帶勺式馬鈴薯排種器漏播檢測(cè)與補(bǔ)種系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

溫寶琴 宋鵬翔 李景彬 黃 勇 岑紅蕾

(1.石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院， 石河子 832003； 2.現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械兵團(tuán)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 石河子 832003)

0 引言

勺式馬鈴薯排種器是目前國(guó)內(nèi)外廣泛使用的一種排種器[1-2]，既適用于整薯種薯的排種，也適用于切塊種薯的排種[3]，此類排種器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)[4-6]，但是存在較高的漏播問題，通過結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化后，該排種器漏播率仍約7%[7]。為保證作業(yè)質(zhì)量，在實(shí)際作業(yè)過程中部分地區(qū)通過人工進(jìn)行補(bǔ)種[8]，該補(bǔ)種方式不僅增加了作業(yè)成本和勞動(dòng)強(qiáng)度，而且實(shí)際播種過程中排種器運(yùn)行速度較快，補(bǔ)種效果難以保證。

目前，解決馬鈴薯排種器漏播問題的有效方法是對(duì)漏播情況進(jìn)行檢測(cè)并通過補(bǔ)種裝置進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)種[9]。在國(guó)內(nèi)，勺式馬鈴薯排種器主要分為勺鏈?zhǔn)胶蛶资?。針?duì)勺鏈?zhǔn)今R鈴薯排種器漏播問題，牛康等[10]設(shè)計(jì)了一種電容式漏播檢測(cè)傳感器，在種勺通過種箱取得種薯向上運(yùn)動(dòng)的過程中進(jìn)行漏播檢測(cè)，通過PLC控制一組獨(dú)立并列的勺鏈?zhǔn)脚欧N器進(jìn)行補(bǔ)種；孫偉等[11]設(shè)計(jì)了一種由霍爾傳感器定位，紅外光電傳感器測(cè)薯的漏播檢測(cè)裝置，通過單片機(jī)控制速動(dòng)補(bǔ)種裝置實(shí)現(xiàn)補(bǔ)種，漏播檢測(cè)過程中需要對(duì)種勺進(jìn)行定位，輸出定位信號(hào)控制漏播檢測(cè)傳感器在種勺兩側(cè)進(jìn)行測(cè)漏；張曉東等[12]設(shè)計(jì)了自動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)，通過驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)補(bǔ)償排種器轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)種；官洪民等[13]為了保證漏播檢測(cè)的準(zhǔn)確性，將霍爾傳感器、光電傳感器和壓電傳感器進(jìn)行結(jié)合，通過種勺定位結(jié)合多次漏播判定來提高漏播檢測(cè)的準(zhǔn)確性。

針對(duì)帶勺式馬鈴薯排種器漏播問題，ZHANG等[14]通過對(duì)種勺進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在種勺上增加負(fù)壓吸管的方式，可以將漏播率降至4%；樊婧婧[15]采用圖像處理的方式對(duì)漏播情況進(jìn)行檢測(cè)，以PLC作為控制器，結(jié)合工控機(jī)來實(shí)現(xiàn)株距控制和漏播補(bǔ)償；孫傳祝等[16]通過PLC控制排種器液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速進(jìn)而控制株距，通過控制排種器速度來降低漏播率。

通過分析，針對(duì)勺式馬鈴薯排種器，目前大部分漏播檢測(cè)方式利用霍爾傳感器對(duì)種勺是否到達(dá)檢測(cè)位置進(jìn)行檢測(cè)，進(jìn)而將信號(hào)傳遞給控制器，由控制器控制漏播檢測(cè)傳感器在種勺的兩側(cè)進(jìn)行檢測(cè)。漏播補(bǔ)種方式主要分為導(dǎo)種過程中速動(dòng)補(bǔ)種和投種過程中獨(dú)立排種器補(bǔ)種[17]。本文研究的對(duì)象為2CM-2/4型帶勺式馬鈴薯播種機(jī)，播種行數(shù)大于等于2，該播種機(jī)工作速度最快可達(dá)6.8 km/h，工作速度較快，工況復(fù)雜，所以使用霍爾傳感器定位配合光電傳感器在種勺側(cè)面測(cè)漏的漏播檢測(cè)方式難以保證高速工作過程中漏播檢測(cè)的成功率。同時(shí)，馬鈴薯排種器體積較大，對(duì)于該播種機(jī)，在有效的行距空間內(nèi)設(shè)置單獨(dú)的補(bǔ)種排種器會(huì)對(duì)該播種機(jī)的作業(yè)效率造成較大影響，并且當(dāng)播種機(jī)作業(yè)速度較快時(shí)，獨(dú)立補(bǔ)種排種器難以保證后補(bǔ)種薯的株距合格率[18-19]。

本文針對(duì)帶勺式馬鈴薯排種器工作過程中出現(xiàn)的漏播率較高的問題，以不影響排種器自身工作效率和作業(yè)質(zhì)量為出發(fā)點(diǎn)，提出一種漏播檢測(cè)方式，并以單片機(jī)為控制核心，通過電磁推桿式補(bǔ)種模塊進(jìn)行補(bǔ)種，設(shè)計(jì)漏播檢測(cè)與補(bǔ)種系統(tǒng)，并通過試驗(yàn)臺(tái)對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行性能測(cè)試。

