链式开沟机是一种连续开沟设备，具有结构简单、作业效率高以及开沟深度便于调节的优点，广泛应用于管道、线缆铺设以及农田水利建设和市政工程等开沟作业^[1-2]。但链式开沟机作业时容易受地表不平影响，导致开沟深度波动大，严重地影响了作业质量^[3]。因此，实现链式开沟机开沟深度的精确控制具有重要意义。赵金辉等^[4]采用延迟时间补偿法构建了开沟深度数学模型，利用PLC控制系统实现了开沟深度的有效调节；蔡国华等^[5]基于ATmega128单片机，设计了一种播种机开沟器深度自控系统试验台，实现了开沟深度的跟踪控制；Weatherly等^[6]设计了一种主动式播种深度控制系统，利用DFS传感器检测土壤含水率，实现了开沟深度自动调节；黄东岩等^[7]利用压电薄膜传感器获取播种单体与地面的压力，通过控制空气弹簧实现了播种深度的自适应调整。上述研究主要针对播种机的改良，对于链式开沟机开沟深度控制方面的研究鲜有报道。为此，本文设计了一种基于激光传感器的开沟深度控制系统，以期实现开沟深度的闭环控制，为链式开沟机开沟深度控制问题提供一种解决方法。

1 系统结构与工作原理 1.1 系统结构

开沟深度控制系统结构框图如图1所示。系统主要由主控单元、液压系统和执行机构组成，其中主控单元由可编程控制器、激光传感器、交互设置界面和电源模块等组成，液压系统由电磁阀组、液压缸和拖拉机液压输出等组成，执行机构由开沟链组合和升降架等组成。链式开沟机结构图如图2所示。链式开沟机通过挂接机构与拖拉机3点悬挂，2个激光传感器对称安装在升降架两侧，电磁阀组安装在机架上，液压缸安装在机架两侧，升降架与机架两侧铰接，开沟链组合通过U型螺栓固定在升降架上。

1.2 系统设计 1.2.1 执行机构

沟深调节执行机构由机架、液压缸、升降架和开沟链组合等构成(图2)。其中，液压缸上端与机架铰接，下端与升降架铰接；升降架两侧与机架铰接；开沟链组合固定在升降架上。当液压缸上侧(下侧)进油时，活塞伸出(收缩)，带动升降架及固定其上的开沟链组合绕升降架铰接点向下(向上)转动，实现开沟深度调节。研究选用耳环型液压缸，工作行程0~400 mm，开沟深度调节范围0~500 mm。　

1.2.2 液压系统

如图3所示，为了实现开沟深度闭环控制，在拖拉机液压输出和液压缸之间加装电磁阀组。电磁阀组包括电液比例控制阀和两位三通电磁阀，电液比例控制阀起到控制液压油流量与流向的作用，两位三通电磁阀用于链式开沟机未切削土壤前的空程快进^[8]。具体工作过程：链式开沟机未切削土壤前，电液比例控制阀处于中位，两位三通电磁阀失电右位接入系统，液压缸有杆腔与无杆腔相连形成差动连接，液压缸活塞快速伸出，推动开沟链组合快速到达工作位置。到达工作位置后，两位三通电磁阀得电一直处于左位接入系统的状态，当误差（e）≤最大允许误差（e′）时，电液比例控制阀处于中位，无液压油进入，液压缸无动作；当e>e′且传感器获取的开沟深度（h）<设定目标开沟深度（h′）时，电液比例控制阀处于右位，液压油进入无杆腔，液压缸活塞伸出；当e>e′且h>h′时，电液比例控制阀处于左位，液压油进入有杆腔，液压缸活塞收缩。

研究选用的拖拉机为东方红LX754，其液压泵型号为CBN-G316，液压泵额定压力为25 MPa，额定流量为50 L·min^–1。据此电液比例控制阀选择VTOZ公司生产的MA-DHZO-A型，两位三通电磁阀选择Huade公司生产的4WRE10M16-10B/6AG24NETZ4/M型。

1.2.3 控制系统

系统采用的控制器为STC12C5A60S2系列单片机，完全兼容传统8051，内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换(250 K/S)，I/O端口丰富；采用LM2576HVT-5.0集成电路将拖拉机12 V直流转化成5 V直流^[6],为单片机供电^[9-10]；驱动器选用东驰ET-HX型电子放大器。控制器连接示意图见图4。控制器在固定频率下输出PWM信号，根据开沟深度检测值与目标值的差值，调节PWM波的占空比，获得对应输出电流，经驱动器放大后加载到电液比例控制阀，控制电液比例控制阀阀芯的移动方向和阀口开度，实现对液压系统流方向和流量的比例控制。

根据臧盛超^[11]的方法，使用Keil uvision 5编译器进行程序编写与编译。主流程图如图5所示。

1.3 测距原理

激光三角法测距技术是光电检测技术的一种，与其他非接触测量方法相比，具有结构简单，使用灵活，测量迅速，对待测表面要求较低等优点^[12-13]。本研究采用激光三角反射式位移传感器，其测距原理如图6所示，半导体激光器 (Laser diode，LD)^[1]发出的光束经会聚透镜垂直投射并聚焦到被测物体表面上形成光斑，由于物体表面具有一定粗糙度，引起光斑在物体表面发生漫反射，其中一部分散射光经过接收透镜成像于光电探测器件 (Charge coupled device，CCD)^[2]上。当被测物体发生微小位移或表面高低发生变化，光点将沿激光束的方向产生微小移动，致使CCD上像点随之移动^[14-15]。系统采集像点移动信号，经调理电路处理反馈给控制器计算求出物体产生的位移。若像点在CCD上移动的距离为N，被测物体表面移动的距离为M，由相似三角形得出：

