志置零；

B、接收并解析监控终端发送的控制指令，从而完成相应操作，如果接收到急停指令，首先停止液压油缸动作，然后发送报警指令至监控终端进行报警，程序停止运行，断电检修后重新上电运行；如果接收到设置参数指令，则根据监控终端输入的参数信息进行设置，此功能在收获机开始工作前设置；

C、如果收到启动命令，则置工作标志位为1，此功能在收获机开始工作时刻设置，如果工作标志为1，则进入工作状态，开始实时采集角度传感器数据，如果左角度传感器触发，则牵引座右摆；如果右角度传感器触发，则牵引座左摆；如果左角度传感器及右角度传感器均未触发，则牵引座停止动作；

D、牵引座动作控制方式采用PID控制方式，当误差大于设定阈值时，只采用比例控制，以提高系统的响应速度，当误差小于等于设定阈值时，加入积分和和微分控制；

E、根据偏移角度算法，实时计算偏移角度并上传至监控终端进行显示和存储，如果偏移角度大于设定阈值，则停止牵引座动作，程序停止运行，断电检修后重新上电运行；

F、如果收到停止命令，则置工作标志位为0，此功能在收获机结束工作时刻设置。

5.如权利要求书4所述的根茎类作物收获机自动对行控制方法，其特征是：步骤D牵引座动作控制方式包括以下步骤：

D1、系统工作时，探测板与地垄侧面紧密贴合，当地垄走向发生左右偏移时，探测板相应从中间位置转动了角度δ，即固定在探测板上的左、右角度传感器轴也转动了相同角度，控制器根据偏转角度大小，采用PID速度控制方式调节比例换向阀的阀芯开度，控制液压油缸活塞杆的速度，使牵引机构发生偏转，实现自动对行功能；

D2、比例阀速度控制信号u：

其中，当左传感器触发时，=1，当右传感器触发时，=-1，为左角度传感器或右角度传感器的偏移角度，、、分别为比例项、积分项和微分项系数。

6.如权利要求书4所述的根茎类作物收获机自动对行控制方法，其特征是：步骤E包括以下步骤：

E1、当地垄仿形机构探测到垄侧面偏移时，控制器根据探测板偏转角度大小，通过液压油缸来驱动牵引座偏移，即牵引座以O₂为中心进行旋转，根据几何关系可求得θ与液压油缸活塞杆的伸出长度L₃的对应关系，由三角形余弦定理可知：

式中，L₁为牵引座绞接点与液压油缸缸体端绞接点的距离；L₂为牵引座绞接点与液压油缸活塞杆端绞接点的距离；L₃为液压油缸活塞杆的伸出长度；L₄为液压油缸缸体端长度；θ为牵引座绞接点与液压油缸缸体端绞接点的连线和牵引座绞接点与液压油缸活塞杆端绞接点的连线之间角度；

E2、对上式移项、变换后可得：

式中，定义当牵引座纵梁与机架横梁垂直时，θ值为初始角，设计初始角θ_i=85°；

E3、θ变化量为：

式中，θ_p为牵引座角度变化值；正负号分别表示收获机左偏和右偏,θ_p是自动对行性能的重要评价指标。