1 總體方案

1.1 技術(shù)要求

由于馬鈴薯播種機(jī)在室外工作，環(huán)境較為復(fù)雜，漏播檢測(cè)過程中易受到塵土、霧、雨、太陽光等外界因素的干擾[20]，所以傳感器選型與漏播檢測(cè)模塊的設(shè)計(jì)需要盡可能排除環(huán)境干擾。該播種機(jī)取種帶運(yùn)行速度可達(dá)0.54 m/s，所以傳感器響應(yīng)速度需達(dá)到10 ms，根據(jù)排種器結(jié)構(gòu)尺寸，傳感器檢測(cè)距離應(yīng)不小于200 mm。由于該播種機(jī)排種器之間間距較小，為保證補(bǔ)種裝置不影響排種器的運(yùn)行速度和播種質(zhì)量，無法使用獨(dú)立的補(bǔ)種排種器進(jìn)行補(bǔ)種，選擇在排種器的導(dǎo)種區(qū)域，通過快速動(dòng)作裝置從外部通過排種器保護(hù)殼進(jìn)行速動(dòng)補(bǔ)種，為滿足補(bǔ)種需求，根據(jù)排種器運(yùn)行速度，補(bǔ)種模塊動(dòng)作時(shí)間應(yīng)在250 ms以內(nèi)。檢測(cè)模塊在補(bǔ)種模塊之前，且模塊之間距離可調(diào)，從輸出漏播信號(hào)到控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作需在50 ms內(nèi)完成，所以選擇體積較小、性價(jià)比較高的單片機(jī)作為控制器即可,檢測(cè)與補(bǔ)種技術(shù)要求如表1所示。

表1 技術(shù)要求參數(shù)Tab.1 Parameters for technical requirements

1.2 基本結(jié)構(gòu)

漏播檢測(cè)與補(bǔ)種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與安裝示意圖如圖1所示，該系統(tǒng)漏播檢測(cè)模塊和補(bǔ)種模塊通過排種器保護(hù)殼安裝在排種器上，由于取種帶表面交錯(cuò)排布兩列種勺，所以每列種勺配備一套漏播檢測(cè)模塊與補(bǔ)種模塊，分別通過傳感器調(diào)節(jié)架與執(zhí)行機(jī)構(gòu)安裝架安裝于排種器保護(hù)殼之上，每一套漏播檢測(cè)模塊有兩組對(duì)射式光電傳感器，每組傳感器有發(fā)射端和接收端，安裝于排種器保護(hù)殼表面和取種帶內(nèi)部，與檢測(cè)孔處于同一軸線上。每一套補(bǔ)種模塊由補(bǔ)種種道、執(zhí)行機(jī)構(gòu)安裝架、電磁鐵推桿、單向開合門等組成，位于漏播檢測(cè)模塊正下方，垂直于取種帶安裝。同時(shí)，為統(tǒng)計(jì)排種器工作過程中的總播種數(shù)，設(shè)計(jì)一組播種數(shù)統(tǒng)計(jì)傳感器，通過傳感器調(diào)節(jié)架安裝于排種器保護(hù)殼側(cè)面?？刂泼姘灏惭b于種箱側(cè)壁。

圖1 漏播檢測(cè)與補(bǔ)種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of proposed miss-seeding detection and compensation systems1.取種帶 2.播種數(shù)統(tǒng)計(jì)傳感器組 3.漏播檢測(cè)傳感器組 4.傳感器調(diào)節(jié)架 5.單向開合門 6.執(zhí)行機(jī)構(gòu)安裝架 7.電磁鐵推桿 8.從動(dòng)輪 9.補(bǔ)種薯 10.補(bǔ)種種道 11.主驅(qū)動(dòng)輪 12.排種器保護(hù)殼 13.控制面板 14.種箱 15.種勺

1.3 硬件組成

漏播檢測(cè)與補(bǔ)種系統(tǒng)硬件組成如圖2所示，主要由電源模塊、單片機(jī)模塊、檢測(cè)模塊、補(bǔ)種模塊、顯示模塊和聲光報(bào)警模塊組成，檢測(cè)模塊主要進(jìn)行漏播檢測(cè)與播種數(shù)量統(tǒng)計(jì)，并將結(jié)果輸入單片機(jī)，補(bǔ)種模塊的主要作用是在單片機(jī)的控制下進(jìn)行補(bǔ)種工作，電源模塊負(fù)責(zé)為系統(tǒng)各個(gè)模塊進(jìn)行供電，顯示模塊和聲光報(bào)警模塊將總漏播數(shù)量和總播種數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)顯示并進(jìn)行相應(yīng)的漏播提示。

圖2 控制系統(tǒng)硬件組成Fig.2 Hardware composition of control system

1.4 工作原理

電機(jī)通過鏈傳動(dòng)帶動(dòng)如圖1所示排種器主驅(qū)動(dòng)輪逆時(shí)針運(yùn)轉(zhuǎn)，取種帶表面種勺正面自下而上通過種箱取得種薯，當(dāng)種勺通過最高點(diǎn)后種薯掉落至前一種勺的背面共同向下運(yùn)動(dòng)。當(dāng)種勺到達(dá)漏播檢測(cè)位置，排種器保護(hù)殼、取種帶和傳感器護(hù)板上的檢測(cè)孔處于同一軸線上，若背部無種薯，則漏播檢測(cè)傳感器兩個(gè)信號(hào)發(fā)射端發(fā)射的信號(hào)穿過所有檢測(cè)孔，兩個(gè)接收端接收到信號(hào)，傳感器電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理后向單片機(jī)輸出漏播信號(hào)，單片機(jī)接收到漏播信號(hào)后驅(qū)動(dòng)補(bǔ)種程序控制繼電器導(dǎo)通，電磁鐵推桿通電動(dòng)作推動(dòng)執(zhí)行塊將補(bǔ)種口種薯推入排種器保護(hù)殼，而后電磁鐵推桿在歸位彈簧的作用下返回原位，完成一次補(bǔ)種。反之，若背部有種薯，檢測(cè)裝置無信號(hào)輸出，補(bǔ)種模塊不動(dòng)作。每個(gè)種勺通過播種數(shù)統(tǒng)計(jì)檢測(cè)區(qū)都將向單片機(jī)輸出一個(gè)低電平信號(hào)。漏播信號(hào)和播種數(shù)統(tǒng)計(jì)信號(hào)輸入單片機(jī)后，顯示模塊對(duì)總漏播數(shù)與總播種數(shù)進(jìn)行同步顯示。

