基于慧魚搭載的小型精密播種機

吳慶達 潘雪熒 王 柱

（聊城大學(xué)東昌學(xué)院，聊城 252000）

20 世紀90 年代以來，我國逐步推廣精密播種機。精密播種機根據(jù)作物種類，分為玉米及大豆精密播種機、谷物（小麥）精密播種機等；根據(jù)配套動力，分為小型、中型和大型精密播種機；根據(jù)排種器形式，分為機械式和氣力式兩大類精密播種機，其中機械式又可分為錐盤式、紋盤式、水平圓盤式和帶夾式等[1]。

隨著現(xiàn)代高標準農(nóng)田的建設(shè)和發(fā)展，加上我國地形多樣、耕地種植分散、單個農(nóng)戶種植規(guī)模較小的特點，我國對小型播種機的需求量越來越大[2]。農(nóng)作物播種作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中重要的一環(huán)，具有穩(wěn)產(chǎn)保供、降本增效、節(jié)約資源、減少損耗等功能，因此利用播種機科學(xué)種植意義重大。精密播種可以保證種子在田間合理分布，播種量精確，株距均勻，播種深度一致，為種子的生長發(fā)育創(chuàng)造最佳條件，既節(jié)省了種子，又保證了作物穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)。因此，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)對小型精密播種機的需求越來越迫切[3-4]。

慧魚創(chuàng)意組合模型涉及機械、電子、控制、氣動、汽車技術(shù)、能源技術(shù)和機器人技術(shù)等領(lǐng)域，利用工業(yè)標準的基本構(gòu)件，如機械元件、電氣元件和氣動元件，輔以傳感器、控制器、執(zhí)行器和軟件設(shè)計機械結(jié)構(gòu)[5]。文章基于慧魚組件設(shè)計播種機的機械結(jié)構(gòu)，編寫了播種機的運行控制程序，并通過慧魚組件搭建的播種機實物模型，展示了相應(yīng)的功能，實現(xiàn)了開溝深度任意調(diào)節(jié)、定距播種、定量排種、覆土掩埋的功能，同時在結(jié)構(gòu)上進行改進設(shè)計，實現(xiàn)了間作播種。

1 機械系統(tǒng)設(shè)計方案

根據(jù)國內(nèi)外播種機的發(fā)展趨勢，以通用性、適應(yīng)性和結(jié)構(gòu)簡單、操作靈活為原則，設(shè)計了一款能同時完成播種施肥工作的小型精密播種機。精密播種機實物模型，如圖1 所示。該機結(jié)構(gòu)簡單，能滿足客戶對小面積土地作業(yè)的操作靈活性需求。設(shè)計雙溝道排種，可隨意搭載合適的排種器，實現(xiàn)農(nóng)作物的間作種植[6]。播種機在整體設(shè)計上采用分模塊設(shè)計，各模塊相連形成一個完整的系統(tǒng)。它主要包括開溝模塊、種子下播模塊、排肥模塊和覆土模塊。

圖1 精密播種機實物模型

1.1 開溝模塊

小型精密播種機設(shè)計了雙開溝結(jié)構(gòu)（見圖2），可同時進行雙排開溝作業(yè)。開溝器的設(shè)計理念為旋轉(zhuǎn)刨坑式，開溝器深度的調(diào)整依托螺旋傳動機構(gòu)，即螺母固定在機架上，螺桿做直線運動，從而實現(xiàn)開溝器的上下移動，達到控制調(diào)節(jié)播種深度的效果。

圖2 開溝模塊

1.2 種子下播模塊

基于慧魚組件搭建了排種器，如圖3 所示。排種器與種箱相連，通過種子自身重力實現(xiàn)種子從種箱向排種器的自動下落。根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計，排種器每次能夠容納3 粒種子。排種器下端直接與漏斗連接，通過導(dǎo)軌將種子輸送到播種漏斗。每通過相同的時間間隔，控制器控制編碼電機轉(zhuǎn)過固定的角度，從而帶動排種器轉(zhuǎn)動固定角度，有效定量定距進行播種，是精密播種的重要一環(huán)。

圖3 種子下播模塊

1.3 排肥模塊

種肥箱一分為二，后面為肥箱，前面為種箱，如圖4 所示。排肥器設(shè)計為氣壓攆推式，選用慧魚中的自復(fù)位彈簧氣缸、氣閥、氣泵組件搭建小型氣動系統(tǒng)。當(dāng)排種器工作時，氣閥關(guān)閉，氣缸在自復(fù)位彈簧的作用下收起，實現(xiàn)肥料的下放。該模塊不僅可以松散化肥料防止粘黏，還能有效控制肥料與種子之間的間距，起到保護種子的作用。

