油菜精量聯(lián)合直播機隨速播種控制系統(tǒng)設(shè)計與試驗

廖慶喜 吳 崇 張青松 王寶山 杜文斌 王 磊

(1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 武漢 430070； 2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點實驗室， 武漢 430070)

0 引言

油菜精量播種技術(shù)具有節(jié)種、省工和增效等優(yōu)點，已成為油菜機械化播種的主要發(fā)展趨勢，其核心是根據(jù)農(nóng)藝要求提供均勻的種子流，為種子發(fā)芽、光水肥氣充分利用提供良好條件[1-3]。

國內(nèi)外對精量播種技術(shù)的研究主要集中在排種器的結(jié)構(gòu)設(shè)計和參數(shù)優(yōu)化[4-5]，目前有多種性能穩(wěn)定、播種精度高的排種器在生產(chǎn)實踐中應(yīng)用[6-7]。傳統(tǒng)油菜播種機多采用地輪驅(qū)動排種器，搭配手動變速箱調(diào)節(jié)播量及播種粒距[8-9]，但由于田間工況復(fù)雜、機具工作振動大，高速作業(yè)時易出現(xiàn)地輪打滑、懸空，鏈條跳動等現(xiàn)象，對播種質(zhì)量有較大影響[10-14]。且通過手動變速箱調(diào)節(jié)播量，使播量僅能在固定擋位調(diào)節(jié)，難以滿足不同種植農(nóng)藝要求及作業(yè)速度下對播量精準調(diào)控的要求。

為實現(xiàn)高速精量播種與播量精準調(diào)節(jié)，學(xué)者對排種器的驅(qū)動及測速方式進行了廣泛研究[15-17]。多采用電驅(qū)動，地輪編碼器[18-19]、衛(wèi)星定位模塊[20]或地速雷達等方式測速，實際應(yīng)用中各種測速方式的適宜測速區(qū)間具有明顯差異，無法保證不同工況及不同速度下的測速準確性。

針對以上問題，本文設(shè)計一種基于地輪編碼器和北斗信號接收器(簡稱北斗接收器)兩種測速方式的隨速播種控制系統(tǒng)。以2BFQ系列油菜精量聯(lián)合直播機為平臺，搭載不同類型排種器，通過微信小程序[21]設(shè)置播種作業(yè)參數(shù)并顯示系統(tǒng)作業(yè)信息，利用差壓變送器獲取負壓輸送頭處實時負壓以判斷吸附種子狀態(tài)，STM32主控器自動選擇速度源，生成電機控制指令并驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動，滿足隨速精量播種要求，為油菜播種機隨速控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計和工作原理

油菜隨速播種控制系統(tǒng)主要由STM32主控器、藍牙模塊、微信小程序交互端、北斗接收器、地輪編碼器、差壓變送器及驅(qū)動模塊等組成，其整機結(jié)構(gòu)如圖1所示，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 整機結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural diagram of whole machine1.地輪編碼器 2.差壓變送器及負壓輸送頭 3.48V轉(zhuǎn)24V模塊 4.步進電機驅(qū)動器 5.主控器 6.48V電源 7.北斗接收器 8.5V USB供電模塊 9.藍牙模塊 10.排種驅(qū)動模塊

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Structural diagram of control system

系統(tǒng)初始工作時，藍牙模塊進入透傳模式使主控器與小程序建立連接，用戶通過微信小程序設(shè)置播種參數(shù)信息，地輪編碼器、北斗接收器及差壓變送器同時進入工作狀態(tài)，主控器最先讀取差壓變送器的負壓信號，若負壓達到吸附種子臨界負壓則開展播種作業(yè)，打開電機使能開關(guān)，讀取地輪編碼器和北斗接收器的速度信號，根據(jù)速度信號與設(shè)定好的參數(shù)信息生成電機控制指令，使STM32的定時器通過PWM模式產(chǎn)生目標頻率的脈沖，脈沖進入電機驅(qū)動器經(jīng)過電流環(huán)和速度環(huán)等PID運算，控制步進電機快速響應(yīng)，以目標轉(zhuǎn)速驅(qū)動排種軸轉(zhuǎn)動。拖拉機變速工作時，主控器自動選擇地輪編碼器與北斗接收器中較準確的速度源以驅(qū)動電機。若負壓輸送頭處負壓未達到臨界負壓，則主控器停止發(fā)送電機驅(qū)動脈沖，停止讀取速度信號，并持續(xù)監(jiān)測和判斷負壓值，實現(xiàn)隨拖拉機前進速度調(diào)整排種軸轉(zhuǎn)速，達到精量播種的目的。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 信號處理模塊

