激光控制水田打浆平地机设计与试验

【目的】满足水稻种植对田面平整度的要求,减少拖拉机进田次数,提高打浆平地质量和效果,实现一次进田完成水田打浆和平地作业。【方法】采用先打浆后平地原理,设计了激光控制水田打浆平地机、打浆机与平地铲自动调平机构、平地铲高程自动调节机构和通过集成带自动调平的激光平地控制系统,并进行田间试验;利用2台姿态航向参考系统分别测量拖拉机车身和打浆平地机的横滚角,采用水准测量试验田块作业前后的田面平整度。【结果】拖拉机横滚角在±4.5°内变化,打浆平地机的横滚角始终保持在±1°内,表明调平自动控制系统明显提高了水田打浆平地机构水平稳定性;打浆平地作业后田面最大高差从作业前的17.7cm降低到6.7cm,标准偏差值从作业前的4.08cm下降到1.75cm,绝对差值不大于3 cm的平整度采样点占比由作业前的62%提高到82%以上。【结论】激光控制水田打浆平地机打浆平地作业后可显著改善田面平整情况。     

双天线GNSS 精准平地控制系统试验

【目的】利用双天线GNSS的精准平地系统可以达到提高土地平整度、提高肥料利用率和降低水土流失的目的,可以提高农作物产量、提高平地机在不同地形作业的精度和效率,减少农民的劳动强度。【方法】GNSS精准平地控制系统通过GNSS移动站接收到的GNSS差分站发送的差分信号确定平地铲的高程和姿态角,向控制器发送指令调节电磁换向阀的开闭,通过控制液压油管中流量和流向实现实时精准调节平地铲高程和姿态角的工作目标。【结果】1.平整作业后土地最大高差从平整前的0.245 m高差缩减到0.139 m,平整度显著提升;2.该试验平地铲最大姿态角为1°,即平地铲变化范围小,始终保持平稳;3.试验田平整后记录点到基准平面距离小于2.5 cm的点占总试验田面积60%以上,平地效果良好。【结论】双天线GNSS精准平地控制系统定位精确可以达到厘米级、稳定性高、不受拖拉机行驶速度影响;液压系统响应快速,可以实现根据控制器信号精准调节平地铲高程和姿态角;系统整体设计合理,平地效果达到精准平地要求。     

激光控制水田平地打浆机设计与试验

为了满足水稻种植对田面平整度的要求,缩短水田打浆和平地作业间隔时间,提高打浆平地质量和效果,提出了先精准平整再精准打浆的作业方法,设计了平地铲和打浆机构的高程和调平自动调节机构,研制了激光控制水田平地打浆机,集成带自动调平功能的激光平地控制系统,实现了一次进田即完成水田精准平地和打浆作业,且打浆深度可调。利用两台AHRS(Atitude and Heading Referece System)同步测量拖拉机车身和平地打浆机横滚角,GNSS(Global Navigation Satellite System)测量平地打浆机试验过程中的高程变化。在水田进行了手动操作与自动控制两种方式的倾角和高程对比试验,结果表明,平地打浆机在自动控制下高程在平均值的±4 cm范围内变化,手动操作为±11 cm;平地打浆机的横滚角保持在±0.5°,而手动操作时受拖拉机车身横滚角影响最大超过±2.5°,自动控制下平地打浆机的作业质量较手动操作更稳定。水田平地打浆作业结果表明:平地打浆作业后田面最大高度差从作业前的26.4 cm降低到11.5 cm,标准偏差值由4.13 cm下降到2.18 cm,作业后绝对差值小于等于3cm的平整度采样点累计达86%以上;打浆作业深度为14.2cm,相对于设定打浆深度15.0cm标准偏差值为2.46 cm。表明激光控制水田平地打浆机作业后显著改善了田面平整情况,打浆深度精准稳定。     

1PJ-3.0型水田激光平地机高程系统动态特性试验研究

水田激光平地机的高程系统主要接收激光信号并用以控制平地铲处于设定平面,其动态特性是平地机平整作业质量的重要保证。为分析水田激光平地机的高程系统动态特性,进一步提高平地机的工作性能,以与插秧机配套的1PJ-3.0型水田激光平地机为平台,采用电流检测电路检测电磁阀线圈电流,直线位移传感器测量油缸和平地铲的运动行程,USB高速数据采集模块同时采集电磁阀线圈电压和直线位移传感器信号,从而获得油缸和平地铲的响应时间和运动速度。在平地机高程机械液压系统处于不同油门、不同初始高度,平地铲上升过程和下降过程的条件下进行试验。试验结果表明:在上升过程中,油缸的平均响应时间48.2ms,平地铲的平均响应时间59.4ms;而在下降时,油缸的平均响应时间73.6ms,平地铲的平均响应时间62.3ms;在平地铲上升或下降时,不同初始高度和不同油门开度等级下的,油缸和平地铲的响应时间基本稳定;油门等级越大,平地铲上升速度越快,上升速度在109.0~305.0mm·s-1之间;单向节流阀能保证平地铲下降速度稳定,不受油门开度等因素影响,油缸缩回速度为35.8mm·s-1,平地铲下降速度为126.1mm·s-1。     

