技术领域
[0001] 本
发明涉及检测技术领域，具体的说是甜菜收获机割台高度仿形装置及割 台高度控制方法。
背景技术
[0002] 国家进一步重视农业及农机装备，并在“中国制造2025”中将农机装备， 列为十大专项之一。国家高度重视农机装备的原因之一是：农机装备性能优劣 与否直接关系到收获作业时的效率和
质量。
[0003] 在甜菜收获机收获作业时，国家对甜菜收获机的需求是甜菜收获机割台可 以依据收获作业时的地形变化，进行自适应高度调节，从而保证甜菜收获机的 收获质量和效率。但目前我国自主研制的甜菜收获机，在田间收获作业时，割 台高度保持恒定，当完成
指定区域的收获任务后，根据甜菜收获情况，对割台 高度进行调节。这样的作业模式，不利于保证收获区域的收获质量，很容易因 为地势的起伏变化，造成甜菜顶端过度切割或切割不足，导致收获质量不佳， 给农民带来直接的经济损失，且给后期的甜菜仓储及加工带来不便。
[0004] 为进一步推动我国精准农业的发展，保证甜菜收获时的收获质量，我国目 前急需一种可以对甜菜收获机割台高度进行调节的仿形装置，从而实现我国甜 菜收获机在收获作业时，割台高度可以根据收获作业区域地势变化，地形
地貌 特点，进行自适应调节，从而实现我国自主研制的甜菜收获机从机械化向智能 化跨越。
发明内容
[0005] 针对甜菜收获机田间作业时，很容易因为地势的起伏变化，造成甜菜顶端 过度切割或切割不足，导致收获质量不佳，给农民带来直接的经济损失，且给 后期的甜菜仓储及加工带来不便的问题。满足我国自主研制的甜菜收获机，割 台高度可以依据收获作业区域的地势变化特点，自行调节甜菜收获机的割台高 度，保证甜菜收获的质量和效率。
[0006] 本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：
[0007] 甜菜收获机割台高度控制方法，包括以下步骤：
[0008] 甜菜收获机作业时，
角度
传感器实时检测因田间地面起伏引起的割台高度 仿形装置的连接转臂的角度变化并输出给车载
控制器；
[0009] 车载控制器根据连接转臂的角度变化计算甜菜收获机割台距离地面高度的 升降差值；
[0010] 车载控制器判断升降差值是否超过上升或下降的
阈值；若未超过，则车载 控制器根据升降差值输出控制
信号给液压
阀，
液压阀控制液压油缸动作带动割 台上升或下降，实现甜菜收获机割台高度的自适应调节。
[0011] 所述车载控制器根据连接转臂的角度变化计算甜菜收获机割台距离地面高 度的升降差值，包括：
[0012] 当地面凸起时，割台距离地面高度的升降差值为：
[0013] Δh＝Lcosθ0-Lcosθ2；
[0014] 其中，L为连接转臂的长度，θ0为地面平整时，连接转臂与垂直方向的角度； θ2＝θ0+θ1，θ2为因地面凸起而引起的连接转臂与垂直方向的角度；θ1为连接转臂 因地面凸起而引起的角度变化，通过角度传感器检测获取；
[0015] 当地面凹陷时，割台距离地面高度的升降差值为：
[0016] Δh'＝Lcosθ2'-Lcosθ0；
[0017] 其中，L为连接转臂的长度，θ0为地面平整时，连接转臂与垂直方向的角度； θ2'＝θ0-θ1'，θ2'为因地面凹陷而引起的连接转臂与垂直方向的角度；θ1'为连接转 臂因地面凹陷而引起的角度变化，通过角度传感器检测获取。
[0018] 所述车载控制器根据升降差值输出
控制信号给液压阀是采用模糊PID控制 方法。
[0019] 所述车载控制器设置在甜菜收获机上，分别连接角度传感器、液压阀，所 述液压阀控制设置在割台下方的液压油缸动作，从而带动割台升降。
[0020] 甜菜收获机割台高度仿形装置，包括仿形轮、连接转臂、旋转销轴、
支撑 架、
连杆机构、角度传感器及复位机构，其中支撑架上设有可转动的旋转销轴， 所述连接转臂的一端与旋转销轴连接，另一端与仿形轮连接，所述角度传感器 安装在所述支撑架上、且通过所述连杆机构与所述旋转销轴连接，所述复位机 构设置于所述支撑架与连接转臂之间，用于所述连接转臂的复位。