主控器選用意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的基于ARMv7架構(gòu)的32位Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103VET6單片機。該單片機擁有512K flash、64K SRAM，最高運行頻率72 MHz；同時擁有多路模數(shù)轉(zhuǎn)換器、定時器及通信接口，可以滿足高性能、低功耗及低成本的設(shè)計要求。

2.2 信號采集模塊

2BFQ系列油菜精量聯(lián)合直播機搭載一器雙行正負氣壓組合式精量排種器，為獲取播種作業(yè)狀態(tài)，采用佛山一眾傳感儀器有限公司生產(chǎn)的YZ1301型差壓變送器采集負壓輸送頭負壓。

地輪編碼器采用歐姆龍自動化有限公司生產(chǎn)的E6B2 CEZ1X型旋轉(zhuǎn)增量編碼器[22]。

北斗接收器采用杭州中科微電子有限公司生產(chǎn)的ATGM332D型北斗定位模塊。

系統(tǒng)采用智能手機作為人機交互設(shè)備，通過藍牙(HC-08型)與主控器搭建信息通路。

2.3 排種器驅(qū)動模塊

電機是排種器驅(qū)動模塊的核心工作部件，目前常用于電驅(qū)排種的為直流無刷電機[14]。相較于直流無刷電機，閉環(huán)步進電機內(nèi)置加減速算法，低頻特性良好、控制簡單、精度高、響應(yīng)快、無累積誤差、具有1.5倍過載能力，能夠適配常見油菜精量排種器10～60 r/min的轉(zhuǎn)速范圍，滿足隨速播種時頻繁調(diào)速要求，提高播種精度。

排種器驅(qū)動模塊主要由步進電機及減速器、步進電機驅(qū)動器、傳動通軸、鏈輪及鏈條組成，以驅(qū)動一器雙行正負氣壓組合式油菜精量排種器為例，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 排種器驅(qū)動模塊Fig.3 Seed metering device drive module1.86HBS120型步進電機 2.行星減速器 3.十字萬向節(jié)聯(lián)軸器 4.一器雙行正負氣壓組合式油菜精量排種器 5.傳動通軸 6.1∶1傳動鏈

2BFQ系列油菜精量直播機設(shè)計播量為2 250～3 750 g/hm2，播種粒距為30～80 mm[23]，排種盤型孔數(shù)為50，取目標播種粒距為50 mm，為達到12 km/h的作業(yè)速度，則排種盤轉(zhuǎn)速需為80 r/min。根據(jù)最大作業(yè)速度和株距要求，選擇減速器傳動比為10，則步進電機驅(qū)動扭矩[24]為

(1)

式中M1——電機驅(qū)動扭矩，N·m

K——電機安全系數(shù)，取2

M2——作業(yè)時排種軸最大負荷，N·m

μ1——鏈輪傳動比，取1

μ2——減速器傳動比，取10

利用蕪湖艾瑞特機電設(shè)備有限公司ATRITER BME-006型數(shù)顯力矩扳手測得排種軸的啟動扭矩為9.8 N·m，平穩(wěn)轉(zhuǎn)動扭矩為7.4 N·m。由式(1)計算得電機驅(qū)動扭矩為1.48 N·m，選用杭州步科機電有限公司生產(chǎn)的86HBS120型步進電機，在800 r/min時仍可保持3.1 N·m的扭矩，滿足作業(yè)要求；選用步科HBS860H型閉環(huán)步進電機驅(qū)動器，該驅(qū)動器可實現(xiàn)電機的速度環(huán)、電流環(huán)、位置環(huán)的三環(huán)控制，系統(tǒng)控制響應(yīng)快、精度高。

