玉米播種機(jī)地面信息采集系統(tǒng)的研究與試驗(yàn)

張博 ，張偉 ，付曉明

（1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，大慶 163319；2.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)農(nóng)業(yè)工程博士后科研流動(dòng)站；3.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院）

作物的出苗率、幼苗生長(zhǎng)受到播種深度的影響[1-3]，合理、一致的播種深度可提高作物出苗率、苗品質(zhì)及作物后期長(zhǎng)勢(shì)，有利于提高作物產(chǎn)量[4-5]。播種作業(yè)中開(kāi)溝深度是影響播種深度的主要因素之一[6]，高性能仿形機(jī)具可使播種機(jī)開(kāi)溝器隨地形變化并始終保持穩(wěn)定的工作深度，是播種機(jī)控制開(kāi)溝深度的重要手段[7-9]。現(xiàn)有播種單體仿行機(jī)構(gòu)從播深控制方式上分為被動(dòng)和主動(dòng)調(diào)節(jié)兩種方式[10]，被動(dòng)調(diào)節(jié)方式受到播種單體重力和地面支撐力的影響造成地面適應(yīng)性差，主動(dòng)調(diào)節(jié)開(kāi)溝深度控制動(dòng)力由仿形機(jī)構(gòu)自身提供，地面適應(yīng)性較好[11]。主動(dòng)式仿形機(jī)構(gòu)中地面高度變化信息采集的精度直接影響到開(kāi)溝深度的準(zhǔn)確性、均勻性[12]，因此地面高度變化的準(zhǔn)確采集是設(shè)計(jì)主動(dòng)式仿形機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵之一[13]。

地面高度變化信息采集主要有接觸和非接觸式測(cè)量[14-16]，目前國(guó)內(nèi)多采用接觸式地面高度變化測(cè)量系統(tǒng)，先后有學(xué)者采用仿行拖板或地面滾動(dòng)輪作為觸地部件，利用電子尺、角度傳感器及開(kāi)關(guān)傳感器采集觸地部件的位移和角度變化信號(hào)，實(shí)現(xiàn)地面高度變化測(cè)量[17-22]。Mouazen A M、Saeys W 等[23-24]通過(guò)觸地式壓力傳感器采集地表高度變化對(duì)傳感器產(chǎn)生的沖擊來(lái)測(cè)量高度變化，Jensen LD[25]將深度控制輪上安裝傳感器，通過(guò)感知深度控制輪上的符合來(lái)測(cè)量地面高度變化，Anthonis J[26]研究表明該種方法測(cè)量精度受地表密實(shí)程度的影響；Zhao Jiale[27]將PVDF 形變傳感器安裝于地輪內(nèi)表面，由車輪形變決定傳感器輸出電壓，并通過(guò)建立的電壓信號(hào)與形變關(guān)系模型檢測(cè)地面高度變化；Zielke R[28]研究了一種移動(dòng)式實(shí)時(shí)土壤濕度檢測(cè)傳感器，以合理濕度的土層深度作為播深控制的依據(jù)，該種播深控制土壤檢測(cè)方法目前還處于推廣階段；溫麗萍[30]研究表明接觸式測(cè)量地面測(cè)量方式直接，外部環(huán)境干擾較小，但高速播種條件下觸地部件上下移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的慣性會(huì)造成慣性誤差影響測(cè)量結(jié)果，同時(shí)伴隨著長(zhǎng)期使用會(huì)有部件磨損精度下降情況出現(xiàn)[29]，故采用非接觸測(cè)量方式可有效避免磨損和機(jī)械慣性產(chǎn)生的測(cè)量誤差。

針對(duì)主動(dòng)式播深控制裝置接觸式地面變化信息采集系統(tǒng)慣性和機(jī)械磨損產(chǎn)生檢測(cè)誤差造成控制精度降低的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)控制的非接觸式測(cè)量的地面高度變化信息采集并以及地面變化適應(yīng)性液壓播深控制系統(tǒng)，可具備地面高度變化信息高精度采集并通過(guò)變速液壓控制降低播種單體震動(dòng)誤差的功能，為播種機(jī)及其他隨地高作業(yè)部件的地面高度變化信息采集和變速控制提供一種解決方法。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與技術(shù)參數(shù)

