玉米精量播種機(jī)播種質(zhì)量監(jiān)測與調(diào)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

潘超然

(黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院，哈爾濱 150081)

0 引言

農(nóng)業(yè)農(nóng)村部關(guān)于農(nóng)業(yè)機(jī)械的十四五規(guī)劃指出，我國農(nóng)機(jī)具配置結(jié)構(gòu)已經(jīng)日趨合理，農(nóng)業(yè)機(jī)械化與信息化、智能化需完成進(jìn)一步融合，進(jìn)一步改善農(nóng)機(jī)化作業(yè)條件，促進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械化進(jìn)入高質(zhì)量發(fā)展期。近年來我國的農(nóng)業(yè)機(jī)械化普及率持續(xù)提升，農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)品的種類和工作質(zhì)量持續(xù)優(yōu)化，農(nóng)民對于農(nóng)業(yè)機(jī)械的認(rèn)可度明顯增強(qiáng)。播種是玉米生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，新型播種機(jī)具有寬幅、高效、精確、省種的特點(diǎn)，十分適合在規(guī)?；r(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用。但單純依靠機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行播種常因?yàn)槿狈N、輸種管堵塞等原因造成漏播，若漏播現(xiàn)象不能被及時(shí)發(fā)現(xiàn)，可能導(dǎo)致大面積漏播而影響玉米產(chǎn)量。因此在現(xiàn)階段精量播種機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合傳感器技術(shù)監(jiān)測播種質(zhì)量，能有效改善精量播種機(jī)性能和可靠性，為提升玉米機(jī)械化生產(chǎn)流程，促進(jìn)玉米產(chǎn)量提升具有積極意義。

1 玉米播種質(zhì)量的監(jiān)測技術(shù)

1.1 典型技術(shù)及理論

從近年來的相關(guān)研究和實(shí)踐應(yīng)用來看，播種質(zhì)量的監(jiān)測主要以電氣控制技術(shù)為基礎(chǔ)，以傳感器技術(shù)和邏輯分析技術(shù)為核心，結(jié)合玉米種子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)開展播種質(zhì)量的監(jiān)測。對于玉米播種質(zhì)量的監(jiān)測工作集中于播量統(tǒng)計(jì)和播種位置統(tǒng)計(jì)，其典型技術(shù)包括以下幾類。1)光電監(jiān)測技術(shù)。主要是利用光電傳感器進(jìn)行監(jiān)測，隨著技術(shù)的發(fā)展，根據(jù)光線信號的不同，光電傳感器可分為紅外傳感器、激光傳感器、光纖傳感器等幾類。光電傳感器主要是利用點(diǎn)對點(diǎn)發(fā)射與接收光信號監(jiān)測播種情況，當(dāng)播出的種子遮擋光信號會(huì)使光信號產(chǎn)生變化，控制系統(tǒng)將傳感器的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，用以掌握播種狀態(tài)，并對播種機(jī)進(jìn)行控制與優(yōu)化。2)壓電監(jiān)測技術(shù)。主要是利用玉米種子下落過程與傳感器監(jiān)測原件碰撞產(chǎn)生的壓強(qiáng)變化獲取播種信息，隨著工業(yè)電控技術(shù)的發(fā)展，壓電傳感器的種類也得到擴(kuò)展，現(xiàn)階段在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用較多的的壓電傳感器包括PVDF壓電信號傳感器、壓電陶瓷壓敏傳感器等。3)電容監(jiān)測技術(shù)。主要是利用玉米種子播出后經(jīng)過傳感器過程中引起電容極板介電常數(shù)產(chǎn)生變化，導(dǎo)致傳感器內(nèi)部電容值改變實(shí)現(xiàn)計(jì)量。4)視覺檢測技術(shù)。主要是在播種位置增設(shè)攝像設(shè)備實(shí)時(shí)獲取播種圖像，結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)快速分析圖像信息，以確定播種質(zhì)量，并輔助確定播種位置[1]。

