一種播補一體化新型馬鈴薯播種機漏播檢測與補償控制系統(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)大學機電工程學院，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性較差容易導致取種勺漏取，另一方面隨著播種速度的提高，取種成功率會進一步下降[4-5]。目前，主流的工程方案是對勺鏈式排種器進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化以實現(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。

針對該問題，增加漏播自動補償裝置是解決問題的有效方法之一[9-10]。國內(nèi)研究人員對于漏播檢測及補償已經(jīng)取得了一些初步成果，例如張曉東[11]設(shè)計了由紅外光電傳感器及步進電機構(gòu)成的馬鈴薯智能補償系統(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行漏播檢測，采用電磁鐵或者外槽輪式排種器進行補償?shù)臋z測方案，其檢測的準確度和可靠性已經(jīng)能夠滿足要求，但擊打式補償?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，采用電磁閥進行自動補種，但是其雙排種器的設(shè)計增加了系統(tǒng)的復雜性，也使得成本顯著抬升。針對上述問題，本設(shè)計提出了一種基于追趕補償理念的漏播補償方案[16]。

1 播補一體化新型馬鈴薯播種機原理簡介

播補一體化新型馬鈴薯播種機的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其由3個有機聯(lián)系的部分組成.單行馬鈴薯種植機、漏播檢測系統(tǒng)以及基于單向離合器的漏播補償系統(tǒng)。正常作業(yè)時，在拖拉機的牽引下，轉(zhuǎn)動的地輪軸將動力經(jīng)主動力傳輸鏈輪、地輪動力傳輸鏈條以及主動力傳輸單向離合器而傳輸給排種鏈輪軸，從而帶動整個排種鏈輪、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的信息進行實時漏播判斷，同時進行自然播種數(shù)及其他相關(guān)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計和顯示。

圖1 基于單向離合器的播補一體化新型馬鈴薯播種機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1.種箱；2.機架豎梁；3.鏈輪軸承；4.排種槽；5.地輪；6.漏播補償電機；7.補償單向離合器；8.電機動力輸出鏈輪；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.機架底梁；19.車載蓄電池；20.主動力傳輸單向離合器；21.位置可調(diào)式開溝器；22.排種鏈輪軸(Ⅱ，Ⅰ)；23.電機安裝底板；24.驅(qū)動器；25.地輪動力傳輸鏈條；26.漏播補償動力傳輸鏈條；27.主動力傳輸鏈輪；28.系統(tǒng)控制器；29.測速碼盤

2 漏播監(jiān)測與漏播補償控制系統(tǒng)方案

本播補一體化新型馬鈴薯播種機是典型的機電一體化產(chǎn)品，其漏播監(jiān)測及補償控制系統(tǒng)實現(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)測及補償控制系統(tǒng)的核心是種勺位置感應(yīng)、紅外對射漏播及加速補償控制系統(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I/O驅(qū)動紅外發(fā)射電路發(fā)出紅外光，在指定時間內(nèi)監(jiān)測紅外接收電路所接引腳是否有信號跳變中斷產(chǎn)生，由此來完成漏播判斷；漏播補償部分，采用測速碼盤檢測排種鏈條的補償前實時速度，經(jīng)運算產(chǎn)生對應(yīng)頻率的脈沖串驅(qū)動電機完成加速補償。

圖2 漏播監(jiān)測及補償控制系統(tǒng)框圖(元件編碼與圖1對應(yīng))

漏播情況下，則由漏播檢測系統(tǒng)發(fā)出決策信號，漏播補償電機被啟動。由于經(jīng)由補償單向離合器注入的電機動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的原地輪動力便順利切換至補償電機，待后一薯勺加速追趕至前一空缺馬鈴薯種塊的正常預定到達位置時，電動加速轉(zhuǎn)動狀態(tài)終止，排種鏈輪軸Ⅱ重新從地輪獲取動力，系統(tǒng)又進入正常播種狀態(tài)。

