單行玉米電動(dòng)播種控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

匡麗紅，趙雪，張博，石磊，王淞，張蕊

（1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院，大慶 163319；2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院）

在我國南方，由于受地理環(huán)境、耕地條件等因素影響，農(nóng)戶耕地分散，作業(yè)面積較小，通常采用小型拖拉機(jī)牽引單行播種機(jī)具進(jìn)行播種生產(chǎn)作業(yè)，造成壓實(shí)面積過大；受作業(yè)面積影響，機(jī)車作業(yè)行動(dòng)不便；缺乏有效的監(jiān)測(cè)手段，易造成漏播、斷條等情況；同時(shí)，由于傳統(tǒng)播種機(jī)地輪與排種器之間通過鏈條進(jìn)行動(dòng)力傳遞[1]，作業(yè)中的地輪打滑會(huì)嚴(yán)重影響播種均勻性[2]。因此，針對(duì)上述情況，研究一種具有小型牽引機(jī)構(gòu)、自動(dòng)監(jiān)測(cè)工況的全電驅(qū)動(dòng)播種機(jī)具具有重要意義。

目前，國外在電動(dòng)播種機(jī)方面的研究比較成熟，已商品化，可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)播種、施肥和工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)等功能，功能齊全，作業(yè)效果良好，作業(yè)靈活性和效率高。日本研究了一種排種電控系統(tǒng)[3]，針對(duì)圓盤式排種器，按照落種周期設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)電磁調(diào)節(jié)裝置控制種子的運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)周期和落種時(shí)間要保持一致，才能保證正常播種作業(yè)，適合于低速播種作業(yè)。日本還研究了依據(jù)地輪轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)播種量的自動(dòng)控制系統(tǒng)[4]，通過速度傳感器實(shí)時(shí)獲取作業(yè)速度，按照輸入作業(yè)參數(shù)、獲取的作業(yè)速度，調(diào)整排種軸轉(zhuǎn)速，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在播種株距變異系數(shù)方面，該系統(tǒng)優(yōu)于傳統(tǒng)地輪驅(qū)動(dòng)的排種器。美國Precision Planting 公司以SeedSense 20/20 為核心，開發(fā)了變量播種控制系統(tǒng)[5-6]，每個(gè)播種單體可獨(dú)立工作，由SeedSense 向單體控制模塊下發(fā)作業(yè)速度、播種量等信息，單體控制模塊根據(jù)指令信息計(jì)算電機(jī)理論轉(zhuǎn)速，并將轉(zhuǎn)速信息發(fā)送至電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊根據(jù)反饋速度，準(zhǔn)確調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，功能完善，價(jià)格較高。美國Trimble 公司研發(fā)的Field-IQ 變量播種控制系統(tǒng)[7]，使用控制器通過CAN 總線發(fā)送播種轉(zhuǎn)速指令，Rawson 播種單體驅(qū)動(dòng)模塊接收指令后，控制排種電機(jī)實(shí)施播種作業(yè)。

國內(nèi)在播種狀態(tài)監(jiān)測(cè)方面的研究比較成熟，多數(shù)采用的是光電監(jiān)測(cè)的方法[8-16]，而在電動(dòng)播種作業(yè)方面的研究起步較晚，目前多處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。李劍峰等[17]研究的小麥播種機(jī)變量控制系統(tǒng)能夠完成變量播種，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與處理，完成排種器轉(zhuǎn)速的控制，在轉(zhuǎn)速控制精度上有待提高。張國梁等[18]研究了播種機(jī)變量控制系統(tǒng)，電腦通過RS232通信將播種參數(shù)傳送給單片機(jī)，并通過反射式光電傳感器檢測(cè)播種機(jī)的作業(yè)速度，單片機(jī)根據(jù)播種參數(shù)與作業(yè)速度調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)變量播種。婁秀華[19]研制的一種以單片機(jī)為核心的播種智能控制器，提前給單片機(jī)輸入地塊需要的播量，控制器計(jì)算出排種器轉(zhuǎn)速與播種機(jī)前進(jìn)速度之間的函數(shù)關(guān)系式，根據(jù)測(cè)量的機(jī)車作業(yè)速度對(duì)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，減少了地輪打滑對(duì)播種質(zhì)量的影響，提高了播種均勻性。趙雪等[20]研究的氣吸式玉米播種智能電控系統(tǒng)，以工控機(jī)為核心，單片機(jī)為控制器，根據(jù)機(jī)車速度實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)排種直流電機(jī)，實(shí)現(xiàn)變量播種。

