小麥免耕播種機雙導(dǎo)軌滑移式調(diào)偏系統(tǒng)設(shè)計與試驗

張振國 郭全峰 何 進 李洪文 王慶杰 曾 超

(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 北京 100083； 2.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院， 烏魯木齊 830052)

0 引言

精準對行播種作業(yè)是提升玉米根茬地小麥免耕播種質(zhì)量及產(chǎn)量的重要保障[1-3]。目前在小麥免耕播種作業(yè)過程中，受地形、土壤、玉米根茬及秸稈覆蓋等因素的影響，免耕播種機易偏離小麥規(guī)劃種植線，觸碰玉米根茬造成播種質(zhì)量下降，嚴重影響后期田間管理及收獲作業(yè)[4-6]。因此，在復(fù)雜的田間作業(yè)環(huán)境下，實時調(diào)整小麥免耕播種機的行間位置，保證播種機與玉米根茬行之間的相對位置關(guān)系，是實現(xiàn)精準對行免耕播種的關(guān)鍵。

為有效地調(diào)整小麥免耕播種機在玉米根茬行播種作業(yè)過程中產(chǎn)生的位置偏差，目前主要采用安裝導(dǎo)航的拖拉機帶動免耕播種機進行行間調(diào)偏作業(yè)。拖拉機自動導(dǎo)航技術(shù)多以GNSS、機器視覺、慣性、激光和超聲等傳感器為基礎(chǔ)[7]，控制拖拉機的行走方向，文獻[8-9]采用RTK-GPS技術(shù)來自動檢測作物種植位置，對拖拉機前進路線進行規(guī)劃。文獻[10-11]結(jié)合液壓技術(shù)與直流電機技術(shù)，研制了基于導(dǎo)航技術(shù)輔助的自動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，滿足對各種輪式農(nóng)機的自動導(dǎo)航輔助駕駛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能的要求。文獻[12-14]對拖拉機自動導(dǎo)航技術(shù)進行了研究，降低了對行作業(yè)誤差。由于田間環(huán)境復(fù)雜，拖拉機在跟蹤作物行時會產(chǎn)生航向偏差[15]，而拖拉機與機具并非剛性連接，機具對行累積誤差較大，影響對行精度。相對于拖拉機自動導(dǎo)航技術(shù)，文獻[16-18]基于機具主動對行思路，采用機器視覺、多傳感器信息融合、電機控制等技術(shù)，設(shè)計了機具導(dǎo)向裝置，以期提高對行作業(yè)精度。文獻[19-23]基于視覺伺服控制技術(shù)，設(shè)計了電驅(qū)鋤草系統(tǒng)，利用智能伺服驅(qū)動器精確控制執(zhí)行機構(gòu)進行避苗和對行。文獻[24-25]利用機械觸覺式、PLC、單片機、DSP等控制技術(shù)，研發(fā)了橫移對行系統(tǒng)，減少各種作業(yè)機具的傷苗率。文獻[26-27]基于除草機設(shè)計橫向調(diào)節(jié)執(zhí)行機構(gòu)，實現(xiàn)除草輪位置的橫向調(diào)節(jié)，提高機械除草的作業(yè)效率。結(jié)合上述研究，對于玉米茬地小麥免耕播種作業(yè)場景，相關(guān)研究學(xué)者對于機具對行技術(shù)研究較少，基于精準對行避茬的研究思路，利用北斗導(dǎo)航技術(shù)輔助定位，采用橫向移動調(diào)整機具作業(yè)偏差的方式，對小麥免耕播種調(diào)偏控制系統(tǒng)進行設(shè)計[28-29]。

為提高小麥免耕播種機避茬性能，結(jié)合華北一年兩熟區(qū)小麥免耕播種農(nóng)藝要求，設(shè)計一種雙導(dǎo)軌滑移式免耕播種機調(diào)偏系統(tǒng)。通過理論分析對雙導(dǎo)軌調(diào)偏裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)進行設(shè)計，并確定影響調(diào)偏橫移機構(gòu)提升性能與調(diào)偏性能的關(guān)鍵因素。同時，根據(jù)系統(tǒng)穩(wěn)定性工作需求，采用臨界比例度法對PID算法進行系統(tǒng)參數(shù)整定，確定系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)所需時間，補償免耕播種機偏移誤差，以期提高免耕精量播種的效率和質(zhì)量，為小麥免耕播種精準避茬調(diào)偏系統(tǒng)的設(shè)計提供參考。

