Design and experiment of the automatic leveling system for the seedbed precision leveler in rice seedling nursery
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摘要:
针对水稻棚室育秧环节中苗床平整地缺失高效作业机械的现状，结合寒区水稻标准化棚室育秧技术要求，该研究设计了一种自走式水稻秧棚苗床精平机机电液一体化的自动调平控制系统。调平系统以液压油泵及直流步进电机为动力端，融合机具作业的姿态角数据，利用自动控制策略实时驱动机电式横滚角调平机构及液力式俯仰角补偿装置进行调平作业，保证苗床平整度。采用Simulink模块对横滚角调平进行仿真，结果表明：横滚角调平时间为1.62 s，超调量为1.5%，具有良好的响应速度及精度。将自动调平控制系统嵌入1ZJP-2型苗床精平机进行田间试验，搭载自动调平系统的作业机具横滚角平均值为−1.88°，均方根误差为1.95°，平均绝对误差为1.88°；对照组作业机具横滚角平均值为−2.37°，均方根误差为2.43°，平均绝对误差为2.31°；俯仰角补偿碎土刮板油缸动作的 平均均方根误差为0.145 cm，试验结果表明自动调平系统效果良好，满足稳定控制要求。利用光学水准仪检验平地作业效果，应用自动调平控制作业后苗床高程最大平均标准差比作业前降低了1.05 cm；而无调平系统的苗床高程最大平均标准差降幅仅为0.325 cm，平地作业效率比普通作业方式提高了229%～500%，每平方米内地高程标准偏差Sd值较比常规作业方式降低了268%～384%。该系统提升了水稻棚室育秧苗床平地机械作业自动化程度。
Abstract:Efficient machinery is required for seedbed leveling in rice trellis seedling transplantation at present. In this study, a self-propelled machine was designed for the rice trellis seedbed precision leveling, in order to combine with the technical requirements of standardized seedling transplantation in the cold region. Electromechanical hydraulics was also integrated with the automatic leveling control system. The hydraulic oil pump and DC stepping motor were taken as the power end in the leveling system. The automatic control strategy was selected to drive the electromechanical roll angle leveling mechanism and hydraulic pitch angle compensation device in using attitude angle data during operation. The better level of the seedbed was obtained to carry out the leveling operation of the precision leveling machine. A Simulink module was used to simulate and then test the performance of roll angle leveling and pitch angle compensation. The results show that better response speed and accuracy were achieved in the roll angle leveling. The minimum action error was observed in the pitch angle compensation of the crushed soil scraper cylinder, the roll angle leveling time was 1.62 s, the overshooting amount was 1.5%, which fully meeting the requirements of stable control. The field test was conducted to verify the simulation. The automatic leveling control system was also embedded in the 1ZJP-2seedbed precision leveling machine. The test showed that the average value of attitude angle, root mean square error (RMSE), and higher stability were found in the operating machine equipped with the automatic leveling system, compared with the control group, the average value of the rolling angle of the operating machine equipped with theautomatic leveling system was −1.88°, the RMSE was 1.95°, and the average absolute error was 1.88°, the average value of the rolling angle of the operating machine in the control group was −2.37°, and the RMSE was 2.43°, and the average absolute error was 2.31°, the average RMSE of the action of pitch angle compensated soil crushing scraper cylinder was 0.145 cm. The performance of seedbed leveling was examined using an optical leveling instrument. The maximum average standard deviation of the seedbed elevation was reduced by 1.05 cm after the application of the automatic leveling control, compared with the pre-operation without leveling. The maximum average standard deviation of seedbed elevation without leveling was only 0.325 cm. The leveling operation was improved by about 229%-500%, compared with the normal operation. The quality of operations was improved by about 268%-384% than before.