綜上所述，國外的電動(dòng)播種控制系統(tǒng)技術(shù)成熟，但引進(jìn)成本高，而且適用性上有偏差，國內(nèi)目前有少量引進(jìn)，但功能不能全部適用，性價(jià)比降低。國內(nèi)的研究主要是針對(duì)由機(jī)車牽引的多行作業(yè)機(jī)具的自動(dòng)化問題，對(duì)于南方小地塊的單行作業(yè)機(jī)具應(yīng)用，具有局限性，而且牽引機(jī)車的作業(yè)不便，未能解決。因此，課題組提出了一種交流電機(jī)作為機(jī)具行進(jìn)動(dòng)力源、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)排種器的單行電動(dòng)播種機(jī)的方案，通過試驗(yàn)證明，其作業(yè)效果較好。

1 單行電動(dòng)播種機(jī)的總體結(jié)構(gòu)及原理

單行電動(dòng)播種機(jī)結(jié)構(gòu)及實(shí)物如圖1 所示。系統(tǒng)包括了機(jī)具部分和動(dòng)力源部分。機(jī)具部分有開溝器、覆土器、行走輪、排種器、液肥罐以及播種監(jiān)控系統(tǒng)等；動(dòng)力源部分包括牽引電機(jī)、卷盤、行走導(dǎo)軌及電機(jī)控制系統(tǒng)等。動(dòng)力源部分安裝在作業(yè)地塊兩端的工字鋼上，可以移動(dòng)，由兩端的牽引電機(jī)作為機(jī)具動(dòng)力源，一放一收，通過卷盤和鋼絲牽引機(jī)具移動(dòng)，整個(gè)機(jī)具四角下安裝有萬向輪，為保證其行走軌跡不發(fā)生偏移，要求釋放鋼絲電機(jī)和收卷鋼絲電機(jī)要同步，保持機(jī)具前后受到一定的牽引力，才能保證其直線行走軌跡。根據(jù)南方作業(yè)地塊特點(diǎn)，鋼絲長度定為100 m，采用單相交流電機(jī)帶動(dòng)卷盤，卷盤通過鋼絲牽引機(jī)具做直線運(yùn)動(dòng)，卷盤收放速度為12 m·min-1，作業(yè)速度小于1 km·h-1。

排種器選用的是毛刷式大豆、玉米排種器，排種器受同軸直流電機(jī)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)，播種控制系統(tǒng)通過一個(gè)專用的測(cè)速輪采集機(jī)具作業(yè)速度，根據(jù)機(jī)具速度調(diào)節(jié)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速，使播種株距達(dá)到要求，每次到達(dá)地頭，機(jī)具需要橫向移動(dòng)一條作業(yè)帶時(shí)，測(cè)速輪抬起鎖住，以免誤認(rèn)為是機(jī)具處于作業(yè)狀態(tài)。

圖1 單行電動(dòng)播種機(jī)結(jié)構(gòu)框圖及機(jī)具實(shí)物圖Fig.1 The structure diagram of single-row motor-driven seeder

2 電動(dòng)播種監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電動(dòng)播種監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。系統(tǒng)包括微處理器、作業(yè)速度傳感器、作業(yè)工況傳感器、作物類型選擇輸入、步進(jìn)電機(jī)控制電路、聲光報(bào)警電路等。

控制單片機(jī)根據(jù)作業(yè)速度傳感器或者GPS 模塊獲取的機(jī)具速度，通過驅(qū)動(dòng)電路實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)排種電機(jī)轉(zhuǎn)速，在播種起始和結(jié)束時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化較大，正常播種時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化較小，同時(shí)，監(jiān)測(cè)單片機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)視導(dǎo)種管中種子下落情況，一旦發(fā)生異常，立刻驅(qū)動(dòng)聲光報(bào)警電路，同時(shí)通知控制單片機(jī)停止播種作業(yè)。

圖2 電動(dòng)播種監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The schematic diagram of motor-driven seeder control system

根據(jù)排種器選擇合適的電機(jī)是保證播種合格率的重要因素。結(jié)合系統(tǒng)重量、體積、成本等因素考慮，系統(tǒng)選用了哈爾濱雙福農(nóng)機(jī)公司生產(chǎn)的毛刷式排種器，玉米盤型孔數(shù)為15，省去了風(fēng)機(jī)的成本，降低整機(jī)重量和功耗。為確定排種器轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩，將排種器中充滿實(shí)驗(yàn)玉米種子，采用精度為0.1 N.m、量程為0~135 N.m 的開拓扭力測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)量，得到扭矩為4.5 N.m，考慮到排種過程可能會(huì)存在卡種等情況，驅(qū)動(dòng)扭矩至少為轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩的2 倍。根據(jù)需求和現(xiàn)場(chǎng)條件，作業(yè)速度需控制在1 km·h-1以下，機(jī)架下四個(gè)萬向輪輪徑為200 mm，株距為250 mm，根據(jù)表達(dá)式（1），計(jì)算最大轉(zhuǎn)速為4.45 rpm。

