Цифровые методы обработки данных при оценке тягового усилия тракторов

При испытаниях сельскохозяйственных тракторов с целью определения их характеристик важным условием является установившийся режим работы при номинальном тяговом усилии. Экспериментальный и расчетный методы определения номинального тягового усилия тракторов сельскохозяйственного назначения отражены в межгосударственном стандарте ГОСТ 27021-861.

Экспериментальный метод заключается в определении номинального тягового усилия при испытаниях на не-взлущенной стерне озимых колосовых в соответствии с межгосударственным стандартом определения тяговых по-казателей2. В этом стандарте определены общие требования к испытуемому трактору и точности средств измерения для определения показателей. Также сделан акцент на требованиях к линии действия тягового усилия, которая должна быть горизонтальной и лежать в продольной плоскости симметрии трактора, отклонение не должно превышать 3°.

Наибольшую точность при определении тягового усилия, развиваемого трактором в реальном времени, дает метод прямого измерения. Он заключается в использовании силоизмерите-ля, устанавливаемого в соответствии с требованиями [1; 2]. Сигнал, полученный от силоизмерителя, увеличивается аппаратным усилителем. Далее нормализуется аппаратно-программным устройством, где убираются помехи и паразитные шумы. И, наконец, аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) превращает значение напряжения сигнала в числовой двоичный код, который используется при расчете показателей.

В стандартах на испытания тракторов определено, что начинать измерения тягового усилия можно только после обеспечения стабильного режима работы, но методы получения тягового усилия не конкретизируются. Также отсутствуют алгоритмы расчета значений тягового усилия в зависимости от режимов работы трактора (скорости, тягового усилия, буксования) и почвенного фона, которые обеспечивали бы высокую точность измерений и возможность получения информации непосредственно во время испытаний [3].

Широко распространенные в НИИ, вузах и системе испытаний сельскохозяйственной техники Минсельхоза России измерительные информационные системы для испытаний ИП-264 основаны на модулях ввода аналоговых сигналов I-7016 фирмы ICP или аналогичных. Частота преобразования аналоговых сигналов у них составляет 10 с–1. Модуль имеет 24-разрядный сигма-дельта АЦП и внутренний нормализатор входных сигналов в диапазоне от –20 до +20 мВ. В 1970–80-х годах было найдено широкое применение измерительным системам ЭМАП и ЭМАПМ. Частота преобразования сигналов тензометрических датчиков у них также составляла 10 с–1 [4].

Во время проведения испытаний измерительная система аккумулирует и усредняет полученные значения напряжения аналогового сигнала, сформированного силоизмерительным датчиком .

Так как почва на участке испытаний в силу своей природы не является однородной, это может привести к резким изменениям значений тягового усилия. При использовании обычного усреднения эти скачки значений могут оказать существенное влияние на конечный результат. Исходя из вышесказанного, важной задачей при прямом измерении тягового усилия с помощью тензометрического силоизмерителя является разработка дополнительного метода обработки значений в реальном времени с целью отсечки значительных выбросов с учетом характера среды, где происходит измерение.

Цель работы – совершенствование технологии измерения величины тягового усилия во время испытаний сельскохозяйственных тракторов и агрегатов на основе цифровой обработки сигнала тензометрического силоизмерителя .

Обзор литературы

Анализ отечественной и зарубежной литературы, посвященной точным измерениям с использованием тензометрических силоизмерителей, показывает, что комплексный подход повышения качества измерений включает в себя аппаратные и программные решения, которые комбинируются в той или иной степени. Для компенсации смещения нуля (разбалансировки тензометрического моста) и устранения негативного влияния длины проводов между датчиком и измерительной системой применяются различные варианты подключения, каскад усилителей, дополнительное измерение напряжения возбуждения датчика и т. д. Существуют различные аппаратные решения для повышения точности измерений, например, использование дополнительного АЦП, измеряющего величину компенсации сигнала длины информационных проводов между измерительной системой и датчиком [5–8]. Такие решения при испытаниях сельскохозяйственной техники применяются редко, так как требуют существенного усложнения аппаратной и программной частей измерительного комплекса, дополнительных проводов между датчиком и измерительной системой и служат только для 130

Том 31, № 1. 2021 нейтрализации влияния электромагнитной составляющей помехи при измерении сигнала [9–12].

