基于傳感和信息采集的免耕智能播種機設(shè)計

張曉亮，時　磊，王　娜，鮑秀蘭

(1.焦作師范高等?？茖W校 計算機與信息工程學院，河南 焦作　454000；2.河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院，河南 南陽　473000；3.華中農(nóng)業(yè)大學 工學院，武漢　430070)

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基于傳感和信息采集的免耕智能播種機設(shè)計

張曉亮1，時磊2，王娜2，鮑秀蘭3

(1.焦作師范高等?？茖W校 計算機與信息工程學院，河南 焦作454000；2.河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院，河南 南陽473000；3.華中農(nóng)業(yè)大學 工學院，武漢430070)

摘要：針對現(xiàn)有免耕播種機的缺陷，對現(xiàn)有的技術(shù)方案進行了創(chuàng)新和改進，設(shè)計了一臺全新實用的免耕播種機。針對當前免耕播種機不能調(diào)整株距的問題，設(shè)計了多級鏈輪調(diào)節(jié)系統(tǒng)，可以通過改變傳動比和調(diào)速，實現(xiàn)株距控制。針對當前免耕播種機對種粒大小適應性不強的問題，設(shè)計了多個窩眼輪串聯(lián)的排種器，從而適應了各類種子的播種。針對入土器粘土和夾土阻塞等問題，設(shè)計了全新的凸輪開合機構(gòu)。利用傳感信息采集技術(shù)實現(xiàn)了免耕智能播種機的自動株距調(diào)整，提高了播種精度。通過對播種機的試驗研究發(fā)現(xiàn)：播種機的播種株距均勻，其單粒率、空穴率、重播率和籽粒破碎等各方面的播種質(zhì)量都優(yōu)于傳統(tǒng)的播種機械，并且實用性更強，更易于推廣。

關(guān)鍵詞：免耕播種；株距控制；多級鏈輪；凸輪開合；窩眼輪；排種器

0引言

隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化技術(shù)的發(fā)展，免耕播種機在國外已經(jīng)得到了廣泛的應用。生產(chǎn)免耕播種機的廠家比較多，如美國的USDA和JohnDeer公司、澳大利亞的KMC公司，這些廠家生產(chǎn)的免耕播種機都比較好。但是，國內(nèi)的免耕播種機相比國外來說還比較落后，國外的免耕播種機對于地塊的適應性、耕種方式以及經(jīng)濟性都不適合在國內(nèi)大面積使用，因此需要積極開發(fā)適應國內(nèi)耕種的免耕播種機。免耕播種機的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　機械式玉米免耕施肥播種機

在我國，免耕播種機的設(shè)計和制造與國外差距還很大，但不能完全照搬國外的技術(shù)，因為我國耕地地塊較小，需要播種機具有易操控性，這對于懸掛方式和播種機的質(zhì)量尺寸設(shè)計具有重要的影響。由于土壤表面沒有經(jīng)過修整，土壤的容重較高，就要求播種機具有較大的質(zhì)量。播種機的總體設(shè)計框架如圖2所示。

圖2　總體設(shè)計框圖

對于免耕播種機的設(shè)計：首先需要更加符合當前國內(nèi)的需求，確定設(shè)計目標；然后確定設(shè)計的總體方案，從而確定關(guān)鍵器件的主要尺寸和關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計；最后建立實體模型，通過對實體模型的優(yōu)化，完成免耕種播種機的設(shè)計。

圖3表示免耕播種機優(yōu)化過程。由圖3可以看出：免耕播種機的優(yōu)化過程主要分為3部分，包括多級鏈輪優(yōu)化、排種器優(yōu)化和凸輪機構(gòu)的優(yōu)化，且主要是為了解決株距不可調(diào)、播種的單一性和粘土阻塞等問題。

圖3　免耕播種機優(yōu)化過程示意圖

1免耕智能播種機結(jié)構(gòu)

根據(jù)現(xiàn)在已有的免耕打穴播種機，可以對當前的免耕播種機進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。根據(jù)國內(nèi)的免耕播種作業(yè)需求，優(yōu)化了一款直插式的免耕播種機，其整體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4　直插式免耕穴播機

優(yōu)化后的免耕播種機行進速度是可以調(diào)節(jié)的，播種深度和施肥深度也有調(diào)節(jié)機構(gòu)，其株距、行距等均可調(diào)；具有智能化調(diào)節(jié)功能，可以根據(jù)傳感器采集信息對播種機行進路徑、株距進行智能調(diào)節(jié)。

窩眼輪排種器(如圖5所示)與外槽輪排肥器類似，在此基礎(chǔ)上做了很大的改進，縮小了排種盒，將槽輪換成了串聯(lián)的窩眼輪，從而可以適應不同種子的大小。其傳動機構(gòu)的設(shè)計如圖6所示。

圖5　窩眼輪排種器

1.聯(lián)接板　2.變速鏈盒　3.塔輪　4.地輪傳動軸

其傳動結(jié)構(gòu)的驅(qū)動來自于地輪，利用傳動的裝配將扭矩進行傳遞；排種器和排肥軸在接受扭矩后開始進行排種和排肥的作業(yè)。

1)排肥傳動比計算。一般按照農(nóng)業(yè)技術(shù)的要求，排肥量按照150～750kg/hm2，排肥量的總傳動比可以表示為

(1)

其中,Q表示實際排肥量；L表示行距；δ表示滑移率，D表示支承輪直徑，q表示大外槽輪排肥器每轉(zhuǎn)一圈的最大排肥量，n表示每行排肥口數(shù)。排肥為多級傳動，如果按照2級傳動i肥=i1×i2的要求來設(shè)計的話，其傳動比可以表示為