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Keywords:
- design /
- experiment /
- rice /
- seeding /
- seedbed leveler /
- levelling system
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0. 引 言
国内多数水稻产区由于稻季积温较低等原因，均采用育秧移栽的种植模式；并采取专业化培育、标准化壮秧等措施—即以棚室旱育秧为主的工厂化育秧农艺方法，提高秧苗成活率、实现稳定高产目标[1-2]。经过数十年的发展，工厂化育秧机械已取得长足进步，可实现铺土、播种、覆土、洒水等集约化机械作业；同时，为进一步减轻劳动强度，相关铺盘、码盘机械也得到了一定的发展[3-5]。然而，由于机具使用频次、使用场景等方面的限制，棚室内置床整地等农艺环节仍依靠人工或使用相对原始的农机具进行作业。人工置床整地存在成本高且耗时、作业效果差、资源浪费等问题，且苗床平整度低下，后续育秧摆盘会存在造成软（硬）秧盘部分悬空，导致秧盘土蓄水能力差，秧苗因缺水而发育不良甚至死苗，影响水稻生产进度和产量。目前大田平地机应用广泛，多使用激光或GNSS系统进行作业机具姿态数据采集，并辅以高精度液压执行机构，提高了平地耕整作业质量。丁为民等[6]设计了一款基于倾角传感器的液力式自调平控制系统，作业后田块平均耕深稳定系数87.31%、平整度1.97 cm，满足农艺要求；胡炼等[7]将激光控制技术、拖拉机三点悬挂与多轮支撑相结合，设计了一款适用于旱田作业的激光平地机，提升了田块地表平整度，且多支撑轮还可将地表均匀压实；周俊等[8]基于GNSS卫星导航控制技术，研发一款高精度液力式智能控制系统，可实现水田旋耕机水平和高度方向的双重调节，水田地表平整度可达3 cm左右。农用田间自动调平控制系统的研究已取得了丰硕的成果[9-14]，但由于水稻育秧棚室苗床平整工艺要求高、地块面积小，不适于普通旱作机具作业，且钢架结构对光信号和电磁波信号产生干扰，降低光学或卫星调平系统的工作精度。
针对上述问题，本文结合黑龙江省农机智能装备重点实验室研制的1ZJP-2水稻苗床精平机[15]，设计了一种基于姿态传感器的机电液一体化自动调平控制系统。通过对齿轮-弹簧调平机构的优化仿真，融合机具多维姿态传感数据，通过自动控制策略实时驱动油缸-刮板机构进行调平控制作业，并在黑龙江省建三江国家农业高新技术产业示范区前进农场进行田间生产示范和推广应用。
1. 整机结构与工作原理
1ZJP-2水稻苗床精平机整机结构及参数如图1和表1所示，动力机车通过悬挂架与作业机具铰连，通过机电式横滚角自动调平装置的驱动实现相对动力机车水平方向的姿态调平转动；T型传动轴将动力机车输出轴动力传送至两端由轴承支撑固定的螺旋钉齿辊上，实现苗床表土碎平作业；俯仰角补偿油缸及光轴滑轨共同构成液力式俯仰角补偿机构，根据俯仰角传感器实时数据经调平控制器调节碎土刮板随油缸伸缩沿导轨轴向前后滑移，进行纵向刮平作业。
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图 1 水稻秧棚苗床精平机整体结构示意图1. 动力机车（内嵌俯仰角传感器） 2. 调平系统控制器和上位机显示器3. 车载电瓶 4. 液压电磁换向阀组 5. 电动绞盘 6. 悬挂架 7. 机电式横滚角自动调平装置 8. 起落支架 9. 起落油缸 10. 作业机具挂接横梁（内嵌横滚角传感器） 11. 碎土刮平机具 12. 镇压夯实机具Figure 1. Overall structure diagram of rice seedling bed leveler1. Power locomotive (with built-in pitch angle sensor) 2. Levelling system controller and upper computer display 3. On-board battery 4. Hydraulic electromagnetic reversing valve set 5. Electric winch 6. Suspension7. Electromechanical cross-roll angle automatic levelling device 8. Lifting and lowering bracket 9. Lifting and lowering cylinder 10. Operating equipment hook-up beam (with built-in cross-roll angle sensor) 11. Soil scraping and levelling equipment 12. Compaction and tamping equipment表 1 整体参数Table 1. Structure parameters of overall machine参数Parameters 数值Values 整机尺寸（长×宽×高）
Machine dimensions(length×width×height)/mm×mm×mm3800×1 910×1 420 整机质量Machine weight/kg 635 工作幅宽Working width/m 1.9 生产效率Productivity/(hm2·h−1) 0.2～0.3 配套动力Matched power/kW 17 碎土率Crushed soil rate/% ≥95 镇压后土壤容重
Soil capacity after compaction/(kg·m−3)1100～1300 螺旋钉齿辊高速旋转，将苗床表土耙碎为土块，并在离心力作用下将土块向后抛至碎土刮板，由碎土刮板上表面将其击碎刮平摊匀；同时，随着机具不断前进，镇压夯实机具不断拍击苗床表层土壤，以满足水稻秧棚苗床上实下虚的农艺要求[16]。在秧棚内转弯或非工作状态时，利用电动绞盘协同起落油缸将镇压夯实机具提升并折叠至碎土刮平机箱体后上方，减少机组纵向尺寸，保证整机重心前移，转弯方便灵活。
苗床精平机整体为长箱式结构，两段式螺旋钉齿辊和液力式俯仰角补偿机构分别安装于箱体前部、后部位置，实施碎平联合作业。碎土刮板的上下运动受限于两侧滑轨的约束，两侧滑轨的安装角度与俯仰角补偿油缸的运行角度一致。为了防止松碎土粒堆积问题，设置导轨限位垫块以保证刮板工作边缘间隙，有利于刮土顺畅。机具箱体底部两侧安装有限深滑板，辅助限制整机作业深度，作业部件技术参数如表2所示。