播深控制裝置地面信息采集及適應(yīng)性電液系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示，系統(tǒng)主要由地面信息測(cè)量硬件（地面高度信息采集傳感器，地面相對(duì)速度傳感器）、單片機(jī)控制系統(tǒng)、主動(dòng)播深控制系統(tǒng)和采集系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)等組成。系統(tǒng)單片機(jī)電路部分包含連接測(cè)距傳感器的A/D 轉(zhuǎn)換的輸入端，可實(shí)時(shí)將傳感器傳來(lái)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，1 路數(shù)據(jù)輸入接口進(jìn)行單片機(jī)數(shù)據(jù)讀取，兩路帶繼電器開(kāi)關(guān)的D/A 輸出端輸出控制信號(hào)，如圖2 所示。地面高度信息采集系統(tǒng)安裝結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖3 所示，包含測(cè)距傳感器組和傳感器安裝組件。系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)：響應(yīng)時(shí)間0.03 s，高度測(cè)量范圍20~500 mm，測(cè)量范圍內(nèi)精度為±1 mm。

圖1 播深控制裝置地面信息采集及適應(yīng)性電液系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Block diagram of ground information collection and adaptive electro-hydraulic system of broadcast control device

圖2 地表高度信息采集系統(tǒng)電路圖Fig.2 Surface altitude information acquisition system circuit diagram

圖3 地表高度信息采集系統(tǒng)安裝結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.3 Simplified diagram of the installation structure of the highly variable collection device

1.2 工作原理

系統(tǒng)運(yùn)行前，在單片機(jī)上設(shè)定傳感器與地面距離的初始位置；測(cè)量時(shí)地表高度檢測(cè)機(jī)構(gòu)隨田間起伏上下浮動(dòng)，為開(kāi)溝深度提供基準(zhǔn)；當(dāng)開(kāi)溝器正前方傳感器采集到距離變化量超過(guò)合理變化量時(shí)，單片機(jī)將該傳感器采集的數(shù)值信息與其余4 個(gè)傳感器采集的信息進(jìn)行對(duì)比，并通過(guò)差值分析得到開(kāi)溝器正前方傳感器產(chǎn)生探測(cè)距離變化的原因，當(dāng)判定變化是由地表高度變化產(chǎn)生，單片機(jī)對(duì)變化量運(yùn)算并輸出仿形控制信號(hào)，反之將該變化量視為無(wú)效不進(jìn)行仿形控制。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 傳感器選擇

目前非接觸式有源測(cè)距包括激光雷達(dá)、超聲波、紅外光和連續(xù)波雷達(dá)等[33-45]。紅外線相比超聲波傳具有播速度快、傳播指向性好、發(fā)射功率可控性強(qiáng)和抗干擾能力突出等優(yōu)點(diǎn)[46-51]，因此選擇紅外測(cè)距傳感器運(yùn)用其三角測(cè)距的方式進(jìn)行距離測(cè)量[52]（圖4）。其原理是紅外發(fā)射器按照一定的角度發(fā)射紅外光束，遇到物體后光束返回，反射光線被CCD 檢測(cè)器采集到后，會(huì)得到偏移值L，利用三角關(guān)系，在已知發(fā)射角度a、偏移值L、中心矩X、以及濾鏡的焦距f 以后，通過(guò)幾何關(guān)系可以計(jì)算出傳感器到物體的距離D。由于采用三角測(cè)距原理該傳感器測(cè)量掃描的范圍不是一個(gè)面而是一個(gè)點(diǎn)，因此需要多個(gè)傳感器陣列組合并通過(guò)聯(lián)合工作達(dá)到采集地面區(qū)間變化的目的。

圖4 三角測(cè)距原理Fig.4 Principle of triangular distance measurement

2.2 傳感器位置及數(shù)量設(shè)計(jì)

整地后耕地土塊最大直徑小于50 mm[53]，保護(hù)性耕作玉米收獲時(shí)將秸稈粉碎還田，被粉碎的玉米秸稈平均長(zhǎng)度為52 mm，未被完全粉碎的殘茬尺寸在100~250 mm[54]。對(duì)地表距離信息采集時(shí)有土塊或秸稈出現(xiàn)在傳感器測(cè)量區(qū)域會(huì)產(chǎn)生采集的地表高度變化信息與實(shí)際不符的情況，導(dǎo)致錯(cuò)誤的仿形控制，采用多傳感器數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)比對(duì)方法可降低雜物對(duì)整體采集的干擾，從而能有效減少這一情況發(fā)生。

