摘要：牟孝栋, 杨福增, 段罗佳, 刘志杰, 宋卓颖, 李宗霖, 管寿青. 丘陵山地拖拉机调平与防翻关键技术研究现状与发展趋势[J]. 智慧农业(中英文), 2024, 6(3): 1-16.

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牟孝栋, 杨福增, 段罗佳, 刘志杰, 宋卓颖, 李宗霖, 管寿青. 丘陵山地拖拉机调平与防翻关键技术研究现状与发展趋势[J]. 智慧农业(中英文), 2024, 6(3): 1-16.

Citation:MU Xiaodong, YANG Fuzeng, DUAN Luojia, LIU Zhijie, SONG Zhuoying, LI Zonglin, GUAN Shouqing. Research Advances and Development Trend of Mountainous Tractor Leveling and Anti-Rollover System[J]. Smart Agriculture, 2024, 6(3): 1-16.

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丘陵山地拖拉机车身与农机具姿态协同控制技术

丘陵山区坡度大、地面不平整成就了复杂的作业环境。在此条件下，拖拉机车身易发生频繁倾斜，使行驶稳定性变差，对拖拉机的作业效果及作业效率均有较大影响，尤其拖拉机在丘陵山地开展旋耕、播种、植保、田间管理等作业时，农机具通常通过三点悬挂挂接在车身尾部，车身调平后悬挂的农机具就会随车身的移动而改变位姿，不能继续贴地作业。要保证农机具仿形作业，需要配备车身和农机具姿态同步控制系统，在实现车身调平的同时，悬挂的农机具也实现坡地自适应调整贴地仿形作业。车身与农机具坡地协同控制如图1所示，悬挂左右两侧均安装姿态调整油缸，在倾角传感器的反馈调节下控制车身调平油缸与左右两侧悬挂油缸伸缩，以达到车身调平与农机贴地仿形作业。为保证拖拉机在丘陵山地的作业效果（如耕深一致性、播深一致性、喷药均匀性等），必须配备农机具坡地自适应调平装置，使得农机具与地面始终保持水平接触，才能达到理想的作业效果。另一方面，针对丘陵山区分布地域广、作物种植多样化、土壤类型各异、农艺要求不同、气候气温降水差异性大的现状，研发适宜于区域性丘陵山区作业的专用农机具将大幅改善该区域的农业生产，在为农民增产增收的同时还能解放生产力。因此，开发拖拉机农机具坡地自适应调平技术是实现坡地仿形作业的关键。

注：1. 左提升臂；2. 上拉杆；3. 右提升臂；4. 悬挂左侧姿态调整油缸；5. 悬挂右侧姿态调整油缸；6. 左下拉杆；7. 右下拉杆。

图1 车身与农机具坡地协同控制

Fig. 1 Collaborative leveling of vehicle body and agricultural machinery on slopes

目前，农机具坡地自适应调平技术多数用到PID技术，常用的有经典PID控制，模糊PID控制，双闭环模糊PID算法，增量式PID控制和基于BP神经网络PID控制等。PID控制成本低、环境适应性强、简单可靠，对于控制精度要求不是很高，而更重视系统的可靠性时，农机具坡地自适应调平使用PID控制能获得较高的性价比。

张锦辉等基于神经网络PID算法设计了车身和农机具姿态同步控制系统，提高了姿态控制系统的响应速度和控制精度，能够满足丘陵山地复杂场景下拖拉机平稳高效作业。周浩等设计了一种旋耕机自动调平系统，其控制系统通过角度传感器反馈的信息控制电磁阀驱动调平油缸，通过直线位移传感器测量调平油缸的伸长量，利用旋耕机与调平支撑架的几何关系实现旋耕机构的自动调平闭环控制，提高了旋耕机的仿形作业能力。蒋俊等为满足配套农机具对坡地地形的适应性，设计了适用于丘陵山地拖拉机的电控液压悬挂系统，通过AMESim软件搭建系统仿真模型，分别对定、变负载2种工况进行了仿真分析，结果表明，速度、位移误差控制在5%以内，基本满足设计要求。杨福增等针对坡地等高线作业时既要保持车身水平又要控制农具进行自适应仿形作业，提出了一种履带升降自动张紧装置，以满足丘陵山地作业要求；基于双闭环模糊PID算法设计了车身与农具姿态协同控制系统（图2），在坡地可开展耕、种、管等多种作业需求。吴帆设计了一种旋耕机遥控驾驶与自动调平系统，拖拉机的后悬挂和机具调平系统机械结构由三点悬挂装置构成，用液压油缸代替提升杆，并使用控制器控制进出油量调节液压油缸的伸缩，从而实现旋耕机的地面仿形作业。谢斌等设计了一种自适应测量农机具耕深的方法，将倾角传感器安装于提升臂上，控制器可根据反馈的角度信息输出特性推导出电压值与耕深值的函数关系，最终得到农机具实际耕深。但此方法仅靠角度传感器的信息来间接推导耕深值，存在的不确定因素（如传感器的累积误差、信息传输的延迟等）和外界环境干扰（如传感器的高频抖动、信号的滤波处理等）太多，应使用多传感器融合的策略增加测量的准确性与实时性。Irsel等等为提高激光控制坡地平整机的运行效率，设计了更精确、更经济、更可靠和更符合人体工程学的激光控制调平系统，将现有的激光控制调平铲进行了重新设计，使其自动化程度更高。该机器可以通过更少的重复次数和更低的油耗来平整较硬的地面，平整精度可达0.05°。

图2 山地拖拉机与农机具姿态协同控制系统原理图

Fig. 2 Principle diagram of attitude cooperative control system for hillside tractor and farm tool

农机具调平坡地自适应技术的主要难点在于：一是要满足车身与农机具姿态同步控制。这对控制的一致性、控制精度及响应时间要求高，其中的任何一项不达标都会直接影响到作业质量。二是传感器的选取。目前应用最广泛的是利用角度传感器测量倾斜角度，通过反馈信号控制对应油缸的伸缩，加入PID控制之后可以实现快速、平稳、准确地控制农机具达到指定的倾角，还可以将激光技术应用到农机具调平及旋耕地面的找平中。此技术响应更快、精度更高。三是作业信息反馈。农机具仿形作业后，其真实的作业效果缺乏及时的反馈与调整，应添加相应的传感器用于作业情况的反馈与调整，如播种作业应实时监测每粒种子的播深信息。

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来源：智慧农业资讯