基于开源硬件的智能农业装备工作机理实验教学平台设计

摘    要：针对现代农业装备实验教学需求，该文设计了耕作机械作业机理实验教学平台。平台通过搭载不同土壤耕作部件，可以演示农业机械的挂接与调整操作；展示耕作机械生产作业过程；呈现耕作环节中机械对土壤的切削、破碎、翻转、压实等作用；测定不同工作部件作业时土壤对部件的线性耕作阻力。平台测控系统使用Arduino开源硬件开发，除适用于典型耕作机械工作原理、工作性能的测试实验环节外，还可根据学习需求，由学生自行设计、变更、扩展实验平台的软硬件功能，提升学习过程的灵活性与自主性。该平台可满足农业工程、农业机械化专业实验教学的需要，有助于提升实验教学质量。

关键词:智能农业装备;实验教学;作业机理;开源硬件;

Design of experimental teaching platform for working mechanism of intelligent

agricultural equipment based on open source hardware

DONG Xiangqian MA Ronghua WANG Jicheng

National Model Centre for Experiment and Teaching of Mechanical and Agricultural Engineering,

China Agricultural University

Abstract：Aiming at the experimental teaching needs of modern agricultural equipment of agricultural machinery, an experimental teaching platform for the working mechanism of farming machinery has been designed. By installing different soil tillage components on the platform, the coupling and adjustment operation was demonstrated, the production and operation process of farming machinery can be presented directly. The movement of soil in the tillage process such as cutting, breaking, overturning and compaction was exhibited. And the linear tillage resistance of different soil working components can be measured. The measurement and control system of the platform is developed with Arduino open-source hardware. In addition to the working principle and performance test experiment of typical farming machinery, students can design, change and expand the software and hardware functions of the experimental platform according to their learning needs, improving the flexibility and autonomy of the learning process, which is close to the practical teaching needs. Theplatform can meet the needs of experimental teaching of agricultural engineering and agricultural mechanization, and help to improve the quality of experimental teaching.

Keyword：intelligent agricultural equipment; experimental teaching; working mechanism; open source hardware;

实验教学是高等院校教学的重要组成部分，是“新工科”背景下推行教学改革、培养学生综合素质、创新能力和工程实践的重要环节[1,2]。在传统农业机械实验课程教学中，受农业生产季节性强、田间生产操作不易实施等因素影响[3]，难以全面开展综合性、创新型实验内容，依靠模型演示、动画模拟等教学形式，学生很难深入理解农业装备的功能原理、作业性能和智能测控等方面的知识点，造成学生无法在装备设计、试验验证、智能作业等模块中开展创新性的学习和实践。为了提高农业机械实验教学质量，完善农业工程综合实验教学平台[4]，满足农业耕作机械作业机理、作业过程等综合性实验教学需要，本文设计了农业耕作机械作业机理实验教学平台。

1整体结构方案

实验平台通过搭载不同土壤耕作部件，开展农业机械典型工作机构的挂接与调整操作，直观展示耕作机械关键结构的作业过程，模拟耕作环节中机械对土壤的切削、破碎、翻转、压实等作用，测定不同工作部件作业时土壤对部件的线性耕作阻力。平台的机械部分按通用化、模块化、组合化的要求完成设计，可根据不同教学内容灵活更换模块化的实验装置。控制器则采用开源硬件进行设计，与学生在智能产品设计课程中习得的知识技能相衔接，具备“按学生需要、自行定制实验控制功能”的实践特色，可满足现代智慧农业行业发展及专业教育要求下，农业工程、农业机械化专业实验教学的需要。实验教学平台建设内容主要包括耕整机械实验装置、播种机械实验装置以及通用搭载实验平台三个板块，如图1所示。每个板块可采用相应的模块化实验装置与结构完成对应的作业过程演示与参数测定。

根据实验教学需求，耕作机械实验教学平台整体结构由通用搭载实验平台、耕整机械实验装置、播种机械实验装置以及土壤恢复装置组成（图2），可根据不同的作业需求挂接相应的装置。

通用搭载实验平台分为机械、测控两部分：机械部分包括机架、圆形土槽（直径1.8m、深度0.5m）、主驱动电机、驱动转臂；测控部分包括动力系统和测控系统，能够对农业机械作业参数和作业指标进行精确控制和实时显示。

耕整机械实验装置由挂接装置、耕整地机械组成。挂接装置为三点悬挂装置，如图3(a)所示。耕整地机械包括可调幅式悬挂铧式犁(图3(b))、旋耕机(图3(c))、不同类型的土壤耕作部件（深松铲、中耕铲），能够开展农机具的挂接与调整实验、耕整机械作业过程演示实验、土壤线性耕作阻力测定实验。

