智能避让旋耕机机械产品的设计与应用

高梦星

（扬州工业职业技术学院，江苏 扬州 225000）

旋耕机作为农业生产中不可或缺的农机具之一，其作业效率和性能直接影响着我国农业生产的效率和质量。然而传统的旋耕机需要人工驾驶操控，遇到复杂场地和环境时其作业效率低下，且易受到地形和作业环境的限制。如果能够在旋耕机上添加智能避让系统，实现自动避让功能，将有助于提高其作业效率，降低作业成本，对于推进我国农业生产方式的转型升级具有重要的研究意义和应用价值[1]。

1 智能旋耕机的工作流程

旋耕机作为一种耕整地机械，其作用是将耕翻后的土壤耙碎、整平和镇压，使地面平整，并使作物根系能充分伸展，为农作物生长发育创造良好的条件[1]。旋耕机主要由机架、传动系统、动力输出轴、刀片等部件组成。旋耕机的作业过程是一个动态过程，作业时要根据土壤的坚硬程度，对动力输出轴进行适当调节，使刀片与土壤接触处形成光滑的刀盘，这样就可以将切碎的土壤颗粒粉碎并将其均匀地抛撒到地表，形成良好的耕作层。旋耕机一般在较大负荷下工作，作业速度不能太快，否则会使刀片承受很大的弯矩而损坏。在田间作业时，由于地面状况变化很快，对动力输出轴进行调速是十分必要的[2]。

2 智能避让系统的设计

为解决传统旋耕机在田间作业时，由于旋耕机与拖拉机的干涉造成拖拉机工作效率低下的问题，采用了基于单片机技术的智能避让系统[2]。该系统的设计思路是通过对拖拉机和旋耕机工作原理进行分析，确定了避碰控制方式、避碰控制算法和控制流程。当拖拉机前进时，系统以轮速作为控制信号，发出避让信号给单片机，单片机接收到信号后输出脉冲宽度调制信号到电机驱动模块，接收到信号后驱动滚珠丝杠，通过转动带动刀盘的转动从而带动旋耕机工作，达到自动避让的目的[3]。

2.1 智能避让系统组成

智能避让系统主要由传感器部分、单片机控制部分、电机驱动部分和人机交互部分组成。其中，传感器部分主要检测拖拉机和旋耕机工作时的状态；单片机控制部分是该系统的核心部分，通过对数据进行处理来实现避碰功能；电机驱动部分通过电机驱动器来实现滚珠丝杠的转动；人机交互部分由触摸屏和键盘组成，通过人机交互界面来实现拖拉机和旋耕机之间的避让功能。在系统工作过程中，由单片机控制驱动模块把脉冲宽度调制信号输送到滚珠丝杠上带动滚珠丝杠转动。传感器在智能避让系统中，首先需要对拖拉机和旋耕机工作状态进行检测，传感器主要包括轮速传感器、轮距传感器和旋耕深度传感器。轮速传感器是一种利用电动机和齿轮传动来产生旋转磁场的传感器，它的核心部件是一块永久磁铁，它能够检测出拖拉机和旋耕机旋转时所产生的磁场。通过对轮速传感器的研究，结合实际情况确定了拖拉机和旋耕机工作时的转速。当旋耕机工作时，其旋转产生的磁场会影响轮速传感器输出信号，根据公式（1）可以得出轮速变化和旋耕机转速变化成正比关系，从而得到轮速传感器输出信号。

式中，n表示旋耕机旋转刀片时的实时转速，单位为r/min；V表示旋耕机的前进速度，单位为km/h；D表示旋转刀片的直径长度，单位为m；π 表示圆周率，约等于3.14。

例如，一台旋耕机当前的前进速度为7 km/h，旋转刀片的直径长度为1 m，其转速为：

需要注意的是，旋耕机本身自带的转速不宜过高，通常情况下，需要将其控制在2 000 r/min~3 000 r/min 之间，如果转速过高，就会导致土质松软，从而影响植物的生长，同时这也会进一步增加机器的磨损率和使用能耗，削减机器的使用寿命。