1 總體方案

1.1 精準對行避茬方法

華北地區(qū)為麥玉一年兩熟區(qū)，常采用翻耕播種和免耕播種，其中小麥免耕播種需在玉米根茬間等行距播種3行小麥。常見的玉米根茬留茬高度為(25±5) cm，玉米根茬行間距L1=60 cm，3行小麥播種行間距L3=40 cm，靠近玉米根茬的小麥播種行與玉米根茬行的間距L2=L4=10 cm。針對玉米茬地進行小麥免耕播種，提出一種適用于玉米茬地小麥免耕播種精準對行避茬方法，即通過控制機具作業(yè)軌跡，使之與玉米根茬行距離保持在±5 cm，保證開溝器組件與玉米根茬行間作業(yè)，實現(xiàn)精準對行避茬作業(yè)。同時，考慮到玉米根茬輻射直徑L6=10 cm，因此，小麥免耕播種允許橫向偏差L5不大于5 cm，如圖1所示。

圖1 玉米茬地小麥免耕播種種植模式Fig.1 Conventional planting patterns for sowing wheat on maize stubble1.玉米根茬 2.玉米秸稈 3.小麥種子 4.小麥種植中心線 5.根茬輻射線

1.2 調(diào)偏系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

根據(jù)精準對行避茬方法，設(shè)計一種雙導(dǎo)軌滑移式免耕播種機調(diào)偏系統(tǒng)，如圖2所示。該系統(tǒng)主要由拖拉機、雙導(dǎo)軌調(diào)偏裝置、小麥免耕播種機以及控制系統(tǒng)組成。其中，雙導(dǎo)軌調(diào)偏裝置通過三點懸掛安裝于拖拉機與小麥免耕播種機之間，可實時帶動播種機橫向滑動，避開玉米根茬。同時，通過控制系統(tǒng)調(diào)整雙導(dǎo)軌調(diào)偏裝置補償播種機的行間橫向偏差，使免耕播種機進行精準對行播種作業(yè)，保證播種質(zhì)量。

圖2 小麥免耕播種機雙導(dǎo)軌滑移式調(diào)偏系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Overall structure of double-guide sliding deflection system for no-till seeding of wheat1.小麥免耕播種機 2.控制系統(tǒng) 3.雙導(dǎo)軌調(diào)偏裝置 4.拖拉機

雙導(dǎo)軌滑移式免耕播種機調(diào)偏控制系統(tǒng)的工作原理如圖3所示。當拖拉機帶動小麥免耕播種機在玉米根茬行進行播種時，調(diào)偏控制系統(tǒng)以STM32單片機為控制核心，由北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)分別獲取拖拉機行駛軌跡信息和機具當前實時位置信息，通過對比獲取機具所需橫向偏差信息，結(jié)合位移傳感器檢測雙導(dǎo)軌裝置的偏移距離信息，實時反饋至車載計算機進行處理。同時PID控制輸出信號，控制三位四通換向閥，伸縮液壓缸開始工作，驅(qū)動雙導(dǎo)軌調(diào)偏裝置左右偏移，實現(xiàn)小麥免耕播種機調(diào)偏避茬對行播種。

圖5 液壓伸縮裝置與機具位姿調(diào)整的關(guān)系示意圖Fig.5 Diagram of relationship between hydraulic telescopic device and adjustment of machine’s position1.三位四通換向閥 2.油缸 3.調(diào)偏橫移機構(gòu) 4.小麥免耕播種機

圖3 雙導(dǎo)軌調(diào)偏裝置控制系統(tǒng)原理圖Fig.3 Schematic of control system of double guide deflection device

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 雙導(dǎo)軌調(diào)偏裝置結(jié)構(gòu)與工作原理

雙導(dǎo)軌調(diào)偏裝置結(jié)構(gòu)如圖4所示，主要由雙導(dǎo)軌、液壓伸縮裝置、調(diào)偏橫移機構(gòu)、固定懸掛機構(gòu)、調(diào)偏控制系統(tǒng)等組成。固定懸掛機構(gòu)、調(diào)偏橫移機構(gòu)分別通過三點懸掛與拖拉機、免耕播種機進行掛接，液壓伸縮裝置一端與調(diào)偏橫移機構(gòu)左端邊鉸鏈連接，另一端與固定懸掛機構(gòu)右端邊用球銷連接，檢測機構(gòu)安裝在液壓伸縮裝置上方。

圖4 雙導(dǎo)軌調(diào)偏裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure of double guide deflection device1.腳架 2.懸掛橫移機構(gòu) 3.固定懸掛機構(gòu) 4.調(diào)偏橫移機構(gòu) 5.橫移導(dǎo)軌 6.檢測機構(gòu) 7.液壓伸縮裝置