播种机械实验装置主要由仿形机构、开沟器、覆土镇压装置组成。仿形机构包括单点铰接仿形机构和平行四杆仿形机构。开沟器包括单圆盘开沟器、双圆盘开沟器、滑刀式开沟器等。两者配合可形成平行四杆仿形开沟器等，如图3(d)所示。开沟器与排种器配合使用，可以开展播种过程中开沟、播种、覆土镇压等环节的工作演示。

土壤恢复装置由平土装置和弹性仿形镇压装置组成，如图3(e)与3(f)所示，用于作业后土壤的恢复和平整，保证实验的往复开展。

2测控系统设计

2.1控制系统

平台的测控系统主要包括动力驱动装置、主从控制单元、数据测量单元3个部分。

动力驱动装置包括配电控制箱、挂接装置驱动推杆、旋耕机刀轴驱动电机。配电控制箱用于接入电源的配电控制，箱内的变频器为主驱动电机提供电能。挂接装置驱动推杆为电动推杆，用于为驱动挂接装置，以带动挂接的耕整地机械做相应的升降运动。旋耕机刀轴驱动电机可具备变速运行功能，装有齿轮减速机，可提供较大的驱动转矩。

配电控制部分的基本原理如图4所示。三相交流电经由交流接触器KM通入变频器，变频器与开关电源模组均使用断路器作为基本的漏电保护装置。左侧的配电箱供电控制电路中，SB为紧急停止开关，SB1为断电按钮，SB2为上电按钮。SB2按下时，交流接触器KM吸合，变频器上电。开关电源模组为主控制单元提供稳定的低压直流电源，其工作条件不受紧急停止开关的限制。

主从控制单元包括用户界面、主机控制器、从机控制器。用户界面的功能是为用户提供操作设备的各类功能按键，显示设备的工作状态与数据信息。主机控制器的功能是管理用户界面的操作与数据的显示刷新，向从机控制器发送操作指令，接收从机控制器回传的数据。从机控制器的功能是控制驱动转臂上安装的各类执行电机，采集各路传感器输出的测量数据，向主机控制器回传数据。

用户界面安装于操作盒面板上，主机控制器为一块Arduino MEGA2560控制卡，安装在操作盒中。从机控制器为一块Arduino UNO控制卡，连同驱动和其管理的各类负载均安装于驱动转臂上。由于驱动转臂工作时需要连续转动，使用电缆直接连接主、从机控制器会导致电缆因连续扭转而损坏，故本设备通过设置在驱动转臂轴线正上方的小型导电滑环实现主、从控制单元之间的电能与信号传输。

控制单元组成如图5所示，触控屏、主机控制器、从机控制器均使用同一套供电电源，拉力传感器使用的电源则由从机控制器上安装的降压稳压电路单独提供。主机控制器具有两个独立的RS232串行通讯接口，分别为RS232-A和RS232-B，RS232-A与触控屏通信，RS232-B通过导电滑环的转接后与从机控制器通信。拉力传感器的电源激励和信号采集功能均由从机控制器实现。挂接装置驱动推杆、旋耕机刀轴驱动电机的低压功率驱动电路同样设置在从机控制器上，从机控制器按主机控制器发来的指令进行相应的控制与操作。

数据测量单元主要包括旋耕刀转速测量、挂接装置升降行程测量、耕作阻力测量。以上数据分别从各自电机的反电势脉冲滤波计数及拉力传感器中获得。取得的数据经由从机控制器处理封装后，传输至主机控制器。

为便于实验使用操作，上电运行时，所有需要操作的执行器、观测的数据均展示在同一个用户界面中，如图6所示。左侧部分从上至下分别为：旋耕机刀轴驱动电机启停及调速、挂接装置驱动推杆启停及升降、主驱动电机启停及调速3个操作功能区域。右上方为耕作阻力数据显示区，除显示实时的支架承受力外，该区域同时将间隔采样得到的耕作阻力数据绘制成曲线进行展示。右下方为系统基本状态显示区，主要向用户提示当前主驱动电机的工作状态以及主、从控制器之间的通信状态。

2.2线性耕作阻力测量

在耕作过程中，耕作部件对土壤施加作用力，切削、破碎、翻转土壤或使土壤位移[5,6,7]。土壤对耕作部件的阻力即是土壤耕作阻力。在工作过程中，耕作阻力是波动、随机的, 部件结构形状、土壤情况、工作条件是影响土壤耕作阻力的主要因素[8,9,10,11,12]。研究表明，部件结构形状对土壤耕作阻力影响较大，测定土壤耕作阻力可对部件设计提供有效的帮助[13,14,15]。

