摘要：因田間地表起伏，高地隙施藥機在作業過程中車體極易發生橫滾方向的傾斜，同車體剛性連接的噴桿同時傾斜，甚至與作物、地面碰觸，影響噴藥均勻性和作業安全性。為此基于機電液一體化控制方法，研制了高地隙施藥機噴桿自動調平系統。設計電控液壓調平機構，使噴桿與車體柔性聯接，實現在橫滾方向上噴桿與車體的相對轉動。采用姿態測量方法實時檢測噴桿橫滾角度，對橫滾角度值進行平均值濾波以準確感知噴桿姿態。采用增量式PID算法計算并輸出信號至液壓電磁閥以控制調平油缸動作，實時調節噴桿在橫滾方向上的姿態。以華盛泰山3WP500G型施藥機為平臺，在場地試驗過程中，通過改變響應閾值與平均值濾波器參數，對系統響應速度、穩定性和控制誤差進行對比分析，確定了噴桿自動調平參數最優組合，測試調平誤差最大值為1.84，均方根誤差小于等于0.689。在田間試驗結果表明，調平誤差的最大值是1.53，平均值為0.135，均方根誤差小于等于0.5，噴桿調平后角度保持1°以內，70%時間角度在0.5°以下，滿足噴桿自動調平控制要求。

　　關鍵詞：高地隙施藥機;噴桿;PID;自動調平;調平控制

　　0引言

　　高地隙施藥機以其作業噴幅寬、噴灑精量化、噴藥量均勻化等高效施藥作業優勢[14]，越來越廣泛地應用在田間植保作業中。常用施藥機的噴幅為12m(如雷沃ZP9500)，大型噴霧機的展幅有的甚至可達42m，由于高地隙施藥機的噴桿展幅長、撓性大[7]，在田間作業時，因地表硬度底層高低不一，車身微小的顛簸會引起噴桿末端較大的起伏變化[710]，不僅影響噴霧量分布均勻性，導致施藥質量下降，嚴重時噴桿末端還會觸碰地面或者作物冠層[11]，造成噴桿、作物、機器的損傷.

　　為保證作業質量和作業安全，噴霧機駕駛員在作業過程中要觀察噴桿與作物之間是否有接觸，手動對噴桿的傾斜角度進行調節，增加了駕駛員的勞動強度。隨著對噴桿調節系統應用研究越來越多[1215]，因此，有必要實現噴霧機在田間植保作業過程對噴桿傾斜角度進行實時自動調節，使噴桿處于允許的傾斜角度范圍內，避免噴桿與作物的接觸、降低駕駛員的勞動強度。

　　為此，國內外研究人員基于非接觸式傳感器和傾角傳感器設計了調平控制系統。非接觸式傳感器包括激光測距儀、紅外傳感器和超聲波傳感器等，HERBST等[16]設計了基于激光測距儀的噴桿調節系統;SINFORT等[17]采用紅外發射器檢測噴桿姿態;OOMS等[18]采用多傳感器的組合實現噴桿姿態檢測;魏新華等[2]設計了基于超聲波傳感器和PLC控制系統的噴桿高度及平衡調控系統，可以將噴桿高度變化值控制在±3cm范圍內.

　　孫星等[19]采用超聲波傳感器和傾角傳感器，通過加權平均算法融合兩種傳感器信息，設計了基于專家控制的噴桿高度調節系統。在傾角傳感器方面，張盟等[20]采用高精度EMS慣性傳感器測得噴桿姿態，設計了基于DSP處理器自動調平系統;薛濤等[21]設計了基于傾角傳感器和自適應模糊滑模算法的噴桿懸架控制方法。

