高地隙施药机喷杆自动调平系统设计与试验

　　摘要：因田间地表起伏，高地隙施药机在作业过程中车体极易发生横滚方向的倾斜，同车体刚性连接的喷杆同时倾斜，甚至与作物、地面碰触，影响喷药均匀性和作业安全性。为此基于机电液一体化控制方法，研制了高地隙施药机喷杆自动调平系统。设计电控液压调平机构，使喷杆与车体柔性联接，实现在横滚方向上喷杆与车体的相对转动。采用姿态测量方法实时检测喷杆横滚角度，对横滚角度值进行平均值滤波以准确感知喷杆姿态。采用增量式PID算法计算并输出信号至液压电磁阀以控制调平油缸动作，实时调节喷杆在横滚方向上的姿态。以华盛泰山3WP500G型施药机为平台，在场地试验过程中，通过改变响应阈值与平均值滤波器参数，对系统响应速度、稳定性和控制误差进行对比分析，确定了喷杆自动调平参数最优组合，测试调平误差最大值为1.84，均方根误差小于等于0.689。在田间试验结果表明，调平误差的最大值是1.53，平均值为0.135，均方根误差小于等于0.5，喷杆调平后角度保持1°以内，70%时间角度在0.5°以下，满足喷杆自动调平控制要求。

　　关键词：高地隙施药机;喷杆;PID;自动调平;调平控制

　　0引言

　　高地隙施药机以其作业喷幅宽、喷洒精量化、喷药量均匀化等高效施药作业优势[14]，越来越广泛地应用在田间植保作业中。常用施药机的喷幅为12m(如雷沃ZP9500)，大型喷雾机的展幅有的甚至可达42m，由于高地隙施药机的喷杆展幅长、挠性大[7]，在田间作业时，因地表硬度底层高低不一，车身微小的颠簸会引起喷杆末端较大的起伏变化[710]，不仅影响喷雾量分布均匀性，导致施药质量下降，严重时喷杆末端还会触碰地面或者作物冠层[11]，造成喷杆、作物、机器的损伤.

　　为保证作业质量和作业安全，喷雾机驾驶员在作业过程中要观察喷杆与作物之间是否有接触，手动对喷杆的倾斜角度进行调节，增加了驾驶员的劳动强度。随着对喷杆调节系统应用研究越来越多[1215]，因此，有必要实现喷雾机在田间植保作业过程对喷杆倾斜角度进行实时自动调节，使喷杆处于允许的倾斜角度范围内，避免喷杆与作物的接触、降低驾驶员的劳动强度。

　　为此，国内外研究人员基于非接触式传感器和倾角传感器设计了调平控制系统。非接触式传感器包括激光测距仪、红外传感器和超声波传感器等，HERBST等[16]设计了基于激光测距仪的喷杆调节系统;SINFORT等[17]采用红外发射器检测喷杆姿态;OOMS等[18]采用多传感器的组合实现喷杆姿态检测;魏新华等[2]设计了基于超声波传感器和PLC控制系统的喷杆高度及平衡调控系统，可以将喷杆高度变化值控制在±3cm范围内.

　　孙星等[19]采用超声波传感器和倾角传感器，通过加权平均算法融合两种传感器信息，设计了基于专家控制的喷杆高度调节系统。在倾角传感器方面，张盟等[20]采用高精度EMS惯性传感器测得喷杆姿态，设计了基于DSP处理器自动调平系统;薛涛等[21]设计了基于倾角传感器和自适应模糊滑模算法的喷杆悬架控制方法。

　　综合上述，调平控制系统主要采用红外传感器、超声波传感器和倾角传感器检测喷杆倾角，红外与超声波传感器通过测量喷杆两端离地距离，推算其倾斜角度，但作业时喷杆自身柔性大两端易发生形变，导致测量精度变低，而倾角传感器可以在动态环境下测得倾斜角度，并广泛应用于小型无人机、智能农业装备、汽车等领域，成本较低，测量精度高。本文针对上述问题，设计一种适用于高低隙施药机的喷杆自动调平系统，使用低成本倾角传感器通过信息融合实现喷杆水平倾角动态检测，基于ID控制策略和机电液一体化技术，使喷杆始终保持水平。分析喷杆调平系统的工作原理，开展场地与田间测试试验，验证系统在田间作业时的准确性和稳定性。

　　1高低隙施药机喷杆自动调平系统结构

　　高地隙施药机喷杆自动调平系统以山东华盛中天机械集团股份有限公司生产的3WP500G型三段式喷杆喷雾机为研发平台，由喷杆调节机构、倾角传感器、调平控制器、液压阀组组成。喷杆调节机构主要包括升降机构和三段式喷杆支架。升降机构由平行四杆机构和横梁组成，喷杆升降是经过电磁换向阀控制液压油缸伸缩，带动平行四杆机构来实现。三段式喷杆支架采用折叠式结构，喷杆通过管夹与喷杆支架连接，两侧伸展油缸用于控制喷杆支架的展开折叠;中段喷杆支架的上端和横梁铰接，喷杆支架通过调平油缸的伸缩实现相对于铰接点的左右摆动，从而调节喷杆在横滚平面上的角度。

　　倾角传感器水平安装在喷杆支架上，实时测量喷杆的倾斜角度。调平控制器以PIC18F258处理器为核心，采用维特智能公司生产的JY61P型倾角传感器。液压阀组中液压油缸为双作用单杠活塞式工程液压缸，采用滑阀机能为型结构的三位四通电磁阀，控制液压缸的启停以及运动方向的改变。调平控制器通过串口与倾角传感器进行数据传输，获取喷杆姿态信息、运行数据处理和控制算法，并向液压阀组发送指令数据。

