徐峰 李广宇 孟长伊 杨少奇 李玲玲 张磊 张云硕 张含思 于彭涛 李剑飞 郝宇佳

摘要：针对拖拉机田间作业速度信息采集不到或者采集不准确等农机应用过程中的实际问题，基于工业控制计算机、数字量三轴加速度传感器以及增量编码器设计开发拖拉机作业速度实时检测装置，数字量加速度传感器通过串口通讯实时输出加速度数据信息，输入到工业控制计算机中，经卡尔曼滤波器算法处理后，积分计算得到速度信息。

Abstract： Aiming at the practical problems in the application of agricultural machinery， such as inaccurate or inaccurate collection of tractor field speed information， the real-time detection device for tractor operation speed was developed based on industrial control computers， digital triaxial acceleration sensors and incremental encoders. Acceleration sensors output acceleration data information in real time through serial communication， and input them into the industrial control computer. After processing by the Kalman filter algorithm， the velocity information is obtained by integral calculation.

关键词：拖拉机;速度;加速度传感器;编码器;测量方法

Key words： tractor;speed;acceleration sensor;encoder;measurement method

中图分类号：S219                                        文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）03-0226-02

0  引言

拖拉机作业机组在田间实际作业过程中，需要对实际行驶速度进行监控，如犁耕作业过程中需要对速度进行检测，控制拖拉机驱动轮的打滑率在合理范围，保证拖拉机工作效率和犁耕作业质量;其他作业如精准植保作业、精准施肥作业和智能收获作业等农机智能作业都需要实时速度的信息来控制药液、肥料施用剂量、速度和收获机的各个工作部件运转速度。另外，通过该装置检测到的拖拉机作业机组实时速度信息，可为我国农业机械智能管理数据平台提供数据支撑。

1  系统组成

速度检测系统的硬件组成如图1所示，AKE392B三轴加速度传感器采用瑞士先进工业技术，广泛应用于振动测试、撞击测试等多个领域。产品采用数字接口输出，RS232/485/TTL多种接口可选，可设不同地址码，多个传感器长距离串在一起使用，便于多点测量和数据分析。产品结构坚固，输出稳定可靠。编码器是用来设置速度积分起点和结束，同时可以修正积分误差，避免速度偏离过大。工业控制计算机具有较强的计算和数据处理能力，可以满足积分计算量的需求。

2  系统工作原理

通过将加速度传感器的一轴定位始终和拖拉机水平机架所在的平面平行，就可以测得拖拉机在前进方向上的加速度，而且不论是上坡还是下坡，均不受影响。

将加速度传感器安装平面与拖拉机水平机架保持一平，即将加速度传感器所测一轴一直保持为拖拉机前进方向，这样就可以测得拖拉机前进方向的加速度数值。

编码器是用来测得拖拉机实时的理论速度，通过编码器信号可以分析出拖拉机运动的时间起点，同时也可分析出一个拖拉机的速度信息。

加速度信息和编码器信息发送到工业控制计算机，工业控制计算机就可以进行積分运算，得到拖拉机作业的实时速度信息。

3  软件设计

速度检测装置首先采集到加速度信息和编码器数据，接着采用卡尔曼数字滤波技术对数据进行加工处理，然后再利用Simpson公式进行数值积分，系统流程图如图2所示。

综合考虑运算效率和积分精度，我们采取了Simpson 公式进行积分，通用公式如式（1）。

由公式（1）可以看出，没得到一个Simpson 积分数值，必须有数据细分后得到连续的三个数据点，所以我们速度积分运算时，加速度信息需要采集至少3个信息以后才可以进行，为了编程实现速度实时获取，我们对公式做如下递推处理：

其中T是加速度采样周期，a为采集到的加速度，n为速度计算周期。

4  试验与结果

为了验证速度检测装置的基本性能，我们设计了速度检测试验。在吉林省农机院机电所实验室室内进行。共进行了5次试验，试验地面每次都是同一位置。试验结果如表1所示。

由表1数据可以分析出，速度检测装置输出的速度信息误差在5%以下（系统认为编码器测得速度为真实准确速度），可以满足使用要求。

5  结论

拖拉机作业速度检测装置融合加速度传感器信息和编码器信息积分拖拉机实时行驶速度，克服了拖拉机打滑时速度测不准的困难，解决了拖拉机实时速度检测技术难题，对智能农业机械发展过程中农机速度检测技术研究具有一定的指导意义。

参考文献：

[1]徐慧慧，杨淼，钱超瑜.基于三轴加速度传感器的摔倒检测系统[J].黑龙江科技信息，2017（06）.

[2]张敏，姜秀柱，陈伟，周军娜.基于三维加速度传感器的速度无线测量方法研究[J].传感器与微系统，2018（06）.

[3]杨少奇.基于BP神经网络的土壤比阻预测模型[J].吉林大学，2019.