2 漏種檢測(cè)與補(bǔ)種系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為選擇最佳的漏播檢測(cè)與補(bǔ)種區(qū)域，將排種器工作過程劃分為4個(gè)區(qū)域，如圖3所示。區(qū)域Ⅰ為取種區(qū)，該區(qū)域種勺負(fù)責(zé)從種箱中舀取種薯，不具備漏播檢測(cè)與補(bǔ)種條件。區(qū)域Ⅱ?yàn)榍宸N區(qū)，該區(qū)域是清種裝置工作區(qū)，主要通過沖擊振動(dòng)的方式清除種勺中的多余種薯和種勺之間夾帶的多余種薯，該區(qū)域取種帶振動(dòng)較大[21]，且塵土較多，不利于傳感器的檢測(cè)工作。區(qū)域Ⅲ為護(hù)種區(qū)，取種帶運(yùn)行平穩(wěn)，有利于漏播檢測(cè)與補(bǔ)種，并且該區(qū)域排種帶與排種器保護(hù)殼配合間隙較小，通過改進(jìn)取種帶與排種器保護(hù)殼結(jié)構(gòu)，可以使得漏播檢測(cè)過程在一個(gè)相對(duì)封閉的檢測(cè)環(huán)境實(shí)現(xiàn)。區(qū)域Ⅳ為排種區(qū)，種薯在該區(qū)域從種勺背面落下，排入種溝，該區(qū)域距離土表較近，塵土彌漫嚴(yán)重，容易對(duì)檢測(cè)造成干擾[22]，同時(shí)，若在該區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)種，需要后補(bǔ)種薯的初速度、補(bǔ)種時(shí)間點(diǎn)和下落運(yùn)動(dòng)軌跡與正常種薯保持同步，才能確保后補(bǔ)種薯的落點(diǎn)滿足株距要求，若在區(qū)域Ⅲ進(jìn)行補(bǔ)種模塊的設(shè)計(jì)，只需將后補(bǔ)種薯在既定時(shí)間范圍內(nèi)補(bǔ)入缺種種勺背部，即可保證與其他種薯同步的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。因此，該研究選擇在排種器的區(qū)域Ⅲ護(hù)種區(qū)進(jìn)行漏播檢測(cè)與補(bǔ)種。

圖3 排種器工作區(qū)域Fig.3 Work area of seed metering deviceⅠ.取種區(qū) Ⅱ.清種區(qū) Ⅲ.護(hù)種區(qū) Ⅳ.排種區(qū)

2.1 漏種檢測(cè)模塊

根據(jù)排種器結(jié)構(gòu)尺寸，傳感器檢測(cè)范圍應(yīng)不小于200 mm，由于取種帶線速度超過0.5 m/s，傳感器響應(yīng)速度需在10 ms以內(nèi)，根據(jù)其田間運(yùn)行環(huán)境，傳感器需要較好的靈敏度和穿透性，且檢測(cè)方式為非接觸式檢測(cè)，由于控制器核心為單片機(jī)，最終檢測(cè)模塊需輸出TTL電平信號(hào)。

圖4 漏播檢測(cè)傳感器的信號(hào)輸出電路Fig.4 Signal output circuit of miss-seeding detection sensors

研究選用PRS4Y20TZ10TZ型對(duì)射式光電傳感器，搭配ER2-502型光纖放大器進(jìn)行信號(hào)處理和輸出，輸出電路如圖4所示，該傳感器檢測(cè)距離可達(dá)300 mm，響應(yīng)時(shí)間在500 μs以內(nèi)，PRS4Y20TZ10TZ型對(duì)射式光電傳感器通過光纖線傳輸光線，光束的聚攏程度較高，因而檢測(cè)精度較高，光源的發(fā)光波長(zhǎng)為625 nm，波的能量大，頻率高，穿透能力強(qiáng)，可以減少塵土等外界環(huán)境對(duì)檢測(cè)過程的干擾，并且由于光波頻率高于電磁輻射頻率，可以抵抗電磁干擾[23]，防止電機(jī)、變頻器等硬件對(duì)檢測(cè)過程的干擾，當(dāng)檢測(cè)到信號(hào)后，通過放大器對(duì)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行處理，最終通過ZD端口向單片機(jī)輸出NPN開關(guān)量信號(hào)。

漏播檢測(cè)傳感器安裝布局如圖5所示，兩組傳感器通過傳感器安裝架固定于排種器保護(hù)殼之上，每組傳感器兩個(gè)端頭處于同一軸線上。取種帶內(nèi)側(cè)兩個(gè)傳感器端頭前部設(shè)計(jì)了傳感器護(hù)板，防止排種器運(yùn)行過程中由于取種帶振動(dòng)損壞傳感器端頭，外側(cè)兩個(gè)傳感器端頭緊貼排種器保護(hù)殼。因此，傳感器端頭、排種器保護(hù)殼和取種帶之間形成較為封閉的檢測(cè)空間，隔絕了大部分塵土、太陽光等外界因素對(duì)檢測(cè)的干擾，從結(jié)構(gòu)上為檢測(cè)模塊提供了良好的檢測(cè)環(huán)境。

圖5 漏播檢測(cè)模塊結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Schematic of miss-seeding detection module1.候補(bǔ)種薯 2.種勺 3.排種器保護(hù)殼 4.漏播檢測(cè)傳感器 5.播種數(shù)統(tǒng)計(jì)傳感器 6.從動(dòng)輪 7.種箱 8.主動(dòng)輪 9.檢測(cè)孔 10.傳感器護(hù)板 11.取種帶

