激光平地机

2024-05-19

激光平地机（精选八篇）

激光平地机篇1

一、建立激光平面

根据被平整的土地大小来确定激光发射器的架设位置, 一般选择地势较高的位置架设激光发射器, 可以确保平地机工作时所有位置都能接收到激光信号。如果要平整地块的长、宽均超过300米, 激光发射器要架设在田块的中间, 有利于平地基准的精确性;如果地块的长、宽小于300米, 应把激光发射器架设在田间的地头, 便于平地作业。

架设激光发射器时, 应先把支撑三脚架打开, 将激光发射器安装在三脚架上。此时激光发射器开始旋转, 将激光发射器旋转上升, 高度为50厘米。再将三脚架的底部支架打开, 使三脚架的总高度达到3米, 超过拖拉机驾驶室的高度, 防止驾驶室阻挡激光信号, 以确保激光接收器准确接收到来自发射器的光束, 手动调节水平。

二、测量场地

在激光发射器工作状态下, 用手持便携式检测器和标高竹竿在所平地块内按网格状进行地形测量, 网格间距一般5~10米, 也就是在网格线上每隔5~10米取一点进行测量。进行网格测量的目的是为了测量出田块中各个点的高度, 也就是相对高程, 将所测数据记录下来, 从而得到田块内各测量点的相对高度, 并做好标记, 将所有各点的测量数据相加再除以测量点的数量, 就得到了平均标高, 找出与平均标高最接近的标记处作为基准点, 这个基准点就是平地机刮土铲刀刃初始作业位置。在平地作业前对场地进行测量的好处是可以确保平地作业时挖填均衡, 就地平整, 运距最短, 也就是减少很多平地时的工作量。

三、激光平地机的平地作业

激光平地机篇2

简述了激光控制平地技术和作业效果,并重点介绍了激光控制平地技术在旱直播水稻生产上的应用效果.

作者：鲍举文刘玉玲叶瑞英余杨谷传申康永利作者单位：鲍举文,刘玉玲,余杨,谷传申,康永利(宁夏农垦农林牧技术推广服务中心,宁夏,银川,750011)

叶瑞英(宁夏农垦科学研究所)

水田激光平地机实用技术篇3

进行水田土地平整, 可以有效改善水田表面状况, 提高水田灌溉水的利用率, 有利于控制杂草和虫害, 提高化肥使用效率, 减少环境污染, 实现精细地面灌溉[1,2]。传统的水田平整方法, 包括人工平整、畜力平整、拖拉机平整和耕整机平整, 都属于仿形平整, 完全依靠工作人员经验和目测控制, 劳动强度大, 平整效率低, 耗资大, 且难以达到精细平整的要求。为了解决水田精细平整的问题, 华南农业大学研制了1PJ系列水田激光平地机, 鉴定结论为“在水田平地技术及机具领域居国际领先水平”。本文介绍了该水田激光平地机的总体结构和原理, 分析了技术优势和存在的不足, 通过技术改进后产品性能日趋稳定, 提高了工作可靠性和工作效率。示范推广应用取得了较好的经济效益和社会效益。

1 水田激光平地机总体构造及原理

水田激光平地机的总体构造如图1[3]所示。按功能可分为如下5部分。

1) 动力装置。动力装置可选用水田拖拉机或插秧机机头。

2) 平地铲装置。平地铲包括平地铲体、平地铲侧板、平地铲主拖板及副拖板。平地铲侧板安装于平地铲体前端两侧, 平地铲主拖板铰接于平地铲体后端中央, 平地铲主拖板两侧设有副拖板。平地铲侧板能有效实现平地作业时的储土填土功能, 平地铲主拖板和两个副拖板, 实现拖平田面和摊平自平地铲侧板溢出泥浆的功能。

3) 悬挂装置。悬挂装置用来连接平地铲和动力装置, 包括上拉杆、下拉杆和承力板。高程液压缸的活塞杆端与承力板相铰接, 承力板安装在上拉杆上。

4) 高程控制系统。高程控制系统包括油箱、过滤器、高程齿轮油泵、单向阀、高程电磁阀、高程液压缸、高程节流阀、高程安全阀, 激光发射器、激光接收器、激光控制器等。

液压油路连接如图2[3]所示。高程液压油路从油箱通过过滤器、高程齿轮油泵、高程单向阀与高程电磁阀连接, 高程电磁阀连接高程液压缸, 高程液压缸连接平地铲, 高程电磁阀连接并受控于激光控制器。采用单向节流阀可调节液压缸的运动速度。

1.高程齿轮油泵;2.激光控制器;3.水平齿轮油泵;4.高程液压缸;5.高程安全阀;6.水平安全阀;7.高程电磁阀;8.水平电磁阀;9.水平节流阀;10.高程节流阀;11.上拉杆;12.活塞杆;13.承力板;14.下拉杆;15.安装板;16.连接板;17.激光接收器;18.激光发射器;19.水平液压缸;20.推力轴承;21.轴承;22.推力轴承;23.轴承;24.转销;25.轴承座;26.水平控制器;27.平地铲主拖板;28.平地铲体;29.平地铲侧板;30.水田拖拉机后轮

1.油缸;2.高程安全阀;3.高程齿轮油泵;4.高程电磁阀;5.高程节流阀;6.高程液压缸;7.水平液压缸;8.水平节流阀;9.水平电磁阀;10.水平安全阀;11.水平齿轮油泵

激光发射器架设在基准面上, 激光接收器安装于平地铲的连接板上, 连接板通过转销与平地铲相连接。激光接收器接收激光发射器发出的信号, 激光控制器用于处理激光接收器的输出信号。激光接收器通过接收的信号感应平地铲的高度位置, 并由激光控制器处理后通过电磁阀控制高度液压缸, 从而驱动调节平地铲的高度位置。平地铲在高程控制系统的控制下始终处于某一与激光平面平行的平面内工作[4]。

5) 水平控制系统。水平控制系统包括水平齿轮油泵、过滤器、单向阀、水平电磁阀、水平液压缸、水平节流阀、水平安全阀、水平控制器等。

如图2所示, 水平液压油路从油箱通过过滤器、水平齿轮油泵、单向阀与水平电磁阀连接, 水平电磁阀连接水平液压缸, 水平电磁阀连接并受控于水平控制器, 水平液压缸通过安装板连接平地铲, 并驱动调节平地铲的水平位置。

水平液压缸通过转销及安装板与平地铲连接, 平地铲上还设置有轴承座, 转销通过轴承支承于轴承座上, 轴承座前后设置推力轴承。在水平控制系统控制下, 平地铲始终保持在某一水平平面内工作而不发生倾斜[5]。

水田激光平地机工作原理可以概括为:动力装置提供合适功率驱动平地铲向前行进, 对适耕水田土壤进行切削加工[6], 平地铲在高程控制系统和水平控制系统的共同作用下, 始终保持在某一与平地基准面平行的水平面内工作。图3为工作中的1PJ系列水田激光平地机。

2水田激光平地机技术优势与不足

2.1 技术优势

1) 水田激光平地机平地铲的高度方向和水平方向可自动调节, 平地铲在工作中能始终保持在某一与平地基准面平行的水平面内, 且能摊平平整作业中产生的泥浆, 能替代常规的水田平整机具进行水田带水平整作业, 是一种较好的水田平整机械。

2) 平整精度高, 运用水田激光平地机具后, 水田面平整度小于3 cm, 满足精细农业的要求[7]。高精度水田平整作业是水田集约经营和大规模机械化生产的重要手段, 作为水稻直播平地机具, 有利于推动水稻生产全程机械化进程。