　　綜合上述，調平控制系統主要采用紅外傳感器、超聲波傳感器和傾角傳感器檢測噴桿傾角，紅外與超聲波傳感器通過測量噴桿兩端離地距離，推算其傾斜角度，但作業時噴桿自身柔性大兩端易發生形變，導致測量精度變低，而傾角傳感器可以在動態環境下測得傾斜角度，并廣泛應用于小型無人機、智能農業裝備、汽車等領域，成本較低，測量精度高。本文針對上述問題，設計一種適用于高低隙施藥機的噴桿自動調平系統，使用低成本傾角傳感器通過信息融合實現噴桿水平傾角動態檢測，基于ID控制策略和機電液一體化技術，使噴桿始終保持水平。分析噴桿調平系統的工作原理，開展場地與田間測試試驗，驗證系統在田間作業時的準確性和穩定性。

　　1高低隙施藥機噴桿自動調平系統結構

　　高地隙施藥機噴桿自動調平系統以山東華盛中天機械集團股份有限公司生產的3WP500G型三段式噴桿噴霧機為研發平臺，由噴桿調節機構、傾角傳感器、調平控制器、液壓閥組組成。噴桿調節機構主要包括升降機構和三段式噴桿支架。升降機構由平行四桿機構和橫梁組成，噴桿升降是經過電磁換向閥控制液壓油缸伸縮，帶動平行四桿機構來實現。三段式噴桿支架采用折疊式結構，噴桿通過管夾與噴桿支架連接，兩側伸展油缸用于控制噴桿支架的展開折疊;中段噴桿支架的上端和橫梁鉸接，噴桿支架通過調平油缸的伸縮實現相對于鉸接點的左右擺動，從而調節噴桿在橫滾平面上的角度。

　　傾角傳感器水平安裝在噴桿支架上，實時測量噴桿的傾斜角度。調平控制器以PIC18F258處理器為核心，采用維特智能公司生產的JY61P型傾角傳感器。液壓閥組中液壓油缸為雙作用單杠活塞式工程液壓缸，采用滑閥機能為型結構的三位四通電磁閥，控制液壓缸的啟停以及運動方向的改變。調平控制器通過串口與傾角傳感器進行數據傳輸，獲取噴桿姿態信息、運行數據處理和控制算法，并向液壓閥組發送指令數據。

　　噴桿自動調平系統原理框圖。施藥機田間作業時，噴桿支架與水平面夾角發生變化，傾角傳感器測得噴桿支架傾角傳輸給調平控制器，控制器對采集的角度信號進行濾波處理，削弱測量噪聲影響，并基于PID算法對電磁換向閥發送控制信號，驅動調平油缸伸縮調整噴桿支架達到預設角度，實現噴桿自動調平。

　　2調平機構設計

　　噴桿的運動分為施藥機的牽引動作和相對于機身的轉動動作。不考慮施藥機前進方向的牽引運動，可以把噴桿相對于機身的轉動運動看作為平面轉動。噴桿與施藥機相對運動示意，在施藥機坐標系中，正方向為機器前進方向，為噴桿支架與橫梁的上固定點，噴桿調平部分可以簡化為噴桿橫滾傳感平面和轉動機構，施藥機橫滾傳感平面平行于施藥機四輪平面，傾角傳感器安裝在中段噴桿支架上，傾角傳感器坐標系與施藥機坐標系方向相同，測得噴桿傾斜角(即橫滾角度)，高低隙施藥機噴桿向右傾斜時測量到噴桿傾角為負，向左側傾斜時為正。噴桿支架及相關機構可簡化為支架、轉動鉸接點與油缸連接點。

　　3噴桿自動調平控制方法

　　3.1橫滾角度數據預處理

　　施藥機在田間作業時，由于地勢不平會導致傾角傳感器獲取的角度信息發生階躍性變化，瞬時性、偶然性的信號變化會影響噴桿調平精度。本研究采用的傾角傳感器精度為0.01，對相鄰角度信號的階躍脈沖做濾波處理即可提高角度信息的采集精度，因此該控制系統設計了一種移動平均濾波算法對原始角度信號進行平滑。