(2)

由此可以根據(jù)多目標優(yōu)化原理，對最大傳動比進行確定，確定好傳動比后，可以通過調(diào)小槽輪長度來降低施肥量。

2)排種傳動比計算。以大豆的種植為例，對大豆盤的傳動比可以設(shè)計為

(3)

其中，S表示株距；n表示型孔數(shù)；δ表示滑移率；D表示地輪直徑，排種也為多級傳動，以3級傳動為例，則傳動比可以表示為

(4)

根據(jù)i2值，可以通過多目標優(yōu)化組合，來確定多種調(diào)速鏈輪的齒數(shù)，在實際免耕作業(yè)過程中，可以根據(jù)實際的苗株株距來選擇鏈輪。根據(jù)確定的傳動比，可以計算孔數(shù)和株距，則有

(5)

在行進過程中，需要通過傳感器來采集地塊的狀況，從而可以實現(xiàn)株距的自動化調(diào)節(jié)，其控制過程如圖7所示。

圖7　傳感器控制株距和適應性

傳感器供電通過電源模塊來滿足，使用多路傳感器對圖像進行采集，并利用TMS320DM642內(nèi)核對圖像進行處理，從而發(fā)出智能控制指令；最后將信息進行反饋，以得到最佳的株距控制。

2測試結(jié)果與分析

為了測試智能免耕播種機的播種效果，在相同地塊的田間與普通播種機的播種效果進行了測試。在對比測試之前，首先測試了智能免耕播種機的株距控制，其測試結(jié)果如圖8所示。

由圖8可以看出：隨著時間的增加，株距變化不大，說明在免耕播種機播種過程中不會出現(xiàn)株距不均勻的情況，從而提高了作為的播種質(zhì)量。播種機阻塞率對比測試結(jié)果如表1所示。

圖8　株距測試結(jié)果

%

由表1可以看出：相對于傳統(tǒng)的播種器，智能免耕播種器的阻塞率更低。這是由于使用多個窩眼輪串聯(lián)的排種器，增加了不同大小種粒的適應性。

圖9為播種的時間隨實驗次數(shù)的變化曲線。由圖9可以看出：隨著試驗次數(shù)的增加，播種時間的變化比較穩(wěn)定；但是從播種總時間來看，智能免耕播種機的工作效率要明顯優(yōu)于普通播種機。

圖9　播種時間隨實驗次數(shù)變化曲線

表2為播種有效性的測試數(shù)據(jù)。由表2可以看出：在播種質(zhì)量檢測的4項評價數(shù)據(jù)中，智能免耕播種機4項評價都具有明顯的優(yōu)勢，充分說明了設(shè)計的智能免耕播種器的有效性和可靠性。由于智能耕種播種機使用多級鏈控制速度，并采用全新的凸輪開合機構(gòu)，有效地保持了株距；使用多個窩眼輪串聯(lián)的排種器，對種子粒度大小的適應性較強，因此可以在多種播種裝置中推廣。

表2　播種測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計

3結(jié)論

1)為了解決免耕播種機株距不可調(diào)、播種的單一性和粘土阻塞等問題，對智能免耕播種機進行了優(yōu)化設(shè)計。在智能耕種播種機設(shè)計過程中：多級鏈控制速度和凸輪開合機構(gòu)的使用，有效地保持了株距；多個窩眼輪串聯(lián)的排種器的使用，對各種種子粒度大小的適應性較強，因此可以在多種種粒種類的播種裝置中推廣。

2)為了驗證裝置的有效性和可靠性，對其進行了田間試驗。通過測試發(fā)現(xiàn)：相對于傳統(tǒng)的播種器，智能免耕播種器的阻塞率更低，可適應不同種粒播種的需要，大大降低了播種作業(yè)時間，滿足了快速作業(yè)的需求，播種質(zhì)量有了明顯的提升。

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Design of No-till Intelligent Planter Based on Sensing and Information Collection

Zhang Xiaoliang1,Shi Lei2,Wang Na2,Bao Xiulan3

(1.School of Computer and Information Engineering,Jiaozuo Teachers College,Jiaozuo 454000, China; 2.Henan Polytechnic Institute, Nanyang 473000, China; 3.Huazhong Agricultural University,Wuhan 430070, China)

Abstract：In view of the defects existing no-till planter, the innovation and improvement scheme of existing technology, designed a new practical no-till planter. In view of the current no-till planter can't adjust the planting distance problem, design a multistage sprocket regulation system,can by changing the gear ratio and speed, planting distance control. In view of the current no-till planter for kinds of grain size adaptability is not strong,designed the multiple socket eye round series metering device,so as to adapt to all kinds of seed sowing.For the grave problem such as clay and soil block, a new CAM open-close mechanism is designed.Using no-till of sensing information acquisition technology to achieve the intelligent machine automatic planting distance adjustment, increase the seeding precision. Through the experiment of machine, the study found the planter seeding planting distance even,its single grain ratio, hole ratio,replay rate and grain crushing and so on various aspects of seeding quality is superior to the traditional mechanical seeding, and more practical, more easy to promote it.

Key words：no-till seeding; planting distance control； multistage sprocket; opening and closing CAM; nest eyes round; metering device

文章編號：1003-188X(2016)05-0160-05

中圖分類號：S223.25

文獻標識碼：A

作者簡介：張曉亮(1981-),女，河南焦作人，講師，碩士。通訊作者：王娜(1980-),女，河南焦作人，講師，碩士，(E-mail)wangna0377@163.com。

基金項目：湖北省自然科學基金項目(2014CFB322)

收稿日期：2015-04-15