基于壓力傳感器的油菜排種量控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

吳明亮，楊洋，官春云，向偉，陶棟材*

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) a.工學(xué)院；b.油料作物研究所，湖南 長(zhǎng)沙 410128；2.湖南省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備工程技術(shù)研究中心，湖南 長(zhǎng)沙 410128)

精密播種是大幅提高作物產(chǎn)量和最大限度利用農(nóng)業(yè)資源的重要手段[1–4]。精密播種機(jī)性能的好壞關(guān)鍵在排種系統(tǒng)[5–7]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者開展了不同作物的精密排種系統(tǒng)研究，并取得了一定的成果。由于播種機(jī)在田間作業(yè)環(huán)境不可控因素較多，同一作物，由于種植時(shí)間的差異，其用種量也存在差異，為此，在精密播種的基礎(chǔ)上提出了精準(zhǔn)變量播種的技術(shù)要求。精準(zhǔn)變量播種的關(guān)鍵在于對(duì)播種系統(tǒng)播種量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性及調(diào)控系統(tǒng)的及時(shí)性?，F(xiàn)有的播量調(diào)控及檢測(cè)系統(tǒng)主要有高速攝影法、光電效應(yīng)法和壓電效應(yīng)法。光電效應(yīng)法由于種子排出時(shí)在排種口重疊而使檢測(cè)精度難以保證；高速攝影法檢測(cè)精度高、抗干擾性強(qiáng)，但成本高，環(huán)境要求嚴(yán)格，生產(chǎn)實(shí)踐中難以實(shí)現(xiàn)；壓電效應(yīng)法受排種量及種子自身質(zhì)量大小影響較大[8–11]。筆者以湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的2BYD–6 型油菜淺耕直播施肥聯(lián)合播種機(jī)上采用的偏心輪型孔輪式排種器為調(diào)控對(duì)象，擬通過(guò)壓力傳感器直接檢測(cè)種箱的質(zhì)量變化來(lái)測(cè)定排種器的排種量，同時(shí)設(shè)計(jì)了自動(dòng)調(diào)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)播種量的自動(dòng)調(diào)控，以期有效減小壓電效應(yīng)法因排種量和單粒種子質(zhì)量小，壓力傳感器檢測(cè)信號(hào)微弱而存在的檢測(cè)誤差。

1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)由排量檢測(cè)系統(tǒng)和排量調(diào)控系統(tǒng)兩大部分組成。排量檢測(cè)系統(tǒng)借助壓力傳感器檢測(cè)排種箱及箱內(nèi)種子質(zhì)量的變化而得到實(shí)際排種量，并將該質(zhì)量變化信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，傳輸給中央處理單元處理。排量調(diào)控系統(tǒng)通過(guò)中央處理單元接受信號(hào)后，將檢測(cè)到的實(shí)際排種量與理論排種量進(jìn)行比較，得到排種量的差值，并將該差值轉(zhuǎn)換成排種軸轉(zhuǎn)速控制信號(hào)，轉(zhuǎn)而調(diào)節(jié)排種器的排種量，實(shí)現(xiàn)實(shí)際排種量與理論排種量的一致。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 排量檢測(cè)系統(tǒng)

排量檢測(cè)系統(tǒng)主要由種箱、壓力傳感器、放大電路組成，其中，壓力傳感器是關(guān)鍵部件。壓力傳感器的選擇主要考慮其檢測(cè)精度和工作環(huán)境。根據(jù)播量與播種機(jī)行走速度以及單位時(shí)間播種量的關(guān)系[12]，設(shè)定播種機(jī)的行走速度為2.37km/h，播幅2 m，播量為4.5 kg/hm2，可得播種機(jī)單位時(shí)間的播種量為0.5g/s。壓力傳感器需有較好的抗腐蝕性和抗干擾性，且適合田間復(fù)雜作業(yè)環(huán)境，為此選用YZC–2 電阻應(yīng)變式壓力傳感器，其主要技術(shù)參數(shù)為：激勵(lì)電壓10 ～15 V，精度0.4g，靈敏度0.02%。由于油菜籽排量小，YZC–2 對(duì)單粒種子質(zhì)量變化所能感應(yīng)的電壓信號(hào)微小，為保證采樣芯片正確識(shí)別，設(shè)計(jì)了如圖1 所示的放大電路，選用采樣精度為0.3 mV、電壓為±10 V 的AD976 采樣芯片，放大倍數(shù)可達(dá)25 ～830 倍。本放大電路系統(tǒng)選用的放大倍數(shù)為830 倍。

