农业激光平地机的研究与发展

农业激光平地机的广泛应用,可以显著改善我国农田微地形条件,显著提高农田表面的灌溉效率和水分分布均匀度,同时获得显著的节水、增产、节约劳动力和提高土地利用率等多重效益。综述了国内外农业激光平地机的发展情况,分析了我国农业激光平地机的整体研究现状及关键部件的研究进展,并对近年来国内农业激光平地机及其关键部件的主要研究工作及应用成果进行了论述,探讨了我国农业激光平地机的未来发展趋势和研究方向,以期为后续相关产品的研究提供参考。

激光平地机在新乐市的推广与应用

激光平地机属于高新技术产品,将激光技术和液压技术整合在一起,在农作物生产作业的前期阶段进行整地和平地作业,与传统整地技术方法相比,农田土地平整度得到了较大改变,为农作物产量提升提供了基础支撑。新乐市承担的河北省花生生产全程机械化示范项目中,激光平地机在平整地阶段得到了良好应用,通过技术集成,形成了全程机械化技术模式,切实提高了花生生产的产业化水平。应正确认识到激光平地机的应用价值和作用优势,掌握相关工作原理和操作方法,并根据当前推广应用中存在的问题积极探索发展路径,确保可以充分发挥激光平地机在新乐市农业生产中的作用,提高机械化水平,使农作物生产体系更加完善。基于此,本文主要对激光平地机在新乐市的推广与应用进行了探究。

1PJ-4.0型水田激光平地机设计与试验

设计了三点悬挂1PJ-4.0型水田激光平地机。水田激光平地机液压系统,包括高程液压油路、水平液压油路和折叠液压油路,平地铲高程运动采用平行四连杆结构。对水田激光平地机的高程运动和水平运动性能进行了测试试验,分析结果表明：平地铲上升过程响应时间为下降过程响应时间的2倍,全程400 mm上升所需时间为3.31-4.23 s,下降所需时间稳定在1.7 s左右;上升速度随油门开度增大而加快,平地铲下降速度较稳定。平地铲水平调节时,顺时针转动全程20°所需时间与逆时针转动所需时间一致。田间平整作业试验表明,与拖拉机配套的三点悬挂1PJ-4.0型水田激光平地机可以稳定工作,能显著改善田面平整情况,田面最大高程差从平地前的32 cm降低到4.9 cm,相对高度的标准偏差值从平地前的12.28 cm下降到平地后的2.64 cm,平地后绝对差值小于等于3 cm采样测量点累计百分数达69.4%。

基于MEMS惯性传感器融合的水田激光平地机水平控制系统

激光平地技术是农业生产中一项重要的节本增效措施,为了使激光平地机在水田中作业时平地铲保持水平,设计了一种低成本的水田激光平地机水平控制系统,采用MEMS陀螺仪与加速度计通过信息融合测定平地铲实时倾角,通过脉冲宽度调节普通电磁阀实现平地铲水平控制。文章分析了控制系统的构成,传感器的工作原理与安装方法,阐述了两种传感器融合测量实时倾角的方法。采用了基于ARM7内核的微处理器设计了水平控制系统硬件,并给出了软件实现流程。采用AHRS(姿态航向参考系统)对系统性能进行了实验室测试与田间试验验证,测试结果表明,该水平控制系统能在动态条件下准确地测定平地铲实时倾角,可以较好地实现平地铲水平控制。

超声波传感器评定水田激光平地机水平控制系统性能

为了评定水田激光平地机平地铲水平控制系统性能,采用2个SensComp 600超声波传感器测量平地铲两端与参考水平面的距离,然后利用三角关系计算得到平地铲倾斜角度。对超声波测距、传感器与反射面成一定夹角的影响以及运动对测量的影响因素进行了分析,并与姿态航向参考系统AHRS500GA-226提供的参考倾角进行了对比,结果表明2个超声波传感器在静态和动态条件下均能较准确地测量出平地铲倾斜角度,最大静止误差和最大动态误差分别为0.08°和1.00°。在平整的水泥地面上对平地铲水平系统性能进行了测试,实验结果表明,水田激光平地机水平控制系统倾斜角度测量准确,误差不超过1.00°,整个系统能较好地实现平地铲水平控制,满足水田平整作业需要。

常规土地平整与激光平地技术组合应用初步分析

在常规土地平整方法与激光平地技术组合应用实践基础上， 对两种平地方法的平整效果、作业效率及成本费用进行分析． 结果认为， 为达到费省效宏的组合平地应用形式， 在土地原始平整状况较差的渠灌区， 应首先采用常规平地方法进行粗平， 当田面平整精度与平地期望值的差值接近３ｃｍ 时， 再利用激光精平方法完成土地平整工作． 对田面平整度较高的井灌区， 也可直接采用激光平地技术完成土地精平．

