引言
花生作物是國家最重要的農業作物之一，在我國華東地區、東北地區、四川盆地以及江浙一帶都長期保有大量的花生的種植面積。自 2007 年以來，我國的花生出口量達世界首位，同時花生也是食用油的主要糧食來源。因此，對花生作物的種植、保養和收割采集方面的研究具有重要的實用意義。隨著我國農業經濟和農業工程化的飛速發展，將現代化的農業科學手段和農業工程設施使用在花生種植業中，是當前花生農業技術發展的重要趨勢。
大面積的種植花生為我國帶來了大量的花生產量，如何對這些花生進行高效的收割，是花生廣泛化、高效化生產的重要問題之一?；ㄉ魑锸斋@的特點是，顆粒小、產量大和作物埋藏于土下，如果僅依靠農民手工進行花生收獲，不僅效率低下、耗時長、耗費體力，而且手工收獲花生還會破壞花生果實和土壤層。為此，十分有必要對花生收獲機進行研究與生產應用。目前，國內外已經有許多研發部門對花生收獲機進行了研究。例如，美國的 J． Deere 公司研制生產了 Dim－25 型大型花生收獲機。該機構可以實現花生收獲的連續高精度作業; 但缺點是系統較為復雜和龐大，在非結構化道路上行駛時質心波動較大，且操作復雜。美國 K． Manuf 公司研制了 KMC2002 型花生收獲機。該機針對花生兩段收獲而研制，具有先進的無極調速挖掘鏟控制機構，并配有扭桿彈簧懸掛設置，確保在作業過程中的平穩與順暢。美國比勒公司研究了 N60TS118 型電控自動化花生收獲機。采用 4個獨立驅動的電動機對花生收獲機的挖掘鏟、噴射管路及左右行駛機構進行獨立控制，該花生收獲機已在加州進行了大規模試驗。美國的 T． Simye 公司則采用液壓動力對花生收獲機的執行機構進行了試驗，結果表明采用液壓驅動可以發揮大功率、低慣量的特點，但是液壓的泄露問題沒有被提及。我國在花生收獲機方面的研究目前才起步。例如，青島農業大學與青島萬達花生機械有限公司研制的 4HQL2 型小型花生收獲機，獨創性地采用挖掘鏟和分離系統融為一體的結構，簡化了機械設計的難度和工藝要求，縮小了機體的尺寸。這樣的設計可以降低行駛阻力、減小系統在工作時的能量消耗，同時青島農業大學還對花生收獲機的夾持裝置進行了設計與試驗。
花生收獲機工作過程中是依靠挖掘鏟來實現花生作物的挖掘，挖掘鏟的入土控制目前已較為成熟; 挖掘鏟的控制效果的一個重要控制依據是挖掘鏟的初始高度和理論入土深度之差。在花生收獲機工作過程中，由于其作業環境為凹凸不平的松軟土壤，因此難以保證挖掘機絕對的穩定行駛，其質心高度和行駛速度都不可避免地存在波動，會嚴重影響挖掘鏟的初始高度，這就需要對挖掘鏟在傳統控制的基礎上引入質心波動并采用更先進的控制方法來實現其自適應調整，從而實現花生收獲機的良好工作性能。
1 花生收獲機行駛機構-地面力學模型
目前，在花生收獲機動力系統的研究中，多數是采用電驅動系統作為系統的動力源，也有少數采用柴油發動機作為系統動力源; 但隨著近年來電驅動技術的日益成熟，美國、德國等諸多研究機構和公司所設計的方案中都開始采用電驅動系統。傳統的柴油發動機體積大、效率較低，在產生同樣功率的情況下，柴油機的體積是永磁同步電機的 4 ～ 6 倍; 而柴油機的效率通常只有 30% ，也遠遠低于永磁同步電機 98% 的效率。同時，柴油機還存在維護復雜、排放污染的缺點，目前基本已處于淘汰階段。因此，本研究針對新型的電驅動花生收獲機展開?；ㄉ斋@機的底盤機構主要包括土壓迫機構、行駛輪、驅動電機、供電系統和土分離機構，系統結構如圖 1 所示?！緢D1】
工作過程中，花生收獲機首先根據當前挖掘鏟的高度來提取數據庫中存儲的挖掘鏟控制方案，從而控制挖掘鏟的執行軌跡和執行力矩。由于關于挖掘鏟的力矩控制的研究已較為成熟，因此本文不再累述，而是重點考慮如何根據地面土壤凹凸不平所導致的花生收獲機的質心波動來動態調節挖掘鏟的軌跡控制。軌跡控制的關鍵點是如何確定挖掘鏟的初始位置與理論上的最優位置之間的偏差，如果可以獲得這個偏差值并根據該偏差值來對挖掘鏟的軌跡進行修改，則可以得到一個更優的控制效果。
為了可以對挖掘鏟進行合理的控制，必須知道當前花生收獲機的質心波動狀態。質心的波動與花生搜收獲機底盤、地面土壤力學參數有關，因此首先建立花生收獲機底盤與土壤之間的力學關系，則有【1-4】
