發(fā)明內(nèi)容

1.發(fā)明要解決的技術(shù)問題

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種苧麻收割捆徑自適應(yīng)控制裝置及方法；本發(fā)明能夠?qū)ζr麻打捆張力進行實時控制，實現(xiàn)收割機工作時不因行走速度、切麻及輸送速度或者麻桿形態(tài)等因素變化，而停車調(diào)節(jié)捆徑，降低了打捆機構(gòu)的故障率，提高了作業(yè)效率。

2.技術(shù)方案

為達到上述目的，本發(fā)明提供的技術(shù)方案為：

本發(fā)明的一種苧麻收割捆徑自適應(yīng)控制裝置，包括送繩組件、裝置本體和控制器，捆繩經(jīng)送繩組件進入裝置本體，所述的裝置本體內(nèi)部設(shè)置多個沿捆繩輸送方向排列的滾珠組件，以及張力檢測組件和張力控制組件；所述捆繩在滾珠組件所限定的空間內(nèi)移動，所述張力檢測組件檢測打結(jié)時捆繩張力，所述張力控制組件接收控制器的信號，自適應(yīng)控制苧麻捆徑的大小。

更進一步地，還包括人機交互屏、行走速度傳感器、切割速度傳感器和輸送打捆速度傳感器，該人機交互屏、行走速度傳感器、切割速度傳感器和輸送打捆速度傳感器均與控制器電性連接。

更進一步地，所述的送繩組件包括送繩動力輥和送繩隨動支撐輥；送繩動力輥由輪轂電機驅(qū)動，且設(shè)置編碼器；所述的編碼器反饋數(shù)據(jù)給控制器。

更進一步地，所述的張力檢測組件包括張力檢測輥、檢測輥軸承、支撐片和應(yīng)變片；張力檢測輥連接檢測輥軸承，檢測輥軸承的一端設(shè)置支撐片，所述支撐片的兩側(cè)面分別設(shè)置應(yīng)變片R1和應(yīng)變片R2，應(yīng)變片R1、R2電性連接控制器。

更進一步地，所述的張力控制組件包括張力控制支撐輥和張力控制主動輥，所述的張力控制主動輥經(jīng)中心軸連接固定軸承，固定軸承由軸承卡座固定，軸承卡座連接一伺服電動缸的伸縮桿，該軸承卡座能夠在伸縮桿的帶動下垂直捆繩輸送方向做往復(fù)移動。

更進一步地，所述的滾珠組件包括橫向滾珠和縱向滾珠，橫向滾珠和縱向滾珠成對設(shè)置，且均以捆繩為中心對稱設(shè)置，捆繩在橫向滾珠和縱向滾珠所包裹的空間內(nèi)移動。

更進一步地，所述的滾珠組件還包括一保護殼體，該保護殼體包括相互垂直的縱向滑動槽、橫向滑動槽，縱向滑動槽、橫向滑動槽的側(cè)面設(shè)置槽蓋，橫向滾珠和縱向滾珠的兩端軸限定于槽蓋內(nèi)。

更進一步地，所述的滾珠組件之間設(shè)置有彈簧碳刷，所述的彈簧碳刷包括彈簧和石墨碳刷，彈簧一端或者兩端連接石墨碳刷。

本發(fā)明的一種苧麻收割捆徑自適應(yīng)控制方法，控制裝置的控制器根據(jù)人機交互屏，張力檢測應(yīng)變片R1、R2，切割速度傳感器，輸送打捆速度傳感器，行走速度傳感器得到的目標(biāo)捆徑、捆繩張力、切麻速度、輸麻盤輸送速度、收割機行駛速度信息，通過預(yù)訓(xùn)練線性回歸模型得到伺服電動缸的伸縮桿控制力矩調(diào)節(jié)捆繩張力，進而實現(xiàn)捆徑大小控制，同時，通過編碼器反饋的實際捆徑經(jīng)PID環(huán)節(jié)對捆徑大小進行矯正。