　　喷杆自动调平系统原理框图。施药机田间作业时，喷杆支架与水平面夹角发生变化，倾角传感器测得喷杆支架倾角传输给调平控制器，控制器对采集的角度信号进行滤波处理，削弱测量噪声影响，并基于PID算法对电磁换向阀发送控制信号，驱动调平油缸伸缩调整喷杆支架达到预设角度，实现喷杆自动调平。

　　2调平机构设计

　　喷杆的运动分为施药机的牵引动作和相对于机身的转动动作。不考虑施药机前进方向的牵引运动，可以把喷杆相对于机身的转动运动看作为平面转动。喷杆与施药机相对运动示意，在施药机坐标系中，正方向为机器前进方向，为喷杆支架与横梁的上固定点，喷杆调平部分可以简化为喷杆横滚传感平面和转动机构，施药机横滚传感平面平行于施药机四轮平面，倾角传感器安装在中段喷杆支架上，倾角传感器坐标系与施药机坐标系方向相同，测得喷杆倾斜角(即横滚角度)，高低隙施药机喷杆向右倾斜时测量到喷杆倾角为负，向左侧倾斜时为正。喷杆支架及相关机构可简化为支架、转动铰接点与油缸连接点。

　　3喷杆自动调平控制方法

　　3.1横滚角度数据预处理

　　施药机在田间作业时，由于地势不平会导致倾角传感器获取的角度信息发生阶跃性变化，瞬时性、偶然性的信号变化会影响喷杆调平精度。本研究采用的倾角传感器精度为0.01，对相邻角度信号的阶跃脉冲做滤波处理即可提高角度信息的采集精度，因此该控制系统设计了一种移动平均滤波算法对原始角度信号进行平滑。

　　3.2自动调平控制算法

　　喷杆自动调平系统采用ID反馈调节算法作为倾斜度调节的主要算法对调平油缸伸缩量进行闭环控制。对喷杆调平控制过程为：根据喷杆实际倾角和预设倾角的偏差计算调平油缸的流量方向和伸缩量，对偏差的比例、积分和微分进行控制，使偏差趋于零。调平控制器预设倾角φ作为ID控制系统输入量之一，倾角传感器测出喷杆实际倾角φ作为ID控制系统另一输入量。为了精确控制喷杆倾角，PID控制器持续从比较器单元读取误差，该单元对目标倾斜角度φ与实际倾斜角度φ进行减法运算。PID控制系统将进行比例、积分、微分运算，将电平信号发送至继电器，继电器通断决定了电磁阀通断和液压油流向。

　　4调平控制器设计

　　4.1硬件设计

　　硬件部分主要由控制器、检测模块、执行机构、电源模块组成。控制器以IC18258处理器为核心，时钟频率20Hz，供电电源，具有ART接口，电位计信号输出端与处理器A/D转换端口A0连接，对预设角度进行调整。检测模块为JY61P型倾角传感器，工作电压，输出频率为20H，支持ART串口数字输出，串口波特率选用115200bps，横滚角度检测范围为360。执行机构为继电器模块，工作电压，低电平吸合，高电平释放，继电器控制端N+连接控制器/O口、C1及IN连接地，输出端常开端O1与常闭端C1连接电磁换向阀。通过N+高低电平的设定，可控制电磁换向阀流向。电源模块包括12直流电源、12转电源转换模块，可直接为倾角传感器和控制模块供电。

　　4.2软件设计

　　控制程序使用语言开发，运行平台为PIC18F258单片机。依据喷杆支架调节原理对控制系统进行设计，系统运行后按照固定的时间间隔运行主程序，首先对喷杆倾斜角度状态进行检测，然后根据倾斜状态采用相应的控制方法调节喷杆支架的转向。

　　喷杆不同倾斜角度会对应控制器不同动作状态，结合油缸伸缩量与喷杆的几何关系求得相对角度，实现喷杆自动调平的闭环控制。系统启动后首先进行初始化，测量喷杆和施药机倾斜角度，观察喷杆是否达到预设角度以及与预设角度的差值，判断是否对喷杆进行水平控制，当需要对喷杆支架进行水平控制时，单片机输出高低电平控制继电器通断，驱动电磁换向阀作业调节喷杆倾斜角度，直至调到目标倾斜角度;反之，重新测量角度信息调节油缸伸缩量，直至喷杆调整为目标角度。

　　5试验

　　为测试在自动调平模式下调平系统的稳定性和准确性，于2021年月在山东理工大学生态无人农场分别进行了场地试验和田间试验。

　　6结论

　　(1)设计了以PIC18F258为核心的喷杆自动调平系统，采用倾角传感器实时测量喷杆倾角，并基于PID算法控制电磁换向阀实现喷杆自动调平控制。

　　(2)场地试验表明，以华盛泰山3WP500G型施药机为平台，装配有喷杆自动调平系统后，可以有效改善路面起伏不平引起的喷杆倾斜角度变化，在10的台阶路面上以2.5km/h速度行驶，在响应阈值为、采样值为的情况下，喷杆支架倾角变化平均调平误差小于0.05，平均绝对误差小于0.59，均方根误差小于0.689，可以将喷杆倾斜角度控制在±1.5范围内，且无超调现象。

　　(3)田间试验表明，喷杆支架倾角传感器测得调平后角度平均值为0.135，平均绝对误差小于0.40，均方根误差小于0.50，最大误差为1.53。喷杆自动调平系统田间工作正常，在地面起伏时偶有晃动，但能快速恢复平衡，未发生喷杆与作物接触现象，喷杆调节稳定。

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　　作者：印祥1,2安家豪1王显1王亚林1李加琪1金诚谦1,3