工作時，免耕播種機在拖拉機牽引下沿著小麥種植中心線前進，當出現(xiàn)偏移將要觸碰根茬時，控制系統(tǒng)根據(jù)免耕播種機偏差信息，調(diào)整三位四通換向閥的工位，推動調(diào)偏橫移機構(gòu)使免耕播種機左右偏移，位移傳感器實時獲取偏移距離并反饋，雙導(dǎo)軌調(diào)偏裝置對機具位姿調(diào)整作業(yè)過程如圖5所示，其中P為進油口，T為回油口，O為O型中位。免耕播種作業(yè)時，當機具前進方向與小麥種植中心線保持一致，雙導(dǎo)軌調(diào)偏裝置無偏移；處于小麥種植中心線右側(cè)時，雙導(dǎo)軌調(diào)偏裝置左偏移，反之雙導(dǎo)軌調(diào)偏裝置右偏移。

2.2 調(diào)偏橫移機構(gòu)設(shè)計

調(diào)偏橫移機構(gòu)是雙導(dǎo)軌調(diào)偏裝置的關(guān)鍵部件。為滿足小麥免耕播種調(diào)偏性能要求，分析下懸掛臂受力、調(diào)偏橫移機構(gòu)偏移距離以及液壓伸縮裝置軸向承載能力，得到雙導(dǎo)軌調(diào)偏裝置質(zhì)心與機具下掛接點的間距、調(diào)偏橫移機構(gòu)的尺寸鏈方程及液壓伸縮裝置工作壓力與流量，確定影響調(diào)偏橫移機構(gòu)提升性能與調(diào)偏性能的關(guān)鍵因素。

2.2.1下懸掛臂

雙導(dǎo)軌調(diào)偏裝置提升性能是衡量小麥免耕播種機調(diào)偏系統(tǒng)的關(guān)鍵指標。在拖拉機提升能力不變的情況下，加裝雙導(dǎo)軌調(diào)偏裝置于拖拉機與免耕播種機之間，前后距離增大。為滿足加裝后拖拉機能夠提升起免耕播種機，通過對雙導(dǎo)軌調(diào)偏裝置質(zhì)心[30]與農(nóng)機具下掛接點的間距p進行設(shè)計，保持整機力矩平衡。參照懸掛設(shè)計標準GB/T 1593—2015《農(nóng)業(yè)輪式拖拉機后置式三點懸掛裝置 0、1N、1、2N、2、3N、3、4N和4類》，根據(jù)力矩平衡原理[31]，對調(diào)偏系統(tǒng)進行受力分析，如圖6所示。

圖6 雙導(dǎo)軌調(diào)偏裝置受力分析圖Fig.6 Analysis of forces on double rail deflection device

以調(diào)偏系統(tǒng)為研究對象，在拖拉機前輪中心(N1)處的力矩為0，列出力矩平衡方程為

N2(a+b)-Mtga-Mcg(a+b+c+e)-Myg(a+b+c+e+p+q)=0

(1)

式中My——小麥免耕播種機質(zhì)量，kg

Mt——拖拉機質(zhì)量，kg

Mc——雙導(dǎo)軌調(diào)偏裝置質(zhì)量，kg

N2——地面對后輪垂直合力，N

a——拖拉機質(zhì)心至前輪水平間距，mm

b——拖拉機質(zhì)心至后輪水平間距，mm

c——牽引點至拖拉機后輪水平間距，mm

e——牽引點至裝置質(zhì)心水平間距，mm

q——機具鉸接點至質(zhì)心水平間距，mm

假設(shè)可提升小麥免耕播種機最大質(zhì)量Mymax為1 200 kg，根據(jù)式(1)得雙導(dǎo)軌調(diào)偏裝置質(zhì)心至機具下掛接點最小間距pmin為

(2)

其中

M=N2(a+b)-Mtga-

Mcg(a+b+c+e)-Mymaxg(a+b+c+e+q)

(3)