3.有益效果

采用本發(fā)明提供的技術(shù)方案，與已有的公知技術(shù)相比，具有如下顯著效果：

（1）本發(fā)明的一種苧麻收割捆徑自適應(yīng)控制方法，能夠通過人機交互屏，張力檢測應(yīng)變片R1、R2，切麻及輸送速度傳感器，行走速度傳感器和推桿伸縮量感知影響捆徑大小的各變量的實際情況，并反饋給控制器，控制器控制系統(tǒng)根據(jù)預(yù)訓(xùn)練的線性回歸模型計算并調(diào)節(jié)伺服電動缸的伸縮桿控制力矩，完成苧麻捆徑大小的實時控制，對苧麻收割捆徑的控制效果不受車速、輸麻盤轉(zhuǎn)速的影響，具有較強的自適應(yīng)性和魯棒性。

（2）本發(fā)明的一種苧麻收割捆徑自適應(yīng)控制方法，在送繩組件的送繩動力輥上設(shè)置編碼器，通過編碼器反饋實際捆徑，并通過PID環(huán)節(jié)對捆徑大小進行矯正，進一步提高了裝置對捆徑控制的精度和魯棒性。

（3）本發(fā)明的一種苧麻收割捆徑自適應(yīng)控制裝置，其設(shè)置的滾珠組件和彈簧碳刷可最大限度減少捆繩在裝置中移動的橫向、縱向摩擦系數(shù)，使摩擦阻力數(shù)量級與張力調(diào)節(jié)的最小分辨率相比可忽略不計，保證了張力的控制精度，且捆繩被限制在橫向滾珠和縱向滾珠所包裹的空間內(nèi)移動，能夠避免捆繩的脫繩，降低了打捆機構(gòu)的故障率，提高了作業(yè)效率。

（4）本發(fā)明的一種苧麻收割捆徑自適應(yīng)控制裝置，其送繩組件、滾珠組件、張力檢測組件、張力控制組件的結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單、合理，能夠在滿足檢測和控制需求的同時，兼具制造成本低、便于操作的優(yōu)點，具有較高的推廣應(yīng)用價值。

具體實施方式

為進一步了解本發(fā)明的內(nèi)容，結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作詳細描述。

實施例1

結(jié)合圖1，本實施例的一種苧麻收割捆徑自適應(yīng)控制裝置，包括送繩組件、裝置本體4和控制器，捆繩2設(shè)置于繩桶1內(nèi)，該捆繩2的另一端經(jīng)送繩組件進入裝置本體4。所述的裝置本體4上開設(shè)有多個安裝孔41，其中部分安裝孔41用于將控制裝置與收割機連接固定，部分安裝孔41用于安裝控制器。

裝置本體4內(nèi)部設(shè)置多個沿捆繩輸送方向排列的滾珠組件6，所述捆繩2在滾珠組件6所限定的空間內(nèi)移動，裝置本體4內(nèi)部還設(shè)置有張力檢測組件7和張力控制組件；張力檢測組件7和張力控制組件設(shè)置在滾珠組件6之間，其中，張力檢測組件7檢測打結(jié)時捆繩張力，并將信號輸送給控制器。所述的張力控制組件則接收控制器的信號，自適應(yīng)控制苧麻捆徑的大小。

在實際應(yīng)用中，控制器可以根據(jù)接收到的捆繩張力信息，利用張力控制組件完成自適應(yīng)控制苧麻捆徑的大小。

實施例2

本實施例的一種苧麻收割捆徑自適應(yīng)控制裝置，在實施例1的基礎(chǔ)上，還設(shè)置了人機交互屏、行走速度傳感器、切割速度傳感器和輸送打捆速度傳感器（也即圖1所示切麻輸送速度傳感器），該人機交互屏、行走速度傳感器、切麻輸送速度傳感器均與控制器電性連接。人機交互屏主要完成苧麻收割機打捆狀態(tài)顯示、系統(tǒng)初始化配置工作，并存儲每茬收割配置數(shù)據(jù)，根據(jù)打捆質(zhì)量形成最優(yōu)打捆控制方案，提供用戶參考進行自動初始化工作。

