玉米免耕精密播種機(jī)漏播補(bǔ)償系統(tǒng)的研究

陳 剛，孫宜田，孫永佳，沈景新，何青海，李青龍

(山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院，濟(jì)南 250100)

0 引言

黃淮海地區(qū)在有秸稈覆蓋、根茬殘留的地面進(jìn)行玉米免耕播種作業(yè)時，容易發(fā)生漏播。發(fā)生漏播需要后期進(jìn)行人工補(bǔ)苗，既浪費人力，又因錯過最佳播種時間而影響作物生長。

目前，國內(nèi)外已有對漏播補(bǔ)償?shù)南嚓P(guān)研究：張平華[1]基于虛擬儀器進(jìn)行了漏播檢測及補(bǔ)償技術(shù)的研究；朱瑞祥等[2]研制了一種利用超越離合器單向鎖合原理的漏播補(bǔ)種系統(tǒng)。本文研究的漏播補(bǔ)償系統(tǒng)在主排種裝置外增加一套獨立的補(bǔ)種裝置,漏播發(fā)生時，控制器根據(jù)補(bǔ)種過程各動作時間關(guān)系，適時驅(qū)動補(bǔ)種機(jī)構(gòu)將待補(bǔ)的種子排出，實現(xiàn)漏播的適時自動補(bǔ)種，同時控制補(bǔ)種系統(tǒng)的排種裝置完成補(bǔ)種區(qū)自動充種。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 設(shè)計原理

漏播補(bǔ)償系統(tǒng)由補(bǔ)種箱、補(bǔ)種器、補(bǔ)種電機(jī)、補(bǔ)種管、電磁閥、控制器、種子檢測傳感器和落種檢測傳感器等組成，如圖1所示。漏播補(bǔ)償系統(tǒng)的補(bǔ)種箱、補(bǔ)種管和電磁閥安裝在主排種裝置的后面，補(bǔ)種管與排種管管口之間的距離可調(diào)節(jié)，設(shè)定距離為ΔL[3，5]。主排種裝置由電動機(jī)驅(qū)動，通過控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的快慢調(diào)節(jié)播種粒距。

1.主排種裝置 2.排種電機(jī) 3.種子檢測傳感器 4.排種管 5.電磁閥 6.補(bǔ)種管 7.落種檢測傳感器 8.補(bǔ)種系統(tǒng)排種裝置 9.補(bǔ)種電機(jī) 10.補(bǔ)種箱圖1 漏播補(bǔ)償系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of The miss seeding compensation system

漏播補(bǔ)償系統(tǒng)包括狀態(tài)檢測裝置和控制機(jī)構(gòu)兩部分。檢測裝置包括種子檢測傳感器和落種檢測傳感器，分別檢測播種和補(bǔ)種狀態(tài)信息。控制機(jī)構(gòu)包括控制器、觸摸屏、補(bǔ)種系統(tǒng)排種裝置、補(bǔ)種電機(jī)及電磁閥等部件。補(bǔ)種電機(jī)采用步進(jìn)電機(jī)，可以精確控制補(bǔ)種系統(tǒng)排種裝置的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角。補(bǔ)種系統(tǒng)排種裝置采用自主設(shè)計改進(jìn)的窩眼輪式排種器，該排種器只有1個窩眼，可保證排種器旋轉(zhuǎn)1周有1粒種子排出。

1.2 漏播補(bǔ)償系統(tǒng)工作原理

漏播補(bǔ)償系統(tǒng)工作過程包括播種狀態(tài)判斷、補(bǔ)種動作執(zhí)行、補(bǔ)種區(qū)充種3個過程：①播種狀態(tài)判斷。主排種裝置排出的種子由種子檢測傳感器檢測并反饋到控制器，控制器根據(jù)兩粒種子實際時間間隔判斷播種狀態(tài)。②補(bǔ)種動作執(zhí)行。漏播發(fā)生時，控制器打開補(bǔ)種管下端的電磁閥，電磁閥上面的種子落下，然后關(guān)閉電磁閥，補(bǔ)種動作完成。③補(bǔ)種區(qū)充種?？刂破鞔蜷_電磁閥的同時驅(qū)動補(bǔ)種電機(jī)旋轉(zhuǎn)1周，補(bǔ)種系統(tǒng)排種裝置排出1粒種子落到補(bǔ)種管下端電磁閥上面，種子處于待播狀態(tài)。