传统测量耕作阻力多采用双拖拉机法[16]，一方面由于该测量方法的前提是假定后拖拉机在工作行程时的行走阻力和空行程时的阻力相等，但实际在两次行程中，土壤的情况不同导致阻力不同；另一方面后拖拉机在工作时受到了农具的反作用力，使其前轮的垂直负荷发生了改变，以及牵引钢丝绳的作用方向并不一定通过后拖拉机的重心，使之产生一定力矩，因而改变了前后轮的垂直负荷，因此造成较大的测量误差[17,18]。

基于农业机械田间测试的实际需要，本文提出线性耕作阻力测定方法并设计了对应装置（图7）。使用平行四杆机构和拉力传感器测定线性耕作阻力，即土壤工作部件安装在平行四杆机构上，当工作部件受到耕作阻力时，平行四杆机构能够保证工作部件作水平平行移动，耕作部件受到的耕作阻力通过拉力传感器测定出来。在测试装置上等间隔布置3组工作部件，中间一组工作部件安装在平行四杆机构上，两侧的工作部件保证中间的工作部件处于稳定的工作状态中。采用该测定方法及装置可实现对土壤工作部件线性耕作阻力的实时准确的测定，解决土壤工作部件单一耕作阻力精确测定的问题，满足田间实验测试中对铧式犁、各类型开沟器、深松部件、中耕铲等线性耕作阻力的测定要求。

3教学应用

通过展示不同农业机械静态结构和动态工作机理，能够为实验教学提供直观可靠的、具有验证性和研究性实验功能的教学平台，满足农业工程专业对基础型实验、实践教学需求。利用本实验教学装置，还可以开展不同部件减阻耐磨性能测试，能够定量的研究不同部件、不同材料在不同土壤环境下的耐磨性能，对于研发新材料和新部件提供实验条件。

铧式犁是应用最广泛的耕地机械，在实验教学中要求学生了解铧式犁的结构和工作原理、挂接调整作业方法、耕作阻力的测定及在不同工作参数下耕作阻力变化规律。

在铧式犁结构和工作机理教学中，依托平台实现模拟铧式犁田间耕作作业过程，明确犁体的不同部件在耕作中的作用以及犁体曲面切土、翻土、碎土的作业过程。在挂接、调整教学环节，可以通过挂接装置和铧式犁上悬挂装置挂接在一起完成挂接过程；在铧式犁使用调整环节，要实现“两个水平的调整要求”，可通过调整上拉杆长度和左右两个提升杆的高度来分别实现纵向和横向水平的调节。耕作深度的调整通过控制电动推杆的伸缩来实现。在铧式犁耕作阻力测试环节，依托平台设计的线性耕作阻力测试装置，可以直观测量单一犁体的耕作阻力，通过调节驱动转臂的转速和控制电动推杆的伸缩量来实现对不同前进速度和耕作深度下铧式犁耕作阻力变化。圆形土槽的极限耕作深度为120mm，当耕作深度为极限耕作深度的50%时，测量驱动转臂转速为15、25r/min时铧式犁的耕作阻力，如图8所示，支架承受力即耕作阻力为实时数显，此刻分别为59N与136N。曲线可显示不同时刻耕作阻力（拉压力）的数值变化，整体上看两种状态下变化幅度均较小，证明数值准确可靠，两组数据均表明转速越高耕作阻力越大。当驱动转臂转速为25r/min时，测量耕深为极限耕作深度的50%、100%时铧式犁耕作阻力，数值显示分别为121N与315N，如图9所示，曲线展示了不同耕深状态下耕作阻力大小随时间的变化波动较小，以上数据表明耕作深度越大耕作阻力越大。

4结语

平台适用于对典型耕作机械工作原理、工作性能的测试实验环节，能够贴近教学实际；实验装置采用模块化设计，实验内容灵活多变、适应性强，是对农业工程、农业机械化及其自动化等专业基础理论课程实验教学内容的有益补充，对改进教学方法，提高学生参与实验教学积极性起到了促进作用。

基于流行的开源硬件实现测控系统，使用操作方便、开放性及通用性更好，降低了实践课程“教”与“学”的门槛，在实验教学环节中，学生从被动地观察实验现象转变为主动设计改进实验装置、变更实验条件与功能。灵活的模块组成与通信接口设计，有利于在教学平台上扩展或变更其他不同功能的演示载荷或测控组件，无须重新改动测控系统之间的线路连接，使设备可以随着课程的升级而不断改进。

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