3 漏播及補償條件檢測系統(tǒng)空間布局與補償執(zhí)行

3.1 漏播檢測系統(tǒng)

漏播及補償條件檢測系統(tǒng)空間布局示意如圖3所示。漏播判斷由每個取種勺側(cè)面負載的取種勺位置信號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檢測待補薯種是否具備。每當取種勺側(cè)面附帶的種勺位置信號攜載器到達取種勺位置傳感器所在的位置時，由CPU給檢測組Ⅰ的發(fā)射端提供信號，檢測排種檢測光電傳感器在預定時間段內(nèi)發(fā)生的信號變化，如果排種檢測光電傳感器Ⅰ至少其中一個接收端的狀態(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沒有任何一個接收端的狀態(tài)在預定時間內(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的判斷準則完全相同。

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

3.2 追趕式補償原理

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處待補薯種是否具備的檢測結(jié)果，最終由CPU給驅(qū)動器發(fā)出相應(yīng)的控制信號。如果檢測組Ⅱ處待補薯種具備，則CPU根據(jù)取種勺的實時運動速度v1給驅(qū)動器發(fā)出的控制信號使電機帶動排種鏈條達到相應(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，能夠達到前一取種勺采用原速度v1達到的相同位置，從而完成位置無偏差補償，隨后CPU使電機立即停轉(zhuǎn)，從而退出補種狀態(tài)。如果檢測組Ⅱ處無待補薯種，則CPU以低頻方式啟動聲光報警系統(tǒng)，電機繼續(xù)工作使得排種鏈條速度保持在原補償速度不變，而后等待檢測下一檢測組Ⅱ處的取種勺背后是否有待補薯種，如果有，則按照現(xiàn)補償速度繼續(xù)執(zhí)行完補償；而如果下一檢測組Ⅱ處的取種勺背后依然缺種，則系統(tǒng)啟動高頻聲光報警，漏播與補償控制系統(tǒng)停機，操作人員進行人工檢查，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，其基本設(shè)計如圖4所示。其中，圖4(a)中的端口HUOER_IN連接霍爾傳感器，當取種勺攜帶的釹鐵硼磁鐵經(jīng)過霍爾傳感器時，該端口2號引腳由高電平跳變?yōu)榈碗娖?，對?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；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導通，端口IR_OUT上插接的紅外發(fā)射二級管將發(fā)射特定波長的紅外光脈沖信號；如果圖4(c)中IR_IN引腳低于4V時，滯回比較器LM393的引腳1會輸出高電平信號，經(jīng)由限流電阻R4流過隔離光耦U1，觸發(fā)其導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，如果這種跳變在一段指定的時間段內(nèi)被檢測到，則系統(tǒng)可判定漏播事件產(chǎn)生，否則，系統(tǒng)認為排種正常。

圖4 漏播檢測系統(tǒng)電路設(shè)計

4 系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)主程序?qū)⑼瓿勺兞砍踔翟O(shè)定、動力系統(tǒng)的完好性檢測、排種器光電傳感器組功能測試、定時器及中斷功能配置、統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示等。每當一個取種勺側(cè)面附帶的取種勺位置信號攜載器到達取種勺位置傳感器(Ⅰ、Ⅱ)所在位置時，都會誘發(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)果標志位分別為FLAGII、FLAGI。

在本設(shè)計中，最重要的漏播檢測及補償控制部分，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FLAGI進行賦值，之后從編碼器子函數(shù)中獲取到當前鏈條實時速度v1，通過采集到的速度利用超越式加速補償算法預估補償時間t1，之后對待補薯種標志位FLAGII進行檢測，如果待補薯種存在則按照時間t1計算運動速度驅(qū)動電機加速補償，等待補償完成退出中斷子程序，否則驅(qū)動電機進行快速補位將下一個薯勺運轉(zhuǎn)到薯勺檢測位置Ⅱ處，再次驅(qū)動漏播光電檢測傳感器Ⅱ?qū)ζ溆袩o薯種進行判斷，如果此次薯勺攜帶有薯種則重新計算t1計算補償速度v，驅(qū)動電機以速度v進行補償，否則系統(tǒng)進行停機操作，報警并關(guān)閉補種功能。