為保證檢測(cè)的準(zhǔn)確性，將種勺背部落種區(qū)域劃分為3等份，分別在1/3和2/3處各設(shè)置一組傳感器，則每個(gè)區(qū)域?qū)挾染鶠?0 mm，通過統(tǒng)計(jì)可得種薯直徑在30～55 mm之間，將兩組傳感器檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行邏輯與運(yùn)算，即只有當(dāng)兩組傳感器的接收端共同接收到信號(hào)，才會(huì)輸出漏播信號(hào)，排除了由于種薯直徑太小造成的誤檢情況。同時(shí)，為防止兩組檢測(cè)傳感器信號(hào)發(fā)射與接收之間相互產(chǎn)生干擾，將兩組傳感器的2個(gè)發(fā)射端與2個(gè)接收端設(shè)置為相反方向，即每一端由一個(gè)發(fā)射端頭和接收端頭組成。傳感器端頭之間的間距為20 mm(圖5)，取種帶、傳感器護(hù)板和排種器保護(hù)殼表面檢測(cè)孔如圖6所示，考慮到取種帶運(yùn)行過程會(huì)出現(xiàn)橫向移動(dòng)，使得檢測(cè)孔向一側(cè)產(chǎn)生輕微偏移的情況，偏移距離小于5 mm，因此檢測(cè)孔總長(zhǎng)度L=50 mm，以便于傳感器的安裝調(diào)試。當(dāng)播種機(jī)達(dá)到最快運(yùn)行速度時(shí)，傳感器檢測(cè)時(shí)間為

(1)

式中t——傳感器檢測(cè)時(shí)間，ms

W——檢測(cè)孔總寬度，mm

v——取種帶線速度，m/s

圖6 檢測(cè)孔結(jié)構(gòu)位置示意圖Fig.6 Detection hole structure position diagram1.檢測(cè)孔 2.漏播檢測(cè)傳感器 3.排種器保護(hù)殼 4.取種帶 5.種勺 6.傳感器護(hù)板

最大取種帶線速度v=0.54 m/s，假設(shè)檢測(cè)孔總寬度W=10 mm，通過計(jì)算可得t≈18.52 ms，而傳感器的響應(yīng)時(shí)間在500 μs以內(nèi)，所以檢測(cè)孔總寬度W=10 mm時(shí)，滿足播種機(jī)任一工作速度下的漏播檢測(cè)。取種帶表面的檢測(cè)孔位于每個(gè)種勺背部種薯落點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的位置，由于種薯直徑在30～55 mm之間，所以取種帶表面檢測(cè)孔距離種勺高度H=20 mm，當(dāng)排種器運(yùn)行時(shí)，其檢測(cè)孔隨取種帶處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，傳感器護(hù)板和排種器保護(hù)殼上的檢測(cè)孔相對(duì)于傳感器位置不變，當(dāng)種勺運(yùn)動(dòng)至檢測(cè)位置，若種勺背部無種薯，則3個(gè)檢測(cè)孔處于同一軸線，傳感器發(fā)射端發(fā)送的信號(hào)可以通過檢測(cè)孔被接收端接收，產(chǎn)生漏播信號(hào)，反之，種勺背部種薯遮擋檢測(cè)孔，接收端接收不到檢測(cè)信號(hào)，不產(chǎn)生漏播信號(hào)。

該檢測(cè)方式利用帶勺式馬鈴薯排種器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過結(jié)構(gòu)改進(jìn)，只需對(duì)射式光電傳感器就可以實(shí)現(xiàn)漏播檢測(cè)，不需要獨(dú)立的傳感器對(duì)種勺是否到達(dá)漏播檢測(cè)區(qū)域進(jìn)行判斷，降低了漏播檢測(cè)的復(fù)雜性。

2.2 補(bǔ)種模塊

由于候補(bǔ)種薯直徑在30～50 mm之間，因此執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作的行程不能小于50 mm，根據(jù)播種機(jī)工作速度，補(bǔ)種模塊完成1次動(dòng)作時(shí)間應(yīng)小于250 ms，根據(jù)排種器結(jié)構(gòu)尺寸，補(bǔ)種執(zhí)行機(jī)構(gòu)寬度應(yīng)不大于排種器保護(hù)殼寬度。選用電磁鐵推桿作為補(bǔ)種執(zhí)行機(jī)構(gòu)，工作電壓為24 V，電流為9 A，行程為60 mm，可產(chǎn)生推力60 N，該電磁鐵寬度為50 mm，高度為45 mm，可以滿足補(bǔ)種需求。

補(bǔ)種控制電路如圖7所示，由于電磁鐵推桿工作電壓與電流較大，單片機(jī)無法實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁鐵推桿的直接控制，需要使用兩級(jí)開關(guān)來實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁鐵推桿的間接控制。使用三極管Q2作為第1級(jí)開關(guān)控制繼電器PK1的閉合與斷開，繼電器PK1作為第2級(jí)開關(guān)控制電磁鐵推桿的動(dòng)作。單片機(jī)通過ZX端向三極管Q2的基極輸出低電平信號(hào)使得三極管Q2的發(fā)射極與集電極導(dǎo)通，即第1級(jí)開關(guān)導(dǎo)通，進(jìn)而繼電器PK1通電吸合，其端口3、4之間導(dǎo)通，即第2級(jí)開關(guān)導(dǎo)通，電磁鐵推桿通電推動(dòng)執(zhí)行塊進(jìn)行補(bǔ)種。