根據(jù)相關(guān)研究[32]，拖拉機質(zhì)量Mt取4 000 kg；雙導(dǎo)軌調(diào)偏裝置質(zhì)量Mc取400 kg；地面對前輪垂直合力N1和后輪垂直合力N2分別取12 150、36 650 N；式(1)中，拖拉機質(zhì)心至前輪水平間距a和后輪水平間距b分別取915、1 785 mm；牽引點至拖拉機后輪水平間距c和裝置質(zhì)心水平間距e分別取260、300 mm；機具鉸接點至質(zhì)心水平間距q取450 mm。代入式(1)～(3)統(tǒng)一運算單位求解得出，雙導(dǎo)軌調(diào)偏裝置質(zhì)心與掛接點的間距pmin=400 mm?？紤]實際應(yīng)用情況，取雙導(dǎo)軌調(diào)偏裝置質(zhì)心與機具下掛接點的間距p為420 mm，提升性能滿足作業(yè)要求。

2.2.2偏移距離

調(diào)偏橫移機構(gòu)偏移距離是保證免耕播種機精準調(diào)偏避茬的重要參數(shù)。當偏移距離L9大于免耕播種機允許的橫向偏差L5時，才能使小麥免耕播種機回歸至小麥種植線。因此，在調(diào)偏橫移機構(gòu)寬度L8滿足2類懸掛[31]條件下，在保證橫移偏差距離L5情況下，需對調(diào)偏橫移機構(gòu)偏移距離L9進行設(shè)計，如圖7所示。

圖7 雙導(dǎo)軌調(diào)偏裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖Fig.7 Schematic of structural parameters of double guide deflection device

綜合考慮雙導(dǎo)軌調(diào)偏裝置結(jié)構(gòu)間相互關(guān)系，得出調(diào)偏橫移機構(gòu)的尺寸鏈方程為

(4)

式中L7——固定懸掛機構(gòu)寬度，mm

L8——調(diào)偏橫移機構(gòu)寬度，mm

L10——固定懸掛機構(gòu)角架寬度，mm

Δl——允許滑移安全距離，mm

當允許滑移安全距離Δl為0時，根據(jù)式(4)可得調(diào)偏橫移機構(gòu)的最大偏移距離L9max為

(5)

由前期研究[32]，固定懸掛機構(gòu)寬度取1 400 mm，調(diào)偏橫移機構(gòu)寬度取850 mm，固定懸掛機構(gòu)角架寬度取60 mm；允許滑移安全距離Δl≥0。代入式(4)、(5)，得調(diào)偏橫移機構(gòu)的最大偏移距離L9max=230 mm。免耕播種機在實際田間播種作業(yè)過程中，為避免由于地形、土壤等因素造成的大范圍橫向偏差，以及保證足夠的允許滑移安全距離Δl，所選用的調(diào)偏橫移機構(gòu)偏移距離遠大于免耕播種機允許的橫向偏差，滿足實際應(yīng)用需求。

2.2.3液壓伸縮裝置

液壓伸縮裝置是實現(xiàn)小麥免耕播種機避茬調(diào)偏性能的關(guān)鍵部件[33]，因此通過雙導(dǎo)軌調(diào)偏裝置結(jié)構(gòu)尺寸對液壓伸縮裝置主要參數(shù)進行計算。如圖7所示，以液壓伸縮裝置為研究對象，液壓缸受力平衡方程為

(6)

其中

F=Myg+Mcg+f

(7)

式中p0——液壓缸工作壓力，MPa

D——液壓缸內(nèi)徑，mm

d——活塞桿直徑，mm

p1——液壓缸出油口背壓，MPa

F——調(diào)偏裝置對液壓缸作用力，N

f——開溝器組件所受土壤阻力，N

由活塞桿移動速度與流量公式可得

(8)

圖8 控制系統(tǒng)電路圖Fig.8 Control system circuit diagram

式中Q——單位時間內(nèi)油液通過缸筒有效截面的體積即流量，L/min

v——活塞桿移動速度，m/min

ηv——液壓缸容積效率

根據(jù)相關(guān)研究[33]，液壓缸內(nèi)徑取40 mm，活塞桿直徑取20 mm，液壓缸出油口背壓取0.4 MPa，活塞桿移動速度取1.2 m/min，液壓缸容積效率取0.85；調(diào)偏裝置對液壓缸作用力取17 350 N；小麥免耕播種機質(zhì)量取1 200 kg；利用六分力測力儀測出開溝器組件所受土壤阻力為1 350 N。將數(shù)據(jù)代入式(6)～(8)，得液壓缸工作壓力p0=14.16 MPa，流量Q=1.5 L/min。參照系統(tǒng)壓力低于液壓缸額定壓力2/3的原則，液壓伸縮裝置選用型號為L-HM46的液壓缸，該液壓缸額定壓力16 MPa，最高壓力19 MPa，行程280 mm，滿足調(diào)偏性能設(shè)計要求。

