基于GPS與編碼器測(cè)速的小麥變量播種系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院 李永崗 梁現(xiàn)民 安興成 張祥彩

前言

播種在小麥種植生產(chǎn)的過程中起著重要作用，其作業(yè)質(zhì)量會(huì)影響小麥的生長(zhǎng)情況，進(jìn)而會(huì)影響小麥的產(chǎn)量[1]。傳統(tǒng)的機(jī)械式小麥播種機(jī)在播種作業(yè)時(shí)，一般都是地輪或鏈條為排種器提供動(dòng)力，當(dāng)小麥播種機(jī)作業(yè)速度較高時(shí)，容易出現(xiàn)鏈條跳動(dòng)、地輪打滑等問題進(jìn)而造成漏播少播現(xiàn)象，播種質(zhì)量得不到有效的保障[2]。而且當(dāng)拖拉機(jī)剛起步工作或者快到地頭時(shí)，播種作業(yè)速度都會(huì)明顯比正常作業(yè)速度慢很多，此時(shí)如果僅用GPS或者編碼器測(cè)速都無法真正保證播種的均勻性。近年來，國(guó)內(nèi)外眾多相關(guān)學(xué)者針對(duì)這些問題進(jìn)行了研究。HE[3]提出了采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)排種器，采用編碼器測(cè)速、并加入滑移率參數(shù)進(jìn)行速度修正的驅(qū)動(dòng)方案，提高了播種質(zhì)量。印祥[4]研制了一種光電編碼器測(cè)速的玉米播種機(jī)控制系統(tǒng)，使播種量與播種機(jī)作業(yè)速度實(shí)時(shí)匹配。劉婉茹[5]在播種機(jī)的車輪上增加了測(cè)速碼盤，也有效提高了播種質(zhì)量。

由于GPS在拖拉機(jī)低速工作時(shí)，測(cè)速精度會(huì)比較低，而編碼器在高速時(shí)，誤差又會(huì)比較大，針對(duì)以上現(xiàn)狀，本文設(shè)計(jì)了一種基于GPS與編碼器測(cè)速的小麥變量播種控制系統(tǒng)，在人機(jī)交互頁面設(shè)置好播種作業(yè)參數(shù)，GPS與編碼器采集播種機(jī)的作業(yè)速度，將采集的作業(yè)速度信號(hào)傳遞給主控制器，從而實(shí)時(shí)調(diào)整排種軸電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)精量播種的目的。

1 總體結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 移動(dòng)式小麥播種平臺(tái)

移動(dòng)式小麥播種平臺(tái)主要由行走系統(tǒng)和信息采集系統(tǒng)兩部分組成，行走系統(tǒng)主要包括機(jī)架、主動(dòng)輪、全向輪、直流有刷電機(jī)、直流有刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、藍(lán)牙模塊、手機(jī)終端等，信息采集系統(tǒng)包括人機(jī)交互界面、GPS模塊、光電編碼器、直流無刷電機(jī)、直流無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、HX711稱重模塊、arduino單片機(jī)等。

圖1 移動(dòng)式小麥播種平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

移動(dòng)式小麥播種平臺(tái)外形參數(shù)為1200mm×600mm×550mm，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)功率為200W，工作電壓24V，電源由一塊24V鋰電池供給。

1.2 工作原理

當(dāng)播種平臺(tái)開始工作時(shí)，需要提前考察作業(yè)大棚的實(shí)際路面情況，首先在人機(jī)交互頁面設(shè)置好播種作業(yè)參數(shù)，設(shè)置完成后，操作人員在Android終端的交互界面上輸入?yún)?shù)指令，指令通過藍(lán)牙通訊傳輸?shù)紸rduino單片機(jī)，單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析處理，向直流有刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器輸出PWM信號(hào)，通過改變PWM控制信號(hào)的占空比或脈沖頻率來控制直流有刷電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到控制播種平臺(tái)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的目的。其次由安裝在播種平臺(tái)上的GPS模塊和光電編碼器采集機(jī)器的行進(jìn)速度，將采集出的速度與設(shè)定速度相比，然后將比較之后的速度傳遞給主控制器，主控制器將傳來的速度信息解析出來并將速度信號(hào)傳遞給電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，從而能夠?qū)崟r(shí)調(diào)整排種軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速,使其能夠在不同的播種作業(yè)速度下，都能保證播種平臺(tái)播種的均勻性，從而實(shí)現(xiàn)精量播種的目的。光電編碼器通過脈沖計(jì)數(shù)來計(jì)算車輪轉(zhuǎn)過的圈數(shù)從而計(jì)算播種平臺(tái)的行駛距離，然后再乘以播種平臺(tái)的作業(yè)幅寬，來求得作業(yè)面積。