3) 生产效率高, 省工省力。每台水田激光平地机只需1人操作, 每天可完成水田平整面积2.00~2.67 hm2 (30~40亩) 。

4) 结构简单、紧凑, 可选配不同功率的拖拉机或水稻插秧机作动力, 通用性好。平地铲配置有3m, 4 m和5 m三种幅宽, 可根据田块大小进行选择, 特别适合于丘陵地区水田平地使用。

2.2 不足之处

1) 田间操作与维护不方便, 控制参数多需要人工调整, 且不能现场调整, 不能自诊断;目前推广维护工作仍主要依靠团队成员进行, 还不适合农民使用。

2) 控制可靠性、稳定性以及工作效率有待提高。水平铲的高度控制系统与水平控制系统工作不协调, 相互干涉;水平控制系统控制精度不高, 易受干扰出现误操作;在田埂转弯处平地铲的水平位置难以控制;工作效率每小时约为0.20~0.33 hm2 (3~5亩) , 不太适合平原地区大面积水田平地使用。

3) 操作人员劳动强度偏大。当平地铲负载过大时, 不能自动采取减载措施, 容易造成整机结构疲劳损坏。操作者需要对平地铲刮泥量时刻保持注意, 当出现刮泥量过大情况时, 及时进行人工提铲操作, 导致操作人员劳动强度偏大。

4) 其它问题。水田平地机工作环境较恶劣, 电路板安装缺少防震防水设计易造成隐患;配件不统一, 使安装维修不方便等。

多年来国内外推广实践表明, 这些问题影响了水田激光平地机的工作效果, 制约着水田激光平地机的进一步推广应用。

3 水田激光平地机技术改进

针对水田激光平地机存在的不足, 分析其理论根源, 从如下方面进行技术改进。

1) 改进水平控制系统, 采用更先进的集成式MEMS传感器进行组合, 通过信息融合检测平地铲的实时动态水平倾角, 在水平倾角测量和控制算法上作进一步优化改进, 提高平地铲水平闭环控制系统的响应速度, 提高水平位置的控制精度和稳定性。

2) 优化激光接收器和高程控制系统, 对控制芯片、控制逻辑和通讯方式进行优化设计;采用定时器实现PWM调节, 对PWM频率、占空比和开度进行优化, 提高抗干扰性能、接收灵敏度和高程控制精度。

3) 对水田激光平地机的电控系统进行集成。平地铲高程控制、水平控制及人机接口均采用CAN总线接口, 构成3节点网络化的嵌入式集成控制系统。CAN总线上各节点均具有自诊断功能, 配备多个LED指示灯和键盘接口, 实时显示工作状态和故障调试。既可提高系统的可靠性和可扩展性, 又方便了故障诊断和驾驶员的操作。设计水平控制与高程控制协同工作的CAN总线通信, 减少了高程控制系统对水平控制系统产生的影响。

4) 加大平地铲幅宽尺寸, 便于平原地区大面积水田平地使用, 提高工作效率。平地铲铲体设计成折叠式结构, 方便运输和保管。

5) 设计平地机负载自适应控制系统, 建立人机操作界面, 重设初始化步骤;加入自诊断功能, 减少参数调整, 提高使用方便性和简易性。

6) 制定标准化安装规范, 采取电路板防水防震措施, 添加冗余设计电路, 保证机器在正常状态下工作, 提高工作适应性和可靠性。

为了更快更好地推广水田激光平地机平地技术, 科研团队近几年对水田激光平地机进行了大量的技术改进和配套农机具的设计与集成, 并进行了大规模的示范推广应用, 通过一系列技术改进和优化, 使平地机性能和结构日渐完善和实用, 促进水田激光平地机产品化。

4 结语

水田激光平地机的技术改进提高了设备的适应性、可靠性和工作效率, 经过优化改进的水田激光平地机在在广东、海南、湖南、江西、安徽、辽宁、新疆等省区, 以及越南、泰国等东南亚国家进行了生产试验, 试验面积近133.33 hm2 (2 000亩) 。各地生产试验结果表明, 采用水田激光平地机平地, 提高了水田的平整精度, 平整作业质量好, 田面不平度控制在3 cm以内, 经济和社会效益良好。

水田激光平地机是用于水田精细平整的先进机具, 采用水田激光平地机作业, 为实现水田大面积机械化作业, 提高农业生产的机械化水平, 促进农业现代化、产业化、集约化经营发展提供了有利条件, 推广应用前景广阔。

参考文献

[1]高韶坤, 弋景刚, 刘江涛.激光平地机:农田平整中的战斗机[J].中国农机监理, 2013 (3) :27.

[2]Abdullaev, Iskandar Ul Hassan, Mehmood Jumaboev, et al.Water Saving and Economic Impacts of Land Leveling:The Case Study of Cotton Production in Tajikistan[J].Irrigation and Drainage Systems, 2007, Dec 21 (3-4) :251-263.

[3]罗锡文, 李庆, 赵祚喜, 等.一种水田激光平地机:中国, 200810026203.2[P].2008-07-23.

[4]李庆, 罗锡文, 汪懋华, 等.采用倾角传感器的水田激光平地机设计[J].农业工程学报, 2007, 23 (4) :88-93.

[5]赵祚喜, 罗锡文, 李庆, 等.基于MEMS惯性传感器融合的水田激光平地机水平控制系统[J].农业工程学报, 2008, 24 (6) :119-124.

[6]李庆, 赵祚喜, 王在满, 等.水田激光平地机工作原理的研究与应用[J].农业装备与车辆工程, 2013, 51 (9) :10-12.

激光平地机篇4

激光控制平地技术进行农田平整可有效提高农田的平整精度和农田灌溉水的利用率,从而实现精细地面灌溉。激光平地机在旱地平整中已经得到应用[1]。

激光平地机的原理是:采用架设于田边的激光发射器发射的旋转激光束形成基准平面,在田间作业的平地机上的激光接受器接受此激光信号,通过控制系统使平地铲保持在与激光束平面平行的某一高度,以达到平地效果[2]。但实践表明,这种单一的高度控制不适合水田使用。因为水田犁底层高低不平,平地铲在工作过程中难以保持水平,所以不能保证平地效果。在水田平地作业中,水田激光机不但要保证平地铲高低可调,而且要保证平地铲自动保持水平状态,使平地铲在工作过程中始终与激光束平面平行,所以平地铲水平控制系统对水田作业的激光平地机是十分必要的[3]。平地铲的水平控制实质属于姿态角控制问题,为此首先要解决平地铲实时倾角的测量[4]。

文献[5]介绍了采用MEMS传感器测量载体姿态角的基本原理。华南农业大学赵祚喜采用MEMS双轴加速度计ADXL203和单轴陀螺仪ADXRS联合测量平地铲水平倾角,提出传感器信息融合算法,并设计了实现该算法的平地铲水平控制系统,其总体结构如图1所示。该水平控制系统能在动态条件下准确地测定平地铲实时倾角,可以较好地实现平地铲水平控制。但有以下方面需要改进:一是提高陀螺仪测量准确度,减小角速度测量值的偏移量;二是融合算法中对两种传感器切换时机的确定还要进一步完善,进一步考虑采用卡尔曼滤波算法实现传感器融合[6]。

基于以上分析,本文设计了用于测量平地铲倾角的姿态测量系统。该系统采用ADI(美国模拟器件公司)生产的三轴加速度计与数字陀螺仪模块ADIS16300作为传感器测量单元,并提出了基于卡尔曼滤波的MEMS传感器信息融合算法。使用高精度姿态航向参考系统AHRS500GA对该姿态测量系统性能进行了融合算法验证与田间试验验证,结果表明:ADIS16300的数据经过融合算法处理后,能够比较准确计算出平地铲水平倾角,其误差一般在±0.8°左右。

