摘 要: 针对小型电动叶菜收获机工作部件速度固定导致的收获机适应性差、能耗大、收获损失率较高及割茬高度调整不便等问题，开发了一种叶菜收获机智能控制系统。该系统以可编程逻辑控制器为核心，采 用 超 声 波 传感器、光电编码器进行高度、速度检测，利用直流电机 驱 动 模 块、电液缸等实现收获机工作部件的速度和高度控制。试验结果表明: 该系统能够根据设定的叶菜留茬高度自动调节叶菜收获机的割刀高度，并能根据收获机行进速度自动调整割刀切割速度、拨苗速度及传送带输送速度，叶菜留茬高度平均误差≤3. 33%，叶菜收获损失率 ≤5.10%，提高了叶菜收获的经济效益，对于提升我国叶菜收获作业的智能化水平及实现节能减排具有积极意义。
关键词: 叶菜收获机; 自动检测; 智能控制; 收获试验
0 引言
叶菜是指以植物嫩叶为主的蔬菜，如甜叶菊、菠菜、生菜等，已成为人们增收致富的重要经济作物[1]。近年来，国内对叶菜收获机的研究较多[2 - 3]，丁馨明等开发了小型手提式蔬菜收获机，采用往复式切割刀和带式传送方式，可实现叶类蔬菜的无序收获，适合收割三叶蔬菜、豆芽、蔬菜苗等蔬菜。其动力源采用直流电机，克服了采用柴油机收获时产生废气污染蔬菜的缺点[4]。高龙等为实现农机与农艺融合，设计了一种小型自动化叶菜类蔬菜收割机，采用直流驱动、丝杠升降与分级传送技术，能够根据蔬菜种类的不同，通过直流电机调节割幅和割茬高度，但其智能化程度较低，未见工作部件速度的自动控制报道[5]。伍渊远等提出了利用机器视觉技术获取叶菜收获机导航参数与割台高度参数的方法，为收获机的智能、精准作业提供了技术支持，但成本较高且耗时较大[6]。针对上述问题，本文设计开发了一种新型电动叶菜收获机智能控制系统，实现了叶菜收获机速度自适应控制、割茬高度自动调整等功能，以期满足叶菜收获操作便捷、人性化设计的需求，为智能化叶菜收获机的设计提供技术支撑。
1 叶菜收获机结构组成及工作原理
叶菜收获机主要由切割装置、拨苗装置、输送装置、割茬高度调整装置、行走机构和控制器等组成，如图 1 所示。收获时，由往复式割刀对叶菜进行切割，收割的叶菜由拨苗装置将其拨送到传送带上，叶菜到达传送带末端后经归集装置放入收集箱。
2 控制系统设计方案
叶菜收获机智能控制系统主要包括 PLC 可编程控制器、触摸屏、超声波传感器、光电编码器及直流电机等组成部分，可实现割刀高度、收获机行走速度、拨苗速度及传送带速度的检测与控制功能。
收获前，先通过触摸屏进行割茬高度和行走速度设置; 收获过程中，系统根据设置的参数自动调整割刀高度，并实现切割、拨苗和传送速度的匹配控制。
3 系统硬件设计
3.1 PLC 及触摸屏选型
PLC 选用信捷 XDC-24T-C 型可编程控制器，工作电压为直流 24V，有 24 个 IO 接口，具有超高的处理速度，最多可接 16 个拓展模块，且内部自带 PID。另外，为实现模拟信号输入，配备了模拟量 A/D 转换模块，型号为 XD-E4AD2DA。人机界面是实现 PLC 与操作人员之间交互性的界面，系统选用 TG765S -XT 型触幕屏，通过 Modbus 协议与 PLC 进行通信。
3.2 割刀高度检测与控制
高度测量部分由超声波超传感器来完成，超声波测距传感器的工作原理是将发射的声波信号转换成可以接收的电信号的一种换能器[7-11]。超声波传感器具有波长短、频率高、衍射小、方向性好等优点，可利用射线来形成定向传播等[12 -1 5]。超声波传感器的型号为 LM-112-010-DAC，输出信号为 0 ～ 10V 的电压信号，考虑到其测量盲区，其位置安装于切割刀正上方部位，距离地面的高度可用式( 1) 计算[16 -1 8]