[0021] 所述连杆机构包括依次铰接的第一连杆、第二连杆及第三连杆，其中第一 连杆的末端与所述旋转销轴固定连接，所述第三连杆的末端与所述角度传感器 连接；所述第一连杆的末端套设在所述旋转销轴上、且通过顶丝与所述旋转销 轴固定连接。
[0022] 所述旋转销轴上套设有位于所述连接转臂和所述连杆机构之间的
定位套筒。
[0023] 所述连接转臂的一端套设在所述旋转销轴上、且通过连接转臂顶丝与所述 旋转销轴固定连接。
[0024] 所述旋转销轴的一侧为平面，所述连接转臂顶丝顶紧在所述平面上；所述 复位机构包括第一
弹簧和第二弹簧，其中第一弹簧的两端分别与所述支撑架和 连接转臂连接，所述第二弹簧的一端与所述支撑架连接，另一端与所述连接转 臂顶丝相连；所述第一弹簧和第二弹簧的受
力方向相反；所述连接转臂上设有 第一定位凸台，所述支撑架上设有第二凸台，所述第一弹簧的两端分别与所述 第一定位凸台和第二凸台连接，当所述连接转臂抬起或放下时，所述第一弹簧 承受拉力或压力；所述支撑架上设有位于所述旋转销轴下方的弹簧固定销，所 述第二弹簧的两端分别与所述弹簧固定销和所述连接转臂顶丝连接，当所述连 接转臂抬起或放下时，所述第二弹簧承受压力或拉力。
[0025] 所述支撑架的一侧设有带通孔的凸台，所述角度传感器安装在所述凸台上， 所述连杆机构穿过所述凸台上的通孔与所述角度传感器连接。
[0026] 本发明具有以下有益效果及优点：
[0027] 本发明提供了甜菜收获机割台高度仿形装置及控制方法，其中仿形装置可 以有效地对甜菜收获机收获作业区域的地势进行仿形，并将地势的高低起伏变 化，转化为角度传感器可以检测的角度信息。车载控制器通过对反馈的角度变 化信息，来实现对割台高度的自适应调控。而本发明的控制方法，具有自适应 性强，鲁棒性优良的特点，保证控制得
精度及平稳性，有利于实现甜菜收获机 割台高度依据地势的变化而实现割台的
自动调节，同时本发明的仿形装置，具 有易于安装，结构简单，便于维护及通用性强的特点。
附图说明
[0028] 图1是本发明的控制方法的控制
流程图；
[0029] 图2为本发明的控制方法的模糊PID控制原理示意图；
[0030] 图3为本发明的控制方法的地面凸起分析示意图；
[0031] 图4为本发明的控制方法的地面凹陷分析示意图；
[0032] 图5为本发明的装置结构示意图；
[0033] 图6为本发明的连杆机构的结构示意图之一；
[0034] 图7为本发明的连杆机构的结构示意图之二；
[0035] 图8为本发明的复位机构的结构示意图之一；
[0036] 图9为本发明的复位机构的结构示意图之二。
具体实施方式
[0037] 为使本发明要解决的技术问题，技术方案和优点更加清楚，下面将结合相 关附图进行详细描述。
[0038] 如图1所示，为本发明甜菜收获机割台高度控制方法的控制流程图。车载控 制器通过角度传感器10检测因田间地面起伏引起的割台高度仿形装置的连接转 臂2的角度变化，计算甜菜收获机割台距离地面高度的升降差值，输出控制信号 给液压阀，液压阀控制液压油缸动作带动割台上升或下降，实现甜菜收获机割 台高度的自适应调节，最终实现设置在割台上的用于收割甜菜的割刀高度的调 节，解决甜菜顶端过度切割或切割不足的问题。
[0039] 当地面比较平整时，车载控制器控制割台保持原有高度；当地面出现凹陷 时，车载控制器通过控制割台油缸，如果此时已经到割台油缸最大行程，则不 进行操作，保持原有高度，如果没有达到最大行程，则推动油缸，提升割台； 当地面凸起时，车载控制通过控制割台油缸，如果此时已经到割台油缸最小行 程，则不进行操作，保持原有高度，如果没有达到最小行程，则推动油缸，降 低割台。
[0040] 车载控制器为PLC，设置在甜菜收获机上。甜菜收获机割台高度仿形装置安 装在割台下方，通过支撑架4与割台连接。割台上还设有用于切割甜菜叶的切刀。