在實際應(yīng)用中，控制器可以根據(jù)駕駛員通過人機交互屏輸入的目標(biāo)捆徑，以及張力檢測組件7檢測到的打結(jié)時捆繩張力，切麻輸送速度傳感器得到的切麻速度、輸麻盤輸送速度，行走速度傳感器得到的收割機行駛速度信息，通過預(yù)訓(xùn)練線性回歸模型得到伺服電動缸推桿伸縮力矩并控制捆徑的大小，對苧麻收割捆徑的控制效果不受車速、輸麻盤轉(zhuǎn)速的影響，具有較強的自適應(yīng)性和魯棒性。

實施例3

本實施例的一種苧麻收割捆徑自適應(yīng)控制裝置，在實施例2的基礎(chǔ)上，對送繩組件進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計。參看圖2和圖3，具體為：所述的送繩組件包括送繩動力輥31和送繩隨動支撐輥32，捆繩2設(shè)置于送繩動力輥31和送繩隨動支撐輥32之間，送繩動力輥31由輪轂電機311驅(qū)動，且設(shè)置編碼器312；所述的編碼器312反饋數(shù)據(jù)給控制器。輪轂電機311根據(jù)控制器檢測的打捆速度匹配送繩速度，確保送繩速度不小于打捆速度，主動向張力控制組件傳輸捆繩。編碼器312根據(jù)每次打捆周期向控制器反饋當(dāng)前送繩速度與繩長信息。

此外，在送繩動力輥31和送繩隨動支撐輥32最外層結(jié)構(gòu)如圖3所示的橡膠套33，確保運動期間捆繩不發(fā)生滑動。本實施例在實際應(yīng)用中，控制器可以根據(jù)駕駛員通過人機交互屏輸入的目標(biāo)捆徑，以及張力檢測組件7檢測到的打結(jié)時捆繩張力，切麻輸送速度傳感器得到的切麻速度、輸麻盤輸送速度，行走速度傳感器得到的收割機行駛速度信息，通過預(yù)訓(xùn)練線性回歸模型得到伺服電動缸推桿伸縮力矩并控制捆徑的大小。同時，還可通過編碼器312反饋的實際捆徑經(jīng)PID環(huán)節(jié)對捆徑大小進行矯正，進一步提高了裝置對捆徑控制的精度和魯棒性。

實施例4

本實施例的一種苧麻收割捆徑自適應(yīng)控制裝置，在實施例3的基礎(chǔ)上，對滾珠組件6、張力檢測組件7、張力控制組件進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計。

參看圖6和圖7，所述的滾珠組件6包括橫向滾珠64、縱向滾珠65和保護殼體，該保護殼體包括相互垂直的縱向滑動槽61、橫向滑動槽63，縱向滑動槽61、橫向滑動槽63的側(cè)面設(shè)置槽蓋62，槽蓋62上設(shè)置滾珠安裝槽621和槽蓋安裝孔622，槽蓋安裝孔622為螺紋孔。橫向滾珠64和縱向滾珠65成對設(shè)置，且均以捆繩2為中心對稱設(shè)置，橫向滾珠64和縱向滾珠65的兩端軸限定于滾珠安裝槽621內(nèi)。槽蓋62的設(shè)置，一方面能夠起到防塵密封，保護滾珠并支撐滾珠滑動的作用，另一方面下文所述彈簧碳刷也是通過槽蓋62固定，能夠有效防止彈簧碳刷脫落。所述捆繩2在橫向滾珠64和縱向滾珠65所包裹的空間內(nèi)移動。