表 2 作业部件技术参数Table 2. Technical parameters of working parts参数Parameters 数值Values 螺旋钉齿辊碎土深度
Crushing depth of spiral spike roll/mm5 螺旋钉齿辊转速
Rotating speed of spiral nail roller/(r·min−1)240 俯仰角补偿油缸工作行程
Pitch angle compensation cylinder working stroke/mm150 补偿油缸缸腔直径
Compensating cylinder bore diameter/mm30 补偿油缸活塞杆直径
Compensating cylinder piston rod diameter/mm16 补偿油缸流量
Compensating cylinder flow rate/(L·min−1)20 2. 自动调平系统
自动调平控制系统主要由最大解算速率为200 Hz的MEMS姿态传感器、控制器以及执行机构组成，感知元件为2个MPU6050传感器，用于检测机具横滚角与俯仰角，并作为系统输入量。横滚角调平装置输出为调平主动电机转动方向与转动位置，俯仰角补偿装置输出为驱动油缸的运动方向与运动位置。采用PID控制和阈值控制作为横滚角与俯仰角补偿装置的控制算法。控制器与MPU6050传感器之间采用IIC模式同步通讯，控制器在接收原始姿态数据后对其进行Mahony互补滤波融合处理，并经控制器处理后作为系统输入控制执行机构进行调平作业。
2.1 机电式横滚角调平装置
机电式横滚角调平装置如图2所示，扇形从动轮仅在轮缘左上部设置40个轮齿，可实现35°左右的角度调节。挂接横梁上安装有MPU6050姿态角度传感器，监测精平作业机具横滚角变化。作业时，自动调平控制器根据传感器信号做出决策，驱动额定转矩为4.5 N·m的两相86型横滚角调平电机，调整作业机具与动力机车水平夹角；储能弹簧可保证调平电机不会因启动负载大而过热，限位弧板可在一定程度保证调节机构的精确性。
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图 2 机电式调平机构结构示意图1. 安装架 2. 调平主动轮 3. 扇形从动轮 4. 储能弹簧 5. 限位弧板 6. 固定心轴 7. 机具挂接横梁Figure 2. Schematic diagram of electromechanical leveling mechanism1. Mounting bracket 2. Levelling active wheel 3. Fan driven wheel 4. Energy storage spring 5. Limiting curved plate 6. Fixed mandrel 7. Machine hook-up crossbar调平主动轮、扇型从动轮参数设计依据机械设计手册设计[17]，具体如表3所示。
表 3 调平主动轮和扇形从动轮主要参数Table 3. Main parameters of levelling active wheel and fan driven wheel参数Parameters 调平主动轮
Levelling active wheel扇形从动轮
Fan driven wheel模数Modulus/mm 2 2 齿数Number of teeth 27 406 压力角Pressure angle /(°) 20 20 齿宽Tooth width/mm 22 22 材料Material 40Cr 45号钢 控制原理如图3所示，横滚角姿态传感器实时获取作业机具姿态信息，并对机具作业过程中产生的噪声干扰进行滤波处理后传递至自动调平控制器；控制器将滤波后的姿态角度与预设角度范围进行对比，若超出预设角度范围，控制器发出控制信号，驱动调平电机运转，实现机具水平方向角度调整。
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图 3 机电式横滚角调平装置控制原理图Figure 3. Operating principle of electromechanical cross-roll angle levelling device2.2 液力式俯仰角补偿装置
位于动力机车后部的姿态传感器实时监测苗床精平机架的俯仰姿态，并利用限位开关作为液压缸动作位置反馈。为防止传感器在检测过程中受机车振动影响导致俯仰角范围波动过大，本文将原始数据经均值滤波处理后导入控制器与预设阈值进行对比与运算，并利用控制算法进行分析，最终由控制器输出相应控制信号，驱动俯仰角液压补偿机构进行相应动作，从而达到快速补偿碎土刮板入土深度、缩小苗床高程差的目的，提高苗床精平机作业质量，具体控制原理如图4所示。
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图 4 液力式俯仰角补偿装置控制原理图Figure 4. Working principle of hydraulic pitch angle compensation device俯仰角补偿机构简图如图5所示，液力式俯仰角补偿装置首先采集精平机车头部俯仰姿态信息，并在控制器的作用下驱动液压缸及碎土刮板沿光轴导轨运动，从而改变碎土刮板入土深度，达到稳定耕深的作用。
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图 5 俯仰角补偿机构简图1. 油缸铰链点 2. 光轴导轨 3. 俯仰角补偿油缸 4. 碎土刮板 5. 作业机具后壁 1. Cylinder hinge point 2. Smooth axis guide 3. Pitch angle compensation cylinder 4. Crushed soil scraper 5. Rear wall of machine 注：S为中间位置碎土刮板入土深度，mm；h为中间油缸底部与机具上表面距离，mm；la为中间位置油缸伸长量，mm；S1为后倾极限位置碎土刮板入土深度，mm；h1为后倾极限位置油缸底部与机具上表面距离，mm；l1为后倾极限位置油缸缩进量，mm；S2为前倾极限位置碎土刮板入土深度，mm；h2为前倾极限位置油缸底部与机具上表面距离，mm；l2为前倾极限位置油缸伸长量，mm。