一种拖拉机旋耕机组耕深自动控制装置及其控制方法与流程

本发明涉及农业机械技术领域，尤其涉及一种拖拉机旋耕机组耕深自动控制装置及其控制方法。

背景技术：

目前，水田的耕整地基本采用拖拉机旋耕机组，该机组的旋耕机以三点悬挂的方式悬挂在拖拉机后面，具有结构简单、操作方便等优点。但是，作业时，常常由于农田的地表面和犁底层的不平造成旋耕机前面壅泥，拖拉机牵引不动，使得操作者不得不经常扭身回头查看拖拉机后面的旋耕机是否壅泥严重或地表不平。这样的扭身回头看操作姿态常常引起驾驶员过度疲劳和身体伤害；同时，造成旋耕过的底表面不平整，耕深达不到农业生产的要求，导致旋耕作业效果差、作业效率低。所以，水田的拖拉机旋耕机组急需一种能够自动控制耕深、防止旋耕机前面严重壅泥的装置，作业时能够保证耕深一致，减轻操作者的劳动。同时，可以避免旋耕机前面壅泥，拖拉机牵引不动等问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种拖拉机旋耕机组耕深自动控制装置及其控制方法。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种拖拉机旋耕机组耕深自动控制装置，包括旋耕机组，旋耕机组安装在悬挂架上，还包括拖板、连杆、摆杆、拖板角度传感器、上拉杆、提升油缸、控制器、液压电磁阀、下拉杆、转速传感器；上拉杆的一端与拖拉机的机体铰接，上拉杆的另一端与悬挂架的上部铰接，提升油缸的一端铰接在拖拉机的机体上，提升油缸的另一端与上拉杆的中部铰接，下拉杆的一端与拖拉机的机体铰接，下拉杆的另一端与悬挂架的下部铰接，拖板的一端和摆杆的一端均铰接在旋耕机组的护板上，铰接点分别为a和e，拖板角度传感器安装在铰接点e处，摆杆的另一端与连杆的一端铰接，铰接点为c，连杆的另一端和拖板铰接，铰接点为b，a、b、c和e依次相连构成一个平行四边形；提升油缸通过液压电磁阀与拖拉机上的液压系统相连，转速传感器固定在拖拉机动力输出轴附近，或与拖拉机动力输出轴连接，转速传感器、拖板角度传感器和液压电磁阀均与控制器电连接。

进一步的，摄像头固定在拖拉机后部，旋耕机的前部在摄像头的视线范围内，摄像头与控制器电连接。

进一步的，还包括显示屏，摄像头还与显示屏电连接。

进一步的，所述控制器包括反接保护模块、电源模块、初始化模块、微处理器模块、转速传感器模块、角度传感器模块、两个驱动模块；其中，外部12v电源通过反接保护模块与电源模块相连；初始化模块、微处理器模块、输入输出模块、转速传感器模块、角度传感器模块、两个驱动模块的电源端口均与电源模块相连；转速传感器模块、角度传感器模块和两个驱动模块均与微处理器模块相连；转速传感器与转速传感器模块相连，拖板角度传感器与角度传感器模块相连，摄像头与微处理器模块相连；液压电磁阀与两个驱动模块相连。

进一步的，上拉杆的一端与拖拉机的机体铰接，铰接点为d，铰接处安装上拉杆摆角传感器，上拉杆摆角传感器与另一个角度传感器模块相连，另一个角度传感器模块也与微处理器模块相连。

进一步的，所述上拉杆具有两个，提升油缸包括左提升油缸和右提升油缸，左提升油缸的一端铰接在拖拉机的机体上，左提升油缸的另一端与一上拉杆的中部铰接，右提升油缸的一端铰接在拖拉机的机体上，右提升油缸的另一端与另一上拉杆的中部铰接。

进一步的，所述液压电磁阀为液压电磁换向阀，左提升油缸和右提升油缸通过液压电磁换向阀与拖拉机上的液压系统相连。

一种拖拉机旋耕机组耕深自动控制方法，该方法在上述的一种拖拉机旋耕机组耕深自动控制装置实现，该方法包括如下步骤：

步骤1：初始化；

步骤2：转速传感器开始采集动力输出轴转速数据，拖板角度传感器开始检测摆杆摆动角度数据；

步骤3：控制器接收步骤2两个传感器传递来的数据；

步骤4：若动力输出轴转速低于设定初值时，控制器根据动力输出轴转速数据输出信号给液压电磁阀，通过液压电磁阀控制提升油缸动作，将旋耕机组提升；

步骤5：若动力输出轴转速高于设定初值时，则继续判断耕作深度是否等于初始值，若耕作深度等于初始值，控制器控制液压电磁阀不动作，提升油缸锁死；若耕作深度不等于初始值，则分两种情况：

