加速補種的馬鈴薯播種機控制系統(tǒng)研發(fā)

官洪民，李 娟，王鐵偉

(青島農(nóng)業(yè)大學機電工程學院，山東 青島 266109)

0 引言

馬鈴薯是國家糧食安全戰(zhàn)略作物之一，而馬鈴薯聯(lián)合播種裝備是馬鈴薯產(chǎn)業(yè)至關重要的環(huán)節(jié)。農(nóng)業(yè)機械化是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要標志，在鄉(xiāng)村振興中發(fā)揮著重要的裝備支撐、技術引領和勞動代替作用[1-5]。

目前，在農(nóng)業(yè)播種過程中，排種器漏播實時檢測方法方面的研究已經(jīng)取得諸多成果，在自動補種方面也有一定研究[6-13]。這些研究主要是針對玉米、蔬菜等小粒種子的排種系統(tǒng)，其與馬鈴薯排種系統(tǒng)結(jié)構、工作原理差異較大。

馬鈴薯播種由于大部分是切塊種植，薯塊形狀、大小不一，使得種勺取種困難，容易產(chǎn)生漏種現(xiàn)象。通過機械結(jié)構和作業(yè)參數(shù)的優(yōu)化設計，可以降低漏播率，但改進后的排種器仍有7%左右的漏播率[14-15]。針對這些問題，曹東[16]提出了漏播檢測預警的辦法。張曉東等[17]采用光電對輸種管的薯種流動進行檢測，但檢測的是薯種流動規(guī)律，存在著當播種機前進速度變化時，這一規(guī)律就會破壞的問題，從而對漏播有一定的影響。孫偉等[18]利用光電、霍爾傳感器檢測薯種，但其是通過增加補種裝置的方式解決漏播的問題。孫傳祝等[19]根據(jù)液壓馬達轉(zhuǎn)速、播種機播種速度及播種株距3者之間關系建立播種株距控制系統(tǒng)，以減小漏播率，但若有漏播無法補種。樊婧婧等[20]介紹了以PLC、霍爾傳感器組成的播種控制系統(tǒng)。楊浩等[21]總結(jié)了我國馬鈴薯精密播種技術存在的不足，并提出相應的解決對策。

針對上述存在的問題，研發(fā)一種由光電、壓電和霍爾多種傳感器融合測量的關鍵技術和方法，以提高薯種漏播檢測精準性；設計基于單片機控制的直流電機驅(qū)動的排種器勺鏈運轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)；創(chuàng)建加速補種的控制數(shù)學模型；實現(xiàn)無需單獨增加補種裝置的集播、檢、補于一體的智能化馬鈴薯播種機設計；解決傳統(tǒng)排種器結(jié)構的復雜性、易漏種和難監(jiān)測的關鍵技術問題，保證檢測可靠性和補償準確性。

1 總體方案

播種器與傳統(tǒng)馬鈴薯播種機不同點：排種裝置采用鏈條或膠帶升運排種方式(本文采用鏈條升運排種方式)，基于單片機的馬鈴薯智能測控系統(tǒng)對直流電機驅(qū)動的排種器勺鏈運轉(zhuǎn)的控制，完成取種和排種及補種三位一體的馬鈴薯播種智能化控制。

馬鈴薯播種智能化控制系統(tǒng)以單片機為核心嵌入主控系統(tǒng)，由播種機行走速度感知、種勺運行感知、光電薯種感知、壓電薯種感知、直流電機控制部分、通訊接口和觸摸屏等部分構成，如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)原理Fig.1 Principle of control system

1.1 傳感器布局

薯種檢測是由霍爾、光電和壓電傳感器相互融合，組成多級檢測，從而提高檢測的靈敏度?；魻?、光電和壓電傳感器的安裝結(jié)構如圖2所示。

霍爾傳感器在光電傳感器下方安裝，光電傳感器設置在勺鏈兩側(cè)的機箱上。取種勺的上沿設置有缺口，壓電傳感器固定設置在機箱上且與取種勺缺口相對應，取種勺的側(cè)面中心位置處設置有磁性金屬片?；魻杺鞲衅鞴潭ㄔO置在機箱上且某一時刻與取種勺上的磁性金屬片相對應。光電傳感器和壓電傳感器前后在同一水平面上，勺鏈帶動取種勺上下順循環(huán)運動，在某一時刻，光電傳感器與薯種對齊、霍爾傳感器與取種勺對齊，壓電傳感器在某一時刻位于取種勺的缺口處，以感知薯種的壓力。

1.光電傳感器 2.取種勺 3.種勺缺口 4.勺鏈 5.磁性金屬片 6.霍爾傳感器 7.壓電傳感器圖2 傳感器布局結(jié)構和實物Fig.2 Sensor layout structure and physical object