1 平地铲姿态测量系统

平地铲采用三点悬挂方式与久保田插秧机底盘连接,铲体可相对于悬挂装置旋转,转销中心为O,xoy坐标系与水平控制器固定[7]。平地铲倾角测量由安装在平地铲铲体上的姿态测量系统实现。该系统采用ADIS16300惯性传感器模块融合来测量平地铲实时倾角,安装于姿态测量系统中,其中数字陀螺仪中心对准平地铲转销中心O,见图2所示。

1.1 ADIS16300简介

ADIS16300是四自由度惯性检测系统,应用于医疗仪器、机器人、惯性测量单元和导航控制领域等[8],其功能模块框图如图3所示。

传感器上电后便自动以819.2SPS采样速率进行惯性测量,温度传感器、MEMS角速度传感器与三轴MEMS加速度传感器分别感知环境温度、器件所受角速度和三维加速度。每个采样周期结束后,传感器测量结果存放至输出寄存器,并且DIO1引脚向器件外产生一个脉冲,表示一个完整的新惯性测量数据已经采集准备好,可供外部SPI主控器件读取。图4所示为ADIS16300的坐标系,其上标出了每个惯性传感器(陀螺仪和加速度计)的测量朝向。

1.2 MEMS传感器组合测量倾角

陈永冰等介绍了惯性导航的基本原理、常见的坐标系和方向余弦矩阵等[9]。对于常见的坐标系,本文采用以下的表示方法:n为导航坐标系;b为机体坐标系;θ为横滚角;Φ为俯仰角;Ψ为航向角。假设Cbn为载体坐标系b转换到导航坐标系n时相应的方向余弦矩阵,则

当物体处于静态的情况下,加速度值为0,记为abib=0。根据加速度计的原理[10],则有

式中fb—比力;

gb—重力加速度在载体坐标系下的三轴分量,

如图5所示。

当平地铲运动时,依据机体系到导航系的转换关系式为

当平地铲处于静止状态下,根据基本的比力方程可以计算得到fn=[0 0 ge]。ge为重力加速度常量值,于是由式(1)、式(2)可以得出

求单轴加速度计测量值的反三角函数值,可分别计算横滚角θ和俯仰角为

从式(5)可知,静态条件下测量物体在三轴上的加速度方可求出物体的横滚角,即水平倾角。当运动物体抖动比较大的情况下,abib不能忽略,因此以上的式子不能准确计算出横滚角和俯仰角,为此引入ADIS16300内置的陀螺仪。本设计中,其测量轴(即Z-axis)与平地铲垂直,即陀螺仪随平地铲做旋转运动,这样陀螺仪可以测量平地铲水平倾角变化率。采用倾角变化率对时间的积分也可求出平地铲倾角,但由于测量精度及各种漂移的影响,使用简单积分或累加法会导致无法消除的积累误差。本文采用ADIS16300包含的陀螺仪与三轴加速度计联合使用,可以实现平地铲水平倾角的实时测量。

根据以上分析,本文提出以下计算倾角的融合算法:首先,设定一个关于加速度与角速度的阀值,利用加速度计和陀螺仪的输出判断载体运动状态。本文要求平地铲先处于静止状态,从而通过式(4)和式(5)可以比较准确地测量出平地铲初始的角度。然后,根据阀值判断平地铲是否处于静态:是则继续使用加速度计计算平地铲的水平倾角;否则将该时刻作为传感器使用切换的时刻,利用陀螺测得的角速度来更新前一步的姿态角。利用加速度计对重力向量的观测来修正陀螺给出的姿态角信息,采用卡尔曼滤波算法对其状态进行估计,通过数据融合修正其姿态角。

1.3 姿态测量系统的设计

图6和图7分别是平地铲姿态测量系统的结构图和硬件结构示意图。本文采用ADIS16300作为该系统的传感器测量单元,设计相应的电路实现其功能。该系统的器件包括ARM7 Cotex-M3处理器、ADIS16300和SD卡存储器等。Cortex-M3处理器是一个低功耗的处理器,使用了ARM v7-M体系结构,是一个可综合的且高度可配置的处理器[12]。从性能上看,Cortex-M3处理器可以作为本文的融合算法硬件实现。Cotex M3处理器使用SPI接收来自ADIS16300的数据,传感器的数据使用SD卡存储器进行保存。

2 融合算法

2.1 传感器信息融合方法

姿态航向参考系统(AHRS,Attitude and Heading Reference System)能精确测量载体姿态角,其内部集成了三轴陀螺仪、三轴加速度计和三轴磁场计,主要应用于航空与惯性导航等领域[13]。美国加利福尼亚大学的Jay.A.Farrel[14]对AHRS工作原理进行了研究,其功能实现属于多传感器信息融合。选用重力向量和地磁向量作为参考向量,为陀螺提供角度修正和零偏估计,实现动态环境下载体姿态估计。由于AHRS生产成本较高,考虑到农业技术的实际需要,研究人员一般简化传感器组合,通过传感器信息融合的方法准确计算姿态角。本文结合AHRS工作原理,提出采用MEMS加速度计和陀螺仪组合测量平地铲水平倾角,传感器的组合方案如图8所示。

该融合方案的主要思想为:利用陀螺测得的角速度来更新前一步的姿态角;利用加速度计对重力向量的观测来修正陀螺给出的姿态角信息。

2.2 信息融合算法推导

四元数法是应用于惯性导航上计算姿态角的方法。四元数为四自由度的空间变量,可以表示为Q=q0+iq1+jq2+kq3。四元数与运动物体姿态角的关系[11]为

本文提出的滤波修正方法为:不按照式(4)的坐标系转换关系计算姿态角,避免进一步引入计算误差;选取姿态四元数和陀螺漂移为状态变量,以姿态误差传播方程为状态方程,以机体系的比力差值为观测量,估计姿态误差,达到修正目的。

依据上述解决思想,选取状态变量为

式中qi(i=1~4)—四元数;

εj(j=x,y,j)—陀螺漂移。

本文设计Kalman滤波步骤如下:

1)定义等时间间隔T内机体系的角速率为

则四元数的更新关系式为

式中ω—三轴角速度;

W—三轴角速度在采样时间内积分值;

tk-1—第K-1时刻;

tk—下一时刻。

因此,只要建立起K时刻与K-1时刻的Q值函数关系,测量出K-1时刻的w即得到下一时刻的Q值,实现四元数进行即时修正。由式(10)可以得到状态矩阵为

2)由式(2)将其展开为四元数的形式,即

3)将式(11)改写为观测方程的形式,可得观测矩阵为

4)计算卡尔曼滤波增益,即

5)状态变量更新,即

6)计算均方误差方阵,即

按照1)~6)的步骤进行Kalman滤波计算,即可以实时地修正四元数,然后可根据式(6)~式(8)计算修正后的姿态角,达到误差修正的目的。迭代算法流程如图9所示。

3 实验结果与分析

3.1 实验设备

用高精度姿态航向参考系统AHRS500GA的测量结果作为对照,验证本文设计的基于ADIS16300的平地铲姿态测量系统效果。AHRS500GA由美国Crossbow公司生产,可测量运动载体的姿态角(航向、俯仰与横滚角),数字输出,高速(采样频率可达100 Hz)高精度(航向0.2°RMS,俯仰与横滚0.03°RMS)[15]。试验中,Y轴顺着平地铲长度方向安装,其正方向与图2中ADIS16300的X轴一致,保证AHRS500GA测得的横滚角即为平地铲水平倾角,且正负方向与原水平控制系统系统一致。AHRS500GA采用数据包的形式通过串行口发送姿态角、角速度、加速度和磁强的数据,每个数据包有26个字节,十六进制数表示,每帧数据的内容从第3字节开始,包括横滚角、俯仰角、偏航角以及角速率、加速度和磁场的信息。

