拖拉机悬挂系统田间作业信息感知技术应用研究

李玲玲 孟长伊 张磊 张云硕 李广宇 徐峰 张汉思 杨少奇 郝宇佳 李剑飞 杨海天

摘要：以拖拉机田间作业感知系统作为研究对象，围绕拖拉机悬挂系统智能化这一关键共性技术，针对农机使用过程作业粗放、可靠性和安全性差、能源资源浪费严重等问题，采用智能传感器技术及串口通讯技术，建立拖拉机状态、农机具耕作位置、耕作阻力等农机作业信息感知系统，并进行实时田间试验农机作业信息采集。

Abstract： This paper takes the tractor field operation sensing system as the research object. Focusing on the key common technology of intelligent tractor suspension system， in view of the problems of extensive operation， poor reliability and safety agricultural machinery and serious waste of energy resources， intelligent sensor technology and serial communication technology are used to establish agricultural machinery operation information sensing system such as tractor status， agricultural machinery farming position， and farming resistance.

关键词：悬挂系统;信息;感知技术

Key words： suspension system;information;perception technology

中图分类号：S219.03                                   文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）08-0167-03

0  引言

农机作业正朝着信息化、智能化发展，各种智能控制农业机械将在各种农业领域成为不可替代的重要产品。智能农机的发展需要更有效地通过数据服务来利用农业资源。例如，迪尔公司的Farm Sight、杜邦先锋的Field360都是被广泛使用的农业大数据系统，可以有效帮助农民收集来自机械化农场设备的种植和产量数据，并将这些信息输入数据库，从而应用于农业生产。因此，信息化、智能化将成为当前国内农机产业的发展方向，尽快与国际衔接成为必然[1]。

1  田间作业信息采集系统硬件电路设计与实现

根据拖拉机田间作业农艺，将传感器测量技术引入到拖拉机-机具田间作业过程，设计改造拖拉机悬挂系统，将角度传感器、力传感器（牵引力传感器、扭矩传感器）集成到拖拉机悬挂系统中，保证拖拉机可挂结播种机、旋耕机、植保机械、拖车等农机具，实现配套机具作业深度及作业姿态仿形（高度及角度）的实时监测[2]。

1.1 功能设计（图1）

1.2 硬件平台

1.2.1 传感器

检测系统所使用传感器安装布置如图2所示，所有传感器波特率设置为9600bps，串口编号与传感器地址一致，便于检查每一个传感器接收数据是否正确。供电电压24V。

1.2.2 显示器

项目选用的显示器嵌入式液晶触摸显示模块，操作者可以直接点触摸屏，就可以传送指令，随意进行功能控制，显示器件是15寸串口液晶LVDS2模组。模组是广州市崇畅计算机科技有限公司独立研发生产的包含图片、字符叠加以及各类常用波形、曲线等绘图指令的显示解决方案。该模组已广泛应用在医疗、金融、工控等行业中，如图3所示。

1.2.3 工控机

项目选用的工控机由北京阿尔泰科技有限公司开发设计，产品型号为LB96A2多功能高性能带 PCI 扩展插槽的无风扇嵌入式工控整机，采用 Intel■ BayTrail-IE3845 处理器，内置 4GB DDR3L SODIMM 内存，具有丰富可靠的外设，能够与 PCI 接口的设备组成多种工业测控系统，结构坚固，抗冲击，抗振，并能够防止数据在移动时丢失。

该工控机供电电压为9～30VDC/12V适配器供电，3个PCI插槽，6路RS-232/RS-485/RS-422复用串口，操作系统多样（win7、win8、win10、linux），1个VGA显示接口，4个USB2.0接口、1个USB3.0接口，1个DVI-D显示接口（分辨率：1920*1080），1个VGA显示接口。

该工控机满足田间作业信息采集系统使用要求。

1.3 硬件电路设计

1.3.1 RS232串行接口电路设计

传感器数据的接收及存储都是通过串口进行传输的，每一个串行设备COM口，例如“COM1”，本项目的田间作业信息采集系统共有9个传感器，需要9个COM口，传统工控机无法满足使用要求，为了实现串口通讯，在工控机上配备了串口扩展模块，该串口扩展模块可将分散的9个COM口集成在一个多针扩展模块上，大大减轻工作强度，提高控制箱利用率，如图4所示。

