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_董向前.pdf

实 验 技 术 与 管 理 第 40 卷 第 4 期 2023 年 4 月 Experimental Technology and Management Vol.40 No.4 Apr.2023 收稿日期:2022-10-11 修改日期:2022-11-09 基金项目:北京市教育委员会教改项目（202110019002）；教育部新工科研究与实践项目（E-CXCYYR20200905）作者简介:董向前（1984），男，安徽阜阳，博士，高级实验师，主要研究方向为农业机械实验教学与创新管理，。引文格式:董向前，马荣华，王继承.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J.实验技术与管理,2023,40(4):162-167.Cite this article:DONG X Q,MA R H,WANG J C.Design of experimental teaching platform for working mechanism of intelligent agricultural equipment based on open source hardwareJ.Experimental Technology and Management,2023,40(4):162-167.(in Chinese)ISSN 1002-4956 CN11-2034/T DOI:10.16791/ki.sjg.2023.04.024 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 董向前，马荣华，王继承（中国农业大学 机械与农业工程国家级实验教学示范中心，北京 100083）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 中图分类号：S222.3 文献标识码：A 文章编号：1002-4956(2023)04-0162-06 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,Beijing 100083,China)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.The platform can meet the needs of experimental teaching of agricultural engineering and agricultural mechanization,and help to improve the quality of experimental teaching.Key words: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，董向前，等：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 163 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，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、组合化的要求进行设计，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 3 个部分，如图 1 所示。每个部分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。图 1 耕作机械实验教学平台建设内容 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。注：1-机架；2-圆形土槽；3-主驱动电机；4-驱动转臂；5-挂接装置；6-耕整地机械；7-播种机械装置；8-平土装置；9-弹性仿形镇压装置。图 2 耕作机械实验教学平台整体结构 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 1.8 m、深度 0.5 m）、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。仿形机构与开沟器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 164 实 验 技 术 与 管 理 图 3 部分实验装置实物 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，配置的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。在图中左侧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。按下 SB2 时，交流接触器 KM 吸合，变频器及 AC/DC 开关电源模组上电。在图中右侧部分，三根相线 L1、L2、L3 经由三相漏电保护装置 QF1、交流接触器 KM 通入变频器。变频器接有制动电阻，用于驱动电机 ME 的能耗制动过程。相线 L3 与零线通过单相漏电保护装置 QF2 及交流接触器辅助触点，为 AC/DC 开关电源模组供电。此电源模组能够为主控制单元提供稳定的低压直流电源。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串行通信接