2.4 硬件系統(tǒng)電路

差壓變送器接24 V電源，信號輸出線經(jīng)降壓后連接主控器PC3引腳，通過ADC(模數(shù)轉(zhuǎn)換器)獲取輸入電壓，進而轉(zhuǎn)化為風(fēng)壓信號；藍牙模塊與北斗接收器由主控器供電，分別通過UART4(串口4)和USART2(串口2)與主控器進行數(shù)據(jù)交互；步進電機驅(qū)動器接48 V電源，PULL+接主控器PA11引腳，主控器的TIM1在輸出比較模式下通過PA11向驅(qū)動器傳輸脈沖驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本控制系統(tǒng)的軟件主要由主控端硬件驅(qū)動程序和交互端微信小程序組成。主控端硬件驅(qū)動程序基于Keil uVision5開發(fā)，采用C語言編程。交互端微信交互小程序基于微信開發(fā)者程序進行開發(fā)，采用JavaScript語言編程。

3.1 主控端硬件驅(qū)動程序

主控端硬件驅(qū)動程序的主要功能是與交互端進行信息收發(fā)同時接收各傳感器信號進行分析計算，并通過定時器輸出電機控制信號，其整體流程如圖4所示。系統(tǒng)與交互端保持通信，監(jiān)聽控制參數(shù)的更新，同時根據(jù)各傳感器信息、交互端控制參數(shù)等計算出電機控制指令，生成特定頻率的PWM波實時控制電機轉(zhuǎn)速。

圖4 主控端整體流程圖Fig.4 Program flow chart of overall control system

3.1.1藍牙模塊配置

使用AT指令將藍牙模塊配置為從機模式，此模式下可被上位機搜索和連接；為了保證田間惡劣工況下的連接穩(wěn)定性及傳輸距離，將波特率配置為9 600 b/s；主控器供電后，藍牙模塊進入透傳模式。

3.1.2負壓信號獲取

差壓變送器工作時輸出的電壓與測得的負壓成正比例關(guān)系，則

AV=1.221AI

(2)

式中AV——測得的負壓，Pa

AI——輸入電壓對應(yīng)的數(shù)字量

在負壓輸送頭的基礎(chǔ)上添加3個和氣室聯(lián)通的寶塔頭，封閉其中2個寶塔頭，變送器負壓管與未封閉寶塔頭連接以獲得負壓，如圖5所示。

圖5 差壓變送器及負壓輸送頭連接方式示意圖Fig.5 Diagram of differential pressure transmitter and negative pressure delivery head connection method

利用深圳市聚茂源科技有限公司生產(chǎn)的標智GM511型手持式差壓計在臺架和田間兩種條件下測得播種機負壓輸送頭處能夠吸附種子的臨界負壓為1 477 Pa。因此當AV≥1 477 Pa時，主控器拉高電機使能，打開PWM波生成定時器進行電機控制；若AV<1 477 Pa，主控器拉低電機使能，持續(xù)讀取負壓值并與臨界負壓對比判斷。

3.1.3地輪編碼器速度獲取

地輪編碼器與地輪通過鏈傳動連接，如圖6所示。

圖6 地輪編碼器裝配圖Fig.6 Diagram of ground wheel encoder assembly

利用主控器中定時器的輸入捕獲功能對編碼器A和B兩相的脈沖信號進行采集，用兩個變量h和c分別記錄脈沖數(shù)和圈數(shù)，編碼器每產(chǎn)生4 000個脈沖定時器產(chǎn)生一次中斷，每增加一個脈沖則h+1，每產(chǎn)生一個中斷則c+1。通過另一個定時器以固定時間間隔t觸發(fā)中斷并計算此時間內(nèi)的平均速度，計算后h與c清零。則拖拉機前進速度vE為

(3)

式中vE——地輪編碼器測得機具前進速度，km/h

k——速度單位轉(zhuǎn)換系數(shù)，取277.78

μ3——地輪與編碼器傳動比，取11∶10

t——速度解算時間間隔，取0.2 s

φ——地輪直徑，取541 mm

αc——測速誤差修正系數(shù)

3.1.4北斗接收器速度獲取

ATGM332D使用NMEA0183格式[25]輸出定位的原始數(shù)據(jù)。通過中科微電子公司配套的上位機程序?qū)⒛K的接收方式設(shè)置為僅接收北斗的衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)VTG幀；設(shè)置信號更新頻率為5 Hz。VTG幀基本格式如下：

$BDVTG,Congt,T,Cogm,M,Sog,N,kph,K,mode*CS,

其中kph項為對地速度，獲取kph段數(shù)據(jù)即可獲得拖拉機實時速度vB，速度解析流程圖如圖7。

圖7 北斗速度解析程序流程圖Fig.7 Program flow chart of BDS speed analysis

3.1.5電機調(diào)速的數(shù)學(xué)模型

為實現(xiàn)隨速播種控制，需電機與拖拉機前進速度動態(tài)匹配。步進電機靠脈沖驅(qū)動，本數(shù)學(xué)模型的目的是解算出所需脈沖頻率。

脈沖頻率與拖拉機前進速度的關(guān)系式為

(4)