圖5 紅外漏播檢測中斷子程序流程圖

5 田間試驗

5.1 試驗條件

本文所使用的原理樣機采用由楊浩在甘肅農(nóng)業(yè)大學農(nóng)業(yè)機械實訓中心制造的原型樣機改進而來，于甘肅農(nóng)業(yè)大學機電工程學院下屬小達坪馬鈴薯試驗基地進行田間試驗，該試驗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。

5.2 試驗方法及內(nèi)容

本次試驗設(shè)計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，每個速度等級測試5次，薯種箱內(nèi)放置300粒薯種。由控制器統(tǒng)計理論播種數(shù)n1、自然漏播數(shù)n2、成功補種數(shù)n3，衡量本次實驗的排種器補種性能指標如下。

自然漏播率ε1為：

(1)

補種成功率ε2為：

(2)

最終漏播率ε3為：

(3)

排種器補種時受到傳感器響應(yīng)時間、系統(tǒng)補種運算時間以及電動機旋轉(zhuǎn)加速時間的影響，而補種株距受到時間的影響，即采用下落誤差距離進行補種位置性能判定，正常落點株距L1、實際落點株距L2、補種株距落點L3，其中實際落點株距L2采用10粒正常播種間距求其平均值得到，補種株距落點L3采用所有補種株距相加求平均值得到。株距誤差率性能指標如下。

正常株距誤差率ε4為：

(4)

補種株距誤差率ε5為：

(5)

5.3 試驗結(jié)果及分析

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

表1 排種器性能試驗結(jié)果

經(jīng)測算5次實驗平均值，0.2 m/s時自然漏播率ε1為3.54%，0.5 m/s時為5.8%，0.8 m/s時為11.8%，排種器勺鏈線速度自0.2 m/s變化至0.8 m/s時，自然漏播率ε1從3.54%上升至11.8%，性能劣化點約出現(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行速度過快難以及時從種箱內(nèi)取到薯種，導致播種成功率的下降。

與此同時，隨著排種速度的增加排種器補種成功率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行速度過快，留給控制器的補償時間過少導致補種失敗。最終漏播率ε3從0.22%上升至2.94%，在0.5 m/s的勺鏈線速度時仍能維持0.57%以下的漏播率。

從正常株距誤差率ε4和補種株距誤差率ε5的5次實驗數(shù)據(jù)可以看出，補償系統(tǒng)與實際系統(tǒng)之間始終有一定的誤差，這主要是控制器驅(qū)動補償系統(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，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產(chǎn)生的位移造成的，排種器補種誤差率ε5自6.44%增長至23.2%，其誤差率在勺鏈線速度為0.5 m/s時仍維持12.03%，造成這種誤差的原因為排種器固有的運行時間造成誤差，當排種器勺鏈線增大至0.8 m/s后，補種誤差率增長至23.2%，這主要是由于排種速度快，補償計算時間和機械運動時間相對于排種時間過長，其結(jié)果符合所測得漏播補償率下降的趨勢。但是在本次試驗的全速度域范圍內(nèi)，排種器性能達到設(shè)計要求，其補種精度符合馬鈴薯種植工藝參數(shù)要求。

6 結(jié)論

本文針對勺鏈式馬鈴薯播種機在田間工作時普遍存在的漏播問題，提出了以高性能單精度浮點處理器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)，同時采用了步進伺服電機、雙超越離合器以超越式加速補償?shù)脑斫M成了漏播補償裝置。田間試驗表明，本次設(shè)計的勺鏈式排種器線速度在0.6 m/s時，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時漏播補償裝置能實現(xiàn)90%以上的補種成功率，并且最終漏播率小于1%，整套系統(tǒng)工作穩(wěn)定，可以實現(xiàn)極低現(xiàn)有設(shè)備改動的情況下，大幅提高播種成功率。