3 調(diào)偏控制系統(tǒng)設(shè)計

雙導(dǎo)軌滑移式調(diào)偏系統(tǒng)的調(diào)偏控制系統(tǒng)接收拖拉機行駛軌跡信息和機具實時位置信息，獲取橫向偏差信息，同時通過車載計算機發(fā)出指令控制電磁換向閥流量和方向，實現(xiàn)雙導(dǎo)軌調(diào)偏裝置左右偏移，并完成小麥免耕播種機的調(diào)偏避茬對行播種。

3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

調(diào)偏系統(tǒng)硬件原理如圖8所示，微控制器采用STM32F407ZET6單片機,其工作頻率可達72 MHz，滿足設(shè)計需求；系統(tǒng)主要由電源轉(zhuǎn)換模塊、ADC(模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器)電壓采集模塊、CAN通信模塊、繼電器驅(qū)動模塊等組成。標號U1和U2是電源轉(zhuǎn)換模塊，根據(jù)各個模塊電路對電壓的需求，將電壓12 V轉(zhuǎn)換為電壓5、3.3 V輸出，并加入濾波保護電路。標號D7和D8是電壓采集模塊，電壓由AI-IN1、AI-IN2端口接入，輸出端接單片機的PA1、PA1角進行ADC采集電壓。標號U9是CAN通信模塊，其TXD、RXD接口與單片機相應(yīng)串口相連。單片機通過控制PF9口和PF9口輸出不同高低電平,使繼電器模塊K1和K2分別動作,實現(xiàn)液壓缸的伸縮變換。其中玉米根茬地起伏較多，采用帶有數(shù)字運動處理器硬件加速引擎的W25Q128模塊，在動態(tài)情況下能夠穩(wěn)定的向控制器輸出雙導(dǎo)軌裝置調(diào)偏距離。

3.2 系統(tǒng)程序

小麥免耕播種雙導(dǎo)軌調(diào)偏裝置控制系統(tǒng)軟件主要由上位機軟件和下位機軟件兩部分組成。上位機軟件主要負責實現(xiàn)小麥種植中心線規(guī)劃、作業(yè)過程控制與可視化功能，下位機軟件主要負責實現(xiàn)調(diào)偏避茬控制、運動過程監(jiān)測與作業(yè)參數(shù)反饋功能。為保證小麥免耕播種機作業(yè)精度及質(zhì)量，首先對免耕播種機調(diào)偏系統(tǒng)進行初始化設(shè)置，同時使調(diào)偏橫移機構(gòu)移動至固定懸掛機構(gòu)中位。其次設(shè)置目標位置等參數(shù)，單片機控制電磁閥開合，進而控制液壓缸工作，同時位移傳感器采集前位置信息進行比對。操作面板顯示當前位置是否到達目標位置，若到達，則繼電器斷電，液壓缸停止工作。反之單片機繼續(xù)控制液壓缸工作，直至到達目標位置，如圖9所示。

圖9 軟件控制系統(tǒng)流程圖Fig.9 Software control system flow chart

3.3 調(diào)偏控制系統(tǒng)PID算法設(shè)計

調(diào)偏控制系統(tǒng)采用PID算法[34-37]，調(diào)偏控制系統(tǒng)實質(zhì)是通過控制電流信號調(diào)節(jié)電磁換向閥方向和開度，使流入液壓油的液壓缸驅(qū)動調(diào)偏橫移機構(gòu)左右移動。車載計算機計算的t時刻液壓缸伸縮目標位置(x(t))與當前位置(y(t))之間的位移偏差(e(t))輸入到PID控制器中，根據(jù)PID控制策略調(diào)整電流，使液壓缸活塞桿產(chǎn)生位移，進而使調(diào)偏橫移機構(gòu)運行至目標位置。時間連續(xù)變化的PID控制算法為

(9)

式中OPID——t時刻電流

ΔKp、ΔKi、ΔKd——控制算法比例、積分和微分系數(shù)

由于位置式PID每次均需對誤差進行累加，計算量大，選用增量式PID控制算法，具體為

ΔP(k)=P(k)-P(k-1)=Kp(e(k)-e(k-1))+Kie(k)+Kd(e(k)-2e(k-1)+e(k-2))

(10)

式中P(k)——k采樣點電流信號

k——當前采樣點序號

采用臨界比例度法進行參數(shù)整定，依照比例、微分與積分的先后原則，確定增量式PID控制算法中參數(shù)的最優(yōu)值分別為Kp=4.8、Ki=0.01、Kd=0.002，控制頻率50 Hz。由圖10可看出，油缸活塞桿伸縮位置響應(yīng)曲線平滑穩(wěn)定地逼近目標位置，且超調(diào)量小于5%，設(shè)定液壓伸縮桿移動速度為0.2 m/min，對應(yīng)的移動響應(yīng)時間為2.8 s。