式中Arr——定時器重裝載值，通過TIM_SetAutoreload命令更改，以輸出目標頻率脈沖，調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速

d——目標粒距，mm

m——排種盤型孔數(shù)

H——定時器時鐘頻率，取72 MHz

P——定時器預(yù)分頻值，配置定時器時寫入

n1——驅(qū)動器細分數(shù)

n2——電機旋轉(zhuǎn)一圈所需步數(shù)，固定為200

αz——傳動誤差修正系數(shù)

v——拖拉機前進速度，km/h

3.1.6工作模式切換與控制

本系統(tǒng)有恒定轉(zhuǎn)速播種和隨速播種兩種工作模式。其中系統(tǒng)處于隨速播種模式時根據(jù)式(4)進行自動實時調(diào)速，進行隨速播種作業(yè)；系統(tǒng)處于恒定轉(zhuǎn)速播種模式時，排種器將被電機帶動以恒定轉(zhuǎn)速進行播種作業(yè)。

兩種模式間可通過微信小程序設(shè)置目標粒距功能進行切換。目標粒距為正整數(shù)時，系統(tǒng)處于隨速播種模式；目標粒距為0時，系統(tǒng)處于恒定轉(zhuǎn)速播種模式。

恒定轉(zhuǎn)速播種模式下通過微信小程序設(shè)置轉(zhuǎn)速功能可向主控器傳入目標轉(zhuǎn)速n3，主控器內(nèi)由

(5)

計算出相應(yīng)Arr，生成脈沖驅(qū)動電機以定轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動。

3.1.7隨速播種模式速度源自動切換

當系統(tǒng)處于隨速播種模式時啟動速度源自動切換控制。

北斗接收器測得速度為vB，地輪編碼器測得速度為vE，切換測速方式臨界速度為vL。速度源v選擇模式如表1。

表1 速度源切換邏輯Tab.1 Speed source switching logic

3.2 交互端微信小程序設(shè)計

3.2.1功能設(shè)計

人機交互端的主要功能是根據(jù)實際作業(yè)情況設(shè)置目標粒距、固定轉(zhuǎn)速、排種盤型孔數(shù)、機具幅寬、傳動比、地輪直徑及滑移率7個設(shè)置參數(shù)；實時顯示吸種負壓、機具前進速度、排種軸轉(zhuǎn)速、播種面積、播種量及工作模式6個顯示參數(shù)。

3.2.2軟件下載與界面設(shè)計

使用智能手機打開微信，在小程序界面搜索小程序全稱“隨速播種控制系統(tǒng)藍牙交互軟件”或簡稱“隨速控制”即可找到，點擊進入自動完成下載與安裝，如圖8所示。

圖8 小程序下載界面與運行界面Fig.8 Diagram of applet download and running interface

進入程序首先進行藍牙連接，完成后即可進行控制。

4 關(guān)鍵參數(shù)標定與數(shù)據(jù)分析

衡量本系統(tǒng)性能的主要指標是粒距合格指數(shù)，對此指標有兩個直接影響因素：測得拖拉機前進速度的準確性；電機控制精度和控制響應(yīng)時間。

4.1 拖拉機測速試驗

4.1.1地輪編碼器測速

通過地輪編碼器測速試驗，標定地輪滑移率，用于修正其直接測得的速度，并確定此種測速方式適用的速度區(qū)間。

以東方紅LX954型拖拉機為動力平臺，搭載2BFQ-6型油菜精量聯(lián)合直播機。分別以慢1、慢2、慢3、慢4、中1、中2(額定空載速度2.17～7.99 km/h)6個速度擋位前進，放下三點懸掛、地輪空載、打開PTO驅(qū)動旋耕刀以模擬實際田間工作情況，利用卷尺對拖拉機前進距離進行測量，利用地輪編碼器記錄轉(zhuǎn)動圈數(shù)并通過藍牙模塊輸出至手機，數(shù)據(jù)更新頻率為5 Hz，計算地輪上定點擺線長度與拖拉機位移之比，算得地輪滑移率。地輪滑移率計算公式為

