一種播補(bǔ)一體化新型馬鈴薯播種機(jī)漏播檢測與補(bǔ)償控制系統(tǒng)的開發(fā)

Sokouri Kevin Jean Cyrille， 王關(guān)平， 劉 燕， 孫 偉， 楊 森， 馮 斌， 王成江

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

目前，采用切塊薯種植仍然是馬鈴薯種植的主流方式[1-3]。然而，一方面由于薯種的流動(dòng)性較差容易導(dǎo)致取種勺漏取，另一方面隨著播種速度的提高，取種成功率會(huì)進(jìn)一步下降[4-5]。目前，主流的工程方案是對(duì)勺鏈?zhǔn)脚欧N器進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化以實(shí)現(xiàn)較高的取種成功率[6-8]，然而這并不能從根本上解決問題。

針對(duì)該問題，增加漏播自動(dòng)補(bǔ)償裝置是解決問題的有效方法之一[9-10]。國內(nèi)研究人員對(duì)于漏播檢測及補(bǔ)償已經(jīng)取得了一些初步成果，例如張曉東[11]設(shè)計(jì)了由紅外光電傳感器及步進(jìn)電機(jī)構(gòu)成的馬鈴薯智能補(bǔ)償系統(tǒng)方案，但檢測精度易受田間塵土影響。在此基礎(chǔ)上，孫偉[12]、王關(guān)平[13]等提出了采用紅外傳感器進(jìn)行漏播檢測，采用電磁鐵或者外槽輪式排種器進(jìn)行補(bǔ)償?shù)臋z測方案，其檢測的準(zhǔn)確度和可靠性已經(jīng)能夠滿足要求，但擊打式補(bǔ)償?shù)氖褂镁窒扌砸廊伙@而易見。而龔麗農(nóng)[15]等研制了基于內(nèi)充種式排種器的副排種器及其控制裝置，采用電磁閥進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)種，但是其雙排種器的設(shè)計(jì)增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，也使得成本顯著抬升。針對(duì)上述問題，本設(shè)計(jì)提出了一種基于追趕補(bǔ)償理念的漏播補(bǔ)償方案[16]。

1 播補(bǔ)一體化新型馬鈴薯播種機(jī)原理簡介

播補(bǔ)一體化新型馬鈴薯播種機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其由3個(gè)有機(jī)聯(lián)系的部分組成.單行馬鈴薯種植機(jī)、漏播檢測系統(tǒng)以及基于單向離合器的漏播補(bǔ)償系統(tǒng)。正常作業(yè)時(shí)，在拖拉機(jī)的牽引下，轉(zhuǎn)動(dòng)的地輪軸將動(dòng)力經(jīng)主動(dòng)力傳輸鏈輪、地輪動(dòng)力傳輸鏈條以及主動(dòng)力傳輸單向離合器而傳輸給排種鏈輪軸，從而帶動(dòng)整個(gè)排種鏈輪、排種鏈條、所有的取種勺及種薯完成播種，系統(tǒng)控制器利用排種檢測光電傳感器組Ⅰ、Ⅱ(后分別簡稱檢測組Ⅰ、Ⅱ)，種勺位置傳感器Ⅰ、Ⅱ的信息進(jìn)行實(shí)時(shí)漏播判斷，同時(shí)進(jìn)行自然播種數(shù)及其他相關(guān)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和顯示。

圖1 基于單向離合器的播補(bǔ)一體化新型馬鈴薯播種機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1.種箱；2.機(jī)架豎梁；3.鏈輪軸承；4.排種槽；5.地輪；6.漏播補(bǔ)償電機(jī)；7.補(bǔ)償單向離合器；8.電機(jī)動(dòng)力輸出鏈輪；9.排種檢測光電傳感器組(Ⅱ，Ⅰ)；10.排種鏈輪(Ⅱ，Ⅰ)；11.取種勺；12.取種勺位置信號(hào)攜載器；13.取種勺位置傳感器(Ⅱ，Ⅰ)；14.排種鏈條；15.地輪軸；16.排種槽投種口；17.種薯；18.機(jī)架底梁；19.車載蓄電池；20.主動(dòng)力傳輸單向離合器；21.位置可調(diào)式開溝器；22.排種鏈輪軸(Ⅱ，Ⅰ)；23.電機(jī)安裝底板；24.驅(qū)動(dòng)器；25.地輪動(dòng)力傳輸鏈條；26.漏播補(bǔ)償動(dòng)力傳輸鏈條；27.主動(dòng)力傳輸鏈輪；28.系統(tǒng)控制器；29.測速碼盤

