拖挂式激光平地机-带自动平衡调节装置

俞勇根，陈小兵，彭卓敏，陈伟，朱继平
（农业部南京农业机械化研究所，南京市，210014）

摘要：针对目前只有高程控制的拖挂式激光平地机，在不平整地面进行平整土地时，机具产生倾斜而导致平整精度与效率低下的问题，设计一种机具刀架自动平衡调节装置，构建平衡调节的数学模型以及给出机具的系统设计解决方案，为扩大其应用场合，改进与提高平整精度（≤1cm）与效率（单次作业）进行有益的探索与研究。

关键词：可调节轮；倾斜角度；自动平衡调节；双控

DOI：10.13733／j.jcam.issn.2095－5553.2016.08.008

收稿日期：2015年10月14日　修回日期：2015年11月5日 
第一作者：俞勇根，男，1957年生，江苏南京人，高级工程师；研究方向为精准农业智能化技术装备。E－mail：yyg57＠163.com 
通讯作者：陈小兵，男，1963年生，湖北仙桃人，研究员；研究方向为种植机械，收获机械，植保机械和产品质量检测技术。E－mail：chxibi＠126.com

俞勇根，陈小兵，彭卓敏，陈伟，朱继平.带自动平衡调节装置的拖挂式激光平地机［J］.中国农机化学报，2016，37（8）：31～34

Yu Yonggen，Chen Xiaobing，Peng Zhuomin，Chen Wei，Zhu Jiping.Trailed laser land leveling machine with self－balancing adjustment device［J］.Journal of Chinese Agricultural Mechanization，2016，37（8）：31～34

农田表面平整度比较差，在一定程度上降低了农田灌溉水和肥料使用的利用率。激光控制平地技术对改善农田表面平整度，提高农田灌溉水分布的均匀度，减少肥料的使用量，具有重要的研究价值。

1.1　现有技术方案

现有的拖挂式激光平地机，其技术是利用激光发射器发射一束激光，以其旋转时产生的扫描平面，作为测量地面不平度的参照水平基准面；激光接收器是激光束信号接收装置，它能对激光水平基准面进行全方位的自动搜索，激光接收器安装在与平地机具铲架垂直竖立的桅杆上，铲架由两个固定地轮支撑行走并保持平地铲的平衡。平整地工作开始时，首先要确定被平整地面的标准高度，然后把控制器的工作方式开关置于“自动”状态，在地面不平时，接收器接收到的激光水平基准信号就会产生相应的位置偏差，并把此位置偏差变成电信号后，通过RS232通信接口传递给控制器中的单片机进行信号识别与处理；然后，通过电子控制线路和液压控制装置对平地铲的高程进行控制，使整个铲刀架的高度在低于激光水平基准面时提升，或在高于激光水平基准面时降低来始终保持铲刃处于初始定位的标准高度上，实现对不平地面或坡度地面进行削高填低的平整作业。

随着新技术在拖挂式激光平地机中的大量应用，目前其性能从以下几方面得到了改进与提高。

1）激光接收器感光窗口长度加长，也有配置液压升降装置来调节激光接收器的高度以适应坡度变化较大的地形，如孟志军，付卫强，武广伟针对现有激光平地机的激光接收范围受限和激光接收装置调节困难的问题，研制了一种支持激光接收器自动升降的新型激光平地机。

2）配置独立式液压站以解决不同型号的拖拉机（自配不同形式的液压系统）通用性不好的问题。

3）提高了激光发射器光束的旋转速度，使平地效率得到了一定程度的提升。

4）在铲刀超负荷时，自动提升铲刀卸荷的载荷自适应系统，以避免动力超负荷时损坏机具和停机。

目前现有的拖挂式激光平地机经多次平地作业可使平整精度≤2cm。

1.2　目前存在的问题

由于现有的拖挂式激光平地机对机具平地铲只有高程控制而没有水平平衡控制，在实际使用中出现了如下问题。

1）在不平整地面或坡度地面进行作业时，会使两个固定的行走地轮高度不一而导致机具铲刀倾斜，其作业的地面也呈现出仿型倾斜，使平整精度难以提高或只能依靠多次平地作业才能确保地面的平整精度。

2）当地面不平度严重时，激光接收器因其桅杆倾斜角度过大而导致不能正常工作，故其只能经过普通平整机械粗平并达到相当的平整度后方能实施激光平地作业，限制了其应用场合。

2.1　自动平衡调节装置的工作原理

将机具的两个固定地轮中的一个地轮换成高度可调节轮。当地面不平整时，调节轮与固定轮处于不同的高度，角度传感器测量出铲架的倾斜角，并上传给平衡控制器，由平衡控制器发出相应的控制信号使平衡液压缸的活塞杆伸出或缩回，带动三角形转盘绕固定轮轴产生正向或反向旋转，促使调节轮前移或后移，从而控制调节轮与固定轮处于同一高度，使平地铲保持在水平平衡状态。