(6)

式中s——地輪滑移率，%

L——拖拉機總位移，m

n——地輪總轉(zhuǎn)動圈數(shù)，r

試驗結(jié)果如表2。

表2 地輪編碼器測速試驗結(jié)果Tab.2 Result of land wheel encoder speed test

此種測速方式下，拖拉機在低速(1.44～3.78 km/h)前進時地輪滑移率為3.09%～5.90%，且隨著速度的增大，滑移率沒有明顯增加；中高速(4.76～7.99 km/h)前進時滑移率為9.56%～20.05%，且隨著速度的增大，滑移率不斷增大。

引入測速誤差修正系數(shù)αc對測得的速度進行修正，修正后的速度作為vE傳入主控器用于生成電機控制指令，則有

(7)

故地輪編碼器的適宜測速區(qū)間應(yīng)低于3.78 km/h，此時滑移率取最大值為5.90%，則αc為1.063。

4.1.2北斗接收器測速

在華中農(nóng)業(yè)大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)種植示范基地的平整直線水泥路使搭載北斗接收器的拖拉機原地靜止以及以2、3.5、4.5、6、8、10、12 km/h的速度直線前進，測定各速度下傳回的速度信息各290～750組，利用SPSS軟件分析誤差的分布規(guī)律。試驗結(jié)果如表3。

表3 北斗接收器測速數(shù)據(jù)Tab.3 Statistics of BDS receiver speed

拖拉機前進速度在3.68～12.77 km/h時，北斗接收器測速誤差為-3.24%～3.40%，且隨著速度的增大，測速誤差較為穩(wěn)定；如圖9所示，拖拉機前進速度為2.36 km/h時，北斗接收器會出現(xiàn)1～5 s的接收速度為0的情況，導(dǎo)致測得速度誤差較大，為-9.38%，并導(dǎo)致播種作業(yè)時出現(xiàn)較大面積漏播，故此種速度下不適宜采用北斗接收器測量拖拉機速度；拖拉機靜止時，測得速度恒為0。

圖9 低速時北斗速度數(shù)據(jù)分布曲線Fig.9 Diagram of BDS speed data distribution at low speed

由于北斗接收器測得速度的誤差互有正負且絕對值較小，不超過3.4%，因此不對此速度進行修正，直接將其作為vB傳入主控器用于生成電機控制指令。

4.1.3適宜測速區(qū)間

分析兩種測速方式結(jié)果可得，地輪編碼器的適宜測速區(qū)間為1.44～3.78 km/h，北斗接收器的適宜測速區(qū)間為3.68～12.77 km/h，如圖10所示。

圖10 雙模測速誤差對比Fig.10 Diagram of dual mode speed measurement error

由于地輪滑移率對土壤墑情變化極為敏感，而北斗接收器對環(huán)境變換不敏感，適用范圍較廣，故以3.7 km/h為臨界速度，即vL=3.7 km/h。

4.2 傳動系統(tǒng)控制試驗

傳動系統(tǒng)控制試驗的目的是：判斷傳動系統(tǒng)的傳動誤差并進行修正；通過確定電機響應(yīng)時間，以分析系統(tǒng)的調(diào)速頻率。

試驗采用開發(fā)板A驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)動；開發(fā)板B適配編碼器，并通過串口與計算機進行通信，傳輸實時轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)，傳輸頻率50 Hz。為模擬正常播種工作情況，將電機裝在直播機上，并打開PTO產(chǎn)生正常工作時的負壓，通過聯(lián)軸器將編碼器與傳動通軸連接，測量傳動通軸的轉(zhuǎn)速。通過開發(fā)板A的按鍵驅(qū)動電機變速；通過開發(fā)板輸入計算機顯示與記錄。

4.2.1傳動精度試驗及數(shù)據(jù)分析

表4為傳動精度試驗結(jié)果。由表可知，當理論排種速度為10.05～50.74 r/min時，實際轉(zhuǎn)速與理論轉(zhuǎn)速的平均偏差為-5.31%，則傳動誤差修正系數(shù)αz=1.056。