基于DSP的水田平地机倾角传感系统设计与试验

平地机车身倾角是水田平地机平地铲自动调平控制的重要反馈信息。为满足平地铲自动调平的倾角测量精度要求,达到水田精准平整、减少水资源的浪费、提高水稻产量的目的,设计了一种基于DSP的水田平地机倾角传感系统。采用惯性加速度计和陀螺仪作为倾角传感系统的倾角测量传感器,分析了倾角传感系统倾角测量原理、设计了硬件系统和基于卡尔曼滤波器的传感器融合算法。倾角传感系统综合利用加速度计所测的重力加速度分量和重力加速度的三角关系以及陀螺仪所测的角速度和车身倾角的导数关系测量获得平地机车身倾角;采用三轴加速计ADIS16300、陀螺仪ADXRS453和DSP处理器TMS320F28069等器件组成倾角传感系统的硬件系统,其中DSP处理器主要实现传感器数据采集、算法执行和数据通讯等功能;以平地机真实倾角和陀螺仪零位偏差作为系统状态向量,建立系统状态方程和测量方程,通过离散化卡尔曼滤波器递归融合得到平地机车身实时倾角。通过三轴多功能转台对倾角传感系统的卡尔曼滤波融合算法测量精度进行了试验。试验结果表明:该倾角传感系统在静态和动态时均能准确地测量平地机车身实时倾角。静态测量时车身角度平均绝对误差≤0.01°,均方根误差≤0.01°,最大误差0.07°。动态测量时车身角度平均绝对误差≤0.18°,均方根误差≤0.20°,最大误差0.41°。说明该系统为水田平地机平地铲自动调平控制提供了低成本倾角测量方案。     

GPS农田平地机土方量及设计高程计算软件开发

使用全球卫星定位系统(GPS)农田平地机进行平地作业前,要对平地作业地形进行测量,计算出平地作业土方量,包括挖方量和填方量,根据挖方量与填方量相等的原则,再计算出平地机设计高程,将设计高程导入GPS平地机自动控制系统里,可使GPS农田平地机更精准设定高程,从而自动控制平地机的作业。传统的手工计算土方量及设计高程方法过于复杂,为了提高计算工作效率,方便用户使用,开发了基于VB 6.0编程软件的平地机土方量及设计高程计算软件。经过田间平地测试检验,该软件能够提高平地作业效率。     

基于RTK差分GPS的平地机作业质量评估

为了取得平地机作业质量数据,评估RTK差分GPS平地机作业质量效果,对853农场约0.3 hm~2水田进行了搅浆平地试验。先使用了传统的农田作业质量评估方法来对其进行简单的初步评估,为了得到更加准确的评估数据,再使用了精确的农田质量评估方法。评估结果表明,使用RTK差分GPS平地机进行农田平地作业,能够满足农田平整精度要求。     

水田打浆机水平控制器设计与试验

针对现有水田打浆机水平控制系统在耕作时机械的倾斜和振动会导致耕整后的地表平整精度低、可控性差等问题,设计了以STM32为主控芯片的平地系统控制器。为了消除振动对控制效果的影响,设计了基于限幅递推平均滤波的PID算法并进行试验研究,试验结果证明,限幅递推平均滤波对倾角数据处理有效地抑制了系统干扰和机具振动干扰;再此之后并进行了田间试验以证明本设计的水平控制系统明显比现有的平地系统耕整后的田间土壤起伏波动小,以期达到较好的控制效果。     

激光平地机自动调平控制系统的研制

现有的激光平地机对平地铲只有高程控制而没有水平平衡控制。分析了当前激光平地机在不平整地面上工作的缺点,提出了一种自调平控制系统,实现激光平地机水平方向上自调平控制,改进与提高其平整精度和效率。当激光平地机在斜坡上工作时,使用该系统可自动保持农具平衡。实时倾角通过固定机具中心的倾角传感器获得,控制器将根据实时倾角来驱动电磁阀,控制油缸动作,使得机具实现自调平控制;同时对其进行静态试验和动态试验,通过数据分析,发现该系统能有效提高土地作业的稳定性。最终得出该系统相对于常规的激光平地机地块平整前后的绝对改善度提高了50.0%,相对改善度提高了18.6%,土地误差水平小于1.0%。     

智能激光平地机的应用效果分析

为了满足农业"三减"技术要求,黑龙江省江川农场在水田春整地过程中使用了激光平地机进行水田平整作业,智能平地后地块内土壤几乎无落差,减少了减产低产田面积,整个生育期内作物长势一致,提高了平均产量,平地效果十分明显。