姿态测量系统(如图10所示)的微处理器Cortex-M3有3个RS232接口。本试验使用其中的2个:1个连接AHRS500GA采集参考数据;1个连接PC将采集的数据以及各种控制算法用的中间数据实时输出,由PC将这些数据保存及进行分析。由Cortex-M3统一采集各种数据,这样AHRS500GA数据与姿态测量系统数据可以很方便地在时间轴上同步。由计算机记录的实时数据包括AHRS500GA数据和ADIS16300数据等。

3.2 实验方法

为了验证提出的姿态测量系统,进行融合算法的验证实验以及ADIS16300测量平地铲倾角的实验。

融合算法的验证实验步骤如下:AHRS500GA通过RS232接口与PC机连接,向串口发送数据,通过MATLAB软件编程读取串口的方法获得AHRS500GA数据包;解算出数据包的三轴加速度与三轴角速度,并作为输入代入传感器信息融合程序中,计算出融合的角度与AHRS500GA的测量姿态角进行比较。

ADIS16300测量平地铲水平倾角实验步骤:一是在平地机上安装姿态测量系统;二是启动姿态测量系统,人为摇动平地铲,SD卡记录ADIS16300与AHRS500GA同步工作数据;三是PC平台上用Matlab融合程序进行处理。

3.3 实验结果分析

试验数据用计算机在Matlab环境下处理,试验数据处理程序的主要流程如图11所示。

融合算法实验结果分析:0~300区间无振动或振动微弱时,加速度计能正确测量倾角;其后振动加大,虽然总体趋势与参考倾角一致,但有较高频率干扰叠加,表现为上下跳变幅度大,图中误差可达±6°左右。无论是静态,还是动态环境下,融合结果均与参考倾角结果呈现良好的一致性,误差一般不超过1°,如图12所示。

图13为一次典型的ADIS16300测量倾角试验结果记录,采样周期为0.01s,图13(b)为图13(a)的局部放大结果。图中倾角记录曲线绘出了三轴加速度计解算得到得横滚角(即平地铲水平倾角)以及由AHRS500GA测得的参考横滚角。从中可看出:

1)本设计采用的传感器融合算法是有效的。由图13(a)和13(b)可见,在动态环境下,融合结果均与参考倾角结果呈现良好的一致性,误差一般不超过1°,系统解算精度横滚角误差<0.8°/s。考虑实际工作时平地铲所受振动较小,实际工作中融合结果误差应小于此值。

2)通过横滚角的输出比较可以看出,融合算法计算出来的横滚角接近AHRS500GA的横滚角。单纯使用四元数解算,由于陀螺漂移的存在,算法误差会随时间增长而累积,而通过实时判断载体运动状态,利用加速度计对陀螺漂移进行重调补偿,姿态角的误差漂移减小了一个数量级。

4 结语

针对平地机平地铲的工作特性,为了准确测量平地铲水平倾角,本文提出了使用平地铲姿态测量系统。基于Matlab平台进行了相关实验,证明该惯性测量系统具有高准确度、低成本、测量单元小型化的特点,其倾角测量精度满足水田激光平地机田间作业的要求。

摘要：水田激光平地机水平控制作为农田激光平地技术的重要组成部分,其研究过程中首先要解决平地铲实时倾角测量问题。为提高倾角测量精度,设计了平地铲姿态测量系统,采用MEMS传感器集成模块ADIS16300作为惯性测量单元,通过卡尔曼滤波实现传感器信息融合以计算平地铲倾角。分析了姿态测量系统的构成,阐述了两种传感器融合测量实时倾角的方法,基于ARM7 Cotex-M3微处理器设计了姿态测量系统硬件。采用AHRS500GA对该姿态测量系统性能进行了融合算法验证与ADIS16300测量平地铲倾角验证。测试结果表明,该姿态测量系统能在动态条件下准确地测定平地铲实时倾角,可以进一步应用于激光平地机的水平控制之中。

激光平地机篇5

激光控制平地技术是利用激光测量平面和电子控制系统作为非视觉的控制手段, 利用控制系统控制液压调节系统实现平地铲的自动升降, 避免人工操作和目测判断所造成的误差, 以达到农田精细平整的目的。近年来, 我国先后有一些科研机构开始研究激光控制平地系统, 其中有中国农业大学开发的JSP-1型激光平地机, 中国航空精密机械研究所研制的GP-1型激光校准平地机等机型, 通过这些设备的研制和开发, 促进了我国激光控制平地技术装备方面的研究, 但是这些设备试验应用过程中存在的问题较多, 技术性能指标与国外同类产品相比还有一定差距。

2013年, 我单位引进了北京农业信息技术研究中心开发的1PJ-2500型激光平地机, 通过实际生产作业考核, 该机具的通过性能好、自动化程度高、精平效果好, 是理想的土地精平作业机械。

一、总体结构及工作原理

1. 总体结构

1PJ-2500型激光平地机由激光发射器、激光接收器、控制器、平地铲升降装置、平地铲、激光接收器升降装置等组成, 总体结构如图1所示, 控制器如图2所示, 激光发射器如图3所示, 激光接收器如图4所示。

1.支撑轮2.挡板3.铲刀4.斜拉杆5.牵引架6.拉力传感器7.入土角调节装置8.液压油箱9.空气过滤器10.电磁换向阀11.激光接收器12.滑轨13.变速箱14.液压马达15.液压油缸

2. 工作原理

激光发射器旋转发射激光束形成扫射平面作为控制装置的作业基准平面。以激光接收器的高度与激光发射器扫射平面的高差作为控制量, 控制器通过电液换向阀将控制量发送给平地铲以控制平地铲高度。在手动状态下, 通过扳动按钮控制平地铲和激光接收器。在自动状态下, 根据激光接收器传递的位置信息自动控制液压系统平地铲刀口的位置不断上下调节, 以完成对作业地块挖土或填土的操作。通过读取拉力传感器的数值来判断是否过载, 拉力大于极限值时, 抬铲卸土操作, 防止因负载过大损伤牵引车发动机或平地铲。通过读取液压缸位移传感器数值确定平地铲和支撑轮位置, 防止平地作业时支撑轮抬起过高而损坏液压系统和影响平地的效果。

3. 主要技术参数

外形尺寸 (长×宽×高) :4485 mm×2600 mm×3055 mm;

整机质量:1200 kg;

配套动力:55.1 k W以上轮式拖拉机;

工作幅宽:2.5 m;

传动方式:液压传动;

联动方式:牵引式;

工作电压:12 VDC;

工作温度:5~40℃;

平地精度:±2 cm;

工作半径:400 m;

激光接收器可调范围:0.88 m。

二、激光平地机的使用

1. 观测作业地块

作业前要先清理作业区域内的树根、石块等障碍物, 如果在土质坚实的地块进行作业, 还要先用整地机械旋耕地表, 为激光平地机作业创造必要条件。

本激光平地机的平整精度高达±2 cm, 能够在半径400 m范围内, 待平整土地高差小于30 cm时, 实现高精度土地平整作业。如果作业地块的平整度较差, 应先用推土机进行粗平, 再用激光平地机进行平整。根据实践经验, 如果人们肉眼能够目测出地块不平整, 地块的高差一般都会大于50 cm, 不适宜直接使用本机具作业。