1.3.2 传感器信號采集接口电路

本项目采用的传感器有位置传感器、扭矩传感器、力传感器，以上三种传感器使用的通讯协议均为MODBUS协议，其中安装于左右悬挂点的力传感器BSQ-15及左右铰接点的力传感器BSQ-17输出方式为RS232，安装于后悬挂左、右下拉杆上的位置传感器LVT526H输出方式为RS485，需要通过工控数据转换器转换为RS232输出，才可与工控机通讯。安装于左下拉杆、右下拉杆和上拉杆上的力传感器ZC-6802，以及安装于后PTO上的扭矩传感器输出方式与位置传感器相同，以位置传感器为例，设计位置传感器原理框图如图5所示。基本思想是接收位移传感器信号，实现差分至单端的转换;转换后的单端信号经过低通滤波器后转换为数字信号;使用工控数据转换器通过RS232接口发送给PC机。

1.3.3 人机交互界面设计

嵌入式液晶触摸显示模块和键盘操作模块组成了本项目所设计的系统的人机交互界面。本设计所采用的显示器件是15寸串口液晶LVDS2模组。模组是广州市崇畅计算机科技有限公司独立研发生产的包含图片、字符叠加以及各类常用波形、曲线等绘图指令的显示解决方案。该模组已广泛应用在医疗、金融、工控等行业中，只要用手指轻轻的指碰计算机显示器上的图符或者文字就能实现对主机操作。

2  田间作业信息采集系统软件设计与实现

使用角度传感器、力传感器（牵引力传感器、扭矩传感器）实时采集与计算配套机具耕作姿态和作业负荷数据等农机作业信息，运用传感器测量的数据信息，基于串口通讯技术建立农机作业信息通讯系统，采用微处理器作为主控芯片，基于windows系统建立悬挂系统作业信息感知系统，在触摸屏上同步显示检测数据。

2.1 耕深算法研究及数据采集

2.1.1 耕深算法研究

传统的拖拉机耕深手动控制过程过度依赖于驾驶员的操作水平，不仅劳动强度大而且作业精度不高，直接影响到了农业生产效果[3]，为了能得到拖拉机实时耕深数据，便于实现拖拉机力调节、位调节、力位综合调节等自动控制，本项目对拖拉机耕深算法进行研究。通过位置传感器测得左右下拉杆实时角度，解算拖拉机耕深，如图7所示。

如图7所示，悬挂点距铲尖距离为H1，铰接点距地面距离为H0，下拉杆长度为L1，位置传感器测得倾角值为β，解算得出铲尖距地面距离H。

H=（H0+L1sinβ）-H1

通过液晶触摸显示模块，手动输入悬挂点距铲尖距离为H1，后台程序计算得出耕深实际值，并将数据进行远程存储。

2.1.2 实时耕深数据采集

为了实现拖拉机力调节、位调节、力位综合调节等自动控制，需要测得拖拉机实时耕深数据。拖拉机实时耕深数据采集原理为：驾驶员通过液晶触摸显示模块设定耕深的目标信号;位置传感器检测耕深信号，传入到后台程序中，经计算得出实际的耕深信号，同时显示在PC机上。

2.2 多传感器信息融合技术

多传感器信息融合是指协同使用多种传感器[4]，如不同位置的多个同类或不同类的传感器，并将这些传感器所提供的局部环境的不整的信息加以综合，形成与系统环境一致性的完整描述。目的主要是基于各传感器分离获取的监测信息，进行优化组合得到更准确的信息。运用数据融合技术综合处理来自多个传感器的数据信息和相关信息，可以获得比运用单个传感器更加详细而精确的结论。

本项目在东方红拖拉机C904后悬挂装置上安装9个传感器，安装于下拉杆上的位置传感器用于检测深松铲相对于地面的位置信息，安装于悬挂点及铰接点的力传感器用于对比分析两点受力情况，安装于后PTO上的扭矩传感器用于检测后PTO的输出功率，单一一种传感器无法满足力位综合控制的信息，采用多传感器信息融合技术，对来自多个传感器的信息进行多方面、多层次、多级别的处理，能够实现更加准确的识别与判断。