1.2 檢測與補種工作原理

由于薯種的不規(guī)則性，僅用一種傳感器難以精準判斷它是否存在，所以同時采用不同傳感器對薯種進行多重檢測，將檢測信號送入控制器進行處理。只有當霍爾傳感器檢測到種勺時，光電及壓電傳感器信號才起作用，即只有當霍爾輸出為“1”情況下，光電及壓電傳感器二者輸出信號進行邏輯“或”運算，若為“1”，即光電及壓電傳感器信號任意一個為“1”時，說明正常不缺種；光電及壓電傳感器信號都為“0”時，則為缺種。其中霍爾傳感器有雙重作用，除上述作用外，另一作用是記錄缺種種勺的數(shù)量，便于及時發(fā)出補種信號命令。當判別是缺種時，計數(shù)器開始工作，當霍爾傳感器計數(shù)值P≥A-1(A-1為排鐘時刻，A為缺種的種勺到背面下端排種位置種勺的個數(shù)，本文播種機A=10)，發(fā)出補種命令使相應驅(qū)動直流電機加速運行，將缺種鏈勺快速略過，即將下一個鏈勺上的薯種取代缺種并快速排入溝槽中，完成檢測、補種的過程。

1.3 加速補種數(shù)學模型建立

基于直流電機驅(qū)動排種器的關鍵技術，確定電機驅(qū)動速度與地輪速度相互協(xié)調(diào)的自適應控制關系，建立相互作用的數(shù)學模型，推導出下列公式

(1)

式中S——株距，mm

L——兩鏈勺距離，mm

V排——勺鏈線速度，mm/s

V地——地輪速度，mm/s

加速補種是當檢測該勺無種時，在該勺需排種的前一時刻，系統(tǒng)加速該勺使下一勺種補上該位置的播種。該控制系統(tǒng)包括缺種判斷模塊、補種計數(shù)模塊及速度控制模塊，智能控制器接收漏播檢測傳感器及霍爾傳感器檢測信號后，由缺種判斷模塊判斷取種勺是否缺種，若缺種，則結(jié)合霍爾傳感器由補種計數(shù)模塊進行計數(shù)。設當前缺種位置與排種位置之間有A個取種勺，則當補種計數(shù)模塊計數(shù)為A-1時，由速度控制模塊控制排種的直流電機加速，越過當前缺種勺，從而由下一個有種的取種勺對當前缺種位置進行補種。

裝置底輪直徑650 mm，直流電機驅(qū)動的播種鏈條齒輪直徑65 mm，勺距150 mm；底輪測速傳感器采用磁電式增量編碼器，分辨率4 096，即一圈輸出脈沖數(shù)為4 096，設20 ms程序檢測的編碼數(shù)為n(即脈沖數(shù))，則非缺種情況下的排種器轉(zhuǎn)速與地輪行走感知傳感器輸出脈沖的關系為(排種器轉(zhuǎn)速自適應地輪行走控制)

(2)

若缺種的情況下，加速補種時刻的排種轉(zhuǎn)速為正常播種轉(zhuǎn)速的兩倍，則加速補種時刻的轉(zhuǎn)速為

(3)

式中s——株距，mm

n——轉(zhuǎn)速，rad/min

2 控制系統(tǒng)設計

2.1 硬件設計

2.1.1 主控部分

主控系統(tǒng)以STC15系列的單片機為核心，如圖3所示。一壟兩行播種檢測需7個傳感器，它們是光電傳感器(2個)、霍爾傳感器(2個)、壓電傳感器(2個)及行走速度傳感器(1個)。速度測量傳感器選用國產(chǎn)TJK-M12型，速度測量輸入P1.0-P1.1。壓電傳感器選用DT1-28系列，經(jīng)電路處理輸入到P1.2-P1.3。WPM輸出端P3.4-P3.5，RS-485通訊接入端P3.0-P3.1、P3.3，通訊接口可接入觸摸屏。

圖3 主控電路Fig.3 Main control circuit

光電傳感器選擇日本生產(chǎn)的PR-M51系列傳感器，CM2-45P霍爾傳感器。它們輸出的均為脈沖數(shù)字量信號，采用高速光耦隔離以提高抗干擾能力，分別接入電路J2-1至J2-5，通過光耦O1-O5將信號傳入單片P2.3-P2.7，如圖4所示。

圖4 信號輸入隔離電路Fig.4 Signal input isolation circuit

2.1.2 數(shù)據(jù)存儲與信號處理電路

直流電機采用伺服控制模塊驅(qū)動，該模塊控制信號輸入電壓0～5 V，控制系統(tǒng)是由單片機P3.4與P3.5輸出兩路WPM經(jīng)U3運算放大器將處理輸出0～5 V的模擬電壓，如圖5所示。

圖5 WPM信號轉(zhuǎn)換電路Fig.5 WPM signal conversion circuit

存儲電路是由U2集成電路AT2432，32K字節(jié)的存儲空間足以滿足控制系統(tǒng)參數(shù)及數(shù)據(jù)的存儲，該電路5-6腳分別由單片機P2.0和P2.1控制讀寫，如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)存儲電路Fig.6 Data storage circuit

2.2 系統(tǒng)軟件設計

2.2.1 主程序

馬鈴薯播種機智能控制系統(tǒng)軟件主程序，主要用于完成控制系統(tǒng)各部分初始化及實現(xiàn)各功能子程序的調(diào)用，從而控制播種機正常工作。