結(jié)合圖5，所述的滾珠組件6之間設(shè)置有彈簧碳刷，所述的彈簧碳刷包括彈簧5a和石墨碳刷5b，彈簧5a一端或者兩端連接石墨碳刷5b。彈簧5a的作用是支撐石墨碳刷5b，同時對滾珠運到起到緩沖作用。石墨碳刷5b則用于支撐相鄰滾珠，并減小接觸摩擦。彈簧碳刷分為單頭彈簧碳刷51、雙頭彈簧碳刷52、雙頭長彈簧碳刷53，視實際使用需要選用。

本實施例設(shè)置的滾珠組件和彈簧碳刷可最大限度減少捆繩在裝置中移動的橫向、縱向摩擦系數(shù)，使摩擦阻力數(shù)量級與張力調(diào)節(jié)的最小分辨率相比可忽略不計，保證了張力的控制精度，且捆繩被限制在橫向滾珠和縱向滾珠所包裹的空間內(nèi)移動，能夠避免捆繩的脫繩，降低了打捆機構(gòu)的故障率，提高了作業(yè)效率。

結(jié)合圖8和圖9，所述的張力檢測組件7采用多個待溫度補償?shù)膲毫?yīng)變片，基于惠斯通電橋原理進行張力檢測。具體包括張力檢測輥71、檢測輥軸承75、支撐片77和應(yīng)變片；張力檢測輥71的圓心處開設(shè)有檢測輥安裝孔72，固定軸78穿過該檢測輥安裝孔72，并通過卡銷73與張力檢測輥71連接。固定軸78的另一端通過軸承卡簧76連接檢測輥軸承75，檢測輥軸承75的一端設(shè)置支撐片77，所述支撐片77的兩側(cè)面分別設(shè)置應(yīng)變片R1和應(yīng)變片R2，支撐片77為彈性支撐鋼片。所述張力檢測輥71的外部也設(shè)置保護殼體，該保護殼體的側(cè)邊設(shè)

置密封板79，密封板79上開設(shè)出線孔791，應(yīng)變片R1、R2的線纜通過出線孔791穿出，電性連接控制器，保護殼體、密封板79之間通過螺桿穿過檢測輥固定孔74實現(xiàn)固定。

結(jié)合圖1和圖10，所述的張力控制組件包括張力控制支撐輥81和張力控制主動輥91，所述的張力控制支撐輥81設(shè)置支撐輥固定軸承82，所述的張力控制主動輥91經(jīng)中心軸97連接固定軸承92，固定軸承92由軸承卡座94固定，兩軸承卡座之間通過固定螺絲95實現(xiàn)連接，軸承卡座94通過固定螺桿96連接一伺服電動缸93的伸縮桿931，該軸承卡座94能夠在伸縮桿931的帶動下垂直捆繩輸送方向做往復(fù)移動。

本實施例還在張力控制支撐輥81、張力控制主動輥91處設(shè)置了防塵蓋101，該防塵蓋101通過螺栓插入防塵蓋固定孔102中與裝置本體4連接。

本實施例中送繩組件、滾珠組件、張力檢測組件、張力控制組件的結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單、合理，能夠在滿足檢測和控制需求的同時，兼具制造成本低、便于操作的優(yōu)點，具有較高的推廣應(yīng)用價值。

實施例5

結(jié)合圖11圖14，本實施例的一種苧麻收割捆徑自適應(yīng)控制方法，控制器采用MCU或者ARM等處理器設(shè)計，通過CAN/RS485等常用通信接口及協(xié)議分別與人機交互屏、送繩組件、微型伺服電動缸、各類速度檢測傳感器通信；并同時通過模擬與數(shù)字接口完成捆繩張力檢測應(yīng)變片R1、R2、系統(tǒng)狀態(tài)的數(shù)據(jù)檢測與控制輸出。