[0041] 如图2所示，为本发明甜菜收获机割台高度控制方法的模糊PID控制原理示 意图，从图中可以看出，实现输入输出量的模糊化处理，是将偏差e及偏差率ec作为模糊控制的输入，而模糊控制输出为PID参数修定值，Kp，Ki，Kd。通过 整定的PID参数，来实现对甜菜收获机割台高度的自适应调节。
[0042] 模糊PID控制方法利用模糊自适应对PID参数Kp，Ki，Kd进行整定，使控制 系统具有较好的自适应能力，提高系统的鲁棒性。应用模糊PID控制方法，可以 有效提高系统的
稳定性和快速响应能力，且模糊PID控制方法，通过在线调节增 益，可以有效提高控制系统的动态特性，使控制系统可以输出快速且稳定的追 踪设定值，保证对甜菜收获机割台高度进行有效控制。其中实现输入输出量的 模糊化处理，是将偏差e及偏差率ec作为模糊控制的输入，而模糊控制输出为PID 参数修定值，Kp，Ki，Kd。
[0043] 模糊PID控制在本方法中的甜菜收获机割台高度的
控制论域设计为：角度偏 差e，基本论域[-60,60]，量化论域[-6,6]，量化因子6/60＝0.1；角度偏差率ec， 基本论域[-12,12]，量化论域[-6,6]，量化因子6/12＝0.5；调节器Kp，基本论域 [-10,10]，量化论域[-6,
6]，量化因子6/10＝0.6；调节器Ki，基本论域[-8,8]，量化 论域[-6,6]，量化因子6/8＝
0.75；调节器Kd，基本论域[-6,6]，量化论域[-6,6]， 量化因子6/6＝1。模糊子集分别为{NB(负大)，NM(负中)，NS(负小)，ZO(零)， PS(正小)，PM(正中)，PB(正大)}。各个模糊子集的隶属度函数选取为高斯函 数，其中心分别为{-6,-4,-2,0,2,4,6}。
[0044] 模糊PID控制的基本思想为系统在响应初始阶段，由于偏差e较大，为缩短 系统的响应时间，加快响应速度，防止初始时偏差在瞬间增大过快，造成系统 积分饱和现象，使系统超调过大，超出
许可范围，因此选择较大的Kp，使积分 增益Ki不宜过大，便于偏差e迅速减小；而在系统调节阶段，偏差e逐渐减小， 为了缩短调节时间，减小系统的振动和超调量，此时的Kp选取较小值，并适当 增加Ki；当系统输出趋于稳定时，即偏差e很小时，为了获得良好的稳态特性， 且输出平稳，系统工作在过阻尼状态；当系统处于稳定工作状态时，为了提高 系统的抗干扰能力，抑制ec的变化，需要适当增加Kd，并对ec提前预报。
[0045] 如图3所示，为本发明甜菜收获机割台高度控制方法的地面凸起分析示意图。 将仿形装置看成一个刚体，当地面凸起时，割台高度的高度变化为： Δh＝Lcosθ0-Lcosθ2。其中，L为连接转臂2的长度；θ0为地面平整时，甜菜收获 机的连接转臂2与垂直方向的初始角度；θ2＝θ0+θ1，θ2为因地面凸起而引起的连 接转臂2与垂直方向的角度，θ1为仿形装置因地面凸起，而引起的角度变化，通 过角度传感器10检测获取。
[0046] 如图4所示，为本发明甜菜收获机割台高度控制方法的地面凹陷分析示意图。 将仿形装置看成一个刚体，当地面凹陷时，割台高度的高度变化为： Δh'＝Lcosθ2'-Lcosθ0。其中，L为连接转臂2的长度，θ0为地面平整时，连接转臂2 与垂直方向的角度；θ2'＝θ0-θ1'，θ2'为因地面凹陷而引起的连接转臂2与垂直方向 的角度；θ1'为连接转臂2因地面凹陷，而引起的角度变化，通过角度传感器10检 测获取。
[0047] 如图5所示，一种甜菜收获机割台高度仿形装置，包括仿形轮1、连接转臂 2、旋转销轴3、支撑架4、连杆机构、角度传感器10及复位机构，其中支撑架 4上设有可转动的旋转销轴3，连接转臂2的一端与旋转销轴3连接，另一端与 仿形轮1连接，角度传感器10安装在支撑架4上、且通过连杆机构与旋转销轴 3连接，复位机构设置于支撑架4与连接转臂2之间，用于连接转臂2的复位。