圖4 種肥箱

1.4 覆土模塊

覆土模塊如圖5 所示。它在機體后方用雙邊齒條與覆土板連接，通過雙邊齒條的上下移動控制覆土量及覆土厚度，為作物生長提供合適的環(huán)境。

圖5 覆土模塊

2 控制程序設(shè)計

2.1 執(zhí)行部件配置

精密播種機播種作業(yè)由各個機構(gòu)協(xié)同運作完成，各機構(gòu)執(zhí)行部件配置如表1 所示。

表1 執(zhí)行部件配置表

2.2 控制程序設(shè)計

設(shè)計的小型精密播種機選用慧魚TXT 控制器，利用ROBO PRO 軟件編寫精密播種的控制程序，如圖6 所示。上電初始化完成后，播種開始，M1、M2電機開始運作，推動整機前進。M3、M4電機正傳，帶動螺旋傳動機構(gòu)運動使開溝器下放，當(dāng)碰到底部限位開關(guān)時停止下放。在下降過程中，M5、M6電機同時啟動，開溝器正向旋轉(zhuǎn)進行開溝。播種機前進，在前進過程中M8、M9電機啟動，帶動覆土板在雙邊齒條上向下運動，到達指定高度后停止下放。前進一段距離后，M7電機動作，帶動排種器按照設(shè)定速度旋轉(zhuǎn)開始排種。光敏傳感器檢測到排種一次后，電磁閥門動作一次，使得氣壓閥門間接動作定量排肥一次。到達耕地盡頭時，M3、M4反轉(zhuǎn)，開溝器提升，M5、M6停止運作。當(dāng)最后一次排肥結(jié)束后，整機停止運作進入初始化狀態(tài)，待機等待下一行的播種。

圖6 播種機播種運行程序

2.3 各部分機構(gòu)控制程序

初始化檢測控制。啟動后，M3、M4 電機反轉(zhuǎn)，使開溝器上升，其余電機為停止?fàn)顟B(tài)，檢測I1 數(shù)字量是否為1，是則檢測I4，否則M3、M4 電機繼續(xù)反轉(zhuǎn)，直至開溝器升至上限位。然后檢測I4 數(shù)字量是否為1，是則電機停止，否則EM1 M4、EM2 M1 電機繼續(xù)反轉(zhuǎn)，直至覆土板升至上限位。使EM2 M2、EM2 M3 電磁閥處于工作狀態(tài)，肥箱氣壓閥門為常閉狀態(tài)。初始化程序，如圖7 所示。

圖7 初始化程序

前進動力系統(tǒng)。M1正轉(zhuǎn)，播種機前進；M1反轉(zhuǎn)，播種機倒退。M2正轉(zhuǎn)，左向轉(zhuǎn)彎；M2反轉(zhuǎn)，右向轉(zhuǎn)彎。也可將自動控制模式電路切換至藍牙控制器，利用慧魚組件自帶一體藍牙控制裝置，控制機身前進、后退及轉(zhuǎn)向。

開溝機構(gòu)動作。在播種機接收到播種信號后，M3、M4動作，使開溝器下降，在SQ2數(shù)字量為1 時停止。同時，M5、M6動作，進行開溝掘土。

覆土板機構(gòu)。當(dāng)播種機前進到達設(shè)定時間后，M8、M9下降動作，在SQ3輸入數(shù)字量為1 時停止下降。

排肥排種機構(gòu)。在播種機前進一定距離后，光敏傳感器I5 接收到種子下播信號，EM1 M3 動作，進行播種。旋轉(zhuǎn)同時，EM2 M2、EM2 M3 電磁閥關(guān)閉，氣壓閥門打開，實現(xiàn)施肥，施肥固定時間，氣壓閥門關(guān)閉。排種器每間隔固定的時間進行旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)種子的精準定距播種，依次循環(huán)。

排肥排種機構(gòu)。在播種機前進一定距離后，M7動作，排種器每間隔固定的時間進行旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)種子的精準定距播種。旋轉(zhuǎn)同時光敏傳感器接收到信號，YV1、YV2電磁閥關(guān)閉，氣壓閥門打開，實現(xiàn)施肥。隨后，氣壓閥門關(guān)閉，依次循環(huán)。

當(dāng)播種到耕地盡頭時，M3、M4反向動作，使開溝器上升，同時M5、M6停止動作使開溝器停止旋轉(zhuǎn)。當(dāng)SQ1為1 時，M3、M4停止動作。當(dāng)排肥器排完最后一株肥料時，排種器驅(qū)動電機M7停止工作，M8、M9反向動作。當(dāng)觸碰到行程開關(guān)SQ4時，M8、M9停止動作。程序回到初始化，準備下一行播種或結(jié)束播種。播種機整體運行程序，如圖8 所示。

圖8 播種機整體運行程序

3 結(jié)語

基于慧魚技術(shù)設(shè)計的小型精密播種機，實現(xiàn)了開溝深度任意調(diào)節(jié)、定距播種、定量排種、覆土掩埋的功能，并設(shè)計了雙排開溝器，實現(xiàn)了播種機的間作播種。