其中，K1與 K2為花生收獲機的質心橫縱坐標值，R為懸掛架離地面高度，ξ 為挖掘鏟延遲線交點與水平地面的夾角，δ 為挖掘鏟理論上的最佳的夾角，βd為電驅動系統的需求力矩，f 為土壤的抗剪切力系數，G 為花生收獲機的重力，α 為在挖掘鏟處于初始位置時根據花生收獲機姿態計算所得的傾斜角度。
根據車輛－地面動力學分析可以計算當前車輛的行駛速度，對速度進行微分既可以得到花生收獲機的質心坐標，將所計算的質心坐標與土壤力學算得的質心坐標進行對比，就可以得到當前的花生收獲機的質心波動結果，則有【5-6】
其中，ε1與 ε2為花生收獲機的質心波動，M1與 M2為根據車輛動力學分析得到的花生收獲機的質心橫縱坐標。
系統的模型還應該包含對執行機構的控制部分，在得到了花生收獲機的質心坐標波動結果之后，在電控系統中采用高功率、高效率且可靠性高的三相感應電機來控制挖掘鏟的軌跡。根據磁場等效原理，三相感應電機經過 Clark、Park 變換可以將感應電機定子電流等效為勵磁分量和轉矩分量，從而得到感應電機驅動矢量控制系統的結構如圖2 所示。采用矢量控制方法可以高效率地使三相感應實現工作人員的操作意圖，同時矢量控制具有響應速度快，穩定性高的特點，可以提高花生收獲機在工作過程中的操作靈敏度?！緢D2】
2 花生收獲機挖掘鏟的自適應控制
目前對于花生收獲機自動化控制方面的研究多數是針對挖掘鏟、分離機構等的設計與改進，而對行駛機構則簡單地假設挖掘機在勻速行駛。但是大量實驗表明，當花生收獲機工作在崎嶇不平且松軟的土壤路面時，想要讓花生收獲機保持勻速行駛是不可能的，花生收獲機在工作過程中不可避免地會存在質心的上下波動和速度的波動，這些波動反饋到挖掘鏟上，會影響挖掘鏟的工作效果。因此，必須根據當前的花生收獲機的行駛姿態來動態地調整挖掘鏟的初始位置和控制策略，從而實現穩定的花生收獲效果。
由于控制問題的復雜性，控制不能由操作人員來完成，而必須是自適應地自動化執行。首先需要根據所建立的行駛機構－土壤力學模型來進行底盤行駛機構的模型庫匹配，得到當前收獲機所處于的正確姿態并判斷實際質心位置、位置改變率與理論上的質心位置、位置改變率之間的差異，根據這個差異來動態地修正挖掘鏟的調整因子，使挖掘鏟處于一個最優的初始位置，進而根據模型庫的控制規則來確定挖掘鏟的控制軌跡。
根據在上一步所建立的系統模型可以算出挖掘鏟執行機構控制系統輸入為實際模型與參考模型輸出值的偏差，從而可以根據這個偏差來建立自適應控制策略?？刂撇呗缘膱绦辛鞒虉D，如圖 3 所示?！緢D3】
首先記錄挖掘鏟的初始高度，其次記錄土壓力的測試結果，進而判斷當前的土壓力測試結果與模型數據庫中是否一致。如果匹配一致，則說明當前的工作環境與設計環境一致，從而直接提取模型庫中的控制策略。在控制策略中設計的控制軌跡偏導數為【7-8】
其中，e\\( t\\) 表示偏差隨工作時間的變化率 G\\( s\\) 為花生收獲機底盤行駛系統的傳遞函數，kp與 km分別為控制系統的增益因子，ym為包含工作時間在內的控制系數，yr為關于質心波動隨時間變換的函數。
自適應控制規律根據質心偏移量來可得花生收獲機挖掘鏟控制系統的自適應控制率為【9-10】
3 仿真結果
為了對自適應控制思想進行驗證，在系統仿真軟件中對花生收獲機進行系統仿真。假設花生收獲機電池容量充足，即不存在因電量不足而導致的控制力受損問題，同時忽略掉花生收獲機在側傾方向的運動自由度，仿真步長為 0． 01s。通過仿真得到 7 組測試數據的仿真結果如表 1 和表 2 所示?！颈?-2】
由仿真結果可看出，在自適應控制下挖掘鏟的高度波動明顯縮小，與不帶自適應控制的情況相比，挖掘鏟所受質心波動的影響平均縮小了 36． 7%，表明所設計的自適應控制方案有效。
4 結論
對花生收獲機的底盤行駛機構與挖掘鏟的電控系統進行自適應控制研究，建立了底盤系統-土壤力學模型，提出了自適應控制方案。通過仿真分析對花生收獲機自適應控制的效果進行了驗證，結果表明采用自適應控制可以有效降低挖掘鏟的高度波動，與無自適應控制的情況相比挖掘鏟的波動降低了 36． 7% 。
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