為防止未被完全粉碎的秸稈同時(shí)出現(xiàn)在所有傳感器的被測(cè)區(qū)域造成無(wú)傳感器采集到真實(shí)地表變化信息，應(yīng)要求每個(gè)測(cè)距傳感器最小距離應(yīng)大于未被完全粉碎土塊尺寸（50 mm），地面高度信息采集組件最大探測(cè)面應(yīng)大于玉米最大秸稈殘茬尺寸（250 mm）。以此為依據(jù)，設(shè)計(jì)地面高度信息采集組件由5 個(gè)垂直排列于播種機(jī)前進(jìn)方向紅外測(cè)距傳感器組成，每個(gè)紅外測(cè)距傳感器的距離為70 mm，探測(cè)面幅為280 mm（圖5，圖6），中位傳感器探測(cè)點(diǎn)與開(kāi)溝器位于同一縱向軌跡。

圖5 紅外測(cè)距傳感器安裝位置Fig.5 Location of infrared distance sensor

圖6 紅外測(cè)距傳感器組Fig.6 Infrared ranging sensor group

2.3 非必要仿形控制原理

通過(guò)實(shí)時(shí)對(duì)比測(cè)距傳感器組件傳來(lái)的5 點(diǎn)地面高度變化信息，分析出使傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)產(chǎn)生變化的原因，區(qū)分真實(shí)地表高度變化或雜物干擾并進(jìn)行仿形決策，降低地表雜物對(duì)測(cè)距傳感器干擾而產(chǎn)生非必要仿形情況的發(fā)生，提高仿形正確率。

在非必要仿形控制程序中設(shè)置開(kāi)溝器正前方的紅外測(cè)距傳感器為主傳感器。當(dāng)主探頭探測(cè)到距離變化時(shí)，單片機(jī)將主傳感器信號(hào)與兩翼四個(gè)傳感器的即時(shí)信號(hào)進(jìn)行對(duì)比分析后決策是否仿形，若仿形則按照主探頭采集到的地面變化數(shù)據(jù)進(jìn)行仿形控制。因此研究主探頭探測(cè)到高度變化時(shí)的地面可能存在的情況進(jìn)行分析，以此確定必要仿形控制方案。

在不同地面情況下，各傳感器采集到的地面變化信息不同和仿形決策不同：

當(dāng)開(kāi)溝地面為平整度較好、高度變化為整體性變化的情況時(shí)，主傳感器采集到高度變化信息且與其余4 個(gè)傳感器差值小于5 mm 時(shí)，系統(tǒng)決策后進(jìn)行仿形控制；

當(dāng)播種地面為整地后所產(chǎn)生的壟溝帶時(shí)，該地貌下探測(cè)幅寬內(nèi)各測(cè)點(diǎn)高度不同，前進(jìn)方向一段距離內(nèi)變化一致，主傳感器采集到的距離信息是持續(xù)的并在合理波動(dòng)范圍內(nèi)的值，合理波動(dòng)范圍≤5 mm，系統(tǒng)決策后進(jìn)行仿形控制；

當(dāng)遇到有小塊的地面凸起和凹陷、土塊、完全露或半露于地表的玉米秸稈出現(xiàn)的地況時(shí)，主傳感器采集到距離變化信息，輔助傳感器信號(hào)沒(méi)有或有較小變化，系統(tǒng)決策后不進(jìn)行仿形控制；

在地面平整度較差的地況作業(yè)時(shí)，5 點(diǎn)傳感器測(cè)量位置各不相同，此時(shí)系統(tǒng)根據(jù)主傳感器采集到的持續(xù)變化信號(hào)延續(xù)時(shí)間情況進(jìn)行仿形決策，當(dāng)遇到開(kāi)溝器位于地面持續(xù)性隆起或凹陷的情況時(shí)，既變化信號(hào)延續(xù)時(shí)間≥0.1 s 時(shí)系統(tǒng)進(jìn)行仿形控制，反之不進(jìn)行控制。