圖7 補(bǔ)種控制電路Fig.7 Compensation control circuit

補(bǔ)種模塊結(jié)構(gòu)如圖8所示，補(bǔ)種模塊主要由補(bǔ)種種道、執(zhí)行機(jī)構(gòu)安裝架、單向補(bǔ)種門、推拉式電磁鐵和執(zhí)行塊組成，執(zhí)行塊的行程平面與重力方向的夾角為80°，且補(bǔ)種種道出口邊線與執(zhí)行塊前端面相切，以保證候補(bǔ)種薯通過補(bǔ)種種道后，最終位置保持與執(zhí)行塊前端面處于接觸狀態(tài)，防止候補(bǔ)種薯與執(zhí)行塊之間由于距離差導(dǎo)致補(bǔ)種過程中產(chǎn)生沖擊。候補(bǔ)種薯由補(bǔ)種種道滑落至執(zhí)行塊前方，當(dāng)補(bǔ)種控制電路啟動(dòng)，使得電磁鐵通電動(dòng)作，通過執(zhí)行塊推動(dòng)候補(bǔ)種薯落入缺種種勺背部，電磁鐵推桿鐵芯在歸位彈簧作用下返回初始位置，完成一次補(bǔ)種動(dòng)作。

圖8 補(bǔ)種模塊結(jié)構(gòu)示意圖Fig.8 Schematic of compensation module1.補(bǔ)種種道 2.電磁鐵推桿 3.執(zhí)行機(jī)構(gòu)安裝架 4.排種器保護(hù)殼 5.執(zhí)行塊 6.單向補(bǔ)種門

在補(bǔ)種過程中，候補(bǔ)種薯需要通過排種器保護(hù)殼表面的補(bǔ)種口落入缺種種勺背部。為防止排種器正常運(yùn)行過程中種薯通過補(bǔ)種口流出，在補(bǔ)種口設(shè)計(jì)開合角為90°～180°的單向補(bǔ)種門，在補(bǔ)種過程中，執(zhí)行塊推動(dòng)候補(bǔ)種薯向前運(yùn)動(dòng)，使得單向補(bǔ)種門逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，在限位結(jié)構(gòu)的控制下，該裝置的最大開啟角為90°。補(bǔ)種結(jié)束后，通過其自身重力或隨后種勺壓力的作用下順時(shí)針旋轉(zhuǎn)下落，在限位結(jié)構(gòu)控制下最大下落角為180°。

同時(shí)，為了降低執(zhí)行塊的質(zhì)量對(duì)電磁鐵推桿的能量消耗，提高單向補(bǔ)種門結(jié)構(gòu)適用性，降低其制造難度。采用SolidWorks軟件對(duì)執(zhí)行塊和單向開合補(bǔ)種門進(jìn)行三維建模，并對(duì)其內(nèi)部進(jìn)行網(wǎng)格化，使用ABS材料(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物)進(jìn)3D打印。

2.3 單片機(jī)模塊

圖10 單片機(jī)模塊電路Fig.10 Circuit diagram of single chip microcomputer module

控制面板示意圖如圖9所示，當(dāng)排種器以最快速度運(yùn)行時(shí)，要求該控制系統(tǒng)在50 ms以內(nèi)完成信號(hào)處理和輸出，STC89C516單片機(jī)選用12 MHz晶振時(shí)，機(jī)器周期即可達(dá)1 μs，滿足使用要求，且該單片機(jī)功耗低、價(jià)格便宜，適用于農(nóng)業(yè)機(jī)械，同時(shí)，選用蜂鳴器與LCD液晶對(duì)漏播情況進(jìn)行提示和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示。

圖9 控制面板示意圖Fig.9 Schematic of control panel1.繼電器 2.電源線 3.蜂鳴器 4.降壓模塊 5.單片機(jī) 6.檢測(cè)模塊信號(hào)輸入端口 7.顯示模塊

單片機(jī)模塊以STC89C516為核心，電路如圖10所示。主要對(duì)各個(gè)模塊的信號(hào)進(jìn)行接收、處理和輸出。檢測(cè)模塊的漏播檢測(cè)傳感器和播種數(shù)統(tǒng)計(jì)檢測(cè)傳感器向單片機(jī)模塊輸入漏播信號(hào)和總播數(shù)統(tǒng)計(jì)信號(hào)，占用P3.2和P2.4引腳。單片機(jī)通過P2.0引腳向補(bǔ)種控制電路發(fā)送補(bǔ)種信號(hào)。顯示模塊采用LCD12864實(shí)時(shí)顯示總漏播數(shù)和總播種數(shù)，占用P1.0～P1.7，P0.0～P0.4引腳。聲光報(bào)警模塊由蜂鳴器和指示燈組成，對(duì)漏播情況進(jìn)行及時(shí)提醒，占用P2.2引腳。晶振電路和復(fù)位電路保證單片機(jī)的正常運(yùn)行。

2.4 軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)控制需求，當(dāng)漏播檢測(cè)傳感器和總播種數(shù)統(tǒng)計(jì)傳感器輸出檢測(cè)信號(hào)后，單片機(jī)模塊需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行快速識(shí)別，出現(xiàn)漏播信號(hào)時(shí)，單片機(jī)需要對(duì)漏播信號(hào)進(jìn)行優(yōu)先處理。當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到播種數(shù)統(tǒng)計(jì)信號(hào)，需對(duì)信號(hào)進(jìn)行二次判別，并將該信號(hào)進(jìn)行累加統(tǒng)計(jì)后調(diào)用LCD顯示程序進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到漏播信號(hào)后，通過外部中斷對(duì)漏播信號(hào)進(jìn)行優(yōu)先處理，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行二次判別，根據(jù)漏播檢測(cè)與補(bǔ)種之間的距離差，需延時(shí)后向補(bǔ)種模塊發(fā)送補(bǔ)種信號(hào)，同時(shí)延時(shí)過程不能占用單片機(jī)的運(yùn)行，需要在外部中斷中嵌套定時(shí)器中斷。同時(shí)單片機(jī)需要對(duì)漏播數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并通過LCD顯示。主程序和中斷程序是主要的組成部分。