Note：S is the depth of the crushed soil scraper in the middle position, mm; h is the distance between the bottom of the intermediate cylinder and the upper surface of the machine, mm; la is cylinder elongation in the middle position, mm; S1 is the depth ofcrushed soil scraper at the backward tilting limit position, mm; h1 is distance between cylinder bottom and the upper surface of the equipment at the backward tilting limit position, mm; l1 is cylinder elongation at the backward tilting limit position, mm; S2 is the depth of crushed soil scraper at forward tilting limit position, mm; h2 is the distance between the cylinder bottom and the upper surface of the equipment at the forward tilting limit position, mm; l2 is the cylinder elongation at forward tilting limit position, mm.Figure 5. Schematic diagram of pitch angle compensation mechanism如图5所示，以机具行进方向y轴正向，机具横滚角绕y轴变化，机具俯仰角绕x轴变化。因俯仰角补偿油缸安装在碎土刮板顶部且与上板面平行，考虑螺旋钉齿辊抛土空间和碎土刮板安装尺寸，取θ=24°；油缸变化量Δl与刮土深度变化量ΔS之间的关系为
ΔS=Δlsinθ (1) 以俯仰角补偿油缸中间位置为基准，当精平机俯仰角补偿系统工作时，机具向后倾斜，油缸收缩，减少刮土板弹出量，此时油缸响应时间Ts为[18]
Ts=15π(D2−d2)Δlq (2) 式中D为油缸缸腔直径，mm；d为活塞杆直径，mm；Δl为油缸伸长量，mm；q为油缸流量，L/min。
作业机具向前倾斜时，油缸随之伸出，加大刮土板弹出量，此时油缸响应时间T0为
T0=15πD2Δlq (3) 为降低因地表起伏周期短造成补偿油缸响应频繁，导致油缸伸缩量难以准确控制，采用均值量化法确定刮土深度变化量ΔS对应的油缸响应时间T的关系，补偿油缸响应时间可表示为
T≈Ts+T02 (4) 联立式（1）～（4），并结合精平机的平均作业速度1.5 m/s，确定精平机每前进1 m，碎土刮板至多有约0.5 cm的入土深度补偿。
3. 调平控制仿真
3.1 传递函数
确定自动控制策略需要对其执行机构进行数学建模。步进电机驱动器、减速器、传动机构等参数的传输在动作机构工作时受电气干扰影响较小，且工作特性稳定不变，因此均可视为比例环节[19]。步进电机的数学建模需要构建电压平衡方程、电机转矩平衡方程以及电机转动方程。经过运算转化后，得到如式（5）所示的步进电机传递函数。
G1(s)=θ2(s)θ1(s)=Z2rLi2a/Z2rLi2a2J2Js2+sD0/sDJJ+Z2rLi2a/Z2rLi2a2J2J (5) 式中G1(s)为步进电机的传递函数；θ1为步进电机主轴初始角度，（°）；θ2为步进电机主轴转动角度，（°）；s为拉普拉斯变换算子；Zr为步进电机转子齿数；L为步进电机相绕组自感，mH；ia为步进电机相工作电流，A；J为步进电机转轴转动惯量，kg/cm2；D0为步进电机黏滞摩擦系数。
将表4所示步进电机各项参数代入式（5），得到驱动调平主动轮的步进电机传递函数为
表 4 电机主要性能参数Table 4. Main performance parameters of the motor参数Parameters 数值Values 参数Parameters 数值Values 步距角Step angle/(°) 1.8 齿数Number of teeth 50 保持转矩
Holding torque/(N·m)4.5 黏滞摩擦系数
Coefficient of viscous friction0.12 工作电压
Operating voltage/VDC24 额定电流
Rated current/A4 相电感
Phase inductance/mH7.0 相电阻
Phase resistance/Ω1.0 转动惯量
Rotor inertia/(kg·cm−2)2.55 质量Weights/kg 2.95 G1(s)=38.43s2+0.047s+38.43 (6) 计算可得：步进电机驱动器传递常量G2=10；步进电机减速器传递函数G3(s)=1/i，i为减速器减速比，则传递常量G3=0.1；机电式调平装置传动机构主要由扇形从动轮以及储能弹簧等组成，同样可视为比例环节，其传递常量G4=0.067。
3.2 自动调平系统仿真
为了分析自动调平系统的稳定性及响应速度，检验系统设计的合理性。采用Simulink模块对自动调平控制系统进行仿真。首先进行机电式横滚角调平装置的控制算法分析。
通过对自动调平控制系统姿态传感器模块、控制算法等进行数学建模，获得传感器模块以及控制算法传递函数如式（7）～（8）所示。
G5(s)=U(s)φ(s)=Kφ (7) 式中G5(s)为传感器模块传递函数；U为传感器所需电压，V；φ为传感器所测姿态角，（°）；Kφ为姿态传感模块比例增益常数。
G6(s)=y(s)r(s)=Kp+KiTKps+KdTsKp (8) 式中G6(s)为控制算法传递函数；y为控制算法实际输出值；r为预设输入值；Kp为比例参数；Ki为积分参数；Kd为微分参数；T为采样周期，50 ms。
将式（6）～（8）导入Simulink仿真模块，建立自动调平控制系统仿真模型[20]，如图6所示。
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图 6 自动调平控制系统仿真模型注：1/s为积分器函数；Δu/Δt为微分器函数；Kp为比例参数；Ki为积分参数；Kd为微分参数。Figure 6. Automatic leveling control system simulation modelNote: 1/s is the integrator function; Δu/Δt is differentiator function; Kp is proportional parameter; Ki is integral parameter; Kd is differential parameter.将Kp、Ki、Kd进行整定，获得最佳参数值，以单位阶跃信号为输入，仿真时间设为20 s，仿真结果如图7所示。结果表明：系统调平时间为1.62 s，超调量为1.5%，调节时间为5.05 s，具有良好的响应速度及精度，符合系统设计要求。