1.2 相關(guān)研究與探索

為進(jìn)一步利用精量播種機(jī)提高耕地利用率與玉米產(chǎn)能，我國農(nóng)機(jī)生產(chǎn)企業(yè)和科研工作者對播種質(zhì)量檢測技術(shù)和方法開展了大量探索和實(shí)踐。吳曉慶[2]針對玉米精量播種漏播檢測展開研究，結(jié)合玉米漏播的常見原因，設(shè)計(jì)了一套玉米精量播種漏播檢測系統(tǒng)，提出了一種基于播種時(shí)間間隔檢測法的漏播檢測方法，并以該方法為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了漏播補(bǔ)償系統(tǒng)，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，漏播檢測系統(tǒng)對排種總量的檢測精度超過96%，排種合格指數(shù)最高達(dá)到98.47%。馬彪[3]對2BYQD-4A1型電控玉米免耕播種機(jī)進(jìn)行了技術(shù)優(yōu)化，以直流電機(jī)代替地輪作為播種驅(qū)動(dòng)方式，并在播種單體上安裝有播種監(jiān)測模塊和播深測量模塊，利用卡爾曼濾波融合遺傳PID控制算法實(shí)現(xiàn)播種驅(qū)動(dòng)電機(jī)速度閉環(huán)控制，通過雙路超聲波傳感器采集播種深度值，該技術(shù)播種監(jiān)測精確度高，能有效提高播種質(zhì)量。從國外播種機(jī)產(chǎn)品技術(shù)來看，John Deere、MC ELECTRONICS等國際化農(nóng)機(jī)企業(yè)的先進(jìn)播種機(jī)產(chǎn)品已經(jīng)配套了較為成熟的播種監(jiān)測系統(tǒng)，如圖1所示為意大利MC ELECTRONICS公司為播種機(jī)配套的監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)對每個(gè)排種器的獨(dú)立監(jiān)測，并對播種異常進(jìn)行提示控制[4]。

圖1 MC ELECTRONICS公司播種機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)

2 監(jiān)測系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

2.1 開發(fā)環(huán)境及控制流程

玉米播種質(zhì)量檢測系統(tǒng)的開發(fā)采用國際通用KEIL MDK編譯器開發(fā)，以C語言作為程序編制語言，使用標(biāo)準(zhǔn)庫函數(shù)進(jìn)行程序編寫，程序控制可靠性高，程序修正與升級簡單快捷。結(jié)合傳統(tǒng)精量播種機(jī)在玉米播種作業(yè)過程易出現(xiàn)的排種質(zhì)量問題，設(shè)計(jì)了如圖2所示的玉米播種質(zhì)量檢測系統(tǒng)主程序控制流程，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行軟件控制功能的細(xì)化和開發(fā)。

圖2 玉米播種質(zhì)量檢測系統(tǒng)主程序控制流程

2.2 控制邏輯與細(xì)節(jié)功能

2.2.1 PID控制

對于播種質(zhì)量的檢測以PID控制算法作為邏輯判斷依據(jù)，由于對于玉米的精量排種質(zhì)量監(jiān)測不具有復(fù)雜的邏輯判斷需求，主體工作在于分析和判斷播種數(shù)量、播種深度兩項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)，因此，通過PID的邏輯判斷理論值與系統(tǒng)輸出值之間的差值，并以此為輸入值進(jìn)行比例、積分、微分的分析，形成最終的控制方案，PID控制基礎(chǔ)邏輯如圖3所示。

圖3 PID控制基礎(chǔ)邏輯

2.2.2 功能與界面設(shè)計(jì)

操作界面是人機(jī)交互的媒介，其能夠?qū)⑾到y(tǒng)獲取的播種機(jī)工作質(zhì)量數(shù)據(jù)直觀顯示出來，并便于駕駛操作人員對監(jiān)測與調(diào)控系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，專業(yè)技術(shù)人員也能通過人機(jī)交互界面進(jìn)行程序升級與修正。如圖4所示為玉米播種監(jiān)測與控制系統(tǒng)的人機(jī)交互界面，能夠顯示各個(gè)排種器的工作參數(shù)和對應(yīng)開溝器的開溝深度參數(shù)，并將漏播率通過柱狀圖顯示?？刂葡到y(tǒng)可根據(jù)漏播情況提出警示或修正電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，做到漏播問題及時(shí)修正，若系統(tǒng)控制修正未解決問題，則發(fā)出二次警報(bào)，提醒駕駛員玉米播種過程可能出現(xiàn)大面積漏播，方便駕駛員及時(shí)人工檢修調(diào)整。