调节轮高度调节原理如图1所示。

图1　调节轮高度调节原理示意图
Fig.1　Regulating wheel height adjustment principle diagram

1.调节轮　2.偏转支撑杆　3.平衡液压缸　4.三角形转盘5.固定轮轴　6.三角形转盘的轴承　7.固定轮轴的水平轴线

2.2　自动平衡调节装置的组成

平地铲平衡调节装置主要由一个角度传感器、一个平衡控制器、一套液压控制元件、一套可调节轮组成。

2.2.1　角度传感器

角度传感器采用AVT526H倾角传感器，其Y轴顺着平地铲长度方向安装，测得的俯仰角即为平地铲的水平倾角。AVT526H是一款双轴倾角传感器，分辨率0.01°，精度0.1°，温漂0.01°／℃。输出接口RS232／RS485／RS422／TTL／PWM／CAN／MODBUS可选。由于是内置MCU控制系统，使传感器输出线性度得到二次修正，弥补了模拟型的因为修正不够导致的精度下降，采用非接触式测量原理，能实时输出当前的姿态倾角，抗外界电磁干扰能力强、可适应农业恶劣环境中长期工作。

2.2.2　高度可调节轮

可调节轮的主要部件由调节轮和三角形转盘组成。调节轮通过轴承安装在三角形转盘的侧轴上，三角形转盘中间的轴孔通过轴承套接在固定轮轴的端轴上；三角形转盘另一个侧轴嵌入液压缸活塞杆的杆头耳环里并由销钉定位；调节轮的高度变化是使其相对于固定轮轴产生一定的旋转角度进行控制的，其调节量依据的是角度传感器的倾角测量值。以固定轮为支点，当固定轮变高时，测得负角度值，此时控制平衡液压缸的活塞杆缩回，活塞杆同时拉动三角形转盘绕固定轴顺时针转动使调节轮前移而抬高调节轮一端的平地铲高度；当固定轮变低时，测得正角度值，此时控制平衡液压缸的活塞杆伸出推动三角形转盘绕固定轮轴逆时针转动使调节轮后移而降低平地铲的高度。

2.2.3　自动平衡调节控制器

自动平衡调节控制器由键盘、显示器、单片机、存储器、通信接口、多路PWM脉冲输出接口及功放驱动等电路组成。控制器的串口连接动态倾角传感器，测得的倾角数据通过串行接口上传给单片机，由软件计算出相应的控制信号，并通过PWM驱动电路控制平衡液压缸的活塞杆定量伸缩位移。显示器实时显示测量的角度数值。

2.2.4　自平衡调节液压控制元件

液压控制元件由液压缸（单杆双作用液压缸）、高速开关阀、溢流阀、油管组成。在接收控制器的信号后，高速开关阀精确控制液压缸活塞杆产生相应的位移即可控制调节轮的升降，使平地铲保持水平平衡状态。

3.1　构建调节轮的数学模型

在模型图（图2）中，L1为液压缸的起始长度，L2为三角形转盘的下臂定长，L3为三角形转盘的上臂定长，L4为偏转支撑杆的长度，X为液压缸的单杆伸缩长度；由此当L1，L2，L3，L4和∠ACD为定值时，随着X的变化，则有可调节轮的高度

设两轮轴长为L，刀架倾斜角为θ，则有(www.xing528.com)

将式2和式3代入式4有

图2　调节轮数学模型图
Fig.2　Regulating wheel model figure

3.2　调节轮—调节高度设计计算

设L2＝L3＝270mm，β角的调节范围在15°～90°，根据式1得

hmin＝L2sinβ＝270×sin15°＝70mm

hmax＝L2sinβ＝270×sin90°＝270mm

所以有高度调节范围为hmax－hmin＝200mm，故调节轮满足高度调节要求。

3.3　自平衡调节液压控制回路

由自平衡调节控制器中的单片机发出两路PWM信号，经过驱动电路放大后，驱动24V高速开关阀。通过调节两路PWM信号的占空比，控制液压系统的流量，进而可精确地控制单杆双作用液压缸的运动速度和运动方向。

图3　自平衡调节控制液压回路设计方案
Fig.3　Self balancing adjustment control hydraulic circuit diagram

4.1　机具的整机系统构成

从图4构建的系统结构可知，我们只要把现有机具的其中一个固定轮设计改进成高度可调节轮就能实现机具的水平平衡调节，从而达到平地铲高度控制和平衡控制。另如须考虑机具完全对称性的情况下，亦可使两个固定轮都改为可调节轮。

图4　带自动平衡调节装置的机具系统构成示意图
Fig.4　With automatic adjustment device of machinery system structure diagram

1.调节轮　2.偏转支撑杆　3.水平液压缸　4.三角形转盘5.高程液压缸　6.角度传感器　7.激光接收器桅杆8.激光接收器　9.高程液压站　10.平衡控制器　11.铲架12.固定轮　13.固定轮轴