式中，n 為轉(zhuǎn)速（rpm），v 為機(jī)具前進(jìn)速度（km·h-1），k 為排種盤的型孔數(shù)，s 為株距（m）。該排種器要求驅(qū)動(dòng)電機(jī)應(yīng)具有低轉(zhuǎn)速、大扭矩的特點(diǎn)。如果采用普通的775 型直流減速電機(jī)，雖然功耗低，但是在低速下電機(jī)抖動(dòng)，并且一旦卡種，電機(jī)就會(huì)損壞。因此，系統(tǒng)選用了57 步進(jìn)電機(jī)配二級(jí)減速器的方法，輸出扭矩最大可以達(dá)到30 N.m，步距角1.8 °，電源范圍24~48 VDC，實(shí)驗(yàn)測(cè)試，低速下電機(jī)無抖動(dòng)。

準(zhǔn)確獲得機(jī)具的實(shí)時(shí)速度，根據(jù)行進(jìn)速度及時(shí)調(diào)節(jié)排種電機(jī)的轉(zhuǎn)速，是保證合格粒距的重要前提。因此，設(shè)計(jì)了兩套測(cè)速裝置。一是預(yù)留的GPS 模塊接口，在沒有差分基站和低速作業(yè)的情況下，GPS 模塊輸出速度波動(dòng)大，無法作為電機(jī)調(diào)速依據(jù)，如果當(dāng)?shù)鼐邆淞瞬罘只荆梢岳肎PS 模塊獲取準(zhǔn)確的作業(yè)速度和位置信息，用于統(tǒng)計(jì)作業(yè)量等信息。二是在機(jī)具上裝配了一個(gè)可伸縮的測(cè)速膠輪，直徑200 mm，可根據(jù)機(jī)具運(yùn)動(dòng)方向調(diào)節(jié)其升降，通過安裝在測(cè)速輪上的光電碼盤，碼元數(shù)為200，實(shí)時(shí)采集機(jī)具前進(jìn)速度；微處理器根據(jù)獲得的脈沖數(shù)，由表達(dá)式（2）計(jì)算出機(jī)具速度：

式中，v 為機(jī)具作業(yè)速度m·s-1，N 為編碼器輸出的脈沖數(shù)，d 為測(cè)速地輪直徑mm，K 為光電碼盤碼元數(shù)，t 為采集周期s。由于測(cè)速地輪存在打滑現(xiàn)象，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)土質(zhì)，將表達(dá)式（2）計(jì)算的速度乘以打滑率0.9，該系數(shù)可根據(jù)土質(zhì)條件進(jìn)行修改。微處理器根據(jù)作業(yè)速度計(jì)算出當(dāng)前排種器的理論轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)步進(jìn)脈沖，使排種器達(dá)到理論轉(zhuǎn)速，保證播種株距。

由于播種作物可以是玉米和大豆，通過兩位開關(guān)作為作物類型輸入選擇，以便于根據(jù)播種株距計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速。為防止出現(xiàn)漏播情況，采用工況監(jiān)測(cè)傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)導(dǎo)種筒中種子流運(yùn)動(dòng)情況，一旦發(fā)生漏播，驅(qū)動(dòng)警示燈，發(fā)出聲光報(bào)警信息。避免電線過長、干擾機(jī)械運(yùn)動(dòng)，播種監(jiān)控系統(tǒng)電源采用36 V 100 AH的鋰電池供電，充滿電為42 V，完全能夠滿足一天的作業(yè)用電量。

3 電動(dòng)播種監(jiān)控系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

電動(dòng)播種監(jiān)控系統(tǒng)是由三個(gè)微處理器單元構(gòu)成的集散控制系統(tǒng)，微處理器均采用STC15W401，具有一個(gè)串口、兩個(gè)定時(shí)器，程序存儲(chǔ)器1KB，SRAM 容量256 B，2.4～5.5 V 的寬電源電壓范圍，在蓄電池供電情況下，也能穩(wěn)定工作。微處理器1 的部分電路如圖3 所示，主要完成與GPS 模塊的通信，GPS 模塊采用的是GS-216，每秒傳輸一次位置坐標(biāo)和速度信息，價(jià)格低，但是精度不高，尤其是速度采集誤差較大，需要建立差分基站，以提高定位和速度精度，微處理器1 通過MAX232 與GPS 模塊通信，獲取速度信息后，通過SPI 接口，將速度信息傳輸給微處理器2 和微處理器3。

