罗应娜

(重庆工业职业技术学院，重庆 401120)

0 引言

随着我国土地流转的加快，农户种植土地的规模加大，种植业的机械化程度加大，大型农用机械已经开始得到广泛的使用，如加大幅度的插秧机、播种机和收割机[1-2]。整地是农业生产环节中最重要的环节之一，平坦的田地可以节约种植用水，使土壤颗粒化，促进土壤熟化[3]；翻松土壤，使土壤中的肥料和杂质翻到下层中，可保持土壤通气，减少土壤中厌氧菌的滋生，且对于农作物根系的下伸和生长、农作物的发芽和结果有益。我国的水稻种植基本还是使用20世纪90年代的旋耕机，不适应目前的种植规模，提高旋耕机的技术性能非常必要[4-6]。传统的旋耕机是采用三点悬挂，其耕幅已不能适应现代的种植宽幅，需要研制出旋耕机沿耕宽方向的工作深度不受拖拉机机体的横向倾斜而变化的水平自动控制系统，使得旋耕机始终处于水平状态，各部位的耕深一致，保证旋耕作业后水田平整[7-14]。

旋耕机主要以拖拉机为动力，由控制系统、机架、传动机构、刀辊、挡土罩及平土拖板等装置构成。实现旋耕机数字化控制重点的是自主控制旋耕深度，而中间的信息交换是其困难之处，不同的控制系统采用方式不同，两者之间很难兼容，而CNC技术可以克服这点。CNC技术控制系统的结构层次开放，有网络设计能力，使控制系统容错力高、兼容性高，且可以实现远程控制，上层信息与下层信息沟通及时，可实时控制调整机械。

本文设计了基于CNC技术的农业旋耕机数字化控制系统，分析了采用CNC技术控制旋耕机整地、深松，并验证了CNC技术的可操作性。

1 控制系统工作原理

旋耕机与拖拉机配套使用，旋耕机上主要机械结构有发动机、水平调节杆、刀片、各类传动轴和计算机控制系统，由发动机提供动力经传动轴输出到各结构上，其最重要的设计是控制系统。旋耕机实现数字化控制理论是利用CNC技术控制旋耕机的旋耕深度和旋耕机的行走速率，采用计算机与传感器相结合。其中，主要是利用传感器采集田地信息，将信息反馈到控制中心进行分析，输出结果对水平调节杆控制升降，达到旋耕深度均匀，行走速度平稳及保障旋耕工作质量的目的。

控制系统以传感器采集旋耕深度检测信号a(t)为负反馈，与旋耕机工作时的设定信号b(t)构成环形控制分析系统，单片机中设定信号b(t)与旋耕机上安装的传感器检测的信号a(t)相比较：当设定信号大于检测信号时，即实际的旋耕深度小于设定的旋耕深度，控制系统就会发出信号，减少输出功率，降低旋耕机的行走速度或停下来，控制水平杆下降，调整刀片旋耕深度达到设定值再继续工作前进；当设定信号小于检测信号时，即实际旋耕深度满足设定的旋耕深度，甚至大于设定旋耕深度，这时控制系统输出信号，命令旋耕机继续前进，进行下一步土壤的旋耕。控制系统工作程序如图1所示。

图1 CNC技术控制系统工作程序Fig.1 CNC technology control system work procedures

控制系统是对采集信号进行换算、比较，并分析出比较结果生成信号并输出判断信号，调整机具达到要求。控制旋耕深度和行走速度主要是利用改变发动机的输出功率，主要要用变频器来完成，变换频率可以控制发动机的转动速率，从而控制行走速率和旋耕深度。单片机主要任务是对信号进行数字化、预加重、滤波、加窗等处理，并将分析的结果输出。

2 控制系统

2.1 控制系统组成

基于CNC技术的数字化控制系统由旋耕机上的定位节点、上位机和传感器组成，以单片机为控制中心，通过接受传感器检测的数据，在上位机上进行分析，根据田地的实际情况调整旋耕机的水平度，进行旋耕。旋耕机的主要部件包括5大块:控制系统、机架、传动机构、刀辊、挡土罩及平土拖板。其中，刀辊是旋耕机的主要工作部件，由刀轴、刀座和旋耕刀片组成，如图2所示。

2.2 性能参数

2.2.1 旋耕深度

旋耕深度应事先在控制系统中初始设置，作为参数来控制实际旋耕深度，也是控制系统工作的基础。不同耕种情况的旋耕深度不同，应根据种植作物设置深度。土壤的性能也会影响到旋耕深度，如土壤含水量、土壤密实度及土壤中含砂石量等。根据检测的土壤性能，保证农作物适宜耕作，选取合适的旋耕深度为初始旋耕深度。

图2 旋耕机结构简图Fig.2 A brief introduction to the structure of rotary

2.2.2 旋耕幅宽

发动机的功率大小会限制旋耕幅宽，设计控制系统时确定发动机的型号是必要的，如要根据发动机的额定功率确定旋耕幅宽，可以根据已有资料来参考，通常选择发动机额定功率的0.26～0.29倍。

2.2.3 理论生产率

根据设计计算的旋耕幅宽、旋耕机的行走速度和偏差系数。理论生产率为

理论生产率=0.1×旋耕幅宽×速度

(1)

2.3 结构参数

结构参数中最重要的是确定驱动轮和行走轮的直径，行走轮直径决定旋耕部件的人土位置。

3 仿真试验与结果

3.1 试验基本条件

为了测试在实际情况下旋耕机旋耕深度和速率控制的精度，选择一块100m×100m的干地种植地作为实验地，在旋耕机上安装好传感器，设置控制系统的初始参数进行试验。

基于CNC技术的农业旋耕机数字化控制系统性能测试，初始旋耕深度设置8、9、10、11、12、13、14、15cm 8个旋耕深度试验，旋耕机在地里自由行驶，每个旋耕深度进行3次试验，并将旋耕深度进行手工检测，并用速度测定仪表检测旋耕机的行走速度。检测数据如表1和表2所示。

3.2 试验结果

上述数据检测结果表明：旋耕深度的平均误差最大4.4%，可以满足耕地要求。由表2数据中可以看出：3组试验的旋耕速度相差不大，即基于CNC技术的农业旋耕机数控系统工作稳定；仿真试验中多个检测点的检测数据，其精度都控制在可接受的范围内，满足田地整平的要求。

表1 旋耕深度检测数据Table 1 Rotation depth detection data

表2 旋耕速度检测数据Table 2 Rotation speed detection data m/s

4 结论

设计的基于CNC技术的农业旋耕机数字化控制系统，旋耕深度和旋耕速度的精度比较高，旋耕深度的偏差在5%以下，在可接受的范围内。试验验证了本控制系统的精确度。CNC技术把旋耕机的数字控制提到了更高的技术平台，减少了农业种植中需要的劳动量，为农作物提供了良好的生长环境，有益于农作物产量的提升，实现了旋耕作业的智能化，为现代农业机械化生产提供了参考。