3.3 俯仰角补偿装置控制分析
液力式俯仰角补偿装置采用油缸作为动作执行机构，利用控制器控制电磁阀通断时间与方向。油缸总伸长量15 cm，从油缸底端开始每间隔5 cm安装一个限位开关，共安装4个，限位反馈。当油缸动作到目标位置时限位开关被触发，油缸停止运动，实现对油缸动作位置的控制。由于工作过程中俯仰角受振动影响较大，尽管进行滤波后数据稳定性有所改善，但由于传感器自身特性影响，传感器俯仰角数据在实际作业过程中仍存在小幅度波动。因此，为保证补偿装置工作稳定，避免频繁动作，本文采用阈值控制算法进行俯仰角补偿控制，以减少系统误动作保证工作稳定性。
俯仰角阈值控制算法通过在控制程序中设定响应阈值，将传感器信号转化为油缸动作距离，根据油缸运动速度控制电磁阀动作方向与通断时间并发出对应控制信号实现俯仰角调整，阈值控制原理如图8所示。
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图 8 俯仰角阈值控制原理示意图注：P为滤波后传感器俯仰角度，（°）；R为响应阈值，（°）；L为响应上限，（°）；N为输出控制信号。Figure 8. Schematic diagram of pitch angle threshold control principleNote: P is filtered sensor pitch angle, (°); R is response threshold, (°); L is upper response limit, (°); N is output control signal.控制器获取变量P后，将P与变量R、L对比，进而得到控制器最终的输出N，实现机具对俯仰角度的调整。详细控制规则如下：
若R<|P|<L，P>0，P/R=N，输出控制信号为N，油缸向下动作；若R<|P|<L，P<0，P/R=N，则输出控制信号为−N，油缸向上动作；若|P|≥L、|P|≤R或P=0，输出控制信号为0，油缸无动作。
4. 田间试验
4.1 试验设备及仪器
采用黑龙江省农机智能装备重点实验室研发的1ZJP-2型苗床精平机进行田间试验。苗床精平机整机质量约为800 kg，以Perkins公司403D-11型柴油发动机为动力源，输出功率18.4 kW，螺旋钉齿转速230～400 r/min。应用深圳维特BWT61CL姿态角度传感器、莱锐测38倍高精度激光水准仪、高清塔尺、皮尺、秒表等器材进行试验数据采集。
4.2 自动调平性能试验
4.2.1 试验原理与方法
针对调平机构及控制要求，试验在校内水稻秧棚内进行，试验田块略有坑洼。试验前，在动力机车及作业机具挂接横梁各安装一组姿态角度传感器，分别测量作业机具横滚角与机车横滚角数据，以不启动自动调平系统的测试作为对照。
4.2.2 调平性能评价指标
以横滚角调平装置角度变化、俯仰角补偿装置目标位移的均方根误差R和平均绝对误差M作为指标，并以理想状态下的机车横滚角即水平0°角作为预测值，具体指标计算方法如（9）所示。
{R=√n∑i=1(Pi−Oi)2nM=n∑i=1|Pi−Oi|n (9) 式中Pi为第i个横滚角预测值，（°）；Oi第i个横滚角观测值，（°）；n为横滚角数据总个数。
4.2.3 横滚角调平性能试验结果分析
试验过程中机具作业速度为3km/h，随机截取姿态角度传感器150s时长工作数据，分析得到横滚角变化曲线，如图9所示。在调平控制下，作业机具姿态角度受机车状态影响不明显，总体趋向稳定，横滚角最大偏差为−2.69°，平均值为−1.88°，均方根误差为1.95°，平均绝对误差为1.88°；无调平控制的机具横滚角数值变化明显，机具姿态与机车状态严重不协调。最大偏差为−3.49°，平均值为−2.37°，均方根误差为2.43°，平均绝对误差为2.31°。
4.2.4 俯仰角补偿性能试验结果分析
俯仰角补偿性能测试在黑龙江八一农垦大学机车检测实验室进行。控制器阈值设为5°，上限为20°。试验时将俯仰角传感器进行不同程度倾斜，共分为3档，模拟机具田间作业情况，观察油缸动作，测量油缸实际位移，每个档位重复5次取平均值，试验结果如表5所示。
表 5 俯仰角补偿性能测试结果Table 5. Pitch angle compensation performance test倾斜角度
Tilt angle/(°)目标位移
Target displacement/cm均方根误差
Root mean
square error/cm平均绝对误差
Mean absolute
error/cm7 5 0.124 0.125 12 10 0.136 0.144 17 15 0.178 0.181 −7 5 0.130 0.137 −12 10 0.142 0.153 −17 15 0.160 0.164 由表5可知，随着俯仰角的增加，俯仰角补偿装置的刮土板油缸伸缩量的平均绝对误差与均方根误差逐渐增大。油缸伸长量的平均均方根误差为0.146 cm，缩回时的平均均方根误差为0.144 cm。补偿油缸控制动作的平均均方根误差为0.145 cm，满足控制需要。
4.3 苗床精平机作业质量测试
4.3.1 测试原理与方法
苗床精平机作业质量田间测试于2021年10月在建三江国家农业高新技术产业示范区前进农场第九作业区水稻标准化育秧棚内进行，地块大小为60 m×10 m，土壤类型为典型壤土。试验过程中苗床精平机以3.6 km/h的行进速度进行作业，如图10所示。
因苗床精平机设计作业幅宽为1.8 m，故在试验田内划分出如图11所示，4块2 m宽、14 m长的平地试验区域，并按从左至右排列顺序依次编号为1至4号平地行程，其中1、2号行程为有自动调平系统平地作业，3、4号行程无自动调平系统平地作业。
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图 11 测试行程与测点示意图注：1～4为行程号。Figure 11. Test stroke and measuring point diagramNote: 1-4 is stroke No.试验首先选择便于观察所有作业区域的位置安放水准仪（安装高度143 cm），并将其调整至水平状态后固定；在1至4号作业行程沿机具前进方向每隔1m设置个测点，并在其左右各设置一补充测点，使用水准仪及塔尺测量每一测点整地前后地面高程。
4.3.2 主要评价指标