表4 傳動精度試驗結(jié)果Tab.4 Result of transmission accuracy test

影響傳動精度的因素有：電機自身精度、測速程序、傳動結(jié)構(gòu)。使用同一測速程序測量電機的空載轉(zhuǎn)動精度，測得轉(zhuǎn)速誤差為當前轉(zhuǎn)速的萬分之一，處于本電機25倍細分下標稱誤差0.2%內(nèi)，符合轉(zhuǎn)動精度要求，排除了電機自身精度及測速程序?qū)鲃诱`差的影響。傳動結(jié)構(gòu)部分采用了10∶1行星減速器、十字萬向節(jié)聯(lián)軸器、傳動通軸等，查閱相關(guān)文獻得知各傳動零部件均不會導(dǎo)致出現(xiàn)穩(wěn)定在-5%左右的誤差，則此穩(wěn)定誤差為系統(tǒng)誤差。如表5所示，引入修正系數(shù)αz=1.056后可將傳動系統(tǒng)誤差控制在-1%以內(nèi)，符合傳動精度要求。

表5 修正后傳動精度Tab.5 Transmission accuracy after correcting

4.2.2控制響應(yīng)時間試驗

表6為控制響應(yīng)時間試驗結(jié)果。以15 r/min為基準轉(zhuǎn)速，當速度增量為5、10、15、20、25、30、35 r/min時，響應(yīng)時間均不大于73 ms。

4.2.3電機調(diào)速頻率

電機的控制響應(yīng)時間為73 ms，則最高電機調(diào)速頻率為13.7 Hz，北斗接收器刷新信息的頻率為1～10 Hz，編碼器測速頻率可在較大范圍實現(xiàn)。

表6 控制響應(yīng)時間Tab.6 Control response time

考慮到低功耗藍牙傳輸速率較低，北斗接收器測速時間間隔越長越準確，故確定電機控制速率為5 Hz。

5 試驗

5.1 臺架試驗

5.1.1試驗方法

利用華中農(nóng)業(yè)大學(xué)JPZS-16型數(shù)字化三軸振動排種器性能測試試驗臺開展排種性能測試。利用編碼器配合跑米輪測量試驗臺傳送帶速度，作為電機控制的速度源，引出ADC信號線接不同電壓模擬實時負壓。

試驗過程中，設(shè)置目標粒距為60、80 mm共2個水平，使用同一個一器雙行正負氣壓組合式油菜精量排種器，對照組由恒定轉(zhuǎn)速的電機驅(qū)動(此恒定轉(zhuǎn)速由傳送帶速度結(jié)合目標粒距反推)，試驗組為由編碼器作為速度源的隨速播種控制系統(tǒng)，試驗具體配置如圖11所示。

圖11 臺架試驗配置圖Fig.11 Diagram of bench experiment configuration 1.200 mm跑米輪 2.編碼器 3.同步支架 4.JPZS-16型數(shù)字化三軸振動排種器性能測試試驗臺 5.ADC信號輸入線 6.藍牙模塊 7.控制板 8.脈沖發(fā)生器 9.步進電機驅(qū)動器 10.一器雙行正負氣壓組合式油菜精量排種器 11.步進電機

以傳送帶不同速度為單一變量，設(shè)置傳送帶速度為2.6、3.9、5.1、5.9、7.8 km/h共5個水平，保持試驗組與對照組正、負氣壓一致，所用電機、電源、驅(qū)動器等一致，利用排種試驗臺檢測排種性能。

5.1.2試驗結(jié)果與分析

依據(jù)NY/T 503—2015《單粒(精密)播種機作業(yè)質(zhì)量》進行數(shù)據(jù)處理與評價。臺架試驗結(jié)果如表7所示。

表7 隨速播種控制系統(tǒng)臺架試驗結(jié)果Tab.7 Bench experiment results of speed-dependent control system

5個速度水平下，目標粒距為60 mm時，試驗組的粒距合格指數(shù)均優(yōu)于對照組且均大于90%；目標粒距80 mm時，試驗組的粒距合格指數(shù)均優(yōu)于對照組且均大于92%；且速度在2.6～7.8 km/h范圍內(nèi)變化時，試驗組均自動適應(yīng)不同速度，表明隨速播種控制系統(tǒng)滿足設(shè)計要求且優(yōu)于傳統(tǒng)定轉(zhuǎn)速驅(qū)動。