如圖7 所示，開(kāi)溝器位于整地后的壟溝帶時(shí)傳感器組采集到的信號(hào)變化信息與小塊的地面凸起和凹陷、土塊、完全或半露于地表的玉米秸稈出現(xiàn)在開(kāi)溝器前方時(shí)各傳感器信號(hào)變化信息相似，不同的是前者主傳感器采集到的地面變化信息具有持續(xù)性。為區(qū)分兩種地面情況，引入主傳感器信息采集計(jì)時(shí)，主傳感器采集到地表高度信息變化且與其余四個(gè)傳感器差值大于合理值時(shí)，開(kāi)始對(duì)主傳感器進(jìn)行信號(hào)計(jì)時(shí)，當(dāng)大于設(shè)定計(jì)時(shí)時(shí)間進(jìn)行仿形控制，反之不做控制。玉米播種作業(yè)時(shí)前進(jìn)速度為5~8 km·h-1，種植間距為20~25 cm 每株，平均每株播種時(shí)間間隔0.4 s，設(shè)定計(jì)時(shí)時(shí)間0.1 s（0.1 s 播種機(jī)前進(jìn)距離為139~222 mm）。根據(jù)不同地表高度變化時(shí)傳感器組各傳感器采集信號(hào)變化特點(diǎn)，設(shè)計(jì)仿形控制程序，程序控制流程圖如圖8 所示。

圖7 地表小型土包與帶狀升高Fig.7 Surface small soil bags and ribbon increa

圖8 地表小型土包與帶狀升高Fig.8 Surface small soil bags and ribbon increa

3 非必要仿形控制試驗(yàn)與結(jié)果分析

對(duì)設(shè)計(jì)的多點(diǎn)地表高度變化信息采集系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，通過(guò)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)試驗(yàn)測(cè)試其非必要仿形控制可行性、準(zhǔn)確率和穩(wěn)定性。

3.1 試驗(yàn)設(shè)備

非必要仿形控制試驗(yàn)在搭建的地面信息采集試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行（試驗(yàn)臺(tái)通過(guò)軌道輪在土槽軌道上移動(dòng)，保證測(cè)試過(guò)程中傳感器組的水平高度不變，試驗(yàn)臺(tái)上測(cè)距傳感器組與標(biāo)準(zhǔn)地面距離350 mm），通過(guò)固定裝置連接在土槽試驗(yàn)車上，以土槽試驗(yàn)車作為牽引動(dòng)力源。試驗(yàn)系統(tǒng)如圖9 所示。

圖9 地面信息采集試驗(yàn)臺(tái)與土槽試驗(yàn)車Fig.9 Ground information acquisition test bed and earth tank testing vehicle

3.2 試驗(yàn)前準(zhǔn)備

試驗(yàn)前先將土槽土壤整備均勻，根據(jù)整地后播種地面情況制作出地表升高降低（編號(hào)1~6）、地面坑洼凸起變化（編號(hào) 7~10）、壟溝帶（測(cè)點(diǎn)編號(hào) 11、12）以及布置由土塊和未完全粉碎的玉米秸稈等布置的雜物點(diǎn)（土塊測(cè)點(diǎn)13~16；秸稈測(cè)點(diǎn)17~26）。在與測(cè)點(diǎn)平行位置的軌道側(cè)安裝定位用接近傳感器金屬模塊，土槽檢測(cè)試驗(yàn)帶如圖10 所示。

圖10 土槽檢測(cè)試驗(yàn)帶Fig.10 Earth slot detection zone

3.3 試驗(yàn)內(nèi)容

地面?zhèn)鞲衅鹘M靜止?fàn)顟B(tài)下測(cè)試地表高度變化信息采集系統(tǒng)在對(duì)坑洼、凸起以及放置土塊、玉米秸稈等雜物無(wú)需仿形控制時(shí)的仿形決策。在玉米播種作業(yè)上限速度（8 km·h-1）時(shí)對(duì)地面升起，壟溝帶的檢測(cè)精度，以及仿形決策的準(zhǔn)確率。

3.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.4.1 靜態(tài)測(cè)量試驗(yàn)結(jié)果分析

靜態(tài)測(cè)量點(diǎn)為1~12 地面點(diǎn)，地面變化高度數(shù)據(jù)與五次試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)（表1），將5 次測(cè)量誤差做線形圖（圖11），靜態(tài)測(cè)量誤差平均值為1.67 mm，標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算公式（公式1-1）算得總體靜態(tài)數(shù)據(jù)誤差標(biāo)準(zhǔn)差σ 為1.80，系統(tǒng)穩(wěn)定性94.5%，測(cè)量精度滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