$ \frac{{L'}}{N} = \frac{{L + M\cos \alpha }}{{M\sin \alpha }} ,$

(1)

整理后有：

$ M = \frac{{NL}}{{L'\sin \alpha - N\cos \alpha }} ,$

(2)

式中：L′为接收透镜后主面到成像面中心点的距离；L为激光束光轴的交点到接收透镜前主面的距离；α为激光束光轴与接收透镜光轴之间的夹角^[4]。

本研究采用的激光传感器型号为德国MICRO-EPSILON公司的1700BL型，测距范围为2~1 000 mm，分辨率为0.03 μm，波长为405 nm (可视/红色)，最大输出功率1 mW，能够满足开沟深度检测的要求。

1.4 工作原理

在升降架两侧相同位置安装2个激光传感器，形成双激光检测模块，安装位置与开沟链组合底部的垂直距离为h₁。当链式开沟机工作时，双激光检测模块同步检测对地距离为h₂和h₃，为有效地减少因地表不平造成的检测误差，取h₂和h₃的平均值作为最终检测结果。根据以上参数计算开沟深度检测值(h)：

$ h = {h_1} - \left( {\frac{{{h_2} + {h_3}}}{2}} \right) ,$

(3)

设定e为链式开沟深度的检测值(h)与目标值(h′)之差的绝对值：

$ e = \left| {h - h'} \right| ,$

(4)

系统工作前，首先在交互设置界面中设定开沟深度目标值(h′)和开沟深度最大允许误差(e′)，当e≤e′，开沟深度符合设定要求，控制器无信号输出，液压缸不动作；当e>e′，开沟深度不符合设定要求，控制器输出响应信号驱动电磁阀组动作，通过液压缸推动执行机构，调节开沟深度直到符合设定的最大允许误差，控制器将停止信号输出，电磁阀组失电，停止深度调节。

2 试验结果 2.1 静态响应试验

静态响应试验在南京农业大学工学院控制系统综合试验台上进行。分别在升降架两侧安装激光传感器，然后连接传感器、控制器和电磁阀组，完成控制系统的组装；根据蔡国华等^[5]的方法，在传感器下方放置可上下移动的平板用于模拟地表；选用NI USB-6009数据采集卡采集激光传感器检测的开沟深度(h)，采样频率设定为100 Hz。

在交互设置界面设置h₁=700 mm、h′=300 mm、e′=5 mm，调整平板与传感器的距离分别为350和450 mm，即模拟开沟深度过深或过浅50 mm。启动系统，静态响应曲线如图7所示。由静态响应曲线可知，当开沟深度比目标开沟深度深50 mm时，响应时间0.19 s，控制误差2 mm；浅50 mm时，响应时间0.31 s，控制误差3 mm。表明开沟深度控制系统响应迅速，控制误差能够满足设置要求。

2.2 田间试验

田间试验于2017年8月在南京市高淳区桠溪镇禾田坊家庭农场进行，试验地块长74.3 m、宽52.6 m，土壤类型为水稻土^[16-17]，试验前测定0~400 mm土壤容重、含水量和坚实度，结果如表1所示。根据秸秆集中沟埋还田对开沟深度的要求^[18-19]，选定开沟深度分别为200、300和400 mm；根据链式开沟机常用作业速度范围^[20-21]和当地实际作业情况，选择在机具前进速度为3 km·h^–1的条件下进行试验。链式开沟机沿田块长边进行开沟作业，每个开沟深度重复作业10个行程，前5个行程不启用控制系统，后5个行程在机具启动后，行进前启用控制系统。根据《田间开沟机械作业质量》标准^[22]，每个行程的作业距离均大于50 m。同一开沟深度条件下，系统启用前后各随机选取2个作业行程，每个行程内等距(10 m)取5点，共10点，用卷尺测量实际开沟深度，每个点重复测量3次，取平均值进行数据分析，测量结果见表2。

根据实际开沟深度测量结果，计算开沟深度稳定性系数，结果如图8所示。

设定开沟深度为200、300和400 mm时，关闭开沟深度控制系统，实际测量的开沟深度平均值分别为184.6、313.8和390.4 mm，开沟深度稳定性系数为86.8%、87.2%和88.3%；启动系统后，平均值分别为191.8、295.2和399.8 mm，稳定性系数分别为91.1%、92.3%和93.5%。表明启动开沟深度控制系统后，链式开沟机开沟深度的控制精度和稳定性得到提高，控制精度提高2.3%，稳定性系数提高4.3%。

3 结论

基于激光三角反射式测距原理，设计了针对链式开沟机的开沟深度控制系统，通过双激光检测模块实时采集开沟深度，实现开沟深度自适应实时调节。静态响应试验表明，当开沟深度与目标值相差±50 mm时，系统响应时间分别为0.19和0.31 s，最大控制误差3 mm，系统响应迅速，控制误差在设定范围内。田间试验表明，启动系统后，控制精度提高了2.3%，稳定性系数提高了4.3%。本研究结果为链式开沟机开沟深度控制问题提供了一种解决方法。