玉米精量播種智能控制系統(tǒng)研制

印 祥，楊騰祥，金誠(chéng)謙，杜 娟

(山東理工大學(xué) 農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，山東 淄博 255000)

0 引言

隨著精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)和智慧農(nóng)業(yè)等概念的提出和實(shí)施，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要求在減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料投入的同時(shí)提高產(chǎn)出[1]。其中，播種作業(yè)是影響投入產(chǎn)出比的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，而玉米播種作業(yè)要求每穴一粒、粒距均勻一致[2-5]。目前，玉米播種機(jī)大都采用地輪驅(qū)動(dòng)排種器的方式，通過(guò)改變其機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比以調(diào)節(jié)播種粒距[6-8]。而由于田間地面起伏不平、地輪打滑等因素，導(dǎo)致播種粒距隨機(jī)變化，很大程度上影響玉米產(chǎn)量[9-11]。此外，機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比為固定值，不能實(shí)現(xiàn)播種粒距的在線無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)。

本文針對(duì)現(xiàn)有玉米播種機(jī)存在的問(wèn)題，基于機(jī)電一體化控制技術(shù)，研制了基于調(diào)速電機(jī)驅(qū)動(dòng)的玉米精量播種智能控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

以市場(chǎng)上現(xiàn)有的四行玉米免耕精量播種機(jī)為平臺(tái)，結(jié)合當(dāng)前國(guó)內(nèi)外精量播種控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，研制了如圖1所示的玉米精量播種智能控制系統(tǒng)。其主要包括可調(diào)速直流電機(jī)、人機(jī)交互界面、測(cè)速地輪、光電編碼器，以及電子控制單元(ECU)等。ECU根據(jù)測(cè)速地輪轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)計(jì)算播種機(jī)行駛速度，并根據(jù)行駛速度對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行調(diào)速以驅(qū)動(dòng)排種器完成排種作業(yè)。人機(jī)交互終端用以設(shè)置播種機(jī)基本作業(yè)參數(shù)，主要包括測(cè)速地輪直徑、播種粒距和排種器型孔數(shù)，同時(shí)用以實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)工作狀態(tài)。

圖1 玉米精量播種智能控制系統(tǒng)構(gòu)成

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 ECU電路設(shè)計(jì)

ECU作為玉米精量播種智能控制系統(tǒng)的核心，用以接收兩路編碼器的脈沖信號(hào)、控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)速及與人機(jī)交互終端進(jìn)行實(shí)時(shí)通信。根據(jù)上述系統(tǒng)功能要求，本研究選用了PIC18F458單片機(jī)為中央處理器，外圍電路主要包括時(shí)鐘電路、1個(gè)串口驅(qū)動(dòng)芯片MAX232、2個(gè)脈沖計(jì)數(shù)器CD4040、1個(gè)D/A轉(zhuǎn)換芯片MAX518等。ECU電路原理框圖如圖2所示。

圖2 ECU電路原理框圖

2.2 地輪測(cè)速

與驅(qū)動(dòng)地輪不同，本研究中所采用的地輪僅用于播種機(jī)行駛速度測(cè)量，打滑率相對(duì)較小。如圖3所示：采用600線光電編碼器1，其輸入軸與測(cè)速地輪聯(lián)接，由ECU實(shí)時(shí)計(jì)算播種機(jī)前進(jìn)速度(m/s)，即

(1)

其中，D為測(cè)速地輪直徑；△T為間隔時(shí)間；P為△T時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)量；N為編碼器線數(shù)。

1.編碼器 2.測(cè)速地輪 3.排種器 4.減速電機(jī) 5.種箱 6.機(jī)架 7.鏈傳動(dòng) 8.編碼器

2.3 排種器轉(zhuǎn)速控制

在播種機(jī)前進(jìn)速度恒定的條件下，排種器的轉(zhuǎn)速直接決定了入土種子的數(shù)量。如圖3所示：直流減速電機(jī)為24V、300W，最高轉(zhuǎn)速為100r/min，其輸出動(dòng)力經(jīng)過(guò)鏈條鏈輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳遞至排種器。排種器目標(biāo)轉(zhuǎn)速由ECU實(shí)時(shí)計(jì)算，其公式為

(2)

其中，dD為設(shè)定播種間距；M為排種盤(pán)型孔數(shù)量。

編碼器與排種器旋轉(zhuǎn)軸聯(lián)接，用以測(cè)量排種器實(shí)際轉(zhuǎn)速SA，ECU根據(jù)SA和SD，基于比例微分算法實(shí)時(shí)調(diào)整驅(qū)動(dòng)器的輸入電壓值VD以控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，保證播種粒距均勻一致。VD計(jì)算公式為

(3)

(4)

2.4 軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)精量播種的基本作業(yè)要求，所開(kāi)發(fā)的ECU工作流程如圖4所示。系統(tǒng)初始化后，首先讀取作業(yè)參數(shù)，然后讀取播種機(jī)前進(jìn)速度V后計(jì)算SD，讀取SA后計(jì)算VD，最后利用人機(jī)交互終端顯示實(shí)時(shí)作業(yè)狀態(tài)。