圖10 PID控制算法響應(yīng)圖Fig.10 PID control algorithm response diagram

為驗證小麥免耕播種機雙導(dǎo)軌滑移式調(diào)偏控制系統(tǒng)控制有效性，以電力四驅(qū)土槽試驗臺車為試驗平臺，如圖11所示，試驗材料選用收集的未經(jīng)處理的玉米秸稈均勻鋪放在1.5 m×5 m的土壤層表面，裝置通過三點懸掛固定于臺車，機具采用六分力測力架代替。上位機以50 Hz頻率發(fā)出方波指令控制信號，該信號為調(diào)偏橫移階躍信號，通過CAN通信以50 Hz頻率發(fā)送信號至下位機執(zhí)行機構(gòu)，下位機采集CAN報文同樣也是50 Hz。雙導(dǎo)軌調(diào)偏裝置實時調(diào)整結(jié)果如圖12所示，調(diào)偏距離在±50 mm變化過程中，最大穩(wěn)態(tài)誤差為0.158 mm，超調(diào)量全部小于5%，平均響應(yīng)穩(wěn)態(tài)誤差小于3 mm，可知采用PID控制算法系統(tǒng)到達穩(wěn)態(tài)所需時間和系統(tǒng)穩(wěn)定性滿足實際雙導(dǎo)軌調(diào)偏裝置工作需求。

圖11 土槽試驗Fig.11 Soil trough test1.雙導(dǎo)軌調(diào)偏裝置 2.六分力測力儀 3.控制面板 4.電路板 5.玉米根茬行

圖12 雙導(dǎo)軌調(diào)偏裝置測試響應(yīng)圖Fig.12 Test response diagram for double rail deflection device

4 田間試驗

4.1 試驗方案

小麥免耕播種作業(yè)中，秸稈覆蓋量和免耕播種機作業(yè)速度是影響小麥播種質(zhì)量的主要因素。本試驗根據(jù)GB/T 20865—2017《免(少)耕施肥播種機》制定試驗方案，檢測小麥免耕播種機播種質(zhì)量，主要指標為3種作業(yè)速度下的避茬率、縱向調(diào)整距離和小麥播種均勻性變異系數(shù)。本試驗于2022年8月13—18日在山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院科研基地小麥種植地進行試驗，試驗地前茬作物為玉米，玉米根茬行距60 cm，平均株距15 cm，平均高度(25±5)cm，土壤含水率為18%、平均緊實度為165 kPa。利用皮卷尺在試驗地隨機選取16處30 m×2.4 m的區(qū)域作為待試驗區(qū)域，按序號1，2，…，16對每個區(qū)域命名，并依次按照臺架試驗方案對秸稈覆蓋量進行布置，田間播種試驗如圖13所示。

圖13 田間播種試驗Fig.13 Field sowing test1.操作面板 2.位移傳感器 3.基站 4.拖拉機 5.雙導(dǎo)軌調(diào)偏裝置 6.播種機 7.玉米根茬行

4.2 試驗指標及測試方法

播種質(zhì)量是反映雙導(dǎo)軌調(diào)偏裝置作業(yè)性能的重要評價指標，因此試驗主要評價行間避茬及精準調(diào)偏效果和播種質(zhì)量。由于目前尚無專門的小麥免耕播種雙導(dǎo)軌調(diào)偏裝置相關(guān)標準，測試參照國家標準GB/T 9478—2005《谷物條播機試驗方法》、行業(yè)標準NY/T 2847—2015《小麥免耕播種機適用性評價方法》和行業(yè)標準NY/T 1411—2007《小麥免耕播種機作業(yè)質(zhì)量》中的方法及規(guī)范，測試內(nèi)容主要包括避茬率、縱向調(diào)整距離、小麥播種變異系數(shù)。

(1)避茬率

播種機作業(yè)完成后，在每個試驗區(qū)域內(nèi)隨機選取3個10 m×2.4 m小區(qū)，收集直立根茬完好留存在地表上的數(shù)量與該試驗區(qū)域內(nèi)所有直立根茬數(shù)量，計算式為

(11)