当前一次作业的犁底层变深时，旋耕机的耕作深度h随之加深，拖板在泥水浮力的作用下会绕护板上的a点逆时针转动，推动连杆向上运动，带动摆杆逆时针转动，拖板角度传感器给控制器信号，控制器通过液压电磁阀控制提升油缸向上运动，上拉杆绕d点逆时针转动，把旋耕刀向上提升，以减小耕作深度h，使耕作深度趋近初始值；

当前一次作业的犁底层变浅时，旋耕机随着拖拉机相对犁底层向上运动，耕作深度h随之减小，拖板在其自身重力的作用下会绕护板上的a点顺时针转动，推动连杆向下运动，带动摆杆顺时针转动，拖板角度传感器给控制器信号，控制器通过液压电磁阀控制提升油缸向下运动，上拉杆绕d点顺时针转动，把旋耕刀向下运动，以增加耕作深度h，使耕作深度趋近初始值。

将摄像头固定在拖拉机后部，旋耕机的前部在摄像头的视线范围内，摄像头与控制器电连接；摄像头采集旋耕机前部的图像，并将图像出递给控制器，控制器对采集的图片进行二值化，获得二值图，二值图中黑色像素个数代表泥土的面积，从二值图中提取黑色像素，统计黑色像素个数，若黑色像素个数超出设定初值，则表示有壅泥情况，此时，控制器输出信号给液压电磁阀，通过液压电磁阀控制提升油缸动作，将旋耕机组提升。

将摄像头与显示屏电连接，摄像头采集旋耕机前部的图像，图像通过显示屏显示，使用者根据图像自行判断壅泥情况，通过控制器输出信号给液压电磁阀，从而控制提升油缸动作。

本发明与背景技术相比，具有的有益效益是：

1.实现对拖拉机旋耕机组作业耕深的自动控制，使耕深保持一致，提高耕整地的质量。

2.解决了拖拉机旋耕机组工作时旋耕机前面经常堆积大量泥土形成壅泥的问题；

3.拖拉机旋耕机组在水田耕作时，大大减少驾驶人员扭转回头看旋耕机耕深变化和壅泥的情况，减小了驾驶人员的疲劳驾驶和身体伤害情况。

附图说明

图1是本发明拖拉机旋耕机组结构示意图；

图2是电源模块电路图；

图3是反接保护模块电路图；

图4是初始化模块电路图；

图5是角度传感器模块电路图；

图6是转速传感器模块电路图；

图7是驱动模块电路图；

图中：旋耕刀1、拖板2、连杆3、摆杆4、拖板角度传感器5、护板6、悬挂架7、上拉杆8、提升油缸9、上拉杆摆角传感器10、机体11、摄像头12、下拉杆13、旋耕机组14。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

如图1所示，本发明给出了一种拖拉机旋耕机组耕深自动控制装置实施例，它包括旋耕机组14，旋耕机组14安装在悬挂架7上，所述旋耕机组中的旋耕刀1由拖拉机动力输出轴带动转动；还包括拖板2、连杆3、摆杆4、拖板角度传感器5、上拉杆8、提升油缸9、上拉杆摆角传感器10、控制器、液压电磁阀、下拉杆13；上拉杆8的一端与拖拉机的机体11铰接，铰接点为d，铰接处安装上拉杆摆角传感器10，上拉杆摆角传感器10用于检测上拉杆8相对于拖拉机的机体11的转动角度；上拉杆8的另一端与悬挂架7的上部铰接，提升油缸9的一端铰接在拖拉机的机体11上，提升油缸9的另一端与上拉杆8的中部铰接，下拉杆13的一端与拖拉机的机体11铰接，下拉杆13的另一端与悬挂架7的下部铰接，拖板2的一端和摆杆4的一端均铰接在旋耕机组的护板6上，铰接点分别为a和e，拖板角度传感器5安装在铰接点e处，用于检测摆杆4相对于护板6的转动角度；摆杆4的另一端与连杆3的一端铰接，铰接点为c，连杆3的另一端和拖板2铰接，铰接点为b，a、b、c和e依次相连构成一个平行四边形；提升油缸9通过液压电磁阀与拖拉机上的液压系统相连，转速传感器固定在拖拉机动力输出轴附近，或与拖拉机动力输出轴连接。摄像头12固定在拖拉机后部，旋耕机的前部在摄像头12的视线范围内，摄像头分别与显示屏和控制器电连接。转速传感器、拖板角度传感器5、上拉杆摆角传感器10和液压电磁阀均与控制器电连接，转速传感器用于采集动力输出轴转速数据，拖板角度传感器用于检测摆杆摆动角度数据，控制器接收两个传感器传递来的数据，通过对数据的模数转换以及pid算法，最后得到控制液压电磁阀的信号。