2 漏播監(jiān)測與漏播補(bǔ)償控制系統(tǒng)方案

本播補(bǔ)一體化新型馬鈴薯播種機(jī)是典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，其漏播監(jiān)測及補(bǔ)償控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能邏輯如圖2所示，系統(tǒng)選擇STM32F401處理器作為系統(tǒng)CPU。漏播監(jiān)測及補(bǔ)償控制系統(tǒng)的核心是種勺位置感應(yīng)、紅外對(duì)射漏播及加速補(bǔ)償控制系統(tǒng)3部分，此外還必須有執(zhí)行參數(shù)設(shè)置的鍵盤、參數(shù)顯示、聲光報(bào)警以及排種鏈條速度采集裝置。其中，種勺位置監(jiān)測采用了永磁鐵及霍爾檢測電路，紅外傳感器組主要由紅外發(fā)射頭及紅外檢測電路構(gòu)成，采用單片機(jī)I/O驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)射電路發(fā)出紅外光，在指定時(shí)間內(nèi)監(jiān)測紅外接收電路所接引腳是否有信號(hào)跳變中斷產(chǎn)生，由此來完成漏播判斷；漏播補(bǔ)償部分，采用測速碼盤檢測排種鏈條的補(bǔ)償前實(shí)時(shí)速度，經(jīng)運(yùn)算產(chǎn)生對(duì)應(yīng)頻率的脈沖串驅(qū)動(dòng)電機(jī)完成加速補(bǔ)償。

圖2 漏播監(jiān)測及補(bǔ)償控制系統(tǒng)框圖(元件編碼與圖1對(duì)應(yīng))

漏播情況下，則由漏播檢測系統(tǒng)發(fā)出決策信號(hào)，漏播補(bǔ)償電機(jī)被啟動(dòng)。由于經(jīng)由補(bǔ)償單向離合器注入的電機(jī)動(dòng)力試圖使排種鏈輪軸Ⅱ以更高的速度加速旋轉(zhuǎn)，因而排種鏈輪軸Ⅱ的原地輪動(dòng)力便順利切換至補(bǔ)償電機(jī)，待后一薯勺加速追趕至前一空缺馬鈴薯種塊的正常預(yù)定到達(dá)位置時(shí)，電動(dòng)加速轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)終止，排種鏈輪軸Ⅱ重新從地輪獲取動(dòng)力，系統(tǒng)又進(jìn)入正常播種狀態(tài)。

3 漏播及補(bǔ)償條件檢測系統(tǒng)空間布局與補(bǔ)償執(zhí)行

3.1 漏播檢測系統(tǒng)

漏播及補(bǔ)償條件檢測系統(tǒng)空間布局示意如圖3所示。漏播判斷由每個(gè)取種勺側(cè)面負(fù)載的取種勺位置信號(hào)攜載器和排種檢測光電傳感器聯(lián)合得出。其中，檢測組Ⅰ檢測漏播事件是否發(fā)生，檢測組Ⅱ檢測待補(bǔ)薯種是否具備。每當(dāng)取種勺側(cè)面附帶的種勺位置信號(hào)攜載器到達(dá)取種勺位置傳感器所在的位置時(shí)，由CPU給檢測組Ⅰ的發(fā)射端提供信號(hào)，檢測排種檢測光電傳感器在預(yù)定時(shí)間段內(nèi)發(fā)生的信號(hào)變化，如果排種檢測光電傳感器Ⅰ至少其中一個(gè)接收端的狀態(tài)傳感器發(fā)生了變化，則說明有薯種存在，沒有漏播事件發(fā)生；相反，如果檢測組Ⅰ沒有任何一個(gè)接收端的狀態(tài)在預(yù)定時(shí)間內(nèi)發(fā)生變化，則說明所經(jīng)過的取種勺背面發(fā)生了漏播事件。檢測組Ⅱ處執(zhí)行的待補(bǔ)薯種是否具備的檢測過程與檢測組Ⅰ所在處執(zhí)行的漏播事件是否發(fā)生的檢測過程類似、CPU的判斷準(zhǔn)則完全相同。