对适宜作业的地块, 要使用手持激光接收器, 配合5 m量程的塔尺对田块进行随机取点测量 (如图5所示) , 记录测量数据, 让机手对作业地块有宏观认识, 选择合适的平地铲初始基准, 提高激光平地机作业效率。

2. 建立激光控制面

根据被平地块大小确定激光发射器的安放位置, 选择地面平坦且不受田间机具和行人影响的地方, 若作业半径较大 (超过300 m) , 激光发射器应安放在地块的中间位置。首先固定发射器的三脚架并保持稳定, 然后将激光发射器安装在三脚架顶部并旋紧固定螺栓, 打开电源并调整到适宜高度, 使激光发射器高出拖拉机顶部, 防止拖拉机和操作人员遮挡激光束, 随着发射器马达的旋转, 就形成了激光控制面。

3. 控制器的连接与调试

控制器的正面安装了模式选择、激光控制器和平地铲三个控制按钮。指示信号灯主要显示地面高差, 指导操作人员选择合适的模式进行作业。控制器的反面安装了六个线缆连接口, 分别是通讯、传感器、激光接收器、平地铲升降、激光接收器升降和电源。线缆选用的是针式螺旋接口方式, 不同接口使用不同的针数, 防止连接错误。控制器的动力电源来自拖拉机电瓶, 无正负极区分。各线缆连接完毕后, 需要对整机进行调试后才能进行作业。首先选择不同的模式, 调试机具是否能实现手动和自动的转换。然后再调试平地铲和激光接收器的升降。调试过程中, 如果平地铲无法作业, 则需互换电磁换向阀上的两个接头再进行调试;如果激光接收器无法升降, 则需调整马达、牵引钢缆和升降导轨的装配。调试至各运动和连接部件都实现正常运转, 才能进行作业生产。

4. 平地作业

把拖拉机开到作业区域, 打开控制器, 调整到手动模式, 根据前期的随机取点测量数据作为参考, 使用手动升降开关将平地铲刀口调整到大概的初始位置, 然后上下调整激光接收器, 直至控制器绿灯亮。开动拖拉机在田间作Z字行折线行进, 密切观察控制器的指示灯和平地铲吃土情况, 控制器上方的红灯亮表示田面地势高, 下方的红灯亮表示地势低。作业过程中控制器的自动和手动模式要交替使用, 若吃土量适中就采取自动模式, 若吃土量过大就选择手动模式控制, 以防拖拉机超负荷牵引。一趟作业后, 对地面的起伏情况就有了初步了解, 平地铲留下的刮痕也可帮助判断地面的高低。

平地铲吃土量调整完毕后, 将控制器开关置于自动位置, 进行粗平作业。粗平作业后, 刮土量急剧减少, 这时应重新调整平地铲刀口标高, 进行精平操作。平地铲刀口标高一般要进行2~4次调整, 最后控制器绿灯常亮或不断闪烁时, 即平地作业完成。

5. 测量

平地过程中, 要使用手持激光接收器, 配合塔尺对田块进行网格点测量, 记录测量数据, 实时掌握激光平地机的作业效果, 辅助指导平地机作业。

该机具可以把地面平整高差控制在±2 cm范围内, 精度要求越高, 作业时间越长。应根据农田实际情况设定地块平整精度, 在满足使用的前提下可适当降低精度, 以提高激光平地机的作业效率。

激光平地机篇6

激光平地机是将激光、液压技术应用于整地作业的农业新产品,激光平地技术可有效提高农田的平整度,提高农田灌溉水的利用率,是目前国际上推广应用的节水技术之一[1]。水田激光机在水田平地作业中,必须解决平地铲的姿态控制问题,即保持水平姿态[2]。华南农业大学赵祚喜设计了基于MEMS惯性传感器融合的平地铲水平控制系统,该系统采用双轴加速度计ADXL203和单轴陀螺仪ADXRS信息融合的算法测量平地铲实时倾角,通过脉宽调节普通电磁阀实现平地铲水平控制。试验证明,该系统能较好实现平地铲水平控制,但仍存在传感器融合的切入时机不完善、陀螺仪累加误差较大的问题[3]。文献[4]设计了基于MEMS惯性传感器ADIS16300姿态测量系统,提出了三轴加速度计与数字陀螺仪信息融合的算法,通过对重力加速度的观测修正陀螺仪偏差。试验证明: 该系统能较准确测量平地铲动态情况下的水平倾角。文献[5]引入了非线性I - PD位置控制算法在平地铲水平控制上的应用,提高了水平控制精度和稳定性。

基于以上的分析,本文设计了一种新的平地铲水平控制系统,该系统采用ADI( 美国模拟器件公司) 生产的MEMS惯性传感器集成模块ADIS16355作为姿态测量单元,基于卡尔曼滤波实现多传感器信息融合,通过改进的位置控制算法对平地铲的水平姿态进行调节。为此,就该系统的结构、倾角测量原理、传感器融合算法以及控制算法设计进行介绍,并通过试验验证该系统有效性,最后进行试验结果分析。

1 平地铲水平控制系统设计原理

1. 1 ADIS16355 测量倾角原理

水平控制系统采用基于ADIS16355惯性传感器模块的姿态角测量单元来对平地铲倾角进行实时计算。ADIS16355是完整的三轴陀螺和三轴加速度计组成的惯性测量模块,传感器上电后便自动以819. 2SPS采样速率进行惯性测量,能实时提供各轴上的加速度、角速率以及温度等信息[6]。当运动物体速度较慢、抖动较小的情况下,物体的横滚角、俯仰角[7]为

其中,θ、φ分别表示横滚角、俯仰角,b代表载体坐标系,gb表示重力加速度三轴分量。

在振动较大的情况下,系统内存在较高的频率干扰叠加,以上式子不能直接测量姿态角,为此引入陀螺仪并使用四元数法计算姿态角[8],有

其中,atan2( Y坐标,X坐标) 是返回给定的X坐标值及Y坐标值的反正切值,表示X到Y的旋转角度。四元数Q = q0+ iq1+ jq2+ kq3,文献[9]推导了四元数更新方程式,有

1. 2 平地铲水平闭环控制系统的设计

水平控制系统闭环控制结构如图1所示,图2是系统硬件结构框图。系统主要由姿态测量部分、非线性控制器与液压执行部分组成,各部分作用是: 姿态测量部分检测平地铲水平倾角,非线性控制器根据倾角信息对电磁阀施加PWM脉宽控制信号,液压执行部分通过扭矩输出使平地铲保持在水平位置。

系统的硬件包括Cotex - M3处理器、ADIS16355及SD卡存储器等。Cortex - M3处理器使用了ARMv7 - M体系结构,具有较高的性能和较低的动态功耗[9]。从性能能上看,Cortex - M3处理器可以作为本文的融合算法以及控制算法的硬件实现。Cortex - M3处理器使用SPI接收来自ADIS16355的数据并保存在SD卡存储器。其采样得到的三轴角速度和加速度计数据通过传感器信息融合测量,从而得到平地铲水平倾角; 数码管用于显示当前测量角度和控制参数等,可通过按键改变显示模式和参数调整,两者组成简单的人机界面,易于调试; RS232串口主要用于接收高精度姿态航向参考系统AHRS500GA发送的数据。

2 融合算法与控制算法

2. 1 基于卡尔曼滤波的姿态解算算法

利用加速度计对重力矢量进行观测,以观测值同重力常量的误差值修正陀螺对姿态角的测量值,设计卡尔曼滤波器对状态进行融合估计[10]。根据该方案,传感器信息融合处理过程如下:

1) 利用式( 6) 计算更新四元数,并转换为姿态角。

2) 观测矩阵为

3) 计算卡尔曼滤波增益,有

4) 状态变量更新,有

5) 计算均方误差方阵,有

2. 2 控制系统数学模型

根据平地铲运动特征,建立平地铲的抽象物理模型,如图3所示。

按以下方法建立平地铲运动的载体坐标系xoy:以平地铲质心o为零点,系统输入量x为液压系统阀芯位移,输出量y为油缸位移,平地铲转动倾角为θ,建立传递函数模型[11]为Y( s) X( s)= K1 s( Ts + 1) θ y= L

经过拉氏变换,水平控制系统传递函数为

2. 3 控制器的算法设计

2. 3. 1 适用于平地铲运动的控制算法

考虑水田激光平地机的作业特点,控制系统在设计上必须保证平地铲在倾角角度情况下能够迅速回位到水平位置,并且尽量减少超调和避免振荡。传统PID控制有较好的适应性,但是还不能提供最优控制,其结果是导致超调失效而影响控制效果。目前,基于动态补偿的最优控制在工业中得到应用,其特点是能够准确反映信号的变化趋势,产生有效的早期修正信号,以增加系统的阻尼程度,从而改善系统的稳定度[12]。本文鉴于非线性系统近似最优PD控制的特性,引入其算法,针对平地机做出相应修改,进行相应尝试。

控制器框图如图4所示,姿态测量单元提供位置反馈θ。积分控制、比例控制以及微分控制的作用如下: 1积分控制放在前馈通道,其作用是抑制平地铲在受到外界恒定负载情况下产生的输出误差,增益输出为y0= K1△θ。2比例控制作用输出为y3,等于两次连续位置反馈值的差值,增量△y1等于信号y0减去y3,通过数字积分器累加。3微分反馈信号y2提供参考速度,其大小正比于平地铲输出转速,与参考信号y1组成一个局部的速度内环。微分控制器设计目的是适合平地铲在大干扰情况下的操作。4系统输出转矩的参考值为Trf,送入零阶保持器,输出力矩实际值为Tcm。Tcm正比于零阶保持器的输出。

2. 3. 2 控制器参数的确定

平地铲运动机构近似于二阶系统,有以下方程成立[13],有

其中,u为被控对象输入量,upid为PID控制器参数,Kp、Ki、Kd为待设计参数,ua为辅助补偿器输出,d( t) 为有界未知扰动,a、b、c为已知系数。

由式( 7) 可得

对式( 8) ,通过线性系统理论的极点配置方法求出Kp、Ki、Kd,使系统的线性部分渐进稳定。

2. 3. 3 辅助补偿器的设计

采用Lyapunov再设计方法设计辅助补偿器以补偿非线性部分和外界扰动对PID控制器的影响。对于渐进稳定的线性系统,必存在实对称正定矩阵P,满足以下关系[14]

取Lyapunov函数,对该函数按照式( 7) 求导,得到

通过推动计算,补偿器的控制律为

3试验与分析

为了验证本文提出的平地铲水平控制系统,本文进行融合算法的验证试验以及平地机田间试验。

3. 1 传感器融合算法验证试验

3. 1. 1 试验方法

通过AHRS500GA同步测量平地铲姿态信息并作为准确数据,验证基于ADIS16355的姿态测量单元有效性。美国Crossbow公司生产的AHRS500GA是高精度惯性姿态测量器件,其采样频率为100 Hz,测量精度为: 航向角0. 2°RMS、俯仰角0. 03°RMS、横滚0. 03°RMS[15]。融合算法的验证实验步骤如下: 1在平地机上安装水平控制系统,保证系统坐标系与载体坐标系一致; 2启动系统,人为摇动平地铲,同步记录ADIS16355与AHRS500GA数据; 3 PC平台上运行Mat Lab融合程序对采样的数据进行处理。

3. 1. 2 试验结果分析

图5为一次典型的试验结果,图5( a) 为平地铲倾角测量值对比,图5( b) 为局部放大结果。

1) 从图5( a) 、6( b) 中可见,0 ~ 400 s区间平地铲振动较小时,利用加速度计计算倾角值较准确; 当外界扰动导致振动加剧时,误差可达±5°以上,无法单纯用加速度计解算姿态角。

2) 本设计姿态测量单元能准确测量平地铲动态倾角。由图5( b) 可见,在动态环境下融合结果能与AHRS500GA提供的参考倾角结果呈现良好的一致性,其误差绝对值不超过±1°。

3) 通过传感器实时判断平地铲运动状态,利用加速度计对重力矢量观测值来修正陀螺漂移,可以有效降低姿态角计算误差。

3. 2 平地机田间试验

3. 2. 1 试验方法

组装好平地机的高程和水平控制系统,在水田进行平地试验,开启以上系统并保证正常工作,记录相关数据。图6所示为水田激光平地机田间作业后的场景,可以看出平地效果良好。

3. 2. 2 试验结果分析

图7所示曲线为平地机平地过程中控制系统所测量的平地铲水平倾角。田间试验结果分析如下:

1) 从图7( a) 可知,平地铲倾角变动基本控制在±1. 5°以内且渐进稳定,满足平地机作业要求。

2) 从图7( b) 和7 ( c) 可知,在外界干扰较大导致平地铲晃动严重时,水平控制系统起作用,通过PWM输出反向力矩,使平地铲恢复到水平位置,其过程是渐进稳定的。

3) 由于在控制算法推导过程中,平地铲的传递函数是简化和抽象的,如忽略机械连接部分的间隙、挠度,液压油缸对于控制系统的响应有延迟现象等,最终导致了控制系统的效果受到影响。

4 结语

为满足水田激光平地机田间作业要求,设计了使用平地铲水平控制系统。通过试验可知: 该系统能较准确测量出平地铲静态和动态实时倾角,通过PWM脉宽信号控制液压电磁阀的方式可以有效控制平地铲的水平姿态。该控制系统具有高准确度与低成本、测量单元小型化的特点,本文设计的非线性位置控制算法适合平地铲运动特点,因此达到了预期的效果。但是控制系统的超调效果仍存在问题,今后的研究重点是优化平地铲数学模型、改进控制系统的参数求解等问题。

摘要：为了使水田激光平地机作业中平地铲保持水平,设计了基于多传感器融合技术的水平控制系统。该系统基于MEMS惯性传感器ADIS16355信息融合测量平地铲倾角,通过脉宽控制液压电磁阀的方法实现水平控制。为此,介绍了控制系统的构成,阐述了三轴加速度计与陀螺仪融合测量实时倾角原理,设计了基于卡尔曼滤波的多传感器融合算法;并基于ARM7 Cotex-M3微处理器设计了水平控制系统硬件,提出了适用于平地铲水平控制的位置控制算法。采用高精度姿态航向参考系统AHRS500GA对融合算法进行验证并进行田间试验,结果表明:该系统能在平地机作业过程中准确测量平地铲实时倾角,有较好的控制效果。

激光平地机篇7

实现高精度农田平整,不仅可明显改进地面灌溉系统的性能,使灌溉效率和灌水均匀度提高25% 以上,作物增产20% 以上,还可适度扩大耕田面积,减少田( 渠) 埂占地面积1. 5% ~ 3%[1],具有非常显著的节水、增产、省工、提高土地利用率等效果,可为实现精量播种、精量施肥、精确收割等一系列农业生产环节奠定了基础。