为了提高提升的稳定性，所述上拉杆8具有两个，提升油缸9包括左提升油缸和右提升油缸，左提升油缸的一端铰接在拖拉机的机体11上，左提升油缸的另一端与一上拉杆8的中部铰接，右提升油缸的一端铰接在拖拉机的机体11上，右提升油缸的另一端与另一上拉杆8的中部铰接。

旋耕机组耕深自动控制装置在工作中要求双作用液压缸的活塞杆实现伸长、缩短和静止三个状态，油路主要有进油口p(与拖拉机上的液压系统相连)，回油口t(与拖拉机上的液压系统相连)，与双作用油缸相连的两个油口a和b，所以液压电磁阀采用三位四通电磁换向阀可以满足系统液压油换向要求。(左提升油缸和右提升油缸都是双作用油缸，每个双作用油缸都有一个油口a和一个油口b，液压油从进油口p进来后，均分成两路通向左提升油缸和右提升油缸。

所述控制器包括反接保护模块、电源模块、初始化模块、微处理器模块、转速传感器模块、两个角度传感器模块、两个驱动模块；其中，外部12v电源通过反接保护模块与电源模块相连；初始化模块、微处理器模块、输入输出模块、转速传感器模块、两个角度传感器模块、两个驱动模块的电源端口均与电源模块相连；转速传感器模块、两个角度传感器模块和驱动模块均与微处理器模块相连；转速传感器与转速传感器模块相连，拖板角度传感器与一个角度传感器模块相连，上拉杆摆角传感器与另一个角度传感器模块相连，摄像头与微处理器模块相连；三位四通电磁换向阀与两个驱动模块相连。

如图2所示，所述电源模块包括外部电源输入座h101，开关插座sw01，稳压芯片u101，无极性电容c03、c05，极性电容c04、c06，电阻r101和电源指示灯d101；其中，外部电源输入座h101接12v电源，外部电源输入座h101的正极输入端口和开关插座sw01的一端相连，开关插座sw01的另一端、稳压芯片u101的电源输入端口、无极性电容c03的一端和极性电容c04的正极相连后作为第一电源输出端口；稳压芯片u101的电源输出端口、无极性电容c05的一端、极性电容c06的正极相连后作为第二电源输出端口；稳压芯片u101的接地端口接地；电阻r101的一端与电源指示灯d101的正极相连，另一端与第一电源输出端口相连；无极性电容c03、c05的另一端，极性电容c04、c06的负极，电源指示灯d101负极相连后接地；所述稳压芯片u101可以采用型号为as1117(5v)的产品，但不限于此。

如图3所示，所述反接保护模块包括mos管q4和电阻r10；其中，mos管q4的源极接地，漏极作为mos管q4的输入端与电源输入座h101的负极输入端口相连，门极与电阻r10的一端相连，电阻r10的另一端接电源模块的第一电源输出端口。

如图4所示，所述初始化模块为一个初始化按钮接入座zero-set；所述初始化按钮接入座zero-set的第一端口与微处理模块的i/o端口相连，初始化按钮接入座zero-set的第二端口接地。

所述微处理模块为控制芯片u1；所述控制芯片u1可以采用型号为stc15f2k60s2的产品，但不限于此。

如图5所示，所述角度传感器模块为两个角度传感器接入座a1和a2；角度传感器接入座a1的第一端口与电源模块的第二电源输出端口相连，角度传感器接入座a1的第二端口与控制芯片u1的第一模拟输入端口相连，角度传感器接入座a1的第三端口接地；角度传感器接入座a2的第一端口与电源模块的第二电源输出端口相连，角度传感器接入座a2的第二端口与控制芯片u1的第二模拟输入端口相连，角度传感器接入座a2的第三端口接地。