圖3 漏播及補(bǔ)償條件檢測系統(tǒng)空間布局(元件編碼與圖1對(duì)應(yīng))

3.2 追趕式補(bǔ)償原理

如果CPU判斷檢測組Ⅰ處發(fā)生了漏播事件，還需要依據(jù)檢測組Ⅱ處待補(bǔ)薯種是否具備的檢測結(jié)果，最終由CPU給驅(qū)動(dòng)器發(fā)出相應(yīng)的控制信號(hào)。如果檢測組Ⅱ處待補(bǔ)薯種具備，則CPU根據(jù)取種勺的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)速度v1給驅(qū)動(dòng)器發(fā)出的控制信號(hào)使電機(jī)帶動(dòng)排種鏈條達(dá)到相應(yīng)的速度，從而使得檢測組Ⅱ處的取種勺在經(jīng)過加速的位移2L1后，能夠達(dá)到前一取種勺采用原速度v1達(dá)到的相同位置，從而完成位置無偏差補(bǔ)償，隨后CPU使電機(jī)立即停轉(zhuǎn)，從而退出補(bǔ)種狀態(tài)。如果檢測組Ⅱ處無待補(bǔ)薯種，則CPU以低頻方式啟動(dòng)聲光報(bào)警系統(tǒng)，電機(jī)繼續(xù)工作使得排種鏈條速度保持在原補(bǔ)償速度不變，而后等待檢測下一檢測組Ⅱ處的取種勺背后是否有待補(bǔ)薯種，如果有，則按照現(xiàn)補(bǔ)償速度繼續(xù)執(zhí)行完補(bǔ)償；而如果下一檢測組Ⅱ處的取種勺背后依然缺種，則系統(tǒng)啟動(dòng)高頻聲光報(bào)警，漏播與補(bǔ)償控制系統(tǒng)停機(jī)，操作人員進(jìn)行人工檢查，查明原因并采取相應(yīng)措施。

3.3 主要檢測電路

本裝置的核心硬件是漏播檢測系統(tǒng)電路，具體包括取種勺位置檢測電路、紅外發(fā)射電路以及紅外接收電路3部分，這些具體電路均以高速光耦(EL357)為媒介傳遞信號(hào)，其基本設(shè)計(jì)如圖4所示。其中，圖4(a)中的端口HUOER_IN連接霍爾傳感器，當(dāng)取種勺攜帶的釹鐵硼磁鐵經(jīng)過霍爾傳感器時(shí)，該端口2號(hào)引腳由高電平跳變?yōu)榈碗娖?，?duì)應(yīng)輸出端MCU_HUOER_IN也發(fā)生由高到低的跳變，CPU捕捉到該跳變信息，誘發(fā)紅外漏播檢測中斷的啟動(dòng)；圖4(b)中的MCU_IR_OUT與CPU的某一I/O引腳相連，該引腳置低電平將使得三極管Q1導(dǎo)通，端口IR_OUT上插接的紅外發(fā)射二級(jí)管將發(fā)射特定波長的紅外光脈沖信號(hào)；如果圖4(c)中IR_IN引腳低于4V時(shí)，滯回比較器LM393的引腳1會(huì)輸出高電平信號(hào)，經(jīng)由限流電阻R4流過隔離光耦U1，觸發(fā)其導(dǎo)通使得光耦輸出端連接CPU的MCU_IR_IN引腳發(fā)生由高到低的電平跳變，如果這種跳變?cè)谝欢沃付ǖ臅r(shí)間段內(nèi)被檢測到，則系統(tǒng)可判定漏播事件產(chǎn)生，否則，系統(tǒng)認(rèn)為排種正常。

