摘要：针对现有棉花打顶设备作业过程中棉花顶部仿形效果差，且受作业环境影响比较明显的问题，提出了仿形板与角度传感器相结合的方案，研制了一种基于ＦＰＧＡ的棉花高度仿形装置。确定了打顶期内棉株的弹性模量，并运用有限元仿真软件模拟了棉株受力状态，确定了核心部件仿形板的材料属性及尺寸参数。田间试验结果表明，该装置能够对棉花高度进行仿形，机具作业速度在３．２４ｋｍ／ｈ内时，打顶率最高可达９０．０％，打顶效果较好，机具结构设计合理，为棉花打顶机械化提供了技术支持。
关键词：棉花；高度仿形；弹性模量；智能控制；打顶机械化；试验
棉花是我国重要经济作物，种植管理复杂，在整个生产过程中，除打顶、采收环节外，已基本实现全程机械化［１－２］。棉花打顶是棉花生产的关键技术，近年来备受关注，棉花高度仿形是棉花打顶的核心技术之一，仿形效果直接影响打顶效果［３－４］。现阶段棉花高度仿形主要有非接触式、接触式２种形式。非接触式主要有利用超声波传感器技术［５］、激光传感器技术［６］、遥感技术［７］、近红外多光谱传感器及光谱分割技术［８］、机器视觉技术［９］等方法检测棉花高度进行仿形。虽然上述技术在工业领域应用比较成熟，但是在田间复杂作业环境下，受机械振动、泥土灰尘较多、雨天、早上露水较大等问题的影响十分明显；接触式仿形主要有预设高度及地轮对地面仿形实现棉花高度仿形［１０］、仿形板与接近开关对棉花高度仿形［１１］等方法，仿形精度有待提高。鉴于棉花打顶机特定的作业环境，上述仿形技术未能推广使用。针对上述问题本研究提出了角度传感器与仿形板相结合的方案，研制了一种基于ＦＰＧＡ的棉花高度仿形装置，实现了在田间复杂环境下棉花高度精准仿形，研究成果有助于研制新型棉花打顶机械，为促进棉花打顶机械化技术的推广应用提供理论依据。
１设计原理及结构
１．１设计原理该仿形装置利用仿形板与棉花顶部接触，依靠棉花顶部对仿形板的支撑力来测量棉花的高度；仿形板随棉花的高低起伏摆动，带动角度传感器角度变化，通过角度换算出棉花实际生长高度。为便于直观表示效果，将棉花顶部简化用光滑曲线连接，其理想状态下效果图如图１所示，实线为棉花实际生长高度，虚线为棉花与仿形板接触后棉花高度，双点划线为按仿形高度打顶后的棉花高度。该仿形装置优点是能够适应田间复杂的作业环境，结构相对简单，成本低；该研究为促进棉花打顶机械化技术的推广应用提供了理论依据。１．２装置结构仿形装置结构如图２所示，主要由转轴、ＦＰＧＡ控制器、角度传感器、固定板、连接板、安装板、仿形板等组成。角度传感器通过螺栓安装在固定板上，传感器轴与转轴一端固定连接，转轴另一端与轴承配合相连；转轴与仿形板一端固定；安装板上开有安装孔可通过螺栓安装在打顶设备上。工作过程中仿形板与被测棉株顶部接触，随棉花的顶部高低起伏变化，进而带动转轴旋转，角度传感器将信号传递到控制器，控制器换算出棉花高度变化值［１２］。
２关键部件设计
仿形板的结构参数是该仿形装置的核心部件，直接影响高度仿形效果。为更好地确定其参数，拟通过试验对棉株受力特性进行研究，然后运用有限元虚拟仿真的方法确定仿形板材料属性及结构参数。２．１棉株力学特性以中棉９１５为研究对象，选取山东省滨州无棣机采棉基地处于打顶期内的棉花作为试验样品。棉田种植密度１０．５万株／ｈｍ２，采集试样时间２０１５年８月２号，随机选取株高相差不多的棉花１２株，去枝叶，测量直径及株高，标号，放入密封袋中带回。根据棉株在田间时根部固定、茎秆悬空这一生长特性，给棉株离地面高度为ｈ的部位施加一水平推力Ｆ，使得棉株在水平方向上移动距离为ω，构成悬臂梁模型，如图３所示。对所取棉株试样分３段进行测量，并且多次测量取平均值。利用游标卡尺测量棉株的直径ｄ（精度０．０２ｍｍ）；钢板尺测量高度ｈ及位移ω（精度１ｍｍ）；推力通过电子数显推拉力计进行测量（精度０．０１Ｎ）。２．２仿形板设计仿形板结构如图４所示，整体由１块板材钣金成型。为增加接触面积及减小阻力，仿形板前端弯折成１２０°，工作时最低位置为前端成垂直状态，此时夹角最大，最高位置为水平，此时夹角为零。摆动范围即为棉花高度仿形范围。