圖1 壓力傳感器檢測(cè)信號(hào)放大電路 Fig.1 The amplified circuit figure for signals from pressure sensor

2.2 排量調(diào)控系統(tǒng)

排量調(diào)控系統(tǒng)主要由排種器、電動(dòng)機(jī)、編碼器、伺服器等組成。排種器驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)選用配備有Hp–QEDS–5930 編碼器的MAXONRE36 電機(jī)，其最大功率為125 W，最大轉(zhuǎn)速8 200 r/min，輸出力矩88 N·m，可實(shí)現(xiàn)對(duì)排種系統(tǒng)可靠的驅(qū)動(dòng)力。同時(shí)，為保證電機(jī)對(duì)檢測(cè)信號(hào)響應(yīng)精度，采用PWM 信號(hào)的頻率控制伺服器輸出電流，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的精密控制。伺服器選用銘朗MLD3610，工作電壓為24 V，轉(zhuǎn)換效率95%，最大輸出電流20 A。

3 軟件設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)的硬件電路中，排種箱質(zhì)量檢測(cè)由于受到電源紋波和外界電磁干擾，使得所采集到的排種箱質(zhì)量信號(hào)存在較大誤差；排量調(diào)控因排種器裝備制造誤差導(dǎo)致的個(gè)體差異等諸多干擾因素影響排種調(diào)控精度。為此，分別針對(duì)排量檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)的濾波處理、排量調(diào)控系統(tǒng)實(shí)施模糊調(diào)節(jié)，確保該系統(tǒng)達(dá)到最佳的控制效果。

3.1 濾波算法設(shè)計(jì)

通過(guò)示波器對(duì)經(jīng)AD976 放大后的電壓信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)該信號(hào)出現(xiàn)很多毛刺，并在某一時(shí)刻波動(dòng)較大，如圖2–a 所示。通過(guò)對(duì)電源端電壓信號(hào)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，放大后的電壓跳變一定程度上受電源紋波的影響，如圖2–b 所示。如果將該信號(hào)源直接傳輸給ATmega16 中央處理單元處理，其誤差量非常大。為了去除噪聲、震動(dòng)、電源紋波等干擾信號(hào)的影響，除使用硬件濾波外，還需要采用軟件濾波來(lái)減少干擾。

圖2 示波器波形 Fig.2 The chart of wave profile for oscillomete

按照?qǐng)D2 中的輸出波型，模擬描述出濾波算法，如圖3 所示。圖3 示一階濾波時(shí)將壓力傳感器在T1時(shí)刻內(nèi)的電壓信號(hào)每隔1個(gè)單位時(shí)間進(jìn)行采樣，每次采樣值依次記為AD11，AD12，…，AD112，去除最大值和最小值后，取平均值記為A1，A1 即是一階濾波值。二階濾波時(shí)在T2=T1+t 時(shí)刻內(nèi)按照上述方法取平均值記為B1，依次在T13=T12+Δt、T14=T13+Δt…T112=T111+Δt 時(shí)刻內(nèi)取得AD 采樣平均值分別為C1，D1，…，L1，去除A1 到L1 中的最大和最小值后再取平均值，記為A，A 即是二階濾波值。三階或更高階濾波，則分別按照低一階的取值方式取得12個(gè)值后，同樣去除最大值和最小值后，取平均值所得。

圖3 濾波算法 Fig.3 The diagram of filtering algorithm

放大倍數(shù)越高，電源紋波干擾就越明顯，越需要更高階的濾波來(lái)獲取較為準(zhǔn)確的AD 采樣值，這就使得系統(tǒng)的采樣周期成幾何級(jí)數(shù)增加，從而降低了系統(tǒng)的靈敏度。為此，本系統(tǒng)采用二階濾波。

3.2 模糊調(diào)節(jié)算法設(shè)計(jì)