水田激光平地机非线性水平控制系统

为使水田激光平地机的平地铲在受到干扰偏离水平位置时能够迅速回复水平,设计了基于角速度-偏差角度的非线性PID控制器的平地铲调平控制系统,使平地铲零角速度渐近回到水平位置,实现零超调,提高了平地机水平控制精度和稳定性。根据平地机的机械液压系统结构搭建了平地铲调平系统动力学模型,推导了传递函数,基于剩余路径确定允许最小角度的非线性控制,设计了水平调平闭环控制系统方案。采用标准姿态航向参考系统AHRS检测平地铲实时倾角与角速度,TMS320F28035芯片作为控制器,设计制作了水平控制系统电路,依据传感器数据通过非线性PID位置控制算法计算出控制量,并通过PWM驱动电路实现平地铲水平控制。在华南农业大学研制的水田激光平地机上,进行了实验室测试与田间试验验证。测试结果表明,水平控制系统响应迅速,实现了平地铲渐进逼近水平位置的控制效果,超调小,稳态误差趋于零,平地铲基本控制在水平位置±1°以内,平地铲工作稳定。

激光平地乳芽直播节水效果的研究

我国水资源严重短缺 ,农业生态环境急剧恶化。农业是我国的用水大户 ,约占全国总用水量的 72 % ;水稻生产又是农业生产中的用水大户 ,在东北地区平均每公顷用水 75 0 0～ 90 0 0 m3。故此 ,研究水稻生产中的节约用水 ,保护生态环境和节本增效等问题 ,具有重要的经济和社会效益。该文利用自动控制理论 ,研究了激光平地机组的结构和工作原理 ;通过在辽阳市太子河区景尔屯村进行的 2 0 hm2 激光平地乳芽直播田间试验 ,对激光平地的作业效果和泡田过程中的节水、节地效果进行了试验研究 ,在测试泡田用水量的过程中 ,利用秒表、乒乓球等设备实时地测试了田块的进水口流量 ,实践证明此方法成本低 ,操作简单 ,测试结果准确可靠。结果表明 ,激光平地可节约泡田用水 2 1.5 78% ,节约土地 0 .92 % ;乳芽直播可节约泡田用水 2 5 .888%。

激光平地机的应用

激光平地机是将激光、液压技术应用于整地作业的高新产品。早在20世纪80年代中期，激光平地技术就在美国等国家被广泛应用，是一项比较先进的整地技术。近几年，我国也展开了激光平地技术的应用实践，在辽宁、黑龙江、吉林和新疆等省区的规模化生产农场推广使用，取得了良好的社会和经济效益。

激光平地改善土壤水盐分布并提高春小麦产量

为了促进激光平地技术的应用与推广,在河套灌区以普通畦田为对照,分期、分段测定了激光平地畦田0～80cm土层土壤水分、土壤盐分及春小麦生长状况。结果表明,从渠口到畦尾,激光平地畦田不同地段的土壤水分在春小麦生长的不同时期无显著差异,但从拔节期开始,上层土壤盐分逐渐升高;普通畦田从三叶期开始,上层土壤水分、盐分逐渐提高,且显著或极显著高于激光平地。普通畦田从三叶期开始,激光平地从拔节期开始,从渠口到畦尾,春小麦的生长状况逐渐变差,千粒质量、产量均逐渐降低,但激光平地的春小麦千粒质量、产量高于普通畦田。激光平地改善了畦田的土壤水分、盐分分布,促进了畦田中后段的春小麦生长,提高了畦田中后段的水分利用率及产出率。

悬挂式多轮支撑旱地激光平地机设计与试验

针对牵引式旱地激光平地机转弯半径大、两轮支撑易出现压实轮辙、小田块精准平地适应性差等问题,设计了一种悬挂式多轮支撑旱地激光平地机,该机通过拖拉机三点悬挂机构浮动功能与多轮支撑相结合,实现激光控制平地作业。建立了平地铲浮动调节数学模型,确定了平地机结构参数与工作参数,分析了支撑轮对土壤的压实,设计了由两组刚性轮组成的支撑轮结构,减小了支撑轮对松软土壤的压实轮辙。田间试验结果表明,悬挂式多轮支撑旱地激光平地机作业性能稳定,田面最大高程差从平整前20.8 cm降至平整后7.3 cm,相对高程标准偏差S d从平整前4.48 cm下降到平整后1.72 cm,平整后绝对差值小于3 cm的采样测量点累计百分比91.94%,显著改善了田面平整情况,满足田块精准平地要求。平地前后网格点土壤紧实度分析结果表明,悬挂式多轮支撑旱地激光平地机的多支撑轮对试验田块0~17.5 cm深度范围的土壤紧实度具有一定的压实影响,深度达17.5 cm及以上时,土壤紧实度基本稳定,整田表层土壤压实均匀。松软土壤经过均匀压实后,减小了土壤后期的沉降,保证了田面平整度。通过作图法对比分析了悬挂式平地机与牵引式平地机在田角处不能平整的面积比例,平整100 m×100 m、36.5 m×36.5 m、25.8 m×25.8 m田块时,牵引式平地机不能平整面积占比分别为0.78%、5.8%和19.4%,而悬挂式平地机不能平整面积占比小,分别为0.09%、0.68%和2.25%,表明悬挂式平地机小田块平地作业更具优势。