主程序流程圖如圖11所示，系統(tǒng)上電之后進(jìn)入系統(tǒng)初始化、外部中斷初始化和LCD顯示初始化；初始化之后進(jìn)行系統(tǒng)的自檢，排除系統(tǒng)故障；打開外部中斷，對(duì)漏播傳感器產(chǎn)生的中斷信號(hào)和播種數(shù)統(tǒng)計(jì)傳感器產(chǎn)生的播種數(shù)統(tǒng)計(jì)信號(hào)進(jìn)行循環(huán)掃描，當(dāng)出現(xiàn)中斷信號(hào)，執(zhí)行中斷程序控制補(bǔ)種模塊進(jìn)行補(bǔ)種，中斷程序執(zhí)行完畢返回主程序，檢測(cè)到播種數(shù)統(tǒng)計(jì)信號(hào)，對(duì)總播種數(shù)進(jìn)行累加統(tǒng)計(jì)，并通過LCD進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示；終止信號(hào)控制系統(tǒng)各個(gè)模塊停止運(yùn)行。

圖11 主程序流程圖Fig.11 Main program block diagram

中斷程序流程圖如圖12所示，當(dāng)單片機(jī)接收到漏播檢測(cè)傳感器輸出的外部中斷信號(hào)時(shí)，程序執(zhí)行從主程序跳入中斷子程序，為防止干擾信號(hào)輸入，再次對(duì)該信號(hào)進(jìn)行判斷，由于檢測(cè)模塊與執(zhí)行模塊之間有一定的距離，需要檢測(cè)模塊檢測(cè)到漏播信號(hào)之后延時(shí)固定時(shí)間后，補(bǔ)種模塊才能動(dòng)作，所以在外部中斷程序中對(duì)定時(shí)器進(jìn)行初始化，跳入定時(shí)器進(jìn)行計(jì)時(shí)，當(dāng)計(jì)時(shí)結(jié)束之后向補(bǔ)種模塊發(fā)送動(dòng)作信號(hào)啟動(dòng)補(bǔ)種控制電路，同時(shí)，漏播數(shù)量進(jìn)行累加，LCD進(jìn)行同步顯示。

圖12 中斷程序流程圖Fig.12 Interrupt program flowchart diagram

3 性能試驗(yàn)

3.1 補(bǔ)種可行性測(cè)試

3.1.1試驗(yàn)方法

為確保補(bǔ)種模塊在有效補(bǔ)種時(shí)間t0內(nèi)能夠完成補(bǔ)種，設(shè)計(jì)測(cè)試試驗(yàn)如圖13所示。使用斜面儀結(jié)合角度測(cè)量?jī)x將電磁鐵推桿固定于10.08°的斜面，以模擬補(bǔ)種模塊實(shí)際安裝的傾斜角。隨機(jī)挑選候補(bǔ)種薯作為補(bǔ)種對(duì)象。在執(zhí)行塊表面粘貼反光貼，用于對(duì)執(zhí)行塊的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行跟蹤。采用510 f/s的高速攝像機(jī)對(duì)補(bǔ)種過程進(jìn)行拍攝。

圖13 補(bǔ)種模塊動(dòng)作過程Fig.13 Action process of compensation module

最終利用ProAnalyst軟件對(duì)推塊表面反光貼片的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行跟蹤，并以時(shí)間為自變量輸出運(yùn)動(dòng)軌跡所對(duì)應(yīng)的位移距離和相應(yīng)的幀數(shù)數(shù)據(jù)。通過提取推塊關(guān)鍵位置對(duì)應(yīng)的幀數(shù)，計(jì)算補(bǔ)償時(shí)間，并與有效補(bǔ)償時(shí)間進(jìn)行比較，分析補(bǔ)種模塊的可行性。

當(dāng)播種機(jī)實(shí)際工作最大速度為6.8 km/h時(shí)，對(duì)應(yīng)取種帶線速度為v=0.54 m/s。此時(shí)取種帶運(yùn)行一個(gè)種勺間距的時(shí)間，即有效補(bǔ)種時(shí)間為

(2)

式中t0——有效補(bǔ)種時(shí)間，ms

L2——取種帶表面單列種勺間距，mm

補(bǔ)種模塊完成一次補(bǔ)種動(dòng)作的時(shí)間即補(bǔ)種時(shí)間，由補(bǔ)種模塊從接收到補(bǔ)種信號(hào)到開始動(dòng)作的系統(tǒng)誤差時(shí)間與補(bǔ)種模塊從開始工作到正行程結(jié)束的過程需要的正行程時(shí)間組成，其關(guān)系為

t1=t2+t3

(3)

式中t1——補(bǔ)種時(shí)間，ms

t2——系統(tǒng)誤差時(shí)間，ms

t3——正行程時(shí)間，ms

根據(jù)ProAnalyst軟件輸出的數(shù)據(jù)，結(jié)合補(bǔ)償時(shí)間與系統(tǒng)誤差時(shí)間及正行程時(shí)間之間的關(guān)系，確定如圖13b所示單片機(jī)發(fā)出補(bǔ)種動(dòng)作信號(hào)時(shí)對(duì)應(yīng)幀數(shù)、電磁鐵推桿開始動(dòng)作時(shí)對(duì)應(yīng)幀數(shù)和圖13c所示電磁鐵推桿達(dá)到動(dòng)作最遠(yuǎn)點(diǎn)時(shí)對(duì)應(yīng)幀數(shù)，則補(bǔ)種時(shí)間為

(4)