С целью выполнения задачи обработки сигнала от датчика до получателя последовательность данных необходимо преобразовать. Сигнал преобразуется в соответствии с алгоритмом, реализующим конкретную математическую задачу. Устройства, или программные алгоритмы обработки сигнала, называются фильтрами. Они бывают аппаратными и программными. Их характеристики выражаются в виде изменений таких параметров сигнала, как частота, фаза или амплитуда.

Цифровой обработке сигналов посвящены многочисленные исследования, основная цель которых улучшение качества полезного сигнала из последовательности данных, а также подавление вредных сигналов в приходящих последовательностях отсчетов [13–15].

В зарубежной литературе предлагаются варианты обработки цифровых данных с помощью различных вариантов фильтров Калмана [16–19]. Такой подход имеет ряд недостатков, так как фильтры Калмана требуют предварительной настройки в зависимости от характера обрабатываемого сигнала, а также предъявляют высокие требования к аппаратной части (высокая производительность, объем памяти). Эти недостатки не позволяют использовать фильтры Калмана при обработке данных датчика тягового усилия трактора.

На рисунке 1 показаны графики-зависимости значений тягового усилия, развиваемого трактором К-744Р2 на различных передачах. Диаграммы получены измерительной информационной системой ИП-264 без предварительной обработки с частотой преобразования 10 с–1.

Для анализа функции сигнала тягового усилия применялось дискретное преобразование Фурье. С его помощью можно преобразовать сигнал из временной области в частотную и представить любую функцию в виде набора гармонических сигналов разных частот.

На рисунке 2 представлены гистограммы плотности распределения вероятностей функции изменения тягового усилия.

На рисунке 3 представлены графики распределения частот по спектру сигнала датчика тягового усилия.

Из гистограмм на рисунке 2 следует, что вероятность изменения тягового сопротивления при установившемся режиме подчиняется нормальному закону распределения.

Как следует из зависимостей на рисунке 3, выбросы имеют случайный характер в диапазоне частот до 10 Гц. При этом амплитуда может достигать 97 кН, что при использовании обычного усреднения сигнала может существенно повлиять на результат измерения.

Для обработки сигнала тензометрического датчика тягового усилия предлагается применить алгоритм медианной фильтрации [20; 21].

Алгоритм медианной фильтрации выглядит следующим образом:

• 1)    новое значение поступает в последовательный буфер, имеющий нечетный размер К, смещая все остальные на один шаг;

• 2)    с помощью алгоритма быстрой сортировки значения в буфере перераспределяются по возрастанию или убыванию;

• 3)    выходное значение фильтра принимается как элемент буфера со средним индексом К / 2 + 1.

В случае использования буфера четной длины за результирующее значение принимается среднее двух соседних элементов с индексами К / 2 и К / 2 + 1.

Алгоритм медианной фильтрации имеет ряд преимуществ по сравнению с фильтрами Калмана: эффективно удаляет импульсные помехи при высокочастотной оцифровке сигналов тензометрических датчиков, значения которых резко выделяются на фоне основного потока данных; нелинейный, что позволяет использовать его для обработки рядов данных неоднородных и нестационарных процессов, например при измерении тягового усилия трактора; прост в программной реализации и не требует производительной аппаратной части.

Время, с / Time, s

—Передача III-2 / Transmission III-2 —Передача III-3 / Transmission III-3 —Передача III-4 / Transmission III-4

Р и с. 1. Графики значений тягового усилия трактора К-744Р2

F i g. 1. Graphs of tractor traction force values K-744P2

a)

b)

0,30

Передача III-4 / Transmission III-4

c)

• Р и с. 2. Гистограммы плотности распределения вероятностей:

• a) передача III-2; b) передача III-3; c) передача III-4

• F i g. 2. Density histograms of the probability distribution:

• a) transmission III-2; b) transmission III-3; c) transmission III-4

Процессы и машины агроинженерных систем

^{Амплитуда, кН/ Amplitude, kN}               Амплитуда, кН/ Amplitude, kN              Амплитуда, кН/ Amplitude, kN

Передача III-2 / Transmission III-2

a)

Передача III-3 / Transmission III-3

b)

Передача III-4 / Transmission III-4

c)

Р и с. 3. Графики спектральной плотности сигнала датчика тягового усилия: a) передача III-2; b) передача III-3; c) передача III-4

F i g. 3. Graphs of the spectral density of the tractive effort sensor signal: a) transmission III-2; b) transmission III-3; c) transmission III-4

Материалы и методы

Для проверки разработанного метода определения тягового усилия были проведены экспериментальные исследования, включающие следующие этапы:

• 1)    разработка микропроцессорного устройства для определения тягового усилия трактора;

• 2)    реализация алгоритма обработки данных в режиме реального времени в устройстве для определения тягового усилия;

• 3)    проведение измерений на тракторе, оборудованном устройством для определения тягового усилия;

• 4)    анализ полученных результатов.