系統(tǒng)軟件流程主要分為以下4個過程，其工作流程如圖7所示。

圖7 主程序流程Fig.7 Main program flow

(1)系統(tǒng)初始化：系統(tǒng)初始化包括定時器、看門狗、相關寄存、WPM發(fā)生器、中斷功能和通訊口等有關程序初始化，使系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)。

(2)數(shù)據(jù)采集：系統(tǒng)采集的傳感器數(shù)據(jù)經(jīng)內(nèi)部處理便于控制與顯示。

(3)數(shù)據(jù)與信息交互：系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)通過串口通訊傳到觸摸屏上顯示；通過操作觸摸屏向主控系統(tǒng)進行信息傳遞與參數(shù)設置(啟動按鈕、株距設定等參數(shù)設置)，使操作者直接觀察實時測控數(shù)據(jù)與信息交互。

(4)控制系統(tǒng)：當按下觸摸屏上的啟動按鈕時，開啟控制子程序，系統(tǒng)對測量的數(shù)據(jù)進行比較、判斷等過程處理后，做出相應的控制。

2.2.2 播種控制軟件設計

播種控制器軟件工作流程如圖8所示。

圖8 播種控制程序流程Fig.8 Seeding control program flow

(1)系統(tǒng)初始化。

(2)讀取系統(tǒng)設置值及測量數(shù)據(jù)，判斷播種機是否前進，若行進，解析控制指令，驅(qū)動播種器上的直流電機使其運行，否則直流電機停止運轉(zhuǎn)。

(3)直流電機自適應行走輪的數(shù)學模型控制。

(4)通過霍爾傳感器測量判斷運行的種勺是否經(jīng)過該傳感器，若經(jīng)過則讀取光電、壓電感知傳感器值記入，否則檢測情況不記入。

(5)根據(jù)光電及壓電傳感器二者輸出信號進行邏輯“或”運算結(jié)果判斷是否正常。

(6)若正常則系統(tǒng)轉(zhuǎn)入正常自適應控制播種，否則，轉(zhuǎn)入補種工作狀態(tài)。

(7)若轉(zhuǎn)入補種工作狀態(tài)，則系統(tǒng)計數(shù)器P，開始通過霍爾傳感器記錄勺鏈運行時種勺經(jīng)過霍爾傳感器的個數(shù)。

(8)判斷是否達到補種時刻(P≥A-1)，若沒達到，系統(tǒng)將繼續(xù)運行，若達到了，則電機加速運行補種。

(9)系統(tǒng)判斷補種是否結(jié)束，若沒結(jié)束，繼續(xù)運行，若結(jié)束了，則系統(tǒng)轉(zhuǎn)入正常自適應控制播種。

3 驗證試驗

系統(tǒng)實物如圖9所示。正交試驗方案中，播種機以2～8 km/h作業(yè)速度進行試驗，株距設定300 mm，選取每次播種過程中，一行的3個測量段進行數(shù)據(jù)采集，每段測量50個種薯的間距，共選取150個種薯進行株距測量，測量3次，計算出株距變異系數(shù)、種子漏播率等性能指標，排除誤差，取均值作為測試結(jié)果[22-23]。

圖9 系統(tǒng)實物Fig.9 System object

通過Matlab軟件對數(shù)據(jù)進行處理，得出交互作用對3個試驗指標影響的響應三維圖，如圖10～11所示。由圖10可知，當設置株距300 mm時，作業(yè)速度由2 km/h增加到10 km/h，其合格率降低2%，株距逐漸增加。由圖11可知，當設置株距300 mm時，作業(yè)速度由2 km/h增加到10 km/h，其漏播率增加0.5%，株距逐漸增加，但都符合作業(yè)要求。通過上述數(shù)據(jù)測試與分析可以看出，該機各項技術性能指標均達到了馬鈴薯播種機國家標準。

圖10 行走速度與設置株距偏離合格率Fig.10 Qualified rate of deviation between walking speed and set spacing

圖11 行走速度與設置株距對漏播率的影響Fig.11 Influence of walking speed and seed spacing on miss seeding rate

4 結(jié)束語

本文給出了行走路徑、排種和補種之間的數(shù)學模型，提出了一種基于行走感知的與排種速度匹配的單薯均勻排種與加補種技術的播種機控制系統(tǒng)方案，研發(fā)了基于單片機的播種機控制系統(tǒng)，解決了光電、壓電和霍爾傳感器融合的漏播檢測及加速補種關鍵問題。實地試驗表明，當設置株距300 mm，其作業(yè)速度在2～10 km/h范圍內(nèi)時，其平均漏播率≤1.24%，株距平均值307.5 mm。試驗結(jié)果說明所設計的馬鈴薯播種-檢測-補種一體化控制系統(tǒng)達到了預期效果，滿足馬鈴薯高效、精準和無人工輔助播種作業(yè)的需求，符合國家標準馬鈴薯播種機技術標準。