式中F1——發(fā)出補(bǔ)種動(dòng)作信號(hào)時(shí)對(duì)應(yīng)幀數(shù)，f

F2——電磁鐵推桿開始動(dòng)作時(shí)對(duì)應(yīng)幀數(shù)，f

F3——電磁鐵推桿達(dá)最遠(yuǎn)點(diǎn)時(shí)對(duì)應(yīng)幀數(shù)，f

根據(jù)電磁鐵推桿達(dá)最遠(yuǎn)點(diǎn)時(shí)對(duì)應(yīng)幀數(shù)與圖13d所示電磁鐵推桿恢復(fù)原位時(shí)對(duì)應(yīng)幀數(shù)，求得電磁鐵推桿從最遠(yuǎn)點(diǎn)返回初始位置所用的回位時(shí)間為

(5)

式中t4——回位時(shí)間，ms

F4——電磁鐵推桿恢復(fù)原位時(shí)對(duì)應(yīng)幀數(shù)，f

為確保執(zhí)行機(jī)構(gòu)的連續(xù)動(dòng)作可行性，確定補(bǔ)種模塊完整完成一次補(bǔ)種過程所需的補(bǔ)種總時(shí)間為

t5=t1+t4

(6)

式中t5——補(bǔ)種總時(shí)間，ms

3.1.2試驗(yàn)結(jié)果與分析

為保證數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，該試驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行4次，并通過ProAnalyst軟件對(duì)每一次試驗(yàn)中對(duì)應(yīng)的關(guān)鍵幀數(shù)F1、F2、F3和F4進(jìn)行輸出，為表達(dá)簡(jiǎn)潔，將試驗(yàn)數(shù)據(jù)重新定義了零點(diǎn)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。

表2 補(bǔ)種測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Compensation module test results f

對(duì)4次試驗(yàn)結(jié)果分別進(jìn)行計(jì)算，求得補(bǔ)種過程中平均補(bǔ)種時(shí)間t1≈96 ms，取種帶表面單列種勺間距L2=145 mm，根據(jù)式(2)計(jì)算有效補(bǔ)種時(shí)間t0=268.52 ms，通過對(duì)比可得t1

3.2 漏播檢測(cè)與補(bǔ)種系統(tǒng)性能測(cè)試

試驗(yàn)臺(tái)架如圖14所示，為測(cè)試該漏播檢測(cè)與補(bǔ)種系統(tǒng)在帶勺式馬鈴薯排種器上的漏播檢測(cè)與補(bǔ)種的成功率，搭建漏播檢測(cè)與補(bǔ)種試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行性能測(cè)試。

圖14 漏播檢測(cè)與補(bǔ)種試驗(yàn)臺(tái)Fig.14 Test stand for miss-seeding detection and automatic compensating1.種箱 2.排種器 3.播種數(shù)統(tǒng)計(jì)傳感器 4.漏播檢測(cè)傳感器 5.補(bǔ)種種道 6.單項(xiàng)開合門 7.執(zhí)行塊 8.電磁鐵推桿 9.電源 10.控制面板 11.高速攝像機(jī)

3.2.1試驗(yàn)設(shè)備與材料

排種器主驅(qū)動(dòng)輪動(dòng)力由1.5 kW電機(jī)通過鏈傳動(dòng)方式提供，電機(jī)轉(zhuǎn)速通過NVF2G-22/PS4型變頻器進(jìn)行控制，主驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速通過TA8146C型轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x進(jìn)行測(cè)定。排種器工作過程使用種薯為切塊種薯，直徑在30～55 mm之間。補(bǔ)種過程使用尺寸滿足要求的整薯種薯作為候補(bǔ)種薯，直徑在30～50 mm之間。漏播檢測(cè)與補(bǔ)種過程使用MS55KS2型高速攝像機(jī)進(jìn)行拍攝。

3.2.2試驗(yàn)方法

漏播檢測(cè)與補(bǔ)種系統(tǒng)以不影響排種器實(shí)際工作質(zhì)量為前提，因此，衡量該系統(tǒng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)是當(dāng)排種器處于不同工作速度時(shí)，該系統(tǒng)的補(bǔ)種成功率，即試驗(yàn)以播種機(jī)實(shí)際前進(jìn)速度為影響因素，通過搭建試驗(yàn)臺(tái)，根據(jù)速度關(guān)系，通過控制主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速模擬播種機(jī)實(shí)際工作速度，以補(bǔ)種成功率為評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行單因素6水平試驗(yàn)。

馬鈴薯播種機(jī)在實(shí)際工作的過程中，排種器的動(dòng)力通過地輪提供，所以單位時(shí)間內(nèi)播種機(jī)前進(jìn)距離與速度的比值和單位時(shí)間內(nèi)種勺運(yùn)動(dòng)距離與取種帶線速度的比值相等，即當(dāng)種勺運(yùn)動(dòng)一個(gè)相鄰種勺間距的時(shí)間與播種機(jī)前進(jìn)一個(gè)株距的時(shí)間的關(guān)系為

(7)

式中L——相鄰種勺間距，mm

L1——株距，mm

v1——播種機(jī)前進(jìn)速度，m/s

排種器主動(dòng)輪角速度與其轉(zhuǎn)速之間、取種帶線速度與主動(dòng)輪角速度之間的關(guān)系為

(8)

式中ω——主動(dòng)輪角速度，rad/s

n——主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速，r/min

r——主動(dòng)輪半徑，mm

則取種帶線速度v與主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速n之間的關(guān)系為

(9)

由于試驗(yàn)以播種機(jī)實(shí)際前進(jìn)速度為影響因素，該馬鈴薯播種機(jī)實(shí)際工作速度為2.0～6.8 km/h，株距L1為250 mm，取種帶表面種勺為雙列交錯(cuò)排布，相鄰種勺之間距離L為72.5 mm，單列種勺之間的距離L2為145 mm，排種器主動(dòng)輪半徑r為95.5 mm。在該區(qū)間內(nèi)設(shè)定6個(gè)水平，并依次遞增，通過式(7)～(9)計(jì)算得到播種機(jī)實(shí)際前進(jìn)速度、取種帶線速度與主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速之間的換算關(guān)系如表3所示。