В результате исследований разработано измерительное устройство «Модуль

Том 31, № 1. 2021

аналоговых входов ИП-293» для измерения величины тягового усилия трактора. Высокопроизводительный микропроцессор STM32 позволяет обрабатывать входной поток данных в режиме реального времени с помощью адаптивного цифрового фильтра. Частота преобразования сигнала тензодатчика достигает 2 кГц. Модуль имеет стандартные размеры и может устанавливаться в любой измерительной системе вместо модулей типа ICP или ADAM. Также поддерживаются протоколы связи DCON и Modbus.

Для преобразования сигнала датчика в цифровой вид служит микросхема АЦП AD7734, которая представляет собой сигма-дельта АЦП или АЦП с балансировкой заряда.

Р и с. 4. Модуль аналоговых входов ИП-293: 1 – четырехканальное АЦП AD7734;

2 – преобразователь интерфейсов UART-RS485; 3 – модуль буферной памяти Micron M25P80;

4 – процессор STM32F405RG

F i g. 4. Analog input module IP-293: 1 – 4-channel ADC AD7734;

2 – interface converter UART-RS485; 3 – Micron M25P80 Buffer Memory Module;

4 – processor STM32F405RG

Благодаря низкому уровню собственного шума сигма-дельта АЦП достигают высокой точности преобразования аналогового сигнала в цифровой. Для достижения высокой точности преобразования необходимо, чтобы частота работы цифрового фильтра была ниже частоты работы сигма-дельта модулятора, поэтому сигма-дельта АЦП имеют относительно низкую скорость преобразования (до 2 000 с–1).

Для расчета значений датчика тягового усилия применен контроллер STM32F405RG с «прошитой» программой цифровой фильтрации на основе предложенного алгоритма. Краткая техническая характеристика модуля аналоговых входов ИП-293 представлена в таблице 1.

В модуле имеется возможность записи напрямую во встроенную память модуля ИП-293 с частотой 2 000 преобразований в секунду одновременно по двум каналам. Емкость внутренней памяти на 30 мин непрерывной записи.

Также значения тягового усилия могут передаваться в режиме «запрос- ответ» по протоколу Modbus RTU или DCON. Так как модули могут объединяться в сеть на основе интерфейса связи RS-485, у каждого модуля должен быть индивидуальный адрес от 0 до 99. Программное обеспечение модуля ИП-293 датчика написано в среде разработки MikroElectronika MikroC [22].

Проверка разработанного модуля и цифрового фильтра обработки была произведена на тракторе К-744 в агрегате с тяговой тележкой УВТН-100. Для измерения тягового усилия трактора использовался тензометрический силоизмеритель на 100 кН, подключенный к модулю ИП-293, установленному в измерительной системе СИ-302 (ИП-264).

Результаты исследования

В результате проведенных экспериментальных исследований были получены графики-зависимости изменения тягового усилия трактора К-744Р2 на передачах III-2, III-3 и III-4 во время тяговых испытаний. Они обработаны с помощью цифрового фильтра в модуле аналогового ввода ИП-293 (рис. 4).

Т а б л и ц а 1

T a b l e 1

Краткая техническая характеристика модуля аналоговых входов ИП-293 Brief technical characteristics of the analog input module IP-293

Показатели / Indicators	Значения / Indicator values
Напряжение питания, В / Supply voltage, V	10‒30
Максимальная потребляемая мощность, Вт / Maximum power consumption, W	3
Количество аналоговых входов, ед. / Number of analog inputs, unit	2
Характеристики АЦП / ADC Specifications: – тип преобразования / type of conversion – разрядность, бит / resolution, bit – скорость преобразования, с-1 / conversion rate, с-1	Сигма-дельта / Sigma-delta 24 2 000
Напряжение питания датчиков, В / Sensor supply voltage, V	5
Интерфейс связи / Communication interface	RS-485
Габаритные размеры, мм / Overall dimensions, mm	120 × 70 × 35
Масса, г / Weight, g	130
Рабочий диапазон температур окружающей среды, °С / Operating ambient temperature range, °C	0 ‒ 55

