水田土壤承載信息連續感知與拖拉機運動姿態預測估計

《水田土壤承載信息連續感知與拖拉機運動姿態預測估計》是依託華南農業大學，由胡煉擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：水田土壤承載信息連續感知與拖拉機運動姿態預測估計
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：胡煉
• 依託單位：華南農業大學

項目摘要

針對水稻生產水田作業機械自動化程度和作業效率有待進一步提高問題，以實現水田作業機械智慧型精準與高質高效作業為目標，項目申請者提出通過水田土壤承載信息連續感知技術和水田拖拉機運動姿態預測估計技術，以提高水田作業機械作業質量和作業效率。申請者擬建立“水田拖拉機－懸掛機具”整車剛體模型以描述拖拉機水田運動，設計拖拉機左右前輪前方觸桿連續感測裝置，闡明“觸桿－水田土壤”和“水田土壤－拖拉機輪”互作機理，建立“觸桿－水田土壤承載－拖拉機輪”前方沉陷模型，利用拖拉機實時運動姿態反演的拖拉機四輪當前地形為初始地形，預測估計拖拉機前方連續的“雙軌路譜”，設計Kalman預測估計算法預測估計拖拉機一定時間內的連續運動姿態。為水田農業機械精準作業控制和水田拖拉機陷車等提供預測控制信息，為水田拖拉機模型建立和運動姿態預測控制提供理論基礎。

結題摘要

針對水稻生產水田作業機械自動化程度和作業效率有待進一步提高問題，項目以水田犁底層信息感知和不平度量化表征，“拖拉機—機具”整車建模，拖拉機作業姿態預測為切入點開展了共性科學問題和關鍵技術研究，以期為水田機械智慧型精準與高質高效作業提供普適性借鑑依據。針對水田犁底層信息化和量化研究，首先，設計了水田犁底信息感知觸感裝置連續測定了犁底層高程和農機前進阻力及其表達方法；其次，構建了水田土壤承載計算的JKR數值分析模型，通過實驗測定和標定試驗獲得JKR模型參數：含水率45.66%，密度1809 kg/m3，坍落度233.5 mm，擴展度350.8 mm，泊松比0.42，剪下模量0.4 MPa，土壤—土壤恢復係數0.01，土壤—土壤靜摩擦係數0.1；最後，以水田拖拉機行駛時z軸加速度作為犁底不平度表征，採用Welch法對採集得到的加速度序列進行譜估計，並依據ISO8608:2016和GB/T 7031-2005標準規定的多倍頻程數據平滑方法對譜估計結果進行平滑，得到了水泥地不平度為A級，砂石路為B級，水田犁底介於B~C之間。為了構建水田“拖拉機—機具”整車模型，首先，分析了以插秧機動力配套為代表的水田農機重心分布區間（後輪承載係數0.65~0.7）；在此基礎上，基於MapleSim建立了平地機調平機構關鍵部件多體動力學模型，採用高速相機及其圖像分析軟體TEMA 驗證機具質心位置和姿態角，結果表明實測平地鏟質心坐標與仿真運算最大誤差約為10 cm，姿態運動與多體動力學模型分析結果基本一致；最後，通過解析法分別構建了水田整車的行駛動力學模型和行駛運動學模型，以模型參數可獲取性為出發點，確定並辨識了整車擴展運動學模型參數，得到了水田車輛運動側滑估計。研究圍繞時間序列理論，離線構建了採集自多地的水田拖拉機作業姿態的時序模型，通過對各模型結構共性的分析，確定以AR（15）描述農機俯仰角運動變化，設計了相應的遞推最小二乘法估計模型參數，實現了對農機未來1 s內運動姿態的線上連續預測估計。綜上所述，項目嚴格按照研究計畫執行，完成了預期研究目標，取得了一定基礎性和具有借鑑意義的研究成果。