2 精量播種平臺(tái)控制系統(tǒng)硬件選擇及軟件設(shè)計(jì)

2.1 硬件選擇

當(dāng)播量平臺(tái)行進(jìn)速度較低時(shí),使用的是上海歐姆龍公司生產(chǎn)的光電式編碼器來采集播量平臺(tái)的前進(jìn)速度，這是一種通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。這是應(yīng)用最多的傳感器，光電編碼器由光源、光碼盤和光敏元件組成。光柵盤是在一定直徑的圓板上等分地開通若干個(gè)長(zhǎng)方形孔。由于光電碼盤與電動(dòng)機(jī)同軸，電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，光柵盤與電動(dòng)機(jī)同速旋轉(zhuǎn),經(jīng)發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測(cè)裝置檢測(cè)輸出若干脈沖信號(hào)，通過計(jì)算每秒光電編碼器輸出脈沖的個(gè)數(shù)就能反映當(dāng)前電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

排種器的驅(qū)動(dòng)電機(jī)使用的廣東東莞一能機(jī)電公司生產(chǎn)的57BLF180-24S型號(hào)的直流無刷電機(jī)，該型號(hào)的電機(jī)體積較小，安裝在播量平臺(tái)上比較方便，而且起步扭矩高、抖動(dòng)小、穩(wěn)定性強(qiáng)、運(yùn)轉(zhuǎn)順暢?？刂葡到y(tǒng)硬件組成如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)硬件組成

2.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件控制系統(tǒng)在Arduino IDE平臺(tái)上進(jìn)行研發(fā)，當(dāng)程序開始運(yùn)行時(shí)，首先檢測(cè)機(jī)器能否正常工作，然后在人機(jī)交互界面設(shè)置好播種作業(yè)參數(shù)，軟件控制流程圖如圖3所示。

圖3 主控端整體流程圖

系統(tǒng)正式運(yùn)行后，GPS與光電式編碼器采集機(jī)器的前進(jìn)速度，與設(shè)定好的速度進(jìn)行比較，然后將速度信號(hào)傳遞給主控制器，主控制器將速度信號(hào)解析出來并傳遞給電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，從而實(shí)時(shí)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速以達(dá)到精量播種的目的。為了能夠精確地控制播種量，當(dāng)設(shè)置好播種平臺(tái)的播種作業(yè)參數(shù)時(shí)，需要依據(jù)作業(yè)平臺(tái)的速度快慢對(duì)排種軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。

2.3 人機(jī)交互終端設(shè)計(jì)

為了方便操作該系統(tǒng)與機(jī)器實(shí)時(shí)狀態(tài)的顯示，本研究使用淘晶馳串口屏作為人機(jī)交互的顯示終端，串口屏與主控制器進(jìn)行通信。當(dāng)播種平臺(tái)開始工作時(shí)，串口屏能夠?qū)崟r(shí)顯示當(dāng)前作業(yè)地理位置信息、作業(yè)速度、行駛距離、作業(yè)面積以及種箱內(nèi)種子剩余量。其中作業(yè)速度、行駛距離、作業(yè)面積都是通過光電編碼器計(jì)算測(cè)得。在行駛過程中，光電編碼器累計(jì)產(chǎn)生的脈沖數(shù)除以編碼器轉(zhuǎn)一圈產(chǎn)生的脈沖數(shù)就是車輪轉(zhuǎn)過的圈數(shù)，再乘以車輪的周長(zhǎng)就是行駛距離，行駛距離乘以播種平臺(tái)的作業(yè)幅寬即是作業(yè)面積，行駛距離除以編碼器檢測(cè)周期為播種平臺(tái)的實(shí)時(shí)作業(yè)速度。即

式中，p——編碼器產(chǎn)生的脈沖總數(shù)