漏播補(bǔ)償系統(tǒng)各動作時間如圖2所示。種子從主排種裝置排出到落至地面總的下落時間t，種子從主排種裝置排出到種子檢測傳感器的下落時間Δt1，播種狀態(tài)判斷時間Δt2，電磁閥打開到種子落到地面時間Δt3，電磁閥動作時間Δt4，補(bǔ)種器開始動作到種子落到電磁閥上的時間間隔Δt5。由理論粒距L(m)、播種機(jī)前進(jìn)速度vm(m/s) 推導(dǎo)出種子從排種器下落的理論時間間隔Δt=L/vm。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，種子粒距大于1.5倍理論粒距稱為漏播，種子粒距不大于0.5倍理論粒距為重播，則落種狀態(tài)判斷時間Δt2>1.5Δt時判定播種狀態(tài)為漏播，Δt2≤0.5Δt時判定播種狀態(tài)為重播。由圖2所示：A為播種第N粒種子位置;B為播種第N+ 1粒種子位置;C為播種第N+ 2粒種子位置；P為補(bǔ)種機(jī)構(gòu)補(bǔ)種籽粒位置。漏播發(fā)生時B處種子缺失，補(bǔ)種籽粒與第N粒種子距離LAP，滿足0.5L

圖2 漏播補(bǔ)償系統(tǒng)動作時間示意圖Fig.2 Action time schematic of the miss seeding compensation system

理想的補(bǔ)種狀態(tài)為補(bǔ)種籽粒與無漏播發(fā)生時播種籽粒在同一時刻落到播種位置。正常播種時種子從主排種裝置排出經(jīng)過種子檢測傳感器檢測區(qū)域和排種管落到地面，漏播發(fā)生時若要實現(xiàn)理想補(bǔ)種，漏播狀態(tài)判斷、電磁閥響應(yīng)、待補(bǔ)種子落地這3個動作過程必須在種子從通過種子檢測傳感器到落到地面這段時間內(nèi)完成。當(dāng)發(fā)生連續(xù)漏播時，要保證電磁閥動作前其上面有待補(bǔ)種子，補(bǔ)種器動作、種子下落到電磁閥上面必須要和電磁閥打開、補(bǔ)種籽粒落到地面、電磁閥關(guān)閉同步完成。該漏播補(bǔ)償系統(tǒng)在不考慮管壁影響、傳感器檢測響應(yīng)時間及擾動情況下，補(bǔ)種系統(tǒng)完成補(bǔ)種，各動作時間需要滿足條件：①t=Δt1+Δt2+Δt3+Δt4，Δt5=Δt3+Δt4；②補(bǔ)種電機(jī)和電磁閥需要在同一時間開始動作。主排種器速度分析如圖3所示。

圖3 主排種器速度分析Fig.3 Speed analysis of main row seeding device

種子從主排種器排出的速度為v可以分解為水平和垂直兩個速度。電磁閥處的種子為自由落體運動。種子從主排種器排種口排出到地面的運動時間t、種子從主排種器排種口排出到種子檢測傳感器的下落時間Δt1，電磁閥打開到種子落到地面時間Δt3，關(guān)系式滿足

v=ωr

(1)

vy=vsinα

(2)

(3)

(4)

(5)

式中ω—主排種器排種電機(jī)轉(zhuǎn)速(rad/s)；

r—主排種器排種盤半徑(m)；

H—主排種器排種口到地面距離(m)；

H1—主排種器排種口到種子檢測傳感器距離(m)；

H3—電磁閥到地面距離(m)；

α—主排種器投種角度(rad)。

可以得出

2 漏播補(bǔ)償系統(tǒng)設(shè)計

2.1 硬件電路設(shè)計

漏播補(bǔ)償系統(tǒng)以XC3S1200E芯片為核心元件構(gòu)建控制系統(tǒng)，主要由傳感器電路、驅(qū)動電路、通訊電路及報警電路等組成，如圖4所示。其中，傳感器電路實現(xiàn)速度、落種狀態(tài)等信號的采集；驅(qū)動電路包括步進(jìn)電機(jī)控制電路和電磁閥開關(guān)電路，主要實現(xiàn)漏播時即時補(bǔ)種和充種；觸摸屏由報警、通訊等電路組成，主要實現(xiàn)參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)顯示及報警提示。

漏播補(bǔ)償系統(tǒng)播種狀態(tài)檢測是補(bǔ)種動作的前提，自主開發(fā)的種子檢測傳感器采用陣列式硅光電二極管，監(jiān)測區(qū)域由點陣式變?yōu)槠矫媸剑N子落入檢測區(qū)域，不會產(chǎn)生漏檢。正常播種時，傳感器產(chǎn)生高低電平交替信號，通過檢測高低電平的間隔時間和中斷次數(shù)判斷漏播狀態(tài)并進(jìn)行計量。種子檢測傳感器電路如圖5所示[4]。

圖4 漏播補(bǔ)償控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.4 Structure block diagram of the miss seeding compensation system