激光平地技术作为一种提高地面灌溉质量的重要措施,从20 世纪80 年代率先在美国应用,随后在世界范围内得到推广,被誉为改进地面灌溉的突破性技术。近年来,国内对激光控制农田土地精细平整技术开展了系列研究,取得了很多的研究成果,但是激光平地技术的智能化水平同国外相比还有一定的差距。为了提升农机智能化水平,改善我国农机技术与农业装备落后的现状,本文设计了12PJY - 3A型液控智能激光平地机,并在田间进行了平整作业试验。

1 总体设计方案及工作原理

1. 1 总体设计和结构组成

液压驱动式激光平地机通过三点悬挂,与拖拉机链接,主要包括机械部分、液压系统、电气控制系统和激光发射和接收装置,是将电子、光学、液压和机械部件组合成的机电液一体化的平地工作系统。

12PJY - 3A型液控智能激光平地机总体设计方案如图1 所示。该平地机工作系统主要由拖拉机( 动力来源) 、激光发射和接收器、液压油缸及电气控制盒等部分组成。

主要技术参数: 配套动力≥80 k W; 工作幅宽3 000mm,液压系统工作压力( 10 ± 0. 5 ) MPa; 液压泵为CBN - F5 系列齿轮油泵,最低转速为500 r /min,公称排量为63 ML /r; 动力输出轴转速为540 r /min和1 000r /min,整机质量1 300 ~ 1 500kg; 系统控制范围为600m米; 铲刀提升范围270mm,最大入土深度为100mm,整机外形尺寸( 长 × 宽 × 高) 为3 150mm × 3000mm × 3 850mm。

1.激光发射器高度调节架2.激光发射器3.桅杆液压缸4.激光接收器5.电磁换向阀和电气控制盒6.液压油箱7.平地机铲体8.牵引架9.联轴器和齿轮油泵10.触摸屏11.拖拉机12.激光平面

1. 2 工作原理及工作过程

工作原理: 激光发射器放置于作业场地中,工作时会发射出一束细的并能360°旋转的激光束,可以提供平整土地时的基准光平面。激光接收器位于平地机桅杆油缸的伸缩杆上,桅杆油缸与铲体刚性连接。

当操作者选择自动模式时,激光接收器将接受到激光信号转换为电信号传递给可编程控制器( PLC) ,可编程控制器根据激光信号的高低自动控制铲体的升降; 同时将升降信息传递给驾驶室内的触屏显示器,驾驶员可以清楚地看到信号的高低以及铲体的动作。

操作者选择手动模式时,可根据触屏显示器显示的信号高低设置铲体及桅杆的升降,设置的信号传递给可编程控制器,控制电磁多路换向阀的流量和方向,实现桅杆和铲体的升降。工作原理如图2 所示。

2 机械部分的设计

机械部分主要由牵引架、角度调整杆、横梁支架、平地铲、铲壁和地轮组成,如图3 所示。

1.牵引架2.角度调整杆3.横梁支架4.平地铲5.铲壁6.地轮

机械部分中,平地铲是重要的工作部件。首先在UG中建立平地铲的三维模型,再进行简化处理后转化为Parasolid文件,并导入Abaqus软件对其进行网格划分。铲体选用材料为Q235A,其密度为7. 86 E + 03kg / m3,弹性模量为2. 12 E + 11Pa,泊松比为0. 288,屈服强度为2. 35 E + 08 Pa。在Abaqus中的网格划分如图4 所示。

配套拖拉机为约翰迪尔1204,最大牵引力≥31k N,工作地区为北方,铲宽为3 m。根据铲体的受力分析及载荷计算,可分析得出铲体的受力变形图,如图5 所示。由图5 可知: 变形量大的位置主要是牵引部位的机架,最大有5mm的变形量,需要加固。

进一步分析铲体的应力图,如图6 所示。

由图6 可知: 应力较大的位置是牵引部位的机架和铲刀。进而重新划分网格,在应力集中位置增加网格数量,主要是提高计算精度,结果表明满足校核。

3 液压系统的设计

液压系统如图7 所示。拖拉机的动力输出轴通过联轴器直接带动齿轮泵,齿轮泵进油口联通液压油箱,输出高压油路接多路换向阀的P口,多路阀有两对进出油口: A1 和B1、A2 和B2。A1 和B1 控制主升降液压缸工作,调节铲体的离地高度; A2 和B2 控制桅杆液压缸升降,从而调整激光接受器的高度。电磁多路换向阀的T口接通液压油箱,多路阀的通断由电气控制系统控制。

1.齿轮泵2.电磁多路换向阀3.液压油箱4.桅杆缸5.主升降液压缸

3. 1 齿轮泵的选用

液压泵的动力来自拖拉机的动力输出轴,通过联轴器相连,传动比为1: 1,利用转速表,实测约翰迪尔1204 动力输出轴的转速为573. 2 r / min。另外,根据粗略计算,本系统需要达到的油压P > 8MPa。综合考虑后,选用CBN - F563 型齿轮油泵。

3. 2 联轴器的设计

联轴器( 如图8) 设计为GL型滚子链式联轴器,双排链连接两个链轮,拖拉机动力输出轴轴套和齿轮泵轴套与两链轮焊接。选用滚子链式联轴器优点: 柔性连接保证同轴度,性价比高。

3. 3 主升降液压缸的设计

主升降液压缸是液压系统的主要工作部件,经过一系列的计算得出: 活塞杆的直径为55mm,液压缸缸筒外径为102mm。根据技术要求,确定铲体调节的范围为 ± 200mm; 根据铲体和液压缸运动位置的几何关系,得出液压缸的行程为360mm,如图9 所示。

在UG10. 0 中建立平地机的整机三维模型后,以Parasolid格式导入Adamns / View中( 见图10) ,建立平地机的仿真系统后,打开Adams /View的自检结果表,检查所添加的约束关系和自由度。经检查,平地机模型具有一定的自由度。

平地机虚拟样机系统运动过程中,设置主升降液压缸的运行速度,上升速度为50mm /s,下降速度为70mm / s,进而可得到铲体的运动速度,如图11 所示。PART27 所示曲线代表铲体的质心运动,JOINT _20 曲线代表铲体的理论运动,PART17 所示曲线代表主升降油缸的质心运动。曲线所出现的震荡是因为在建模时,轮子与“地面”没有接触; 仿真开始后,平地机在重力作用下与地面接触。通过图表得出以下结论: 缸体的上升下降速度和铲体的上升、下降速度基本保持一致。

4 电气控制系统的设计

电气系统如图12 所示。

其中,触摸屏位于驾驶室内,控制器放置在控制盒中,控制器根据接收器的信号判断农田的瞬时高程情况并输出相应控制信号。

控制器工作模式设有自动/手动选择。当操作者选择自动模式时,激光接收器将接受到激光信号转换为电信号传递给可编程控制器( PLC) ,可编程控制器根据激光信号的高低自动控制铲体的升降; 同时,将升降信息传递给驾驶室内的触屏显示器,驾驶员可以清楚地看到信号的高低以及铲体的动作。当操作者选择手动模式时,可根据触屏显示器显示的信号高低设置铲体及桅杆的升降; 设置的信号传递给可编程控制器,控制电磁多路换向阀的流量和方向,实现桅杆机铲体的升降。

如何控制平地铲的升降速度是控制器的技术难点,涉及土壤类型情况、负载力的大小、拖拉机的行进速度及液压系统的滞后性等多种因素,难以建立精确的数学模型,因此采用了模糊控制技术。本研究中,模糊控制器的输入是接收器受光点与接收器中间点的位置偏差,即农田高程与预设平面的偏差及偏差变化量,模糊控制器输出是液压调节器中电磁阀的开启时间,这样可大大提高系统的控制精度。