参考GB/T 5668-2017，以耕后地表平整度作为苗床精平机作业性能评价指标[21]。计算地块内所有测点的地表高程标准偏差Sd（cm），Sd=0为最佳平地精度，Sd值越大代表地表平整度越差，Sd计算方法如式（10）所示。
Sd=√m∑i=1(hi−hti)2/m (10) 式中hi为试验田块内第i个测点的高程，cm；hti为试验田块期望高程，即平地设计高程，cm；m为试验田块所有测点数。
4.3.3 试验结果与分析
将观测点高程数据处理后导入MATLAB软件编程处理得到苗床地面平整度[22]，如图12所示。
通过软件计算得到试验前1、2号行程及3、4号行程黄蓝高亮区域分别占总面积的38.3%及39.1%，试验前田块不平整程度较为相近。有自动调平系统的1、2号行程，耕后黄蓝高亮区域减至9.1%，无自动调平系统的3、4号行程，因机具采用仿形作业方式，存在作业机具姿态角度受动力机车影响较大的问题，试验后田块黄蓝高亮区域仍高达17.1%，存在明显的地表高程差。
此外，为进一步分析田间试验结果，选取试验前后各行程的0、4、9、14号测点计算各测点平均高程值及标准差，结果如表6所示。
表 6 试验前后地表平整度数据Table 6. Field surface flatness before and after test行程号
Stroke No.测点号
Measurement point No.试验前测点高程
Elevation of measurement point before test/cm试验后测点高程
Elevation of measured points after test/cm左
Left中
Medium右
Right标准差
Standard deviation左
Left中
Medium右
Right标准差
Standard deviation1 0 141.2 138.9 142.0 1.6 142.1 141.2 143.3 1.1 4 143.1 140.4 145.0 2.3 143.1 140.9 144.4 1.8 9 142.3 145.8 139.3 3.3 142.3 145.0 141.5 1.8 14 140.0 138.9 145.1 3.3 142.0 145.1 143.5 1.6 2 0 139.0 140.8 141.3 1.2 141.3 140.8 142.2 0.7 4 141.4 141.4 145.2 2.2 143.4 143.4 140.2 1.8 9 145.3 141.7 141.2 2.2 141.3 141.7 141.2 0.3 14 141.0 145.1 142.7 2.1 141.0 141.1 143.0 1.1 3 0 140.0 140.5 141.8 0.9 141.0 141.5 142.4 0.7 4 140.5 143.9 142.4 1.7 141.2 143.1 144.0 1.4 9 145.4 144.7 142.7 1.4 144.6 143.1 144.2 0.8 14 139.6 140.1 145.3 3.2 140.0 143.1 145.9 3.0 4 0 139.7 140.2 141.2 0.8 141.0 143.2 144.2 1.6 4 142.3 145.8 140.5 2.7 140.3 143.8 143.5 1.9 9 142.9 138.6 141.7 2.2 143.0 138.9 142.7 2.3 14 144.0 145.7 142.1 1.8 144.0 144.0 142.1 1.1 注：左、中和右代表每个作业行程内以行程为中心的横向3个等距测点。 Note：Left, medium, and right represent three equidistant measuring points horizontally centered on the stroke within each operation stroke. 由表6可知，在地表初始平整度的平均标准差相近的情况下，经平地作业后，1、2号行程最大高程差由6.5 cm降至3.5 cm，最大平均标准差和作业前相比下降约1.05 cm；3、4号行程中因无自动调平控制，机具状态随机车起伏过大，平地效果局部较差，最大高程差由5.7 cm升至5.9 cm，最大平均标准差降幅仅为0.325 cm，自动调平系统对保持机具水平作业状态提高田块地表平整度作用明显。
4.4 作业效率分析
在建三江国家农业高新技术产业示范区水稻置床整地期间，分别采集全人工、简易农具以及苗床精平机3种置床平地方法的实际作业效率、实际作业质量（以每平方米内的地表Sd值作为评价指标），结果如图13所示。
采用全人工进行置床平地作业，每人仅能平整苗床330 m2/h，且平地效果较差，仍需反复平整；应用自动调平系统的苗床精平机进行置床整地作业，每人可平整苗床约1650 m2/h，且一次平地效果基本达到水稻育秧农艺要求，无需二次作业；使用简易机具作业效果处于二者之间，仍需多次作业后地表方可成型。试验结果表明，平地作业效率相较于全人工提高了约500%，较简易机具提高了约229%，每平方米地表Sd值相较于全人工降低了约384%，较简易机具降低了约268%。
5. 结 论
1）集成四驱动力与液力底盘，融合作业机具的俯仰倾角和横滚倾角传感数据与自动控制策略，设计了一种机电液一体化的苗床平地机智能调平系统。实时驱动油缸-刮板机构及齿轮-弹簧机构进行调平控制作业。
2）分别对横滚角调平和俯仰角补偿进行了仿真和性能试验分析，结果表明：横滚角调平时间为1.62 s，超调量为1.5%，调节时间为5.05 s，具有良好的响应速度及精度；俯仰角补偿碎土刮板油缸动作平均均方根误差为0.145 cm，满足稳定控制需要。
3）利用自主研制1ZJP-2型苗床精平机进行田间试验，平地作业效率比普通作业方式提高229%～500%，每平方米地表 Sd 值相较于普通作业方式降低了约268%～384%。结果表明：有调平系统作业后苗床高程最大平均标准差相较于作业前下降了1.05 cm；无调平系统作业后苗床高程最大平均标准差降幅仅为0.325 cm，自动调平控制系统对保持机具水平作业状态，提高田块地表平整度影响显著。
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图 1 水稻秧棚苗床精平机整体结构示意图
1. 动力机车（内嵌俯仰角传感器） 2. 调平系统控制器和上位机显示器3. 车载电瓶 4. 液压电磁换向阀组 5. 电动绞盘 6. 悬挂架 7. 机电式横滚角自动调平装置 8. 起落支架 9. 起落油缸 10. 作业机具挂接横梁（内嵌横滚角传感器） 11. 碎土刮平机具 12. 镇压夯实机具