圖11 靜態(tài)測(cè)量誤差Fig.11 Static measurement error

表1 靜態(tài)測(cè)量數(shù)據(jù)Table 1 Static measurement data

靜態(tài)測(cè)量狀態(tài)下，整體地面高度變化測(cè)量數(shù)據(jù)誤差標(biāo)準(zhǔn)差σ 為1.84，系統(tǒng)穩(wěn)定性93.9%；地面單點(diǎn)高度變化和壟溝帶誤差標(biāo)準(zhǔn)差σ 為2.13，系統(tǒng)穩(wěn)定性95.1%。

3.4.2 動(dòng)態(tài)測(cè)量試驗(yàn)結(jié)果分析

動(dòng)態(tài)測(cè)量點(diǎn)為1~26 地面點(diǎn)，其中13~26 點(diǎn)為仿形決策測(cè)試點(diǎn)，在8 km·h-1前進(jìn)速度測(cè)量狀態(tài)下測(cè)量個(gè)點(diǎn)數(shù)據(jù)（表2），用設(shè)定的地面變化高度數(shù)據(jù)與5次試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)算得的誤差值做線性圖，如圖12 所示。動(dòng)態(tài)測(cè)量值與靜態(tài)測(cè)量值相近，開(kāi)溝測(cè)量誤差平均值為2.3 mm，動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)誤差標(biāo)準(zhǔn)差σ 為2.77，穩(wěn)定系數(shù)92.1%。動(dòng)態(tài)測(cè)量狀態(tài)下，整體地面高度變化測(cè)量數(shù)據(jù)誤差標(biāo)準(zhǔn)差σ 為2.63，系統(tǒng)穩(wěn)定性93.1%；地面單點(diǎn)高度變化和壟溝帶誤差標(biāo)準(zhǔn)差σ 為2.93，系統(tǒng)穩(wěn)定性91.8%。在13~26 測(cè)量點(diǎn)皆為設(shè)置的地表雜物點(diǎn)，因此正確的控制輸出值應(yīng)為0 mm，出現(xiàn)變化既為仿形決策錯(cuò)誤，非必要仿行控制數(shù)據(jù)見(jiàn)表3，非必要仿形控制程序的準(zhǔn)確率為97.1%，系統(tǒng)穩(wěn)定性94.1%。

圖12 動(dòng)態(tài)測(cè)量誤差Fig.12 Dynamic measurement error

表2 動(dòng)態(tài)測(cè)量數(shù)據(jù)Table 2 Dynamic measurement data

表3 非必要仿行控制數(shù)據(jù)Table 3 Non-essential copy control data

4 討論

基于上述分析，設(shè)計(jì)通過(guò)靜態(tài)與動(dòng)態(tài)兩種方式對(duì)地面高度信息采集系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)方法及系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間0.03 s 與溫麗萍的研究相同[21]，但測(cè)量精度更高。系統(tǒng)采用多點(diǎn)有源探測(cè)方式進(jìn)行地面高度變化信息的采集，通過(guò)仿形程序?qū)Χ嘟M地面變化信號(hào)的計(jì)算和篩選后進(jìn)行仿形決策，相比單點(diǎn)源測(cè)量通過(guò)單組地面變化信號(hào)控制播深[11，55]，有效提高了播深控制決策的準(zhǔn)確率，降低了錯(cuò)誤仿形情況的發(fā)生。相比傳統(tǒng)機(jī)械式和接觸式的地面探測(cè)[13-14，17]，在結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化的同時(shí)避免了機(jī)械磨損。通過(guò)室外試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，在實(shí)際田間作業(yè)中尤其是在高強(qiáng)度陽(yáng)光直射傳感器的情況下，測(cè)距傳感器偶爾會(huì)受到直射日光的干擾，因此在實(shí)際作業(yè)時(shí)應(yīng)在傳感器組外側(cè)加裝一圈小型的遮光板，從而避免陽(yáng)光直射的情況出現(xiàn)。

5 結(jié)論

設(shè)計(jì)了玉米播種機(jī)單體仿行機(jī)構(gòu)多點(diǎn)地表高度變化信息采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間為0.03 s，高度測(cè)量范圍20~500 mm。具有非必要仿形控制功能，可降低因地表雜物對(duì)傳感器的干擾而產(chǎn)生錯(cuò)誤仿形的情況發(fā)生，為播種機(jī)地面高度變化信息采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考。