Передача III-2 / Transmission III-2

Значение силоизмерителя / Value of the force meter Обработанные данные / Processed data

a)

Значение силоизмерителя / Value of the force meter Обработанные данные / Processed data b)

Значение силоизмерителя / Value of the force meter Обработанные данные / Processed data c)

Р и с. 5. Графики исходных и обработанных цифровым фильтром значений тягового усилия трактора К-744Р2: a) передача III-2; b) передача III-3; c) передача III-4

F i g. 5. Graphs of source and processed by digital filter values of traction of the tractor K-744P2: a) transmission III-2; b) transmission III-3; c) transmission III-4

На передаче III-2 (рис. 5a) отмечено шесть кратковременных выбросов значений тягового усилия, при этом пиковое значение достигает 154 кН при установившемся значении тягового усилия ≈60 кН. После обработки цифровым фильтром выбросов больше нет. На передаче III-3 (рис. 5b) отмечено четыре кратковременных выброса значений тягового усилия, при этом пиковое значение достигает 152 кН при установившемся значении тягового усилия ≈57 кН. После обработки выбросы отсутствуют. На передаче III-4 (рис. 5c) отмечено четыре кратковременных выброса значений тягового усилия, при этом пиковое значение достигает 137 кН при установившемся значении тягового усилия ≈48 кН.

В таблице 2 приведены результаты экспериментальных исследований.

Обсуждение и заключение

После обработки сигнала разработанным цифровым фильтром изменилась в сторону уменьшения амплитудная характеристика, но при этом частотная осталась без изменений. Резко уменьшилась дисперсия и коэффициент вариации за счет отсечения пиков.

Предложенные решения для определения тягового усилия трактора при испытаниях имеют следующие преимущества:

– эффективная работа цифрового фильтра по отсечению импульсных помех;

– несложный алгоритм предложенного цифрового фильтра, который позволяет реализовывать его на маломощных микроконтроллерах;

– возможность функционирования фильтра в режиме реального времени;

Т а б л и ц а 2

T a b l e 2

Результаты применения цифрового фильтра при измерении тягового усилия трактора Results of applying a digital filter when measuring tractor traction

Диапазон, передача / Range, transmission	Параметр / Parameter
	К Й к ^ и ЭД и	S К 81 | S о и Я й л л о мо ■ S g о	=s о CZ) G ^	о^.о 5§-3	Я 40 ti ■<= я s"5 Й ® 8 ® й   ° (Я 3 ® у >  МИЛ н
III-2: – значения силоизмерителя / force meter values	61,525	97,837	143,363	11,973	20,461
– обработанные цифровым фильтром / digitally filtered	59,524	5,054	1,358	1,165	1,957
III-3: – значения силоизмерителя / force meter values	59,149	98,888	152,201	12,337	20,857
– обработанные цифровым фильтром / digitally filtered	57,337	5,586	1,702	1,305	2,275
III-4: – значения силоизмерителя / force meter values	49,028	93,725	118,269	10,875	22,181
– обработанные цифровым фильтром / digitally filtered	47,470	7,482	1,988	1,410	2,970

• -    многоканальная реализация модуля аналогового ввода ИП-293, что позволяет подключать к нему одновременно несколько независимых датчиков;

• -    полная физическая и электрическая совместимость модуля ИП-293 с аналогичными модулями типа I-7016, что позволяет устанавливать его в штатное место измерительной информационной системы;

• -    совместимость на уровне протокола обмена данными с аналогами, что помогает использовать штатное программное обеспечение измерительных информационных систем;

Том 31, № 1. 2021

– возможность непрерывной записи во внутреннюю память модуля ИП-293 процесса измерений.

Применение разработанного модуля аналогового ввода ИП-293 со встроенным цифровым фильтром обработки сигнала датчика тягового усилия позволяет: повысить точность измерения тягового усилия независимо от скорости движения агрегата и почвенного фона; сократить время испытаний сельскохозяйственных тракторов и машин за счет возможности мониторинга режима работы агрегата в реальном времени.

Поступила 17.08.2020; одобрена после рецензирования 20.10.2020; принята к публикации 27.10.2020

Об авторах:

Все авторы прочитали и одобрили окончательный вариант рукописи.

Processes and machines of agroengineering systems 141

Submitted 17.08.2020; approved after reviewing 20.10.2020; accepted for publication 27.10.2020

All authors have read and approved the final manuscript.