[0048] 旋转销轴3通过开口销5固定在支撑架4上，支撑架4上开孔，用于将甜 菜收获机割台高度仿形装置通过
螺栓连接的方式固定在甜茶收割机的割台上。
[0049] 如图6-7所示，连杆机构包括依次铰接的第一连杆7、第二连杆8及第三连 杆9，其中第一连杆7的末端与旋转销轴3固定连接，第三连杆9的末端与角度 传感器10连接。
[0050] 进一步地，第一连杆7的末端套设在旋转销轴3上、且通过顶丝12与旋转 销轴3固定连接，使第一连杆7随旋转销轴3一起转动。支撑架4的一侧设有 带通孔的凸台，角度传感器10安装在凸台上，第三连杆9穿过凸台上的通孔与 角度传感器10连接。
[0051] 连接转臂2的一端套设在旋转销轴3上、且通过连接转臂顶丝15与旋转销 轴3固定连接，实现连接转臂2与旋转销轴3的紧密配合。
[0052] 进一步地，旋转销轴3的一侧铣为平面，连接转臂顶丝15顶紧在平面上。 旋转销轴3上套设有位于连接转臂2和连杆机构之间的定位套筒11，通过定位 套筒11和顶丝12实现第一连杆7与旋转销轴3的紧密配合。
[0053] 如图8-9所示，复位机构包括第一弹簧13和第二弹簧14，其中第一弹簧13 的两端分别与支撑架4和连接转臂2连接，第二弹簧14的一端与支撑架4连接， 另一端与连接转臂顶丝15相连；第一弹簧13和第二弹簧14的受力方向相反。
[0054] 进一步地，连接转臂2上设有第一定位凸台16，支撑架4的内侧设有第二 凸台17，第一弹簧13的两端分别与第一定位凸台16和第二凸台17连接；当连 接转臂2抬起时，第一弹簧13承受拉力；当连接转臂2放下时，第一弹簧13 承受压力。
[0055] 进一步地，支撑架4上设有位于旋转销轴3下方的弹簧固定销6，第二弹簧 14的两端分别与弹簧固定销6和连接转臂顶丝15连接，当连接转臂2抬起时， 第二弹簧14承受压力；当连接转臂2放下时，第二弹簧14承受拉力。
[0056] 第一弹簧13和第二弹簧14的作用是使仿形装置复位，在平整地面上保持 初始状态。
[0057] 本装置的工作原理是：
[0058] 支撑架4与甜菜收获机割台连接，仿形轮1与地面
接触，用于仿形地面的 起伏变化，仿形轮1与连接转臂2紧密相连，因地面的起伏变化，仿形轮1带 动连接转臂2旋转，连接转臂2与旋转销轴3紧密连接，从而带动旋转销轴3 转动，旋转销轴3带动第一连杆7转动，由于连杆机构通过铰接的方式进行连 接，因此第一连杆7带动第二连杆8转动，第二连杆8带动第三连杆9转动， 而第三连杆9的末端与角度传感器10相连，因此将地面起伏变化，转换为角度 传感器10检测到的角度信息变化，车载控制器通过角度信息变化，从而控制甜 菜收获机割台高度的升降。
[0059] 当地面凸起时，第一弹簧13主要承受拉力，第二弹簧14主要承受压力， 当越过地面凸起，重新回到平整地面时，第一弹簧13收缩，第二弹簧14伸展， 使仿形装置回归到初始角度
位置；当地面凹陷时，第一弹簧13主要承受压力， 第二弹簧14主要承受拉力，当越过地面凹陷，重新回到平整地面时，第一弹簧 13伸展，第二弹簧14收缩，使仿形装置回归到初始角度位置。
[0060] 仿形装置的材质主要为不锈
钢，其中仿形轮1
轮毂的材质为
不锈钢，轮胎 的材质为
橡胶。
[0061] 本发明甜菜收获机割台高度仿形装置及控制方法，控制方法具有鲁棒性好， 自适应性强的特点，可以满足实际作业收获时的控制需求，同时本发明的仿形 装置，可以及时反映出收获作业区域的地势变化情况，将收获作业区域地势高 低起伏变化，转化为可以用于角度传感器检测的角度变化信息，通过角度信息 变化，利用数学关系，推算仿形装置高度变化，从而利用车载控制器，对割台 高度进行自适应调节，而这有助于我国甜菜收获机在收获作业时，保证较高的 收获质量及效率。
[0062] 以上所述仅为本发明的实施方式，并非用于限定本发明的保护范围。凡在 本发明的精神和原则之内所作的任何
修改、等同替换、改进、扩展等，均包含 在本发明的保护范围内。