Figure 1. Overall structure diagram of rice seedling bed leveler
1. Power locomotive (with built-in pitch angle sensor) 2. Levelling system controller and upper computer display 3. On-board battery 4. Hydraulic electromagnetic reversing valve set 5. Electric winch 6. Suspension7. Electromechanical cross-roll angle automatic levelling device 8. Lifting and lowering bracket 9. Lifting and lowering cylinder 10. Operating equipment hook-up beam (with built-in cross-roll angle sensor) 11. Soil scraping and levelling equipment 12. Compaction and tamping equipment
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图 2 机电式调平机构结构示意图
1. 安装架 2. 调平主动轮 3. 扇形从动轮 4. 储能弹簧 5. 限位弧板 6. 固定心轴 7. 机具挂接横梁
Figure 2. Schematic diagram of electromechanical leveling mechanism
1. Mounting bracket 2. Levelling active wheel 3. Fan driven wheel 4. Energy storage spring 5. Limiting curved plate 6. Fixed mandrel 7. Machine hook-up crossbar
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图 3 机电式横滚角调平装置控制原理图
Figure 3. Operating principle of electromechanical cross-roll angle levelling device
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图 4 液力式俯仰角补偿装置控制原理图
Figure 4. Working principle of hydraulic pitch angle compensation device
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图 5 俯仰角补偿机构简图
1. 油缸铰链点 2. 光轴导轨 3. 俯仰角补偿油缸 4. 碎土刮板 5. 作业机具后壁 1. Cylinder hinge point 2. Smooth axis guide 3. Pitch angle compensation cylinder 4. Crushed soil scraper 5. Rear wall of machine 注：S为中间位置碎土刮板入土深度，mm；h为中间油缸底部与机具上表面距离，mm；la为中间位置油缸伸长量，mm；S1为后倾极限位置碎土刮板入土深度，mm；h1为后倾极限位置油缸底部与机具上表面距离，mm；l1为后倾极限位置油缸缩进量，mm；S2为前倾极限位置碎土刮板入土深度，mm；h2为前倾极限位置油缸底部与机具上表面距离，mm；l2为前倾极限位置油缸伸长量，mm。Note：S is the depth of the crushed soil scraper in the middle position, mm; h is the distance between the bottom of the intermediate cylinder and the upper surface of the machine, mm; la is cylinder elongation in the middle position, mm; S1 is the depth ofcrushed soil scraper at the backward tilting limit position, mm; h1 is distance between cylinder bottom and the upper surface of the equipment at the backward tilting limit position, mm; l1 is cylinder elongation at the backward tilting limit position, mm; S2 is the depth of crushed soil scraper at forward tilting limit position, mm; h2 is the distance between the cylinder bottom and the upper surface of the equipment at the forward tilting limit position, mm; l2 is the cylinder elongation at forward tilting limit position, mm.
Figure 5. Schematic diagram of pitch angle compensation mechanism
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图 6 自动调平控制系统仿真模型
注：1/s为积分器函数；Δu/Δt为微分器函数；Kp为比例参数；Ki为积分参数；Kd为微分参数。
Figure 6. Automatic leveling control system simulation model
Note: 1/s is the integrator function; Δu/Δt is differentiator function; Kp is proportional parameter; Ki is integral parameter; Kd is differential parameter.
