基于RTK-BDS的无沟铺管机作业高程控制系统研究

针对农田铺管装备采用传统激光高程控制技术控制精度低、适应性差的问题,设计了基于载波相位实时动态差分北斗卫星定位系统(RTK-BDS)的无沟铺管机高程控制系统。该系统以RTK-BDS为核心,以V型犁式无沟铺管机为作业对象,采用多模型UKF多传感器信息融合算法获取高精度海拔高度信息;利用多模态模糊PID算法控制高程油缸,从而满足犁头按照指定坡降指标工作的需求。田间试验表明,多模型UKF算法较无迹卡尔曼滤波(UKF)、粒子滤波的滤波效果更好,其波动幅度降低至0.885 cm,均方差降低至0.040 cm,多点相对误差在±0.2 cm之内;不同坡降高程控制的控制误差均在±2 cm之内,平均误差小于1 cm,满足无沟铺管机的作业需求。

V形犁式无沟铺管机牵引力需求

V形犁式无沟铺管机结构简单、施工效率高、成本低,是黄河冲积平原适宜的暗管施工装备,其牵引力需求与暗管埋深的关系是整机设计的理论基础。该研究基于V形犁式无沟铺管机结构与原理,通过分析犁具工作阻力与履带行驶阻力,构建牵引力需求力学模型。结合现场特定的土壤物理性质,采用有限元与光滑粒子流体动力学耦合法,完成显式动力学仿真,得出暗管埋深为0.4、0.6、0.8、1.2和1.6 m时的犁体工作阻力分别为35.65、55.71、111.06、201.80和313.22 kN,回归结果验证了理论分析。结合机器传动系统特点,通过检测牵引功率和车速获取不同埋深作业时的牵引力大小,基于中心复合设计方法开展牵引力试验研究。试验结果表明,暗管埋深与其平方项对牵引力需求的影响显著(P<0.001),作业速度及其与埋深交互项影响不显著(P>0.05);犁体工作阻力的试验与仿真回归模型的最大相对误差不超过20%,表明仿真结果真实可信。研究方法与结论可为针对不同土壤条件、不同管径和不同埋深,研发V形犁式暗管铺设机器提供设计参考。

无沟铺管机北斗导航控制系统设计与试验

针对因田间土壤质地不均匀或表面高低不平,无沟铺管机出现行驶偏摆而导致管道铺设弯曲的问题,设计了基于载波相位差分技术的北斗定位系统(Real Time Kinematic-BeiDou Navigation Satellite System,RTK-BDS)的导航控制系统。采用多模态控制策略,通过传感器检测无沟铺管机工作时的左、右行走马达速度,车辆实际平均车速,发动机功率和两侧行走泵的压力等状态参数,并输入到后向反馈(Back Propagation,BP)神经网络,预测铺管机当前状态分类,使用选择器选择模态控制参数,采用自适应比例-积分-微分(Proportion-Integral-Differential,PID)控制算法进行导航控制。经过田间试验,获取铺管机的模态控制参数和BP神经网络训练样本。导航控制系统上线试验结果表明,导航控制横向超调量为4.58 cm,最大横向误差在±4 cm范围内,平均横向误差在±1.5 cm范围内,能够满足铺管机直线性作业要求。

无沟铺管机水平状态检测方法研究

V形犁式无沟铺管机为暗管排水控盐技术提供强有力的工程支撑。为解决无沟铺管机在施工时会出现以较快速度倾斜,导致挂载架摆动幅度偏大,而引起挂载架后下控制臂水平检测精度降低的问题,通过分析无沟铺管机组成结构及控制机构数学模型,提出了一种基于风险控制的自适应补偿水平检测方法。该算法使用Kalman滤波算法得到车架的水平倾角和挂载架后下控制臂的水平倾角两组检测值,通过无沟铺管机的控制结构特性,确定两组水平倾角的关系,然后利用后下控制臂纵向加速度,对后下控制臂水平检测准确性进行风险评估,根据评估的风险对该两组检测值进行自适应加权,获取较精确的水平倾角信息。经过静态检测试验表明了该方法前后方向最大波动幅度为0.858°,左右方向最大波动幅度为0.778°,能够满足无沟铺管机的检测需求;经过动态检测试验表明了该方法能够比原始方法提前10.8 s得到有效的目标倾斜角度,且检测的倾角与目标角度最大波动量为0.69°,波动范围较小,提高了后下控制臂动态水平检测精度和速度。

无沟铺管机执行装置设计

针对应用于河套平原盐碱地生态治理工程的无沟排盐暗管铺设机的执行机构进行研究设计,结合实际作业过程中结构面临的问题,通过Recur Dyn动力学分析以及ANSYS静力学分析,得到了执行机构的动力学特性、振动特性和静力学特性。通过设计结构强度与仿真分析强度的对比,验证了设计结构的合理性及可行性。通过模态分析,为后续装配样机部分结构在田间作业的振动冲击性能试验提供理论分析基础。此研究为提升整机的使用性能、降低整机试验成本提供了一定的参考与借鉴。

农田暗管排水技术

农田暗管排水技术是土地排水、防止灌溉土地盐 碱化和改造中低产田的有效措施。与明沟排水相比具 有排水效果好,有效控制地下水位,节省土地,减少维 护费用等特点。 随着暗管铺设方法和排水材料的改进,该技术已 经取得了显著进展。由于挖沟铺管机械的发展,波纹 塑料排水管已得到广泛应用。我国自20世纪80年代 初研制应用波纹塑料排水管以来,应用面积逐渐扩 大。