表3 速度換算關(guān)系Tab.3 Speed conversion relationship

試驗(yàn)過程中，每個(gè)速度水平下理論排種500粒種薯，重復(fù)5次，排種器主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速n通過轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x進(jìn)行測(cè)量。為實(shí)現(xiàn)臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)，使用高速攝像機(jī)統(tǒng)計(jì)原始播種數(shù)、原始漏播數(shù)、補(bǔ)種數(shù)、最終播種數(shù)和最終理論播種數(shù)，其關(guān)系為

(10)

式中m0——原始播種數(shù)m1——原始漏播數(shù)

m2——補(bǔ)種數(shù)m3——最終播種數(shù)

m4——最終理論播種數(shù)

據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以得到無該系統(tǒng)時(shí)，漏播數(shù)量與理論播種數(shù)量的比值，即原始漏播率為

(11)

式中η1——原始漏播率

使用該系統(tǒng)后最終的漏播數(shù)量與理論播種數(shù)量的比值，即最終漏播率為

(12)

式中η2——最終漏播率

該系統(tǒng)補(bǔ)種模塊的補(bǔ)種成功率為

(13)

式中η3——補(bǔ)種成功率

通過高速攝像機(jī)對(duì)每組試驗(yàn)過程中的排種器取種過程、漏播檢測(cè)過程和補(bǔ)種過程進(jìn)行拍攝記錄，對(duì)每組試驗(yàn)的m0、m1和m2進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表4所示。

表4 取種及補(bǔ)種性能試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Statistics of test results

3.2.3試驗(yàn)結(jié)果與分析

如表4所示，當(dāng)排種帶速度超過0.46 m/s時(shí)，排種器原始漏播率顯著增加，主要原因是排種帶線速度增加使得種勺充種時(shí)間變短，充種效果變差，導(dǎo)致充種率下降[24]。

根據(jù)高速攝像機(jī)采集的結(jié)果，該系統(tǒng)漏播檢測(cè)成功率為100%，該系統(tǒng)補(bǔ)種模塊補(bǔ)種成功率如圖15所示，平均補(bǔ)種成功率約為83.0%，補(bǔ)種模塊作業(yè)過程中未出現(xiàn)對(duì)種薯造成損傷的現(xiàn)象，不考慮補(bǔ)種過程中的損傷率對(duì)補(bǔ)種成功率造成的影響。

圖15 補(bǔ)種成功率Fig.15 Success rate of compensating

根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果計(jì)算原始漏播率和最終漏播率如圖16所示。若不使用該系統(tǒng)，當(dāng)排種帶線工作速度在0.14～0.54 m/s之間時(shí)，排種器的原始漏播率在5.9%～11.4%之間，平均原始漏播率約為7.7%，使用該系統(tǒng)后，最終漏播率在0.9%～2.1%之間，平均最終漏播率為1.3%，該系統(tǒng)可平均降低漏播率6.4個(gè)百分點(diǎn)。

圖16 原始漏播率與最終漏播率Fig.16 Original and final miss rates

通過對(duì)高速攝像儀采集視頻進(jìn)行分析，確定補(bǔ)種模塊補(bǔ)種失敗的原因如圖17所示。候補(bǔ)種薯沿種道下滑，在終點(diǎn)處與擋板產(chǎn)生沖擊，由于補(bǔ)種種道出口與執(zhí)行塊之間的過渡平緩，會(huì)出現(xiàn)候補(bǔ)種薯與擋板沖擊后有回彈的情況，導(dǎo)致候補(bǔ)種薯的部分體積停留在補(bǔ)種種道中，電磁鐵推桿前端的執(zhí)行塊向前推動(dòng)候補(bǔ)種薯的過程中，電磁鐵推桿的推力無法克服執(zhí)行塊、候補(bǔ)種薯和補(bǔ)種種道之間的相互作用力，在補(bǔ)種種道出口處出現(xiàn)卡種情況，無法使候補(bǔ)種薯通過單向補(bǔ)種門，導(dǎo)致補(bǔ)種失敗。

圖17 補(bǔ)種失敗分析示意圖Fig.17 Analysis diagram of compensation failure1.補(bǔ)種種道出口 2.候補(bǔ)種薯 3.執(zhí)行塊 4.單向補(bǔ)種門 5.補(bǔ)種種道

4 結(jié)論

(1)針對(duì)帶勺式馬鈴薯排種器作業(yè)過程中普遍存在的漏播率較高的問題，對(duì)漏播檢測(cè)模塊、補(bǔ)種模塊、單片機(jī)模塊、聲光報(bào)警模塊和顯示模塊進(jìn)行硬件選型、電路設(shè)計(jì)、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并根據(jù)系統(tǒng)控制需求完成了主程序、中斷程序和各個(gè)子程序的設(shè)計(jì)，完成了漏播檢測(cè)與補(bǔ)種系統(tǒng)的搭建，可以對(duì)帶勺式馬鈴薯排種器運(yùn)行過程中的漏播情況進(jìn)行檢測(cè)并完成補(bǔ)種。

(2)通過臺(tái)架試驗(yàn)對(duì)該漏播檢測(cè)與補(bǔ)種系統(tǒng)進(jìn)行性能測(cè)試，結(jié)果表明當(dāng)取種帶線速度在0.14～0.54 m/s之間時(shí)，漏播檢測(cè)成功率為100%，補(bǔ)種成功率平均約為83.0%，該系統(tǒng)可平均降低漏播率6.4個(gè)百分點(diǎn)，該漏播檢測(cè)與補(bǔ)種系統(tǒng)工作穩(wěn)定，為該系統(tǒng)在帶勺式馬鈴薯播種機(jī)上的實(shí)際應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。