控制器根據(jù)人機交互屏，張力檢測應(yīng)變片R1、R2，切麻輸送速度傳感器，行走速度傳感器得到的目標(biāo)捆徑、捆繩張力、切麻速度、輸麻盤輸送速度、收割機行駛速度信息，通過預(yù)訓(xùn)練線性回歸模型得到伺服電動缸93的伸縮桿931控制力矩并控制捆徑的大小，同時，通過編碼器312反饋的實際捆徑經(jīng)PID環(huán)節(jié)對捆徑大小進行矯正。

當(dāng)完成打捆并切割捆繩時，捆繩所受張力會突然減少，捆繩在張力控制組件的束縛下可以避免脫繩事故的發(fā)生。

控制伺服電動缸推桿伸縮力矩的線性回歸模型通過以下方法獲得：

首先獲取模型訓(xùn)練所需的數(shù)據(jù)集，駕駛收割機以不同的捆繩張力、切麻速度、輸送速度、行駛速度和伺服電動缸推桿伸縮力矩進行作業(yè)。通過張力檢測應(yīng)變片、割刀轉(zhuǎn)速、輸麻盤轉(zhuǎn)速傳感器、收割機行走速度傳感器、控制器和送繩機構(gòu)編碼器記錄捆繩張力、切麻速度、輸送速度、行駛速度、伺服電動缸推桿伸縮力矩和打捆的捆徑。得到不同捆繩張力、切麻速度、輸送速度、行駛速度、伺服電動缸推桿伸縮力矩下捆徑大小的數(shù)據(jù)集。

利用數(shù)據(jù)集學(xué)習(xí)得到由預(yù)期捆徑控制伺服電動缸推桿伸縮力矩的線性回歸模型。定義向量x＝（x1；x2；x3；x4；x5），其中x1、x2、x3、x4、x5分別表示預(yù)期捆徑、捆繩張力、切麻速度、輸送速度和行駛速度。在給定輸入向量x的情況下，伺服電動缸推桿伸縮力矩的預(yù)測函數(shù)的表示形式為：f（x）＝w1x1+w2x2+w3x3+w4x4+w5x5+b

用向量形式表示為：f（x）＝xw+b，其中，w＝（w1；w2；w3；w4；w5）T，w1、w2、w3、w4、w5直觀表達了預(yù)期捆徑、捆繩張力、切麻速度、輸送速度和行駛速度在預(yù)測中的重要性。通過獲得的數(shù)據(jù)集D（D∈{（x1，y1），（x2，y2），……，（xm，ym）}，其中yi為每組數(shù)據(jù)伺服電動缸推桿伸縮力矩，訓(xùn)練得到伺服電動缸推桿伸縮力矩的預(yù)測函數(shù)f（x）。

線性回歸模型的目標(biāo)就是找到參數(shù)w和b使得f（xi）＝xiw+b盡可能貼近yi，方法通過最小化均方誤差求取參數(shù)w和b。將w和b合并成一個列向量 、

令X＝（x；1），則：

因此，最小化均方誤差可表示為：

令：

對求導(dǎo)得到：

當(dāng)XTX為滿秩矩陣或正定矩陣時，令

可以求得

當(dāng)XTX不滿足滿秩矩陣或正定矩陣時，采用梯度下降法進行求解，梯度下降的迭代更新如下：

其中α是學(xué)習(xí)率，是一個梯度下降需要的超參數(shù)。可以得到梯度下降迭代過程如下： 

令

則最終學(xué)得的線性回歸模型為：

裝置通過線性回歸模型得到伺服電動缸推桿伸縮目標(biāo)力矩并控制捆徑的大小，為進一步提高裝置對捆徑控制的精度和魯棒性，通過編碼器反饋的實際捆徑經(jīng)PID環(huán)節(jié)對捆徑大小進行矯正。