圖5 種子檢測傳感器電路圖Fig.5 Circuit diagram of seed detection sensor

2.2 軟件設(shè)計

漏播補(bǔ)償系統(tǒng)控制流程圖如圖6所示。

播種作業(yè)開始時，首先在觸摸屏上設(shè)定播種粒距，將漏播數(shù)、重播數(shù)、合格數(shù)等數(shù)據(jù)清零。控制器根據(jù)種子檢測傳感器反饋的脈沖信號判斷播種狀態(tài)，并進(jìn)行累加計數(shù)，當(dāng)檢測到有漏播現(xiàn)象發(fā)生時，控制器開啟電磁閥并驅(qū)動補(bǔ)種電機(jī)動作，并根據(jù)落種檢測傳感器反饋的脈沖信號對補(bǔ)種數(shù)進(jìn)行計量。程序中的電磁閥開關(guān)時間、步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速等參數(shù)可以在觸摸屏上設(shè)定。連續(xù)補(bǔ)種作業(yè)時，控制器對漏播次數(shù)和補(bǔ)種數(shù)行比較運算，當(dāng)漏播次數(shù)與補(bǔ)種數(shù)差值大于4時，控制器故障報警。

控制程序采用LabVIEW編寫，步進(jìn)電機(jī)控制程序如圖7所示。

3 漏播補(bǔ)償系統(tǒng)試驗研究

3.1 試驗基本條件

漏播補(bǔ)償系統(tǒng)動作時間t、Δt1、Δt2、Δt3可以根據(jù)公式求出，Δt4、Δt5通過控制程序進(jìn)行調(diào)節(jié)。為了消除補(bǔ)種動作滯后造成的粒距誤差，實現(xiàn)成功補(bǔ)種，補(bǔ)種管管口與排種管管口之間的距離ΔL調(diào)節(jié)范圍設(shè)定為0.5L～L(L為理論粒距)。

該玉米免耕播種機(jī)漏播補(bǔ)償系統(tǒng)在山東兗州市大華農(nóng)機(jī)試驗場進(jìn)行了田間試驗。該系統(tǒng)安裝在2BYFZ-4型玉米免耕精密播種施肥機(jī)上，播種粒距L=20cm，受機(jī)械結(jié)構(gòu)限制，補(bǔ)種系統(tǒng)的電磁閥安裝位置距離地面5cm，補(bǔ)種系統(tǒng)排種裝置的出種口距離地面30cm，ΔL=10cm。在大田試驗時，為防止土壤對種子掩埋過深，造成粒距測量困難，將覆土機(jī)構(gòu)卸掉，減少覆土；為防止種子落到地面時因與地面碰撞發(fā)生跳動，將開溝深度保持在合理深度，使少量土壤覆蓋種子；為了方便區(qū)分播種籽粒和補(bǔ)種籽粒，使用紅色包衣種子作為補(bǔ)種籽粒。

圖6 漏播補(bǔ)償系統(tǒng)控制流程圖Fig.6 Flow chart of the miss seeding compensation system

圖7 步進(jìn)電機(jī)控制程序Fig.7 The control program of stepper motor

3.2 試驗結(jié)果

田間試驗分別在機(jī)具行進(jìn)速度為5、6、7km/h 下進(jìn)行試驗，每檔行進(jìn)速度進(jìn)行10次試驗，每次試驗測試距離為30m。試驗中，測出主排種器播種數(shù)N、漏播數(shù)M、補(bǔ)種數(shù)R、補(bǔ)種合格數(shù)Q及補(bǔ)種后實際漏播數(shù)S。由表1可以看出：播種機(jī)行進(jìn)速度增加，機(jī)具漏播率增加，漏播補(bǔ)償系統(tǒng)的補(bǔ)種率和補(bǔ)種成功率減小。試驗數(shù)據(jù)表明：安裝漏播補(bǔ)償系統(tǒng)后，在5～7km/h速度下機(jī)具漏播率分別降低了84.23%、83.12%、78.66%，播種合格率提升至99.47%、99.35%、98.75%，該漏播補(bǔ)償系統(tǒng)補(bǔ)種性能良好。

表1 漏播補(bǔ)償系統(tǒng)田間試驗數(shù)據(jù)Table 1 Field test data of the miss seeding compensation system

續(xù)表1

4 結(jié)論

田間試驗表明：安裝本文設(shè)計的漏播補(bǔ)償系統(tǒng)后，2BYFZ-4型玉米免耕精密播種施肥機(jī)在5～7km/h作業(yè)速度下，平均補(bǔ)種率為91.0%，平均補(bǔ)種成功率為90.1%，漏播率平均降低了82.0%。該漏播補(bǔ)償系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、安裝靈活的特點，若能提高補(bǔ)種電機(jī)和電磁閥的響應(yīng)速度，補(bǔ)種性能將會進(jìn)一步提升。該系統(tǒng)還需要在不同型號播種機(jī)上進(jìn)行試驗，不斷優(yōu)化控制參數(shù)和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，相信該漏播補(bǔ)償系統(tǒng)能夠得到推廣和應(yīng)用，屆時將大大降低后期補(bǔ)種作業(yè)勞動力成本，提高播種作業(yè)的質(zhì)量和效率。