文獻(xiàn)[12]中，偏心輪型孔式排種器轉(zhuǎn)速和排種量滿足關(guān)系式：

式中：q 為排種器單個(gè)排種口的排量(g/min)；n為排種軸轉(zhuǎn)速(r/min)。

由于受排種器裝備制造誤差以及工作環(huán)境的影響，依據(jù)公式(1)計(jì)算得到的排種器排種軸理論轉(zhuǎn)速所對(duì)應(yīng)的排種量Q(理論值)與實(shí)際排種量Qi(檢測(cè)值)將存在差值，該差值難以通過(guò)公式(1)進(jìn)行調(diào)整，為此，在對(duì)排種器電機(jī)進(jìn)行調(diào)控時(shí)需進(jìn)行模糊調(diào)節(jié)[13]。轉(zhuǎn)速調(diào)整公式為：

式中：N 為電機(jī)當(dāng)前轉(zhuǎn)速；v 為電機(jī)初始轉(zhuǎn)速；x 為排種量AD 差值模糊量；y 為排種量AD 差值變化率模糊量；k 為修正因子，k1=4，k2=6，k3=8。

排種量差值變化量Y 通過(guò)公式(3)得出。

式中：Xt為實(shí)際排種量與所需排種量的AD 差值；Δt 取10 s。實(shí)際排種量與理論排種量的差值在±1.5g/s 時(shí)，電機(jī)調(diào)整量達(dá)到最大，由此可設(shè)定排量差值模糊量x 查詢表(表1)和排量變化率模糊量y 查詢表(表2)。

表1 模糊量x 查詢表 Table 1 Inquiry of the fuzzy value x

表2 模糊量y 查詢表 Table 2 Inquiry of the fuzzy value y

在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，輸入所需排種量G(g/min)，通過(guò)關(guān)系式(1)計(jì)算出排種器理論轉(zhuǎn)速n1(r/min)和單位時(shí)間排種量ΔG(g/10 s)。ATmega16 每隔10 s 對(duì)排種箱進(jìn)行檢測(cè)并得出實(shí)際排種量Δg，將ΔG 與Δg 對(duì)比得出差值，查詢表1 和表2 得出x 與y 的值，代入公式(2)計(jì)算出電機(jī)轉(zhuǎn)速。如此反復(fù)檢測(cè)與調(diào)整即可使實(shí)際排量與所需排量的差值在較小的區(qū)間內(nèi)振蕩。

4 排種試驗(yàn)

試驗(yàn)在自制的排種量自動(dòng)調(diào)控試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行。試驗(yàn)臺(tái)主要由排種箱、壓力傳感器、排種器、變量控制系統(tǒng)、排種管、排種器驅(qū)動(dòng)電機(jī)等組成，如圖4 所示。

圖4 排種量自動(dòng)調(diào)控試驗(yàn)臺(tái) Fig. 4 Test bench automatically controlling seeding quantity

4.1 排種量檢測(cè)試驗(yàn)

為檢驗(yàn)變量播種檢測(cè)系統(tǒng)與調(diào)控系統(tǒng)的排種性能，依據(jù)文獻(xiàn)[12、14]的結(jié)果，用公式(1)計(jì)算出從30 ～70 r/min 共5個(gè)工況下排種器每分鐘所對(duì)應(yīng)的排種量，記為理論排種量Q(g/min)，排種器在各工況轉(zhuǎn)速n(r/min)下，分別按變量控制系統(tǒng)不工作和工作兩種狀態(tài)下測(cè)定其單位時(shí)間的排種量，記為非調(diào)控時(shí)實(shí)際播種量Q1(g/min)和調(diào)控時(shí)實(shí)際播種量Q2(g/min)。各次試驗(yàn)分別連續(xù)工作5min，重復(fù)3次，收集并稱量排種管出口處的實(shí)際總排種量，取平均值，并計(jì)算單位時(shí)間排種量(表3)。

表3 自動(dòng)調(diào)控的排種器排種量 Table 3 Seeding quantity of seed-meter with automatic controlling system