如图6所示，所述转速传感器模块为一个转速传感器接入座a3；转速传感器接入座a3的第一端口与电源模块的第二电源输出端口相连，转速传感器接入座a3的第二端口与控制芯片u1的第三模拟输入端口相连，转速传感器接入座a3的第三端口接地。

如图7所示，所述驱动模块包括电阻r1、r2、r3、r203，光耦t1，mos管q1，二极管d1，发光二极管d104和驱动阀插座vale1；其中，二极管d1正极、发光二极管d104负极、电磁阀插座vale1的一端相连后与mos管q1的漏极相连，mos管q1的门极与电阻r1的一端相连，mos管q1的源极与电阻r2的一端相连后接地；发光二极管d104正极与电阻r03的一端相连；电磁阀插座vale1的另一端、电阻r03另一端、二极管d1负极、光耦t1的集电极相连后与电源模块的第一电源输出端口相连；电阻r1的另一端和电阻r2的另一端相连后与光耦t1的发射极相连；光耦t1的发光二极管正极与电阻r3的一端相连，光耦t1的发光二极管负极和控制芯片u1的i/o端口相连；电阻r3的另一端与电源模块的第二电源输出端口相连；三位四通电磁换向阀的四个接口与两个驱动模块的两个驱动阀座vale1相连(它们的电连接为本领域公知常识)。

当拖拉机旋耕机组作业时，拖板2被护板6拖着向前进，旋耕刀1耕作在犁底层，拖板2浮在耕作的地表面，犁底层与地表面之间的距离是旋耕深度h。

转速传感器开始采集动力输出轴转速数据，拖板角度传感器开始检测摆杆摆动角度数据，控制器接收步骤2两个传感器传递来的数据，当旋耕机组14前面壅泥严重时，拖拉机牵引不动旋耕机组14，拖拉机发动机的转速会急剧下降，使得动力输出轴的转速降低，此时，转速传感器感知到拖拉机动力输出轴的转速在急剧下降(低于设定的初始值)，把这个信号给控制器，控制器通过液压电磁阀给提升油缸9供油，其活塞杆上升，上拉杆8逆时针转动，把旋耕机组14向上提升，旋耕刀1的耕深减小。

当旋耕机越过其前面的壅泥此时，拖拉机发动机的转速上升，拖拉机动力输出轴恢复到正常转速，转速传感器感知到动力输出轴的转速在正常范围时，耕深转入到由拖板角度传感器5控制。

拖拉机旋耕机组走在泥浆的田中作业时，拖拉机的驱动轮是走在前一次作业的犁底层，当前一次作业的犁底层变深时，旋耕机的耕作深度h随之加深，拖板2在泥水浮力的作用下会绕护板6上的a点逆时针转动，推动连杆3向上运动，带动摆杆4逆时针转动，拖板角度传感器5给控制器信号，控制器通过液压电磁阀控制提升油缸9向上运动，上拉杆8绕d点逆时针转动，把旋耕刀1向上提升，以减小耕作深度h。

当前一次作业的犁底层变浅时，旋耕机组14随着拖拉机相对犁底层向上运动，耕作深度h随之减小，拖板2在其自身重力的作用下会绕护板6上的a点顺时针转动，推动连杆3向下运动，带动摆杆4顺时针转动，拖板角度传感器5给控制器信号，控制器通过液压电磁阀控制提升油缸9向下运动，上拉杆8绕d点顺时针转动，把旋耕刀1向下运动，以增加耕作深度h。

另外，摄像头12的作用是采集旋耕机组14前部的壅泥信息，并将图像出递给控制器，控制器对采集的图片进行二值化，获得二值图，二值图中黑色像素个数代表泥土的面积，从二值图中提取黑色像素，统计黑色像素个数，若黑色像素个数超出设定初值，则表示有壅泥情况，此时，控制器输出信号给液压电磁阀，通过液压电磁阀控制提升油缸动作，将旋耕机组提升，把旋耕机组14的耕深减少，降低耕作阻力，越过旋耕机组14前面的壅泥。

同时，摄像头采集的图像通过显示屏显示，使用者根据图像自行判断壅泥情况，通过控制器输出信号给液压电磁阀，从而控制提升油缸动作。

上拉杆摆角传感器10可以感知上拉杆8的位置，当旋耕作业需要以拖拉机与旋耕机的相对位置设定耕深时，就用该传感器设定耕深，因此，在控制器13中设置了以上拉杆摆角传感器10设定耕深和以拖板角度传感器5设定耕深的转换开关，用户可以根据实际情况，选择采用哪个传感器。