为了能够有效地检测旋耕机旋转时产生的磁场对轮速传感器的影响，在拖拉机两侧安装了两个环形线圈，在环形线圈内充入一定频率的电磁场。当旋耕机旋转时，其产生的磁场会作用于环形线圈上产生感应电动势。由于旋耕机工作时其转速是有固定值的，因此可以通过测量旋耕深度来判断旋耕机与拖拉机是否有发生碰撞的可能。为了实现智能避让系统中对拖拉机和旋耕机工作状态检测的功能，需要对旋耕机和拖拉机进行避碰控制[4]。

2.2 避碰控制算法

本文采用基于模糊控制的避碰控制算法，将系统分成两个部分：一个是对轮速信号进行处理，并通过对轮速信号进行模糊化处理，然后将模糊化的轮速信号与设定的距离进行比较，根据比较结果判断是否需要采取避碰动作。另一个是通过单片机输出脉冲宽度调制信号到电机驱动器，根据电机驱动器的转速来控制滚珠丝杠的转动，从而实现对旋耕机的避让[5]。具体实现过程如下：首先，根据轮速信号判断是否需要避碰；如果需要避碰，则发出避让信号给单片机，单片机接收到信号后，通过计算轮速和距离值之间的偏差值来判断是否需要避碰；如果不需要避碰，则继续进行下一步。判断轮速和距离值之间是否有偏差时，可根据公式（2）来计算。

式中，P是轮速与距离的比值，T是拖拉机和旋耕机之间的距离。当P>T时，拖拉机需要避让；当PT时，则向拖拉机发出避让信号；当P

2.3 控制流程

智能避让系统主要是通过轮速信号来实现避碰的功能。轮速信号通过单片机发送出去，单片机接收到轮速信号后输出脉冲宽度调制到电机驱动模块，接收到脉冲宽度调制后输出一个脉冲信号给单片机，单片机会根据预设的算法和逻辑，生成相应的脉冲信号。这个脉冲信号会被传送到驱动模块，通过驱动模块的控制将脉冲信号传递给滚珠丝杠来驱动刀盘转动，从而带动刀盘转动来实现避碰。在拖拉机前进时，由于旋耕刀刀盘与拖拉机轮速信号有一定的差值，所以当轮速信号大于或等于旋耕机轮速信号时，单片机控制驱动模块把脉冲宽度调制信号输送到滚珠丝杠上带动滚珠丝杠转动，从而带动刀盘转动来实现避碰功能[6]。

3 人机交互界面设计

人机交互界面设计是对智能避让系统的人机交互功能进行设计，通过对系统的界面进行设计，来实现旋耕机和拖拉机的自动避让功能，从而提高旋耕机的作业效率，降低其作业成本[3]。人机交互界面主要由两个部分组成，即控制模块和显示模块。控制模块主要实现系统运行过程中的各个控制功能，显示模块则负责显示系统运行的状态[7]。

为了满足用户对旋耕机智能避让功能的需求，在人机交互界面上显示系统运行状态时应设置相应的参数来表示旋耕机运行状态：0~10 为自动工作状态，0~20 为正常工作状态，20~50 为自动避让状态，50~100 为自动恢复状态。首先选择控制模式（单模式或者多模式），然后选择旋耕作业的模式（单模式或者多模式）。在单模运行或多模运行时，均需选择旋耕作业的模式；在单模运行时，需选择旋耕作业的速度范围；在多模运行时，可根据旋耕机当前的位置和速度来进行相应的选择。其中，旋耕机工作状态的改变通过触摸屏上相应按键来实现[8]。

当旋耕机出现故障时，也可通过触摸屏输入相应的指令来实现故障原因查找及问题解决：首先选择故障报警模式（报警代码显示），然后选择故障代码，最后选择相应的解决方案。

当用户按下触摸屏上对应按键时，会弹出一个对话框提醒用户操作此项功能；当用户想要退出该功能时，点击触摸屏上对应按键后会弹出一个对话框提醒用户需要退出该功能[9]；当用户再次按下触摸屏上对应按键，系统会自动进入到保护模式中。如果旋耕机出现故障并伴有相应报警信号时，系统将会自动关闭该系统并进入到恢复模式中[10]。