式中C——避茬率，%

C1i——第i次試驗后完整留存地表上直立根茬的數(shù)量，個

Ci——第i次試驗前完整留存地表上直立根茬的數(shù)量，個

(2)縱向調(diào)整距離

播種機作業(yè)完成后，為使數(shù)據(jù)準確，以免耕播種機中間圓盤開溝器行駛軌跡為基準，在每個試驗區(qū)域測量并記錄播種機到玉米根茬的偏差逐漸減少為0時所需縱向調(diào)整距離，重復(fù)3次求出平均值，計算式為

(12)

式中Lj——第j次試驗后開溝器到根茬行間無橫向偏差時所需前進的距離，mm

L——試驗后開溝器到根茬行間無橫向偏差時所需前進的距離的平均值，mm

(3)小麥播種均勻性變異系數(shù)

播種機作業(yè)完成后，在每個試驗區(qū)域的播種帶內(nèi)隨機選取10個40 cm長度的區(qū)域進行選樣。記錄長度內(nèi)的小麥種子數(shù)量，計算式為

(13)

式中εcoe——第i個小區(qū)的小麥播種均勻性變異系數(shù)平均值，%

εcoei——第i個小區(qū)的小麥播種均勻性變異系數(shù)，%

Nump——第i個試驗小區(qū)內(nèi)所選第p個區(qū)域內(nèi)的種子數(shù)量，個

N——第i個試驗小區(qū)內(nèi)所選區(qū)域的總個數(shù)，取10

4.3 性能試驗

4.3.1試驗設(shè)計與方法

為獲取最佳小麥免耕播種機作業(yè)質(zhì)量，在整機試驗前設(shè)計性能試驗，以獲取相關(guān)參數(shù)的最佳組合。以作業(yè)速度、秸稈覆蓋量為影響因素，試驗方案設(shè)計二因素三水平正交試驗，各因素水平如表1所示。

表1 試驗因素與水平Tab.1 Test factors and levels

4.3.2試驗結(jié)果分析

田間試驗結(jié)果如表2所示，當行間秸稈覆蓋量為0.5 kg/m2時，作業(yè)速度分別為0.8、1.4、2.0 m/s的避茬率分別為98%、96%、92%，縱向調(diào)整距離分別為0.90、1.15、1.75 m，變異系數(shù)分別為17.63%、19.86%、22.42%。當行間秸稈覆蓋量為1.5 kg/m2時，作業(yè)速度分別為0.8、1.4、2.0 m/s的避茬率分別為93%、90%、87%，縱向調(diào)整距離分別為2.1、2.5、2.7 m，變異系數(shù)分別為24.53%、26.75%、28.83%。當行間秸稈覆蓋量為2.0 kg/m2時，作業(yè)速度分別為0.8、1.4、2.0 m/s的避茬率分別為90%、85%、83%，縱向調(diào)整距離分別為3.60、4.35、5.68 m，變異系數(shù)分別為30.48%、33.28%、35.32%。

表2 試驗設(shè)計方案及結(jié)果Tab.2 Experiment design and response values

在行間秸稈覆蓋量為0.5 kg/m2、作業(yè)速度為0.8 m/s時，避茬率為98%，比作業(yè)速度為1.4、2.0 m/s的避茬率分別高2、6個百分點；行間秸稈覆蓋量為1.5 kg/m2、作業(yè)速度為0.8 m/s時，避茬率為93%，比作業(yè)速度為0.8、1.4 m/s的避茬率分別高3、6個百分點；行間秸稈覆蓋量為2.0 kg/m2、作業(yè)速度為0.8 m/s時，避茬率為90%，比作業(yè)速度為0.8、1.4 m/s的避茬率分別高8、7個百分點。如圖14所示，當行間秸稈覆蓋量相同時，避茬率隨著作業(yè)速度增大逐漸減小，且作業(yè)速度最大時，避茬率最小；當作業(yè)速度相同時，避茬率隨著行間秸稈覆蓋量增大逐漸減小，且行間秸稈覆蓋量最大時，避茬率最小。究其原因，一方面是秸稈覆蓋量增大，PID控制準確性下降，且執(zhí)行機構(gòu)有一定的滯后性，導(dǎo)致未能及時有效避開根茬；另一方面是作業(yè)速度增大時，導(dǎo)航系統(tǒng)未能及時定位機具當前位置，執(zhí)行機構(gòu)不能與其較好匹配，導(dǎo)致未能及時避開根茬。