圖4 漏播檢測系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

4 系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)主程序?qū)⑼瓿勺兞砍踔翟O(shè)定、動(dòng)力系統(tǒng)的完好性檢測、排種器光電傳感器組功能測試、定時(shí)器及中斷功能配置、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示等。每當(dāng)一個(gè)取種勺側(cè)面附帶的取種勺位置信號(hào)攜載器到達(dá)取種勺位置傳感器(Ⅰ、Ⅱ)所在位置時(shí)，都會(huì)誘發(fā)相關(guān)的中斷工作，規(guī)定各中斷之間的優(yōu)先順序，中斷優(yōu)先級(jí)從高至低依次為排種光電檢測組Ⅱ、排種光電檢測組Ⅰ所觸發(fā)的中斷，其相應(yīng)的中斷工作子程序檢測結(jié)果標(biāo)志位分別為FLAGII、FLAGI。

在本設(shè)計(jì)中，最重要的漏播檢測及補(bǔ)償控制部分，其相應(yīng)的紅外漏播檢測中斷子程序如圖5所示。在其中斷被觸發(fā)之后，首先會(huì)執(zhí)行光電傳感器組Ⅰ的交替檢測功能，獲取薯種狀態(tài)并對(duì)FLAGI進(jìn)行賦值，之后從編碼器子函數(shù)中獲取到當(dāng)前鏈條實(shí)時(shí)速度v1，通過采集到的速度利用超越式加速補(bǔ)償算法預(yù)估補(bǔ)償時(shí)間t1，之后對(duì)待補(bǔ)薯種標(biāo)志位FLAGII進(jìn)行檢測，如果待補(bǔ)薯種存在則按照時(shí)間t1計(jì)算運(yùn)動(dòng)速度驅(qū)動(dòng)電機(jī)加速補(bǔ)償，等待補(bǔ)償完成退出中斷子程序，否則驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行快速補(bǔ)位將下一個(gè)薯勺運(yùn)轉(zhuǎn)到薯勺檢測位置Ⅱ處，再次驅(qū)動(dòng)漏播光電檢測傳感器Ⅱ?qū)ζ溆袩o薯種進(jìn)行判斷，如果此次薯勺攜帶有薯種則重新計(jì)算t1計(jì)算補(bǔ)償速度v，驅(qū)動(dòng)電機(jī)以速度v進(jìn)行補(bǔ)償，否則系統(tǒng)進(jìn)行停機(jī)操作，報(bào)警并關(guān)閉補(bǔ)種功能。

圖5 紅外漏播檢測中斷子程序流程圖

5 田間試驗(yàn)

5.1 試驗(yàn)條件

本文所使用的原理樣機(jī)采用由楊浩在甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)機(jī)械實(shí)訓(xùn)中心制造的原型樣機(jī)改進(jìn)而來，于甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院下屬小達(dá)坪馬鈴薯試驗(yàn)基地進(jìn)行田間試驗(yàn)，該試驗(yàn)基地土壤類型為黃綿土，屬于西北黃土高原典型土壤類型，試驗(yàn)田地約0.6平方公頃，壟長約為150 m，平均土壤含水率為14.53%，薯種平均尺寸約為55 mm×40 mm×33 mm，含水率為66.4%，薯種質(zhì)量約為38 g/個(gè)。

5.2 試驗(yàn)方法及內(nèi)容

本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)依照馬鈴薯田間種植要求，株距設(shè)置固定為280 mm，采用12 A鏈條，采用切塊薯種，勺鏈線速度取0.2 m/s、0.5 m/s、0.8 m/s，每個(gè)速度等級(jí)測試5次，薯種箱內(nèi)放置300粒薯種。由控制器統(tǒng)計(jì)理論播種數(shù)n1、自然漏播數(shù)n2、成功補(bǔ)種數(shù)n3，衡量本次實(shí)驗(yàn)的排種器補(bǔ)種性能指標(biāo)如下。

自然漏播率ε1為：

(1)

補(bǔ)種成功率ε2為：

(2)

最終漏播率ε3為：

(3)

排種器補(bǔ)種時(shí)受到傳感器響應(yīng)時(shí)間、系統(tǒng)補(bǔ)種運(yùn)算時(shí)間以及電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)加速時(shí)間的影響，而補(bǔ)種株距受到時(shí)間的影響，即采用下落誤差距離進(jìn)行補(bǔ)種位置性能判定，正常落點(diǎn)株距L1、實(shí)際落點(diǎn)株距L2、補(bǔ)種株距落點(diǎn)L3，其中實(shí)際落點(diǎn)株距L2采用10粒正常播種間距求其平均值得到，補(bǔ)種株距落點(diǎn)L3采用所有補(bǔ)種株距相加求平均值得到。株距誤差率性能指標(biāo)如下。