4 试验验证

为了验证本系统的正确性和有效性，对产品进行了中间试验。试验采用型号为KT650 型轮式拖拉机作为牵引动力，选用两台相同型号的旋耕机分别进行试验。在相同的地形条件下，选择田间作业时的天气情况作为试验条件。试验场地的长度约为25 m，宽度约为15 m，采用拖拉机牵引动力，以控制速度进行作业。为保证测试结果的可靠性和准确性，选取3 个测试点分别进行测试，并对试验结果进行统计分析[4]。

4.1 旋耕作业

从试验数据可以看出，在同样的作业条件下，两台旋耕机在完成旋耕作业后，机器的速度和方向都保持一致，表明该系统能够在相同的工作条件下进行旋耕作业。旋耕后的土壤具有良好的作业质量，并且与旋耕前相比，土壤表面平整度有所提高。但也发现了一些问题，主要有以下几点：

1）机器在旋耕过程中的速度是变化的。例如：机器在进行旋耕作业时，速度基本保持在3 m/s 左右；当机器进入自动避让道后，速度开始增加，达到15 m/s。

2）旋耕机在旋耕作业过程中存在较大的横向抖动现象。当旋转刀片与土壤之间的接触面积增大时，由于拖拉机行驶速度较快，实际接触时间变短。同时，刀片与土壤之间存在摩擦力、剪切力和滑移力等，在这些力的作用下，机器在旋耕过程中出现横向抖动现象，横向抖动会降低旋耕机的工作稳定性。

3）虽然没有出现明显的动力输出现象，但是机器在进入自动避让道后会有一个很大的动力输出，在旋耕机工作质量较差、刀片磨损严重等情况下会出现动力不足的现象。

4）系统检测到机器在自动避让道内时会发生碰撞现象。从试验数据统计分析结果可以看出：两台旋耕机在自动避让道内发生碰撞时距离保持在15 cm左右。这是由于机器在旋耕作业时处于自动避让状态，发生碰撞时距离较近；而当机器进入自动避让道后发生碰撞时距离较远。

4.2 旋耕效果

在实际的旋耕过程中，为了保证旋耕质量，需要对土地进行两次旋耕，每次旋耕时间为2 h。在两次旋耕后，拖拉机的牵引动力都不会超过2 N。两台旋耕机的最大耕作深度分别为17.2 cm和18.7 cm，最大作业高度为46.4 cm。经统计，在两次旋耕后，两台旋耕机的作业高度和作业深度都没有超过旋耕机的安全保护范围。

在田间试验时，将两台旋耕机置于同一水平面上进行作业，在两个方向上分别测定不同的耕作深度和作业高度。在这种工作状态下，由于旋耕深度较大而产生了很大的离心力和牵引力，而此时拖拉机的牵引动力却非常小。通过对两次旋耕后土壤情况进行分析发现土壤的情况有了明显改善，在旋耕至15 cm时，土壤中基本没有土块存在，表面变得更加细腻平整。这表明旋耕机在高速旋转状态下产生的离心力和牵引力能有效地将土壤颗粒细化，使土壤更加适宜作物生长。

4.3 成本核算

笔者设计的自动避让旋耕机机械产品的成本包括传感器成本、系统控制芯片成本、整机组装成本。整体的成本核算包括生产支出的审核、确定成本计算对象及成本项目，开设相应的产品成本明细账、进行要素费用的分配，并为其配置各类要素费用分配表。其中，传感器的成本约为5 000 元，占整个产品成本的70%以上，因此传感器的成本控制是系统设计和生产中需要重点关注的工作。

5 结语

笔者针对旋耕机在田间作业过程中存在的问题，设计了智能避让系统，在人机交互界面上设置了旋耕机与拖拉机自动避让功能，实现了旋耕机与拖拉机的自动避让。改进后的旋耕机工作效率高，且对硬质土壤的适应性强，性能稳定可靠。在实际生产应用中，智能避让系统能够对拖拉机和旋耕机进行识别，当有拖拉机接近时能及时做出反应，从而实现自动避让功能，有效地解决了旋耕机在田间作业过程中存在的问题。