　　3.2自動調平控制算法

　　噴桿自動調平系統采用ID反饋調節算法作為傾斜度調節的主要算法對調平油缸伸縮量進行閉環控制。對噴桿調平控制過程為：根據噴桿實際傾角和預設傾角的偏差計算調平油缸的流量方向和伸縮量，對偏差的比例、積分和微分進行控制，使偏差趨于零。調平控制器預設傾角φ作為ID控制系統輸入量之一，傾角傳感器測出噴桿實際傾角φ作為ID控制系統另一輸入量。為了精確控制噴桿傾角，PID控制器持續從比較器單元讀取誤差，該單元對目標傾斜角度φ與實際傾斜角度φ進行減法運算。PID控制系統將進行比例、積分、微分運算，將電平信號發送至繼電器，繼電器通斷決定了電磁閥通斷和液壓油流向。

　　4調平控制器設計

　　4.1硬件設計

　　硬件部分主要由控制器、檢測模塊、執行機構、電源模塊組成。控制器以IC18258處理器為核心，時鐘頻率20Hz，供電電源，具有ART接口，電位計信號輸出端與處理器A/D轉換端口A0連接，對預設角度進行調整。檢測模塊為JY61P型傾角傳感器，工作電壓，輸出頻率為20H，支持ART串口數字輸出，串口波特率選用115200bps，橫滾角度檢測范圍為360。執行機構為繼電器模塊，工作電壓，低電平吸合，高電平釋放，繼電器控制端N+連接控制器/O口、C1及IN連接地，輸出端常開端O1與常閉端C1連接電磁換向閥。通過N+高低電平的設定，可控制電磁換向閥流向。電源模塊包括12直流電源、12轉電源轉換模塊，可直接為傾角傳感器和控制模塊供電。

　　4.2軟件設計

　　控制程序使用語言開發，運行平臺為PIC18F258單片機。依據噴桿支架調節原理對控制系統進行設計，系統運行后按照固定的時間間隔運行主程序，首先對噴桿傾斜角度狀態進行檢測，然后根據傾斜狀態采用相應的控制方法調節噴桿支架的轉向。

　　噴桿不同傾斜角度會對應控制器不同動作狀態，結合油缸伸縮量與噴桿的幾何關系求得相對角度，實現噴桿自動調平的閉環控制。系統啟動后首先進行初始化，測量噴桿和施藥機傾斜角度，觀察噴桿是否達到預設角度以及與預設角度的差值，判斷是否對噴桿進行水平控制，當需要對噴桿支架進行水平控制時，單片機輸出高低電平控制繼電器通斷，驅動電磁換向閥作業調節噴桿傾斜角度，直至調到目標傾斜角度;反之，重新測量角度信息調節油缸伸縮量，直至噴桿調整為目標角度。

　　5試驗

　　為測試在自動調平模式下調平系統的穩定性和準確性，于2021年月在山東理工大學生態無人農場分別進行了場地試驗和田間試驗。

　　6結論

　　(1)設計了以PIC18F258為核心的噴桿自動調平系統，采用傾角傳感器實時測量噴桿傾角，并基于PID算法控制電磁換向閥實現噴桿自動調平控制。

　　(2)場地試驗表明，以華盛泰山3WP500G型施藥機為平臺，裝配有噴桿自動調平系統后，可以有效改善路面起伏不平引起的噴桿傾斜角度變化，在10的臺階路面上以2.5km/h速度行駛，在響應閾值為、采樣值為的情況下，噴桿支架傾角變化平均調平誤差小于0.05，平均絕對誤差小于0.59，均方根誤差小于0.689，可以將噴桿傾斜角度控制在±1.5范圍內，且無超調現象。

　　(3)田間試驗表明，噴桿支架傾角傳感器測得調平后角度平均值為0.135，平均絕對誤差小于0.40，均方根誤差小于0.50，最大誤差為1.53。噴桿自動調平系統田間工作正常，在地面起伏時偶有晃動，但能快速恢復平衡，未發生噴桿與作物接觸現象，噴桿調節穩定。

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　　作者：印祥1,2安家豪1王顯1王亞林1李加琪1金誠謙1,3