圖3 微處理器1 與GPS 模塊接口電路Fig.3 The interface circuit of MCU 1# with GPS module

微處理器2 為整個(gè)系統(tǒng)的核心，它完成采集機(jī)具速度、排種器速度控制和電池電壓監(jiān)測(cè)等功能，部分電路如圖4 所示。由于試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)無差分基站，GPS模塊采集的速度誤差相對(duì)較大，因此，利用安裝在測(cè)速輪上的光電碼盤測(cè)量機(jī)具速度，利用單片機(jī)的兩個(gè)16 位定時(shí)器，累計(jì)相鄰兩個(gè)脈沖間隔時(shí)間，根據(jù)表達(dá)式（2），計(jì)算機(jī)具行進(jìn)速度。根據(jù)機(jī)具速度、作物類型和株距要求，使用表達(dá)式（1）計(jì)算得到電機(jī)理論轉(zhuǎn)速，利用1 個(gè)16 位定時(shí)器和1 個(gè)I/O 口產(chǎn)生所需步進(jìn)脈沖，控制排種器的轉(zhuǎn)速，使其達(dá)到播種株距要求。由于播種控制系統(tǒng)采用鋰電池供電，需要保證鋰電池不能虧電而影響播種作業(yè)，同時(shí)避免其過放電，縮短電池壽命，因此，采用DSC_CN302 監(jiān)測(cè)鋰電池電壓，CN302 是一款可調(diào)整遲滯的低功耗電壓檢測(cè)集成電路，如果FTH 管腳電壓低于CN302 下行閾值，在短暫延時(shí)（典型值13 μs）后，5 腳輸出低電平，CN302 特別適合檢測(cè)單節(jié)或多節(jié)鋰離子電池；通過其外圍的三個(gè)電阻匹配，構(gòu)成其上行和下行閾值，即可完成鋰電池電壓監(jiān)測(cè)。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，當(dāng)電池電壓低于31 V 時(shí)，5 腳輸出低電平，引起微處理器2 產(chǎn)生外部中斷，微處理器2 點(diǎn)亮電量指示燈，提示操作人員注意。

圖4 微處理器2 與電池電量監(jiān)測(cè)電路圖Fig.4 The circuit of MCU 2# and battery level monitor

微處理器3 主要完成播種狀況監(jiān)測(cè)功能，當(dāng)收到機(jī)具工作信息時(shí)，開始循環(huán)檢測(cè)種管中種子流情況，一旦發(fā)生堵塞或者排空，立即啟動(dòng)24 V 高分貝旋轉(zhuǎn)式聲光報(bào)警器工作，并將故障信息發(fā)送給微處理器2。

4 電動(dòng)播種監(jiān)控系統(tǒng)軟件流程

電動(dòng)播種監(jiān)控系統(tǒng)微處理器2 的軟件流程如圖5 所示。系統(tǒng)開機(jī)后，單片機(jī)上電初始化，讀取播種作物類型，檢測(cè)機(jī)具是否運(yùn)動(dòng)，如果未做移動(dòng)，則處于待機(jī)狀態(tài)，如果機(jī)具移動(dòng)，則判定為機(jī)具開始工作，獲取機(jī)具速度信息，并將開始工作信息發(fā)送給微處理器3，使其開始檢測(cè)種管中種子流情況，根據(jù)獲取的速度信息和作物類型信息，確定排種器當(dāng)前的理論轉(zhuǎn)速，輸出轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)脈沖，一旦微處理器3 監(jiān)測(cè)到播種異常信息，立即向微處理器2 發(fā)出報(bào)警信息，并發(fā)出聲光報(bào)警，微處理器2 停止電機(jī)工作，直到機(jī)具再次移動(dòng)，恢復(fù)正常工作狀態(tài)。三個(gè)微處理器之間采用SPI 通信，利用中斷方式工作，提高每個(gè)單片機(jī)的工作效率。電池電量監(jiān)測(cè)采用的是外部中斷方式，一旦電池電壓低于31 V，在微處理器2 的外部中斷引腳產(chǎn)生低電平，觸發(fā)中斷，在中斷處理中，點(diǎn)亮低電量指示燈。