3  田间试验与分析

基于拖拉机田间作业信息感知系统进行田间试验，采集农机具田间作业负荷、作业姿态等数据，分析测量数据，探索牵引力-机具位置关系，为悬挂系统控制方案做准备。

3.1 试验方案设计

本着尽可能多测得各种传感器数据的原则，获取耕深数据、不同位置受力数据等信息，为拖拉机后悬挂力位综合控制提供基础和对策。

试验测得的数据包括：耕深、左下拉杆角度、右下拉杆角度、左铰接点受力值、右铰接点受力值、左悬挂点受力值、右悬挂点受力值、左下拉杆受力值、右下拉杆受力值、上拉杆受力值、后PTO扭矩值。

试验于2017年秋季、2018年春季、2018年夏季、2018年冬季进行。

3.2 试验地概况

试验地位于吉林省长春市农安县开安镇吉林省农业机械研究院试验基地，试验面积约30亩。该试验地土壤肥沃，通透性好，易耕作，抗涝。

3.3 田间试验

在对农田作业信息采集系统进行调试后，于2017年10月8日进行首次田间试验，试验时间30天。

3.4 试验分析

①田间作业信息采集系统结构安装不牢固，在试验过程中经常出现工控机串口与数据转接模块接触不牢固，导致部分数据丢失。②传感器数量较多，且均为数字量传感器，通讯接口为串口，在读取所有传感器数值时，返回数据有不同步现象。③田间作业信息采集系统拆卸繁琐，每次拆卸需要消耗大量时间。④上拉杆、左下拉杆、右下拉杆上的力传感器不稳定，测得数据超出极限范围。

针对以上问题，课题组对系统结构进行重新布局，确保元器件间接触牢固;通过延长采样周期的办法，确保所有传感器数据同步返回;使用多用途连接器代替传统的连接端子，大大节省拆卸时间，并且信号线接线牢固，降低因拆卸导致信号丢失的可能性;对力传感器进行重新校准。

课题组分别于2018年春季、夏季、秋季在农业机械研究院试验基地进行试验，测得试验数据，并将所得试验数据进行远程存储，为后续数据分析及悬挂系统控制方案提供理论基础。

4  结论

本项目以拖拉机田间作业感知系统作为研究对象，围绕拖拉机悬挂系统智能化这一关键共性技术，针对农机使用过程作业粗放、可靠性和安全性差、能源资源浪费严重等问题，采用智能传感器技术及串口通讯技术，建立拖拉机状态、农机具耕作位置、耕作阻力等农机作业信息感知系统，并进行田间试验采集农机作业信息。

田间作业信息采集系统可直观显示数据，实时测得数据信息并存储。

5  问题、建议及下一步研究工作设想

拖拉机田间作业信息采集系统，历经2年的时间设计建设完成，进行了功能性试验，实现了预期指标，但是，试验过程中也发现一些不合理的地方，问题与建议如下：①传感器抗震性能不足，数值跳动严重，需要进一步优化数据采集处理方法，必要时需要考虑更换性能更好的传感器。②此次建立的系统传感器数量较多，且均为数字量传感器，通讯接口为串口，在读取所有传感器数值时，返回数据有不同步现象。需要进一步优化传感器数量及采集程序的通讯方法，提高返回数据同步性，增加系统实用性。

参考文献：

[1]蔡高奎，夏长高.电动拖拉机电动悬挂系统的设计与性能仿真[J].农机化研究，2015（1）.

[2]唐宇，骆少明，黄伟峰，等.无人驾驶农用拖拉机行驶状态信息远程采集系统[J].江苏农业科学，2017，45（9）：168-172.

[3]谢凌云.大马力拖拉机电液悬挂系统耕深自动控制研究[D].江苏大学，2016.

[4]周伟伟.基于LabVIEW拖拉机信息管理系统的设计研究[D].南京農业大学，2014.