5.2 田間試驗

5.2.1試驗方法

為驗證系統(tǒng)的作業(yè)效果，于2021年10月8日在華中農(nóng)業(yè)大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)種植示范基地進行油菜精量播種田間試驗。配套動力為東方紅954型拖拉機、播種油菜品種為華油雜62，使用搭載本系統(tǒng)的2BFQ系列油菜精量直播機進行播種試驗，所用排種器為一器雙行正負氣壓組合式油菜精量排種器，如圖12所示。試驗?zāi)繕肆＞酁?0 mm，速度水平設(shè)置為慢1、慢2、慢3、慢4、中2，其中慢1、慢2速度低于3.7 km/h，以地輪編碼器作為速度源，慢4、中2速度高于3.7 km/h，以北斗接收器作為速度源，慢3速度在3.7 km/h上下跳動，以兩種速度接收器作為速度源，并根據(jù)實時速度自行切換，播種作業(yè)及出苗效果如圖12a、12b所示。

為驗證隨速播種控制系統(tǒng)對其他類型排種器的適用性，于2021年9月28日開展精量穴播田間試驗。如圖12c所示，試驗地點、配套動力及油菜品種與10月8日單粒精播田間試驗一致。所用排種器改為小粒徑種子精量穴播集排器，采用光電傳感器判斷播種機進入播種位置、控制電機使能開關(guān)。

圖12 田間試驗及出苗效果Fig.12 Diagram of field experiment and sprouting consequent

5.2.2試驗結(jié)果與分析

精量播種田間試驗前，對播量進行統(tǒng)計測試，分別以慢1、慢2、慢3的前進速度進行播種，目標粒距60 mm，廂面長度54 m，統(tǒng)計6行總播量分別為30.04、30.52、30.51 g，測量得華油雜62千粒質(zhì)量為5.44 g，每行播種粒數(shù)分別為920、935、935粒。計算得54 m廂面長、60 mm粒距對應(yīng)的理論粒數(shù)為900粒，播種量誤差分別為2.26%、3.89%、3.86%，滿足精量播種播量誤差國標要求。

單粒精播田間試驗數(shù)據(jù)處理和評價依據(jù)NY/T 2709—2015《油菜播種機作業(yè)質(zhì)量》，將粒距合格率、播種均勻性變異系數(shù)作為本系統(tǒng)的性能指標。

播后30 d時，按照《油菜播種機作業(yè)質(zhì)量》要求，5種速度水平下的性能指標如表8所示?？傻贸霰鞠到y(tǒng)能夠適應(yīng)不同排種系統(tǒng)在作業(yè)速度1.44～7.99 km/h區(qū)間內(nèi)實現(xiàn)播量和粒距穩(wěn)定，且后期出苗效果良好，滿足設(shè)計要求。

表8 粒距合格率及播種均勻性變異系數(shù)試驗結(jié)果Tab.8 Statistics of qualified rate of seeding spacing and coefficient of variation of seeding uniformity

精量穴播試驗結(jié)果證明，隨速播種控制系統(tǒng)可通過微信小程序修改參數(shù)，搭配小粒徑種子精量穴播集排器進行隨速播種，具有較好的適用性。

6 結(jié)論

(1)設(shè)計了基于北斗接收器和地輪編碼器測速的油菜隨速播種控制系統(tǒng)，標定了吸附種子臨界負壓、電機調(diào)速頻率、地輪編碼器與北斗接收器兩種測速方式不同速度下的測速誤差。試驗結(jié)果表明吸附種子臨界負壓為1 477 Pa；電機調(diào)速頻率為5 Hz；地輪編碼器在1.44～3.78 km/h時，滑移率最大為5.90%，速度修正系數(shù)為1.063；北斗接收器在3.67～12.77 km/h時速度誤差為-3.24%～3.4%；兩種測速方式的速度源切換臨界速度為3.7 km/h。

(2)油菜隨速播種控制系統(tǒng)播種與定轉(zhuǎn)速播種的臺架對比試驗結(jié)果表明：本系統(tǒng)播種粒距合格指數(shù)高于定轉(zhuǎn)速播種，且播種速度在2.6～7.8 km/h內(nèi)變化時，本系統(tǒng)均可自動適應(yīng)速度變化控制播種粒距。

(3)開展了以油菜隨速播種控制系統(tǒng)驅(qū)動小粒徑種子精量穴播集排器和一器雙行正負氣壓組合式油菜精量排種器播種的田間試驗，試驗結(jié)果表明，本系統(tǒng)可適用于不同排種器，滿足作業(yè)速度1.44～7.99 km/h時隨速播種要求，且播量和粒距穩(wěn)定，出苗效果良好，滿足設(shè)計要求。