我国农田激光平地机的研究进展及发展趋势

农田激光平地机的研究是农田平地技术的核心内容和热点问题。在通过中国知网检索1970～2012年42年间1577篇关于我国农田激光平地机研究文献的基础上，从发表年份、研究内容及不同的研究对象、研究机构三个方面对这些文献进行分类统计。对我国农田激光平地机整体研究现状及关键部件研究进行分析和综述，提出我国农田激光平地机的发展趋势与研究方向，为后续研究提供参考。

1PJ-3.0型水田激光平地机高程系统动态特性试验研究

水田激光平地机的高程系统主要接收激光信号并用以控制平地铲处于设定平面,其动态特性是平地机平整作业质量的重要保证。为分析水田激光平地机的高程系统动态特性,进一步提高平地机的工作性能,以与插秧机配套的1PJ-3.0型水田激光平地机为平台,采用电流检测电路检测电磁阀线圈电流,直线位移传感器测量油缸和平地铲的运动行程,USB高速数据采集模块同时采集电磁阀线圈电压和直线位移传感器信号,从而获得油缸和平地铲的响应时间和运动速度。在平地机高程机械液压系统处于不同油门、不同初始高度,平地铲上升过程和下降过程的条件下进行试验。试验结果表明:在上升过程中,油缸的平均响应时间48.2ms,平地铲的平均响应时间59.4ms;而在下降时,油缸的平均响应时间73.6ms,平地铲的平均响应时间62.3ms;在平地铲上升或下降时,不同初始高度和不同油门开度等级下的,油缸和平地铲的响应时间基本稳定;油门等级越大,平地铲上升速度越快,上升速度在109.0~305.0mm·s-1之间;单向节流阀能保证平地铲下降速度稳定,不受油门开度等因素影响,油缸缩回速度为35.8mm·s-1,平地铲下降速度为126.1mm·s-1。

适用于水田的激光平地机具液压系统设计

设计了一种水田激光平地机具液压系统。该液压系统主要由液压油泵、电磁换向阀、液压缸、蓄压器和散热器等元件组成。液压泵由拖拉机的动力输出轴驱动;电磁换向阀采用拖拉机电源直流12V供电,可实现平地机具两端分别独立升降;蓄压器起到缓冲作用可改善系统油压的稳定性;散热器可保证液压油温不超过70℃;背压阀用来调节平地机具的下降速度。实际应用表明,水田激光平地机构液压系统能与控制系统相匹配,工作正常。

激光平地机液压控制装置的设计与试验

在对目前国内外常用平地机液压控制系统工作特性进行分析的基础上,根据我国常用中等功率拖拉机液压系统的类型、特性及性能参数,设计了结构简单、新颖,安装简捷方便的激光平地机液压控制阀及控制装置。试验结果表明,该液压控制装置具有良好的静、动态特性,且传动效率高、能量损耗低、工作平稳、无静沉降。

水田激光平地机平地铲姿态测量系统的设计

水田激光平地机水平控制作为农田激光平地技术的重要组成部分,其研究过程中首先要解决平地铲实时倾角测量问题。为提高倾角测量精度,设计了平地铲姿态测量系统,采用MEMS传感器集成模块ADIS16300作为惯性测量单元,通过卡尔曼滤波实现传感器信息融合以计算平地铲倾角。分析了姿态测量系统的构成,阐述了两种传感器融合测量实时倾角的方法,基于ARM7 Cotex-M3微处理器设计了姿态测量系统硬件。采用AHRS500GA对该姿态测量系统性能进行了融合算法验证与ADIS16300测量平地铲倾角验证。测试结果表明,该姿态测量系统能在动态条件下准确地测定平地铲实时倾角,可以进一步应用于激光平地机的水平控制之中。

水稻田激光平地技术研究与展望

激光平地技术是一种先进的农田平整技术,可满足水稻种植对水田平整度的要求。根据稻田水整地和旱整地的需求,本文介绍了稻田水平和稻田旱平2种激光平地机,并结合作业数据分析了平整效果。最后从产品系列化、多功能化和智能化3个方面展望了稻田平地技术的发展趋势。

JPD-360型旱地激光平地机的研究设计

针对我国土地集约化农业耕作现状,设计了具有农田耕作标准化、精细化平整特点的JPD-360型旱地激光平地机。通过性能测试和生产试验,该设计样机技术参数和作业指标符合要求,具有激光控制限深装置,自动完成高处刮土、拖土、集土和低洼处卸土等技术创新。试验数据和结果分析证明:该平地机在功能上有技术创新、性能稳定可靠、生产效率高,解决了适应性差和作业抖动造成信号中断失准等问题,具有较好的经济效益和推广价值。

12PJY-3A型液控智能激光平地机设计与试验

为了研制一种工作稳定、操控方便的智能激光平地机,采用虚拟样机和实体样机相结合的技术路线,先利用UG10.0建立三维模型,再利用Adamns和Abaqus软件进行运动学仿真和有限元分析,发现问题时修改虚拟样机,正确无误后,再进行实体样机试制。最后,对样机进行了田间试验,并对试验数据进行了分析。试验结果表明:样机达到较高的土地平整精度,并实现了智能化控制。