圖4 ECU工作流程圖

根據(jù)圖4所示工作流程，本研究在基于C語(yǔ)言的PIC單片機(jī)編程環(huán)境下完成了ECU軟件編寫(xiě)，利用PICkit3編程器進(jìn)行了程序下載和測(cè)試。

2.5 人機(jī)交互終端設(shè)計(jì)

為便于系統(tǒng)操作和狀態(tài)顯示，本研究采用串口HMI觸摸屏作為人機(jī)交互終端，觸摸屏通過(guò)RS232串口與ECU進(jìn)行通信。根據(jù)精量播種機(jī)智能控制系統(tǒng)操作要求，需要設(shè)置的基本參數(shù)包括排種盤(pán)型孔數(shù)量M、地輪直徑D、編碼器線數(shù)N、播種粒距dD，需要實(shí)時(shí)顯示的作業(yè)狀態(tài)參數(shù)包括播種機(jī)前進(jìn)速度V、排種器目標(biāo)轉(zhuǎn)速SD、排種器實(shí)際轉(zhuǎn)速SA及實(shí)際粒距dA。

利用串口HMI觸摸屏的開(kāi)發(fā)環(huán)境，完成了基本參數(shù)設(shè)置界面和作業(yè)參數(shù)實(shí)時(shí)顯示界面的設(shè)計(jì)和制作，如圖5所示。

(a) 參數(shù)設(shè)置界面

(b) 實(shí)時(shí)顯示界面

3 測(cè)試試驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析

為了評(píng)價(jià)該精量播種智能控制系統(tǒng)的工作性能，將其用于指夾式排種器上，排種盤(pán)的指夾數(shù)量為12。如圖6所示：將此裝置安裝于排種試驗(yàn)臺(tái)上，以驗(yàn)證其在不同前進(jìn)速度、不同播種粒距時(shí)排種的可靠性和準(zhǔn)確性，試驗(yàn)安排如下：

1)試驗(yàn)時(shí)間。2017年3月21-25日。

2)試驗(yàn)地點(diǎn)。山東理工大學(xué)農(nóng)機(jī)性能實(shí)驗(yàn)室。

3)試驗(yàn)平臺(tái)。計(jì)算機(jī)視覺(jué)排種器試驗(yàn)臺(tái)，黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院研制，如圖6所示。

4)試驗(yàn)對(duì)象。所研制的玉米精量播種智能控制系統(tǒng)。

試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)改變輸送帶行走速度的方式模擬播種機(jī)的不同前進(jìn)速度。考慮到所使用的指夾式排種器的推薦作業(yè)速度為5.0km/h，試驗(yàn)中擬設(shè)定的前進(jìn)速度為3.0、4.0、5.0、6.0、7.0km/h，在同一前進(jìn)速度下所設(shè)定的播種粒距分別為30、35、40cm。系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，ECU通過(guò)RS232串口將前進(jìn)速度V、目標(biāo)轉(zhuǎn)速SD、實(shí)際轉(zhuǎn)速SA等計(jì)算數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送計(jì)算機(jī)。如圖7所示，實(shí)際播種粒距dA由人工進(jìn)行測(cè)量，同一前進(jìn)和同一設(shè)定粒距下的試驗(yàn)重復(fù)3次，忽略重播、漏播等因素的影響。

1.指夾式排種器 2.安裝支架 3.種箱 4.減速電機(jī)

圖7 粒距測(cè)量

由表1可以看出：播種間距實(shí)際平均值與目標(biāo)間距的差值均小于2cm，播種間距誤差的最大值為12cm，其均方根誤差的最大值為0.84cm。在前進(jìn)速度5.05km/h時(shí)，即排種器轉(zhuǎn)速在20r/min左右時(shí)，播種間距的均方根誤差和最大誤差均較小，符合所使用的指夾式排種器的推薦播種速度。上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：本研究所開(kāi)發(fā)的玉米精量播種控制系統(tǒng)能夠根據(jù)播種機(jī)前進(jìn)速度實(shí)時(shí)控制排種器轉(zhuǎn)速，以滿足播種粒距一致的要求。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析

4 結(jié)論

1)研制了玉米精量播種智能控制系統(tǒng)，能夠根據(jù)播種機(jī)前進(jìn)速度實(shí)時(shí)控制排種器轉(zhuǎn)速以保證播種粒距一致。

2)該系統(tǒng)采用直流減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)排種器，機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以在現(xiàn)有玉米播種機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行快速改造，從而滿足玉米精量播種的要求。

3)該系統(tǒng)采用串口屏作為人機(jī)交互界面，能夠在線設(shè)置系統(tǒng)作業(yè)參數(shù)，可適用于不同作業(yè)參數(shù)的玉米播種機(jī)。

4)試驗(yàn)表明：該系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，在機(jī)器基本參數(shù)一定的情況下只需輸入播種間距，ECU即可自動(dòng)控制排種器轉(zhuǎn)速，不同前進(jìn)速度下播種間距的平均誤差小于2cm。