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图 8 俯仰角阈值控制原理示意图
注：P为滤波后传感器俯仰角度，（°）；R为响应阈值，（°）；L为响应上限，（°）；N为输出控制信号。
Figure 8. Schematic diagram of pitch angle threshold control principle
Note: P is filtered sensor pitch angle, (°); R is response threshold, (°); L is upper response limit, (°); N is output control signal.
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图 11 测试行程与测点示意图
注：1～4为行程号。
Figure 11. Test stroke and measuring point diagram
Note: 1-4 is stroke No.
表 1 整体参数
Table 1 Structure parameters of overall machine
参数Parameters 数值Values 整机尺寸（长×宽×高）
Machine dimensions(length×width×height)/mm×mm×mm3800×1 910×1 420 整机质量Machine weight/kg 635 工作幅宽Working width/m 1.9 生产效率Productivity/(hm2·h−1) 0.2～0.3 配套动力Matched power/kW 17 碎土率Crushed soil rate/% ≥95 镇压后土壤容重
Soil capacity after compaction/(kg·m−3)1100～1300 
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表 2 作业部件技术参数
Table 2 Technical parameters of working parts
参数Parameters 数值Values 螺旋钉齿辊碎土深度
Crushing depth of spiral spike roll/mm5 螺旋钉齿辊转速
Rotating speed of spiral nail roller/(r·min−1)240 俯仰角补偿油缸工作行程
Pitch angle compensation cylinder working stroke/mm150 补偿油缸缸腔直径
Compensating cylinder bore diameter/mm30 补偿油缸活塞杆直径
Compensating cylinder piston rod diameter/mm16 补偿油缸流量
Compensating cylinder flow rate/(L·min−1)20
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表 3 调平主动轮和扇形从动轮主要参数
Table 3 Main parameters of levelling active wheel and fan driven wheel
参数Parameters 调平主动轮
Levelling active wheel扇形从动轮
Fan driven wheel模数Modulus/mm 2 2 齿数Number of teeth 27 406 压力角Pressure angle /(°) 20 20 齿宽Tooth width/mm 22 22 材料Material 40Cr 45号钢
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表 4 电机主要性能参数
Table 4 Main performance parameters of the motor
参数Parameters 数值Values 参数Parameters 数值Values 步距角Step angle/(°) 1.8 齿数Number of teeth 50 保持转矩
Holding torque/(N·m)4.5 黏滞摩擦系数
Coefficient of viscous friction0.12 工作电压
Operating voltage/VDC24 额定电流
Rated current/A4 相电感
Phase inductance/mH7.0 相电阻
Phase resistance/Ω1.0 转动惯量
Rotor inertia/(kg·cm−2)2.55 质量Weights/kg 2.95
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表 5 俯仰角补偿性能测试结果
Table 5 Pitch angle compensation performance test
倾斜角度
Tilt angle/(°)目标位移
Target displacement/cm均方根误差
Root mean
square error/cm平均绝对误差
Mean absolute
error/cm7 5 0.124 0.125 12 10 0.136 0.144 17 15 0.178 0.181 −7 5 0.130 0.137 −12 10 0.142 0.153 −17 15 0.160 0.164
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表 6 试验前后地表平整度数据
Table 6 Field surface flatness before and after test
行程号
Stroke No.测点号
Measurement point No.试验前测点高程
Elevation of measurement point before test/cm试验后测点高程
Elevation of measured points after test/cm左
Left中
Medium右
Right标准差
Standard deviation左
Left中
Medium右
Right标准差
Standard deviation1 0 141.2 138.9 142.0 1.6 142.1 141.2 143.3 1.1 4 143.1 140.4 145.0 2.3 143.1 140.9 144.4 1.8 9 142.3 145.8 139.3 3.3 142.3 145.0 141.5 1.8 14 140.0 138.9 145.1 3.3 142.0 145.1 143.5 1.6 2 0 139.0 140.8 141.3 1.2 141.3 140.8 142.2 0.7 4 141.4 141.4 145.2 2.2 143.4 143.4 140.2 1.8 9 145.3 141.7 141.2 2.2 141.3 141.7 141.2 0.3 14 141.0 145.1 142.7 2.1 141.0 141.1 143.0 1.1 3 0 140.0 140.5 141.8 0.9 141.0 141.5 142.4 0.7 4 140.5 143.9 142.4 1.7 141.2 143.1 144.0 1.4 9 145.4 144.7 142.7 1.4 144.6 143.1 144.2 0.8 14 139.6 140.1 145.3 3.2 140.0 143.1 145.9 3.0 4 0 139.7 140.2 141.2 0.8 141.0 143.2 144.2 1.6 4 142.3 145.8 140.5 2.7 140.3 143.8 143.5 1.9 9 142.9 138.6 141.7 2.2 143.0 138.9 142.7 2.3 14 144.0 145.7 142.1 1.8 144.0 144.0 142.1 1.1 注：左、中和右代表每个作业行程内以行程为中心的横向3个等距测点。 Note：Left, medium, and right represent three equidistant measuring points horizontally centered on the stroke within each operation stroke.
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