5 田间试验

课题组与国丰机械有限公司合作,研制了液控平地机样机,并在位于兖州市国丰公司的试验田进行了实际测试,样机现场作业如图13 所示。

平地前和平地后的土地高度相对值如表1 和表2所示。测量得到的实验数据都是一些离散点,将数据导入Mat Lab中,利用Meshgrid函数处理离散点生成三维曲面,如图14 所示。试验表明: 该机能够达到 ±1. 5cm的平地精度。

6 结论

本文设计的12PJY - 3A型液控智能激光平地机,能够实现较高的土地平整精度,符合国家发展“高产、优质、低耗、高效”的现代农业方针,符合现代农业与精细农业对农业机械的要求。课题成果有助于提高激光平地技术的自动化和智能化水平。

摘要：为了研制一种工作稳定、操控方便的智能激光平地机,采用虚拟样机和实体样机相结合的技术路线,先利用UG10.0建立三维模型,再利用Adamns和Abaqus软件进行运动学仿真和有限元分析,发现问题时修改虚拟样机,正确无误后,再进行实体样机试制。最后,对样机进行了田间试验,并对试验数据进行了分析。试验结果表明:样机达到较高的土地平整精度,并实现了智能化控制。

关键词：激光平地机,液压系统,农机智能,仿真,有限元分析

参考文献

[1]马宝印,洪鹭.激光平地机的研制与技术应用[J].农业机械化与电气化,2007(1):29-30.

[2]坎杂,田学艳.农用激光平地机的应用现状及其发展前景[J].农业机械学报,2001(5):126-127.

[3]杨红帆,肖丽晶.1PJ-型激光平地机的设计[J].黑龙江八一农垦大学学报,2002,14(1):47-50.

[4]韩豹.1PJY-3.0型综合激光平地机的研制[J].农业工程学报,2003,19(3):116-119.

[5]姜继海,宋锦春,高常设.液压与气压传动[M].北京:高等教育出版社,2002.

[6]李庆,王在满,周志然,等.适用于水田的激光平地机具液压系统设计[J].农机化研究,2007(10):90-94.

[7]倪向东.激光平地技术应用分析[J].农机化研究,2006(5):63-64.

[8]汪懋华.关于精细农业试验示范与发展研究的思考[J].农业科技导报,2003(1):1-8.

激光平地技术的应用和推广前景篇8

一、激光平地机的组成及工作原理

1.激光平地机的组成

激光平地机由五个系统组成, 激光发射器系统、激光接收器系统、信号传输及控制系统、液压控制系统、铲土刮土机。

2.激光平地机的工作原理

(1) 激光发射器系统。

它是由可360°旋转的激光发射头和三腿可自由伸缩并能调整水平的三角支架组成。激光发射头能发出一束半径达300m的水平激光基准面。工作时, 把三角支架固定在事先选定好的位置上, 调好水平后, 将激光发射头安装上面。激光发射本身装有“偏离水平告警”红、绿显示灯, 一旦系统被碰撞偏离水平时, 绿灯熄灭, 红灯显示, 激光停止旋转, 并中断发射。

(2) 激光接收器系统。

它是由激光接收头、伸缩杆和固定座板组成。工作时, 将激光接收头安装在伸缩杆上, 并通过固定座板与铲运刮土机的刮土铲联接在一起, 随刮土铲而升降。接收头将接收到的激光信号通过传输电缆送给控制系统。

(3) 信号传输及控制系统。

它是由信号传输电缆和信号控制箱组成。信号控制箱对接到的信号进行处理后, 给液压控制系统发出一个开启或关闭的信号。

(4) 液压控制系统。

是由电磁液压控制阀和液压油缸组成。电磁液压控制阀接到控制箱的信号后, 移动阀芯控制油缸进出油的方向, 从而控制油缸的升降。

(5) 铲运刮土机。

由机架、刮土架、刮土铲、接收系统固定座、油缸联接座和行走轮等组成。工作时, 油缸的升降使刮土铲带着激光接收器随之升降, 进行刮土或卸土作业。同时, 激光接收器在不断地接收发射发出的信号, 随时进行比较, 不断地给控制箱送去信号随时进行比较, 对油缸进行连续控制, 从而保证整机工作精确无误。

二、激光平地机的正确使用

经过几年的实践, 对于如何正确使用激光平地机, 我们的体会有如下几点:

1.做好平地作业前的准备工作

(1) 根据用户的需要, 制定出详细的平地计划。

根据所要平的地块大小及激光发射器的控制半径 (300m) , 定激光发射器的位置, 地块跨度超出300m时, 激光发射器应放在地块中间。地块跨度小于300m时, 激光发射器应放在地块周边。

(2) 测量地块, 绘制地块地形图, 计算地块平均标高。

在测量时, 把激光发射器在选定的位置上架好, 激光发射器的标高应定在用来牵引激光平地机作业的拖拉机最高点上方1m的地方, 调平后, 用手持激光接收器和标杆对地块进行测量, 测量点一般按10m一个间隔来定位进行测量, 并记录每个读数, 再根据整块地的测量读数记录, 绘制出该地块地形图, 然后计算出地块的平均标高, 其目的是使高地方刮土量等于低地方填土量。

2.根据测绘好的地形图和计算出的平均标高, 确定平地方案

(1) 对于高低差2cm的地块, 直接用激光平地机进行平整作业。

(2) 对于高低差在20～60cm的地块, 应采用两步组合平地法进行平地作业, 即采用常规的推土机 (或铲运机) 粗平与激光平地机精平相结合的组合平整法, 这样, 可发挥常规机械运土量大、工作效率高的优势来完成粗平作业, 当高低差20cm以下时, 再利用激光平地机进行精平。

(3) 高低差在20～60cm, 而宜耕、宜种土壤层较薄的地块或高低差大于60cm的地块, 对这样的地块如需平整, 则应根据该地块的地势坡降走向, 对该地块进行重新区划, 然后, 再决定采用何种方法进行平整作业。特别是对于特殊地块, 如局部小面积高低差大的 (刮土后, 可导致宜耕层刮没的地块) , 可采用多部结合平地法, 即移土 (运走宜耕层) 、刮土 (粗平刮走生土) 、回土 (运回宜耕层) 、精平土地的四步平整法。

3.根据地块面积的大小和地形特点, 确定最佳运土路线及刮土次数

(1) 由于垦区各农场的地块多为500×500～1000m的条田, 所以综合激光平地机的性能、机械作业效率和作业成本等因素, 一般以长250～500m为一段, 进行分段平整。

(2) 在地块高低差为20cm以下时, 可直接用激光平地机进行精平作业, 分3～5次从高处向低处运土, 逐步将高包刮平, 最后对该地段进行一次全面精平, 这样可使整个平地机组的作业效率和作业成本趋于最佳。

经红旗岭、五九七及友谊等农场几年的实际作业表明, 地块的高低差是决定激光平地机的作业效率和作业成本的最直接、最关键的因素之一。

因此, 做好以上三方面的工作, 特别是做好测量地形、绘制地形图的工作, 对激光平地机的正确工作是非常重要的。

三、激光平地机的使用效益

经过几年的使用, 取得的经济效益主要有以下几方面:

(1) 经平整后的土地种水田, 节水效果明显, 可节约用水达30%, 并能做到精确用水, 适量灌溉, 更有利于农艺措施的落实。

(2) 提高肥料利用率10%～20%。

(3) 提高作物产量可达15%～30%。

(4) 为水稻生产全程机械化创造有利条件。

(5) 为水稻生产的可持续发展提供了众多保障。