圖5 微處理器2 軟件流程Fig.5 The software flowchart of MCU 2#

5 系統(tǒng)試驗(yàn)

系統(tǒng)性能試驗(yàn)于2018 年7 月在黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)土槽實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，2019 年5 月于湛江市熱帶植物研究所完成了田間試驗(yàn)。試驗(yàn)作物為千粒質(zhì)量為313.8 g 的德美亞1 號(hào)玉米種子，株距設(shè)定為250 mm，測(cè)速輪直徑200 mm，作業(yè)距離為50 m，作業(yè)速度小于1 km·h-1，主要進(jìn)行了株距合格率、重播率和漏播率測(cè)試，檢驗(yàn)電動(dòng)播種是否滿足國標(biāo)要求，株距檢驗(yàn)使用量程30 cm、精度1 mm 的鋼尺，人工數(shù)種校對(duì)。進(jìn)行了20 組實(shí)驗(yàn)，重復(fù)5 次。統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果如表1 所示。

表1 播種均勻性測(cè)試Table 1 Uniformity test of the seeder

國家在《JB/T10293-2001 單粒（精密）播種機(jī)技術(shù)條件》對(duì)精密播種機(jī)要求的作業(yè)指標(biāo)中規(guī)定：當(dāng)株距≥20 cm 時(shí)，精密播種機(jī)作業(yè)性能指標(biāo)應(yīng)達(dá)到粒距合格指數(shù)≥80%，重播指數(shù)≤15%，漏播指數(shù)≤8%。表1 中結(jié)果表明，單行電動(dòng)播種機(jī)各項(xiàng)指標(biāo)符合上述規(guī)定，試驗(yàn)中重播指數(shù)較高的原因是：種子篩選不嚴(yán)格，導(dǎo)致小粒種子在同穴重復(fù)下落。漏播指數(shù)較高的原因是：在部分地塊不平整，機(jī)具速度有突變，排種電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)延遲，導(dǎo)致出現(xiàn)漏播。另外，機(jī)具在啟動(dòng)和停止階段，速度變化較為劇烈，造成排種器速度不能及時(shí)跟隨機(jī)具速度，從而引起作業(yè)地塊兩端的株距合格率降低。因此，針對(duì)速度突變情況，如何調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速仍需深入研究。

作業(yè)狀況監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，通過人為設(shè)置排種管堵塞或排空故障，檢查響應(yīng)時(shí)間和誤報(bào)警情況。進(jìn)行了10組試驗(yàn)，分別設(shè)置在作業(yè)地塊的起始段、中間段和停止段，觀察其報(bào)警正確率、報(bào)警響應(yīng)時(shí)間、排種電機(jī)是否停轉(zhuǎn)、是否正常啟動(dòng)工作等。通過試驗(yàn)得到，誤報(bào)警率達(dá)到2%，報(bào)警響應(yīng)時(shí)間＜0.3 s，每次故障時(shí)排種電機(jī)都能正常停止，當(dāng)機(jī)具再次移動(dòng)時(shí)，能夠正常轉(zhuǎn)動(dòng)。誤報(bào)警率高的原因在于：毛刷排種器經(jīng)過了改造，轉(zhuǎn)動(dòng)不順暢，導(dǎo)致電機(jī)偶爾出現(xiàn)脈動(dòng)，對(duì)種管監(jiān)測(cè)探頭形成干擾，需要提高其抗干擾能力。

6 結(jié)論

針對(duì)南方小地塊作業(yè)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種全電驅(qū)動(dòng)的單行玉米播種機(jī)，由交流電機(jī)作為動(dòng)力源，帶動(dòng)排種單體移動(dòng)，采用直流電機(jī)作為排種器動(dòng)力源，去除鏈傳動(dòng)，減輕作業(yè)負(fù)荷，對(duì)種管工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)施監(jiān)測(cè)，避免出現(xiàn)漏播、斷條情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，播種株距合格指數(shù)＞95.3%，重播指數(shù)＜3%，漏播指數(shù)＜2.7%，滿足國標(biāo)要求，誤報(bào)警率2%，響應(yīng)時(shí)間＜0.3 s。該套機(jī)具及控制系統(tǒng)能夠大大減輕小地塊作業(yè)對(duì)機(jī)車的要求，減少人力投入，提高作業(yè)效率。當(dāng)然，系統(tǒng)在隨動(dòng)控制和誤報(bào)警率方面，有待于進(jìn)一步提高。