叶菜有序收获机自动对行测控系统设计与试验

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近年来,随着设施蔬菜技术的成熟与应用,我国的蔬菜种植面积和产量逐年增加,但是其收获环节的自动化水平相对于粮食严重滞后。对行作业是叶菜有序收获中非常重要的环节,仅依靠人工实现对行,对驾驶员的驾驶技术要求较高且容易导致驾驶员疲惫,对行质量较低。无自动对行收获会影响叶菜收获质量,降低收获效率,出现漏割等问题。因此开发针对叶菜有序收获的对行检测机构和自动对行控制系统非常必要。本研究基于叶菜有序收获机的自动对行的需求,设计了一套适用于叶菜有序收获机的自动对行测控系统,主要研究内容如下:(1)以苏州青作为研究对象,对收获期苏州青的株高、叶面展开度,茎秆直径等进行测试和统计分析。使用数显式推拉力计测量苏州青在不同高度下的受力偏移特性,并对生长状态下苏州青相对基准线的偏离距离进行统计分析,得出最大偏离距离可达到6cm。对苏州青的距离根部的高度与该高度对应的茎秆直径拟合分析,拟合出的四十天生长曲线斜率为0.368,拟合度R~2为0.916;六十天生长曲线斜率为0.495,拟合度R~2为0.981。以上数据可对自动对行检测装置的关键部件的设计,以及对行程序的优化提供参考。(2)针对传统机械式对行传感装置的缺点,设计了一种新型机械式对行检测装置。对检测装置的关键部件进行了设计计算,对角度传感器进行选择。设计了地轮式速度检测装置用于检测收获机的作业速度。通过设计和选型,形成了对行、前进速度、航向偏角和前轮偏角检测系统。(3)为了实现收获作业中,对作业方向的准确控制,研究了叶菜收获机自动对行的控制模型,建立了基于叶菜有序收获机二轮车模型的纯追踪模型,使用模糊控制算法动态控制收获机的前视距离。设计了基于电动助力转向的PID控制系统,利用经验试凑法,得到PID的三个控制参数分别为KP=2.05,KI=0.025,KD=0。选择单片机作为系统的控制模块。(4)搭建自动对行测控系统并进行了相关试验。试验结果表明,无垄面起伏时,速度增大,测到的偏移值增大,但最大增大值≤0.155cm,影响不大,可以忽略。当起伏为0、1、2、3cm时,对应的偏移距离平均值分别为0.12、0.16、0.16、0.18cm,在允许范围之内。进行速度,偏移距离和叶菜间距的三因素试验。在0.08、0.12、0.16m/s速度下的检测精度分别为98.58%,96.32%,93.34%。偏移距离为30mm,50mm的检测精度分别为88.2%、94.36%。在50,80,100mm间距下的检测精度分别为87.77%,91%,91.43%。叶菜自动对行田间试验得出作业速度0.08、0.12、0.16m/s时,平均误差分别为10.7mm、12.8mm、17.3mm。试验结果表明,对行误差随着速度增大而增大,但是总体都能满足叶菜有序收获机的对行要求。本文针对叶菜有序收获机的自动对行难的问题,设计了相关的自动对行检测装置与控制系统,实现了叶菜有序收获机的自动对行,为叶菜低损高效有序收获提供了技术支撑。
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