表3 結(jié)果表明，未使用變量控制系統(tǒng)，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速恒定在理論轉(zhuǎn)速時(shí)，實(shí)際排種量與理論排種量的誤差值k1高達(dá)20%，說(shuō)明排種器在生產(chǎn)環(huán)節(jié)存在較大的裝備和制造誤差；使用變量控制系統(tǒng)后，其排量誤差k2最大值僅為3.5%。可見，通過(guò)自動(dòng)調(diào)控系統(tǒng)，不僅可以修正排種器在生產(chǎn)環(huán)節(jié)的制造誤差，同時(shí)還可以較為精確地控制所需排種量。

4.2 均勻度檢測(cè)試驗(yàn)

為驗(yàn)證自動(dòng)調(diào)控系統(tǒng)對(duì)排種器排種性能的影響，排種均勻性試驗(yàn)分別在5個(gè)理論排種量下進(jìn)行。各次試驗(yàn)持續(xù)2min，在出種口處每隔20 s 用接種杯收集排出的種子總質(zhì)量，分別按時(shí)間順序記為z1，z2，…，z6(g/20 s)。計(jì)算各次試驗(yàn)的排種均勻性變異系數(shù)δ。

表4 結(jié)果表明，在前2個(gè)單位時(shí)間(40 s)的排種量變化較大，有1g 左右，這是因?yàn)橄到y(tǒng)檢測(cè)出理論轉(zhuǎn)速的偏差較大，從而對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整量也大，檢測(cè)到的排種量變化量相應(yīng)較大；隨著時(shí)間的推移，轉(zhuǎn)速逐漸趨近理論排種量所需的實(shí)際轉(zhuǎn)速，因此排種量變化越來(lái)越小。結(jié)果還表明，在排種器的工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，其均勻性變異系數(shù)可控制在7%以下，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[16]。

表4 排種均勻性變異系數(shù) Table 4 The results of variation coefficient for seeding uniformity

[1] 趙春江，薛緒掌．精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)體系的研究進(jìn)展與展望[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2003，19(4)：7–11．

[2] 姚建松．我國(guó)精細(xì)農(nóng)業(yè)發(fā)展前景探討與研究[J]．中國(guó)農(nóng)業(yè)化，2009(3)：26–28．

[3] 裴大順，鄧闖．精量播種技術(shù)及其效益分析[J]．農(nóng)業(yè)科技通訊，2009(8)：105–106．

[4] 孫立民，王福林．變量播種施肥技術(shù)研究[J]．東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，40(3)：115–120．

[5] 李建華．2BF–8 型小麥精密播種機(jī)播種均勻性研究[D]．保定：河北農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，2000．

[6] Kachman S D，Smith J A ．Alternative measures of accuracy in plant spacing for planters using seed metering[J]．Transactions of the ASAE，1995，38：379–387．

[7] 馮曉靜，劉俊峰．排種器排種均勻性分析研究[J]．河北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，26(1)：93–96．

[8] Solie J B，Raun W R，Whitney R W．Optical sensor based field element size and sensing strategy for nitrogen application[J]．Trans ASAE，1996，39：1983–1992．

[9] 李明，丁幼春．氣力式油菜精量排種器田間漏播檢測(cè)方法[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2010，26(1)：27–30．

[10] 鄭一平，花有清．水稻直播機(jī)的排種數(shù)檢測(cè)方法[J]．浙江大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，31(4)：471–474．

[11] 王樹才，許綺川．單粒排種器單片機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)性能研究[J]．華中農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1998，17(1)：97–100．

[12] 吳明亮，官春云，高曉燕．偏心輪型孔輪式排種器排種油菜極限轉(zhuǎn)速實(shí)驗(yàn)[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2010，26(6)：119–123．

[13] 蔣蘋，胡文武．機(jī)滾船遙控駕駛系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2009，25(6)：120–124．

[14] 施祖強(qiáng)，湯楚宙，官春云，等．轉(zhuǎn)速對(duì)偏心輪型孔輪式排種器排種性能的影響[J]．湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2008，34(3)：359–362．

[15] 梅婷，謝方平，李旭，等．小粒徑作物種子氣力式排種器適應(yīng)性試驗(yàn)[J] ．湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2014，40(2)：216–220．

[16] JB/T6274.1—2001，谷物播種機(jī)技術(shù)條件[S]．