本實施例控制器根據(jù)多元線性回歸打捆控制模型設(shè)計進行各類輸入信息處理，并根據(jù)計算結(jié)果實時調(diào)節(jié)張力控制伺服電動缸力矩輸出水平。調(diào)節(jié)期間同時根據(jù)捆繩張力反饋應(yīng)變片數(shù)據(jù)提高閉環(huán)控制精度。此外，控制系統(tǒng)通過打捆轉(zhuǎn)速與送繩轉(zhuǎn)速、張力范圍實時評估當(dāng)前打捆機構(gòu)打結(jié)器工作能力：當(dāng)車速或者苧麻喂入量劇增時通過人機交互屏、狀態(tài)指示部件提示收割機操作員注意調(diào)節(jié)作業(yè)速度，謹(jǐn)防打捆超載、異物堵塞打捆機構(gòu)，對苧麻收割捆徑的控制效果不受車速、輸麻盤轉(zhuǎn)速的影響，具有較強的自適應(yīng)性和魯棒性。

以上示意性的對本發(fā)明及其實施方式進行了描述，該描述沒有限制性，附圖中所示的也只是本發(fā)明的實施方式之一，實際的結(jié)構(gòu)并不局限于此。所以，如果本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員受其啟示，在不脫離本發(fā)明創(chuàng)造宗旨的情況下，不經(jīng)創(chuàng)造性的設(shè)計出與該技術(shù)方案相似的結(jié)構(gòu)方式及實施例，均應(yīng)屬于本發(fā)明的保護范圍

附圖說明

圖1為本發(fā)明的一種苧麻收割捆徑自適應(yīng)控制裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明中送繩機構(gòu)的細節(jié)展示圖；

圖3為本發(fā)明中橡膠套的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明中捆繩張力的產(chǎn)生原理示意圖；圖4中T為張力控制輥矩；R為張力控制輥半徑；F為捆繩張力；

圖5為本發(fā)明中碳刷的細節(jié)展示圖；

圖6為本發(fā)明中滾珠安裝槽的細節(jié)展示圖；

圖7為本發(fā)明中滾珠組件的細節(jié)展示圖；

圖8為本發(fā)明中張力檢測組件的細節(jié)展示圖；

圖9為本發(fā)明中張力檢測組件的部分結(jié)構(gòu)爆炸圖；

圖10為本發(fā)明中張力控制組件的細節(jié)展示圖；

圖11為本發(fā)明中苧麻收割的示意圖；

圖12為本發(fā)明中控制器原理框圖；

圖13為本發(fā)明中苧麻收割捆徑自適應(yīng)控制流程圖

圖14為本發(fā)明中苧麻收割捆徑自適應(yīng)控制的原理圖。

示意圖中的標(biāo)號說明

1、繩桶；2、捆繩；31、送繩動力輥；311、輪轂電機；312、編碼器；32、送繩隨動支撐輥；33、橡膠套；4、裝置本體；41、安裝孔；51、單頭彈簧碳刷；52、雙頭彈簧碳刷；53、雙頭長彈簧碳刷；5a、彈簧；5b、石墨碳刷；6、滾珠組件；61、縱向滑動槽；62、槽蓋；621、滾珠安裝槽；622、槽蓋安裝孔；63、橫向滑動槽；64、橫向滾珠；65、縱向滾珠；7、張力檢測組件；71、張力檢測輥；72、檢測輥安裝孔；73、卡銷；74、檢測輥固定孔；75、檢測輥軸承；76、軸承卡簧；77、支撐片；78、固定軸；79、密封板；791、出線孔；81、張力控制支撐輥；82、支撐輥固定軸承；91、張力控制主動輥；92、固定軸承；93、伺服電動缸；931、伸縮桿；94、軸承卡座；95、固定螺絲；96、固定螺桿；97、中心軸；101、防塵蓋；102、防塵蓋固定孔。

摘自國家發(fā)明專利，發(fā)明人：王杰，梁華為，徐照勝，王智靈，華琛，陳正偉，柏仁貴，經(jīng)俊森，申請?zhí)枺?/font>202210026106.3，申請日：2022.01.11