正常株距誤差率ε4為：

(4)

補(bǔ)種株距誤差率ε5為：

(5)

5.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

經(jīng)過高速攝像機(jī)回放及比對(duì)排種器的各種監(jiān)測數(shù)值，本次設(shè)計(jì)排種器監(jiān)測系統(tǒng)性能高于99%，其排種性能見表1。

表1 排種器性能試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)測算5次實(shí)驗(yàn)平均值，0.2 m/s時(shí)自然漏播率ε1為3.54%，0.5 m/s時(shí)為5.8%，0.8 m/s時(shí)為11.8%，排種器勺鏈線速度自0.2 m/s變化至0.8 m/s時(shí)，自然漏播率ε1從3.54%上升至11.8%，性能劣化點(diǎn)約出現(xiàn)在0.6 m/s，與前人研究結(jié)果相一致。排種器自然漏播率ε1隨排種器線速度的增大而增大，漏播率上升主要是由于排種器勺鏈運(yùn)行速度過快難以及時(shí)從種箱內(nèi)取到薯種，導(dǎo)致播種成功率的下降。

與此同時(shí)，隨著排種速度的增加排種器補(bǔ)種成功率ε2從94.78%降低至75.18%，0.8 m/s出現(xiàn)的劣化現(xiàn)象主要是由于排種器運(yùn)行速度過快，留給控制器的補(bǔ)償時(shí)間過少導(dǎo)致補(bǔ)種失敗。最終漏播率ε3從0.22%上升至2.94%，在0.5 m/s的勺鏈線速度時(shí)仍能維持0.57%以下的漏播率。

從正常株距誤差率ε4和補(bǔ)種株距誤差率ε5的5次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，補(bǔ)償系統(tǒng)與實(shí)際系統(tǒng)之間始終有一定的誤差，這主要是控制器驅(qū)動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)帶來的固有系統(tǒng)誤差，排種器自然播種誤差率自勺鏈線速度0.2 m/s變化至0.8 m/s時(shí)，排種株距誤差率ε4自3.57%上升至15.58%，誤差主要是由于排種器勺鏈和田間地面之間距離的下落時(shí)產(chǎn)生的位移造成的，排種器補(bǔ)種誤差率ε5自6.44%增長至23.2%，其誤差率在勺鏈線速度為0.5 m/s時(shí)仍維持12.03%，造成這種誤差的原因?yàn)榕欧N器固有的運(yùn)行時(shí)間造成誤差，當(dāng)排種器勺鏈線增大至0.8 m/s后，補(bǔ)種誤差率增長至23.2%，這主要是由于排種速度快，補(bǔ)償計(jì)算時(shí)間和機(jī)械運(yùn)動(dòng)時(shí)間相對(duì)于排種時(shí)間過長，其結(jié)果符合所測得漏播補(bǔ)償率下降的趨勢。但是在本次試驗(yàn)的全速度域范圍內(nèi)，排種器性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，其補(bǔ)種精度符合馬鈴薯種植工藝參數(shù)要求。

6 結(jié)論

本文針對(duì)勺鏈?zhǔn)今R鈴薯播種機(jī)在田間工作時(shí)普遍存在的漏播問題，提出了以高性能單精度浮點(diǎn)處理器STM32F401為核心，由霍爾定位以及激光檢測模塊為核心的漏播監(jiān)測系統(tǒng)，同時(shí)采用了步進(jìn)伺服電機(jī)、雙超越離合器以超越式加速補(bǔ)償?shù)脑斫M成了漏播補(bǔ)償裝置。田間試驗(yàn)表明，本次設(shè)計(jì)的勺鏈?zhǔn)脚欧N器線速度在0.6 m/s時(shí)，自然漏播率的增長開始加快，在勺鏈線速度0.2 m/s～0.5 m/s時(shí)漏播補(bǔ)償裝置能實(shí)現(xiàn)90%以上的補(bǔ)種成功率，并且最終漏播率小于1%，整套系統(tǒng)工作穩(wěn)定，可以實(shí)現(xiàn)極低現(xiàn)有設(shè)備改動(dòng)的情況下，大幅提高播種成功率。