圖14 不同作業(yè)速度下的避茬率Fig.14 Stubble avoidance rate at different working speeds

在行間秸稈覆蓋量為0.5 kg/m2、作業(yè)速度為2.0 m/s時，縱向調(diào)整距離是1.75 m，小麥播種均勻性變異系數(shù)是22.42%，比作業(yè)速度為0.8、1.4 m/s的縱向調(diào)整距離分別高0.60、0.85 m，變異系數(shù)分別高2.56、4.79個百分點；在行間秸稈覆蓋量為1.5 kg/m2，作業(yè)速度為2.0 m/s時，縱向調(diào)整距離為2.70 m，變異系數(shù)為28.83%，比作業(yè)速度為0.8、1.4 m/s的縱向調(diào)整距離分別高0.20、0.60 m，變異系數(shù)分別高2.08、4.30個百分點；在行間秸稈覆蓋量為2.0 kg/m2，作業(yè)速度為2.0 m/s時，縱向調(diào)整距離為5.68 m，變異系數(shù)為35.32%，比作業(yè)速度為0.8、1.4 m/s的縱向調(diào)整距離分別高1.33、2.08 m，變異系數(shù)分別高2.04、4.84個百分點；如圖15、16所示，當行間秸稈覆蓋量相同時，縱向調(diào)整距離和小麥播種均勻性變異系數(shù)隨著作業(yè)速度增大逐漸增大，且作業(yè)速度最大時，縱向調(diào)整距離和變異系數(shù)最??；當作業(yè)速度相同時，縱向調(diào)整距離和變異系數(shù)隨著行間秸稈覆蓋量增大逐漸增大，且行間秸稈覆蓋量最大時，縱向調(diào)整距離和變異系數(shù)最大。

圖15 不同作業(yè)速度下的小麥播種均勻性變異系數(shù)Fig.15 Coefficient of variation of wheat seeding uniformity at different working speeds

圖16 田間不同作業(yè)速度下的軌跡偏差Fig.16 Trajectory deviation at different operating speeds in field

田間試驗結(jié)果表明，不同行間秸稈覆蓋量和不同作業(yè)速度下的小麥播種均勻性變異系數(shù)都符合國家標準，小麥免耕播種機能夠較好地適應(yīng)不同行間秸稈覆蓋量和不同作業(yè)速度，田間試驗效果如圖17所示。當拖拉機作業(yè)速度小于等于1.4 m/s，行間秸稈覆蓋量小于等于2 kg/m2時，避茬率大于等于90%，小麥播種均勻性變異系數(shù)小于等于26.75%，此時小麥免耕播種機調(diào)偏避茬效果最佳。

圖17 田間試驗調(diào)偏效果Fig.17 Field test bias adjustment effect1.玉米根茬行 2.機具軌跡線

5 結(jié)論

(1)基于精準對行避茬的研究思路，設(shè)計了小麥免耕播種機雙導(dǎo)軌滑移式調(diào)偏系統(tǒng)，包括雙導(dǎo)軌調(diào)偏裝置和調(diào)偏控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)綜合運用傳感器技術(shù)、液壓控制技術(shù)和單片機控制技術(shù)，根據(jù)獲取的免耕播種機實時位置信息，調(diào)控三位四通換向閥，使雙導(dǎo)軌調(diào)偏裝置左右橫移，通過位移傳感器檢測并反饋免耕播種機橫移位置信息，精準調(diào)控免耕播種機在根茬行的位置，實現(xiàn)小麥免耕播種機行間精準避茬播種作業(yè)。

(2)初步構(gòu)建以STM32F407處理器為核心調(diào)偏控制系統(tǒng)，運用臨界比例度法對增量式PID控制進行參數(shù)整定，以土槽試驗平臺對雙導(dǎo)軌調(diào)偏裝置控制系統(tǒng)的性能進行驗證，超調(diào)量小于5%，平均響應(yīng)穩(wěn)態(tài)誤差小于3 mm，移動響應(yīng)時間為2.8 s，且階躍響應(yīng)無振蕩現(xiàn)象，可滿足精準避茬作業(yè)需求。

(3)為獲取最佳小麥免耕播種機作業(yè)質(zhì)量，以試制的雙導(dǎo)軌調(diào)偏系統(tǒng)為試驗對象進行不同因素下的田間試驗。田間試驗結(jié)果表明，當田間秸稈覆蓋量小于等于1.5 kg/m2，作業(yè)速度小于等于1.4 m/s時，作業(yè)中免耕播種機的避茬率大于等于90%，縱向調(diào)整距離小于等于2.5 m，小麥播種均勻性變異系數(shù)小于等于26.75%，符合設(shè)計要求，具有良好的避茬效果和播種作業(yè)質(zhì)量。