仿形板中间较长，且在中部对称位置开有均布的螺栓孔，可以根据实际情况增加或减少螺栓来增减仿形板质量；板材后端有少许弧度，降低对棉花顶部的损伤。将仿形板进行简化称直线进行换算，板长Ｌ，则高度变化值Δｈ＝Ｌｓｉｎθ；板长Ｌ取４００ｍｍ，仿形高度变化范围为３００ｍｍ，Δｈ最大值为３００ｍｍ，此时θ最大值约为４９°，宽度根据打顶设备扶禾器间距取１７０ｍｍ，如图５所示。２．３有限元仿真２．３．１软件选用分析软件ＡＢＡＱＵＳ，整个有限元模型的建立采用前处理软件Ｈｙｐｅｒｍｅｓｈ完成，解算器采用Ａｂａｑｕｓ完成。２．３．２材料设定实地田间测量表明，绝大部分机采棉棉株高度在７２０～８３０ｍｍ之间，棉株直径变化范围为３～２０ｍｍ。建模时为了保证模型与真实棉株的相近，取棉株高度７８０ｍｍ，棉株根部直径１５ｍｍ，棉株顶端直径４ｍｍ，将棉株简化为线弹性材料。根据试验所得弹性模量，拟将棉株分为３段模拟，低端为近地部分，占棉株总长度３５％，取弹性模量５２００Ｐａ；中间段为棉株总长度的６０％，取弹性模量３２００Ｐａ；顶部占棉秆总长度的５％，取弹性模量，１０００Ｐａ，整株泊松比取０．３。仿形板导入时不设置材料属性。２．３．３网格划分棉株有限元模型采用实体单元（八节点六面体单元Ｃ３Ｄ８Ｉ及四节点四面体单元Ｃ３Ｄ４）模拟，直径从底部１５ｍｍ线性变化到末端直径４ｍｍ；仿形板采用壳单元模拟（四节点四边形单元Ｓ４Ｒ及三节点三角形单元Ｓ３Ｒ），具体模型见图６。２．３．４约束、加载及结果分析棉秆的底部为全约束，仿形板铰接中心ＲＰ－１处只保留沿ｚ轴的旋转自由度，施加重力场，棉秆与仿形板间定义接触关系，模拟棉株顶部与仿形板的接触受力过程，进而得到棉株变形云图。通过棉株顶部与仿形板的接触试验，修改仿形板厚度及材料属性，得出各条件下的应力云图。通过对比分析，最终确定仿形板采用０．３ｍｍ厚镀锌钢板制作。
３控制系统设计
控制系统由控制器、打顶伺服电机、升降伺服电机、速度检测传感器等组成，其中控制器是以ＸＬＩＮＸ公司的ＸＣ３Ｓ５００为主控制芯片，其数据处理能力强，响应速度快；控制器设计有１６路的通用输入输出接口；４路继电器输出；４路ＰＷＭ输出；能够满足打顶控制系统的各项性能要求。整个控制系统软硬件由山东省农业机械科学研究院自行研制。作业过程中仿形装置检测棉花高度，将信号输入给ＦＰＧＡ控制器；控制器启动打顶伺服电机驱动切削刀旋转工作，并根据机具前进速度控制升降伺服电机响应升降时间，从而精准的完成打顶作业。控制原理是角度变化与电压变化相对应，＋５Ｖ电压对应９０°，控制器通过电压变化计算出棉花高度变化值，实现棉株高度仿形。角度传感器选用ＷＹＨ－３型角度传感器（北京通磁伟业传感技术有限公司），分辨率小于０．００１°，３６０°可转，正弦输出，９０°线性，无触点磨损，寿命长，可连续分辨。
４结果与分析
棉花高度仿形装置安装在智能精准棉花打顶机上（专利申请公布号：ＣＮ１０４１８６０６７Ａ），于２０１５年８月７日在山东省滨州市无棣县机采棉试验场进行了田间试验（图７）［１２］。打顶率是指被打下棉顶的棉株数量占处理区内棉株总数的比例，用％表示，是评价棉花打顶机的重要指标之一。田间性能试验参数如表１所示。从表１可知，速度在３．２４ｋｍ／ｈ内时，打顶率较高，能够较好地完成打顶作业，速度增加到３．６０ｋｍ／ｈ时打顶率下降明显。利用统计分析软件ＳＰＳＳ，对作业速度与打顶率进行单因素方差分析（表２）可知，速度Ｐ＝０．００１＜０．０１，差异极显著，即速度是影响该机具打顶率的一个重要因素，进而表明作业速度对本研究设计的仿形装置影响明显。
５结论及建议
试验结果表明，本研究提出的仿形板与角度传感器相结合的的方案切实可行，该研究为促进棉花打顶机械化技术的推广应用提供了理论依据。对试验结果进行了统计分析，确定了作业速度是影响打顶率极为重要的因素，也是影响仿形装置的性能的主要因素。对打顶期内的棉花弹性模量的测定，应采用更加先进的技术手段；在作业速度适应方面，应该进行多因素试验，对该仿形装置进一步优化设计。
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作者：彭强吉 马继春 宋和平 何青海 吕爱民 单位：山东省农业机械科学研究院