4.2　机具的电控系统构成框图

在图5的电控系统构成中，高程控制技术已相当成熟，只需研制水平控制器并使之与高程控制器能协调工作。

图5　机具的电控系统构成框图
Fig.5　Electric control system composition block diagram

机具平衡调节与高程控制协调工作中也存在关键问题。如何避免平衡控制与高程控制的相互干扰，是使用平衡调节系统的关键；解决的方法是应用CAN多主总线技术来协调平衡控制与高程控制以及人机接口，这样可构成3节点网络化的嵌入式集成控制系统。CAN总线上各节点均具有自诊断功能，配备多个LED指示灯和键盘接口，实时显示工作状态和故障调试。既可提高系统的可靠性和可扩展性，又方便了故障诊断和驾驶员的操作。设计水平控制与高程控制协同工作的CAN总线通信，减少了高程控制系统对水平控制系统产生的影响［6］。

4.3　机具的工作原理

当拖挂式激光平地机处于自动工作状态时，角度传感器首先测量出铲架的倾斜角，并上传给平衡控制器，由平衡控制器发出相应的控制信号使平衡液压缸的活塞杆伸出或缩回，带动三角形转盘绕固定轮轴产生正向或反向旋转，促使调节轮前移或后移，从而控制调节轮与固定轮处于同一高度，使平地铲保持水平平衡状态。其后，接收器接收发射器发出的水平激光基准信号，从而检测出平地铲相对于激光基准平面的位置偏差，并把这个位置偏差信号转变成电信号，传递给高程控制器中的单片机进行信号处理；然后，通过电子控制线路和高程液压控制装置对平地铲的高程进行控制，使整个铲刀架的高度在低于激光基准面时提升或高于激光基准面时降低来始终保持铲刃处于已定位的标高平面上，以实现对不平地面或坡度地面进行削高填低的平整作业。

本文讨论的装置不但具有现有宽量程的高程调节且带有结构简单、成本低廉、易控制的水平平衡调节，还可实现激光平地单次作业平地精度达到1cm以内，对制约拖挂式激光平地机的应用场合与效率不足问题进行了研究与改进。

综上所述，对拖挂式激光平地机的机具只有实现了高程与水平平衡双控，才能够实现精准农业装备的高效率和高精准。

参　考　文　献

［1］侯明亮，毛恩荣，刘刚.激光控制平地系统控制技术的研究与试验［J］.农业工程学报，2006，22（1）：110～113. Hou Mingliang，Mao Enrong，Liu Gang.Study and test of the control technology for the laser－controlled land leveling system［J］.Transactions of the CSAE，2006，22（1）：110～113.

［2］吕庆飞.激光控制平地系统的改进设计与实验研究［D］.北京：中国农业大学，2007.

［3］高欣和，刘志浩，宋海洲，等.基于高速开关阀的液压缸速度控制系统设计［J］.流体传动与控制.2013，57（2）：5～9.Gao Xinhe，Liu Zhihao，Song Haizhou，et al.Design of hydraulic cylinder speed control system based on high－speed on－off valve［J］.Fluid Power Transmission　＆Control，2013，57（2）：5～9.

［4］姜海勇，崔保健，徐鹏云，等.两轮调整型激光测控清平机调平机理研究［J］.河北农业大学学报，2011，34（5）：114～117.Jiang Haiyong，Cui Baojian，Xu Pengyun，et al.Research on the balancing mechanism of the two－adjusted wheel［J］.Journal of Agricultural University of Hebei，2011，34（5）：114～117.

［5］孟志军，付卫强，武广伟，等.激光接收器自动升降式平地机的研制与试验分析［J］.江苏大学学报（自然科学版），2015，36（4）：418～424.Meng Zhijun，Fu Weiqiang，Wu Guangwei，et al.Development and evaluation of laser land leveling machine with automatic lifting laser receiver［J］.Journal of Jiangsu University（Natural Science Editions），2015，36（4）：418～424.

［6］陈君梅.水田激光平地机实用技术［J］.现代农业装备，2013，（6）：43～46.

Trailed laser land leveling machine with self－balancing adjustment device

Yu Yonggen，Chen Xiaobing，Peng Zhuomin，Chen Wei，Zhu Jiping
（Nanjing Research Institute for Agricultural Mechanization，Ministry of Agriculture，Nanjing，210014，China）

Abstract：According to the present only elevation control of pull－type laser grader，when flat land in the uneven ground，the shortcomings of the existing trailed laser land leveling machine are analyzed and a　self－balancing adjustment device fixed on the machine rack is proposed in an attempt to expand its use scope，improve and enhance the leveling precision and efficiency.To enlarge its applications，increase the leveling accuracy（≤1cm）and efficiency（single homework）carry on the beneficial exploration and research.

Keywords：adjustable wheel；angle of inclination；self－balancing adjustment；dual control

中图分类号：S222.51

文献标识码：A

文章编号：2095－5553（2016）08－0031－04