圖4 玉米播種監(jiān)測與控制系統(tǒng)的人機(jī)交互界面

2.2.3 遠(yuǎn)程監(jiān)測與數(shù)據(jù)傳輸

現(xiàn)代化智能農(nóng)機(jī)作業(yè)需要更好的人性化設(shè)計(jì)，隨著互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)終端的普及和廣泛應(yīng)用，智能監(jiān)測系統(tǒng)也應(yīng)配套相應(yīng)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)查看、管理等功能。因此，在播種機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)獲得相關(guān)數(shù)據(jù)，或調(diào)控功能執(zhí)行相關(guān)決策的同時(shí)，以監(jiān)測終端作為數(shù)據(jù)的發(fā)送端，將數(shù)據(jù)和決策信息上傳至云端。利用TCP / IP 協(xié)議的 8080 端口可在云端實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的調(diào)取、查看。

3 硬件選擇與設(shè)計(jì)

3.1 播種量統(tǒng)計(jì)傳感器

對比常用的光電、壓電、電容、視覺四類傳感器技術(shù)，分析了四者之間的優(yōu)缺點(diǎn)，其中電容傳感器穩(wěn)定性不佳，易受到干擾；壓電傳感器需要種子與傳感器產(chǎn)生碰撞，易導(dǎo)致播種后的下落軌跡產(chǎn)生變化，影響播種位置；視覺傳感器對環(huán)境要求過高，且成本高，實(shí)時(shí)性不好。因此，選用性價(jià)比更高的DINEL964S激光光電傳感器。

3.2 播深測量傳感器

播深測量傳感器適合選用非接觸式傳感器，如超聲波傳感器、激光傳感器等。結(jié)合玉米播種大田環(huán)境，作業(yè)過程產(chǎn)生的粉塵會(huì)嚴(yán)重影響激光傳感器的精度，超聲波傳感器相對而言對于粉塵、遮擋等的抗干擾能力更強(qiáng)，適合在測量播種深度時(shí)使用。為降低大田環(huán)境中不利因素產(chǎn)生的影響，選用具有能夠?qū)β暡ㄋ俣茸詣?dòng)進(jìn)行補(bǔ)償功能的US-150P超聲波傳感器，以提高檢測精度。

3.3 電機(jī)選擇

電機(jī)是排種器性能控制的驅(qū)動(dòng)力裝置，也是核心裝置，為提高控制的穩(wěn)定性，選用直流無刷電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，能更好地適應(yīng)田間作業(yè)時(shí)的振動(dòng)和惡劣環(huán)境，能滿足播種過程持續(xù)的高負(fù)荷作業(yè)要求。本次選擇的直流無刷電機(jī)為57CAC1258-235EF9，額定功率為0.15 kW，額定轉(zhuǎn)速為3 000 r·min-1，配套25∶1減速器。

4 調(diào)控邏輯分析

4.1 漏播調(diào)控

當(dāng)傳感器發(fā)現(xiàn)漏播并持續(xù)一定時(shí)間，系統(tǒng)自動(dòng)檢測排種器運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，若排種器轉(zhuǎn)速異常，無刷電機(jī)自動(dòng)增大轉(zhuǎn)速使排種器達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)轉(zhuǎn)速度，此時(shí)光電傳感器監(jiān)測排種量，若200 s后排種量仍不合格，則向駕駛員發(fā)出警報(bào)，提醒駕駛員對輸種管、排種器型孔、種箱種子量進(jìn)行檢查。

4.2 播深調(diào)控

當(dāng)超聲波傳感器監(jiān)測到播種深度持續(xù)不合格，則開始對比周邊播深，若平均播深不合格，則系統(tǒng)控制液壓泵增加播深，若單一位置播深不足，則判定為開溝器磨損或損壞，提醒駕駛員進(jìn)行檢修。

5 結(jié)語

綜上所述，在現(xiàn)階段玉米精量播種機(jī)技術(shù)基礎(chǔ)上，結(jié)合電氣控制和傳感器技術(shù)對播種質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測，并利用監(jiān)測技術(shù)指導(dǎo)決策和調(diào)整機(jī)械工作狀態(tài)，能有效提升播種質(zhì)量。與國外播種機(jī)相比，我國的監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用較少，機(jī)械技術(shù)仍處于自動(dòng)化階段，智能化特征仍不明顯。未來應(yīng)加強(qiáng)對播種機(jī)監(jiān)測技術(shù)的實(shí)踐應(yīng)用，持續(xù)優(yōu)化播種質(zhì)量，提高耕地利用率與糧食產(chǎn)出。