L——行駛距離，m；

π——圓周率

d——車輪直徑，m；

播種平臺(tái)作業(yè)速度為：

式中，st——編碼器檢測(cè)周期，s；

式中，l——播種平臺(tái)的作業(yè)幅寬。

采用淘晶馳串口屏的開發(fā)環(huán)境，完成了基本參數(shù)設(shè)置界面和作業(yè)參數(shù)實(shí)時(shí)顯示界面的設(shè)計(jì)和制作，操作界面如下圖4所示。

圖4 HMI操作界面

3 測(cè)試實(shí)驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析

3.1 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

為了檢測(cè)該操作系統(tǒng)的實(shí)際作業(yè)情況，對(duì)GPS測(cè)速和光電式編碼器測(cè)速兩種作業(yè)方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比，在同一個(gè)播種平臺(tái)的兩個(gè)播種作業(yè)單體上分別裝載GPS與光電式編碼器兩種系統(tǒng)，兩者除控制方式不同之外，其他的都保持一樣。將播種平臺(tái)的行進(jìn)速度作為實(shí)驗(yàn)因素，由于1m范圍之內(nèi)小麥數(shù)量多且不便直接觀察，采用收集稱算小麥種子總質(zhì)量的方式對(duì)比精量播種機(jī)播種效果。為保證試驗(yàn)結(jié)果更加準(zhǔn)確，分別在1、3、5、7、9km/h的5種作業(yè)速度與作業(yè)行數(shù)為5行的條件下進(jìn)行GPS與編碼器的對(duì)比試驗(yàn)，每行取平均值，再對(duì)播種均勻度變異系數(shù)進(jìn)行對(duì)比，挖取長(zhǎng)度為1m范圍內(nèi)的小麥種子，稱算種子質(zhì)量為mi（g），算出平均播種質(zhì)量m(g)，標(biāo)準(zhǔn)差記為Sd，播種均勻度變異系數(shù)為Cv，則

圖5 室內(nèi)試驗(yàn)

GPS測(cè)速和光電式編碼器測(cè)速的小麥精量播種對(duì)比試驗(yàn)如表1、2所示。

表1 GPS測(cè)速試驗(yàn)結(jié)果

表2 編碼器測(cè)速試驗(yàn)結(jié)果

3.2 數(shù)據(jù)分析

將播種平臺(tái)的作業(yè)速度與播種均勻度變異系數(shù)作為評(píng)價(jià)該控制系統(tǒng)的指標(biāo)，兩種控制方式的作業(yè)速度與播種均勻度變異系數(shù)變化趨勢(shì)如上表所示，可以看出播種平臺(tái)在不同工作方式下的播種量相對(duì)均勻，系統(tǒng)性能比較穩(wěn)定，當(dāng)播種平臺(tái)行進(jìn)速度小于5km/h時(shí)，光電式編碼器測(cè)速方式的播種均勻度變異系數(shù)要小于GPS測(cè)速方式，當(dāng)其運(yùn)行速度高于7km/h時(shí)，GPS測(cè)速方式的播種均勻度變異系數(shù)要小于光電式編碼器測(cè)速方式。

4 結(jié)論

（1）研發(fā)了以GPS與編碼器測(cè)速的小麥智能播種控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)能夠依據(jù)播種平臺(tái)的行進(jìn)速度實(shí)時(shí)控制排種軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，作業(yè)信息在人機(jī)交互界面上實(shí)時(shí)顯示，可實(shí)現(xiàn)精量播種的效果。

（2）通過5種作業(yè)速度與作業(yè)行數(shù)為5行的條件下進(jìn)行的對(duì)比試驗(yàn)，可以明顯地看出，當(dāng)播種平臺(tái)以1km/h的速度作業(yè)時(shí)，編碼器的播種均勻度變異系數(shù)要比GPS測(cè)速時(shí)高6.06個(gè)百分點(diǎn)，而當(dāng)播種平臺(tái)前進(jìn)速度提高時(shí)，達(dá)到9km/h，GPS測(cè)速時(shí)的播種均勻度系數(shù)比編碼器測(cè)速高2.77個(gè)百分點(diǎn)。說明GPS測(cè)速更適合在高速作業(yè)狀態(tài)下工作，而光電式編碼器測(cè)速則在低速作業(yè)狀態(tài)下作業(yè)效果更好。