作者：李新成 王家胜 邓玉栋
来源：《农业开发与装备》 2019年第1期
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摘要：为满足农艺及生产需要，谷物以及叶菜等农作物收割后的留茬高度一般不同。针对农作物收获中关键的高度控制环节，总结了现有的几种检测控制方式，深入分析了其工作原理、结构和优缺点。在此基础上，提出了农作物割茬高度检测控制系统的未来发展趋势。 关键词：收获机；留茬高度；检测与控制
0 引言
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我国是一个农业大国，粮食作物和蔬菜的产量巨大。谷物收获时，割茬高度低，引起脱粒滚筒的负荷增大、功耗变高，割茬高度过高也会影响后续耕种；叶菜收获时，割茬过高，会增大收获损失，割茬过低可能会造成割刀损伤。而以往的收获机械中，割台机械的高度调整大多通过人工进行，导致其准确性和时效性大大降低。近年来，割台高度检测控制系统的研究有了较多进展，为联合收割机智能化发展提供了积极的借鉴[1-4]。
1 割茬高度检测方法
杨术明等人[5]研究了基于超声波传感器的联合收割机割台高度检测系统，其超声波发射和接收探头安装在割台底部，由单片机控制收发电路进行高度检测，进而采用PID算法产生相应的输出信号，控制割台实现地面仿形。
超声波是一种非接触式机械波，与磁电或光电检测的方法相比，不受光线、灰尘、电磁干扰等外界因素影响，但超声波传感器的开括角较大，测量精度易受田间作物影响（图1）。
1.2 基于图像处理的检测方法
机器视觉是识别获并获取叶菜高度参数的有效手段，宁夏大学机械工程学院伍渊远等人[6]研究设计了基于视觉识别与图像处理的收获机割台高度智能控制系统，如图2所示。计算机对CCD相机采集到的图像信号进行处理、运算，得到割台高度控制信号，经过指令电位器和桥式电路输出偏差电压信号控制割台升降。
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这种方法在检测过程中存在对割茬高度参数获取准确、稳健、快速，以满足叶菜收获机自主作业实时性要求的优点。但其缺点是在留茬高度图像信号获取与标定过程中产生的误差会严重影响系统对割茬高度测量的准确性，同时视觉测量过程中人为因素导致的不确定性对视觉系统的测量精度影响也较大。
1.3 基于光电传感器的检测方法
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廖勇等[7]人研制的联合收割机割台高度自适应调节系统采用单侧红外反射的方式检测作物高度，通过位移传感器测量举升液压缸伸缩量来检测割台高度，通过改变电磁阀的闭合时间及方向实现割台升降。作物高度检测采用30个E18-D80NK红外漫反射光电传感器，对作物高度进行检测，各传感器以垂直方向2 cm、水平方向3 cm的间距交错分布。红外传感器的优点是避免了自然光照的影响，方向性好。但其特性曲线具有非线性，影响了测量精度的提高（图3）。
2 割台高度控制系统
2.1 机电控制
河北农业大学的高龙等[10]基于直流电机、丝杆升降器和同步轴连接器设计了一种割茬高度调整机
构，如图4所示。根据设定的留茬高度，当有调整信号产生时，由直流电机带动丝杆升降机产生升降运动，从而实现叶菜割茬高度的控制。
2.2 电动推杆控制
江苏省农业装备工程技术创新中心的丁馨明等人[11]研制的小型手扶式叶菜收割机，如图5所示，其割台通过铰链与机架铰接，作业时，利用电动推杆带动升降，以满足不同叶菜对切割高度的要求。与其他高度调整机构相比，电动推杆机构的传动系统更为简单，但其成本较高，需要通过机构的优化以降低整机原材料用量。
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2.3 电液控制
孟为国等[12]针对我国所使用的联合收割机的割台多用机械式控制这一现状，对联合收割机的割台升降系统进行了改进。以弱电信号控制液压系统，从而达到割台自动升降的目的。该液压系统如图6所示，由蓄能器、液控单向阀、调速阀、电液等组成。
当控制器发出需要提升割台的信号时，电液换向阀4中2YA通电，副控制阀处于右位，液压泵输出液压将主控制阀置于右位，液体注入液压缸下腔，液压缸上升。当液压缸上升至合适高度时，控制器发出信号，此时2YA失电，副控制阀回归中位，主控制阀为H型中位机能，所以两个液控单向阀均关闭，液压缸双向紧闭，液压泵卸荷，割台保持原位。当收割机行驶过障碍时需将割台放下，同样仍需控制器发出信号，液压系统中1YA通电使主阀置于左位，液压缸下降。当液压缸到达一定位置时，控制器发出信号，1YA失电，液压缸双向紧闭，割台保持原位。
3 结语
通过对各类割茬高度检测方式的研究可知：基于图像处理方法的缺点是系统标定过程中产生的误差会影响到系统后续对割茬高度测量的准确性，同时人为因素导致的不确定性对视觉系统的影响也较大；超声波测距的优点是一种非接触式的检测方式，不受光线、灰尘或烟雾、电磁干扰、被测对象颜等因素影响，但超声波传感器的开括角较大，测量精度易受田间作物、障碍物等因素影响；光电传感器具有检测距离长，响应速度快。因此，基于光电传感器的割台高度检测在未来更具发展优势。对于收获机割台高度控制，直流电机丝杠方案机构较复杂，响应速度慢，而电动推杆方式其推力较小，主要用于小型电动型叶菜收割机。对于大中型收获机，电液控制则是其发展趋势。
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