根据叶菜收获需求的不同，设置割刀高度可调范围为 5 ～ 200mm。工作时，系统根据预先设定的叶菜留茬高度自动调节叶菜收获机的割刀高度，割刀高度调整的执行机构采用 UT450 型电液缸，工作参数为: 推力 150kg，速度 10 ～ 35mm /s，行程 100 ～ 600mm。
3.3 速度检测与控制速度测量部分采用 2500 线增量式光电编码器来完成。光电编码器是一种旋转测量装置，系统将编码器的输出脉冲信号直接输入 PLC，利用 PLC 的高速计数器对其脉冲信号进行计数，以获得测量结果。
叶菜收获机调速部分主要包括行走速度、割刀切割速度、传送带速度及拨苗速度 4 个部分; 执行部件采用直流减速电机，并配套相应的 BLD 系列驱动器，减速电机参数如表 2 所示。叶菜收获机作业时，机手可根据需要自行设置或实时调整收获机的作业速度，系统根据实时采集的收获机行走速度和最佳速比参数，通过 PLC 实现割刀切割速度、传送带速度、拨苗速度与行走速度的最佳匹配控制。
4 系统软件设计
4.1 系统主程序
系统主程序流程图如图 3 所示，主要完成参数测量、显示和控制功能等。系统启动后，首先根据种植农艺和用户需求，通过 PLC 控制器进行割刀高度及行走速度和各部分速比的设置; 收获机作业时，系统进行收获机行走速度、割刀高度、割刀切割速度、拨菜速度及传送速度的实时检测，同时根据收获机前进速度和速比参数，自动实现各部件工作速度的匹配控制。
4.2 系统子程序
系统子程序主要实现割茬高度及切割、拨菜、输送速度的控制。程序中采用了 PID 控制算法，其控制原理如图 4 所示[19-2 0]。
1) 割茬高度调整控制: 由触摸屏输入叶菜留茬高度，叶菜高度测量元件在线监测采集割刀距地面的高度，再由 PLC 对实测高度与设定高度进行比较，求出高度的偏差量; 经 PID 运算，获得控制信号，自动控制电动推杆的伸缩速度和长度，实现割刀高度调整的快速响应，可有效提高割刀控制精度。
2) 速度调整控制: 速度控制子程序中，首先根据行走速度的测量值设定割刀切割速度、拨菜速度及传送速度 3 个被控对象的匹配速度值，进而实时检测 3 个速度参数，并对实测值与设定值求差，计算出各个速度的偏差信号，最后经 PID 算法，得到控制信号，由电机驱动器控制各个电机的转速，实现割刀切割速度、拨菜速度及传送速度的快速、准确调整。
4.3 人机界面开发
人机界面是实现 PLC 与操作人员之间交互性的界面，可以方便快捷地将操作人员的动作送达 PLC，再由 PLC 执行该动作。本系统采用 TouchWin 信捷触摸屏编程软件开发，人机界面主要包括数据显示、参数设置及启停按钮和指示灯等组成部分，对应的输入按钮和输入框及显示框如图 6 所示。收获机工作时，系统将测量数据自动显示在触摸屏界面中，另外通过速度和高度的设
5 试验与分析
收获试验时，选取茼蒿作为试验对象，设定的留茬高度为 15.0mm，收获速度分为低速( 0.2hm2 / h) 、中速( 0.3hm2 / h) 和高速( 0.4hm2 / h) 3 档，每种速度下进行 5 次试验，每次试验收获 0.01hm2 ; 收获后，用游标卡尺测量割茬高度，数据如图 7 所示，数据分析如表 3 所示。单次试验中，最高误差 10.0%，发生在中高速收获期间; 中速收获时平均误差最小，为-0.67%，其变异系数和损失率也最小，说明中速收获作业的精度、可靠性和稳定性均优于低速和高速收获作业的。
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6 结论
1) 该叶菜收获机智能控制系统能够实现作业参数实时检测及割茬高度自动调整，并能根据收获机行走速度切割、拨苗速度和输送速度的自动匹配。
2) 该控制系统叶菜留茬高度平均误差≤3.33%，平均收获损失率≤5.10%，较好满足了叶菜收获的实际需求，为提升我国叶菜收获作业的智能化水平提供了参考。
