甘薯裸苗斜插式栽植機構(gòu)及電控系統(tǒng)研制

徐亞雷 楊紅光 潘志國 楊然兵 李林 張還

摘要：針對目前我國甘薯裸苗移栽機存在的栽植質(zhì)量差和自動化程度低的問題，按照甘薯裸苗移栽的農(nóng)藝要求，研制一種基于四連桿機構(gòu)原理的甘薯裸苗斜插式栽植機構(gòu)及其控制系統(tǒng)。通過理論分析和仿真模擬研究栽植機構(gòu)的運動軌跡，確定栽植機構(gòu)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)，構(gòu)建由直流無刷電機、旋轉(zhuǎn)編碼器和PLC控制器等組成的栽植機構(gòu)電控系統(tǒng)。田間試驗表明：在目標(biāo)株距20cm、作業(yè)速度0.4～0.6km/h時，移栽作業(yè)質(zhì)量指標(biāo)均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，其中作業(yè)速度為0.4km/h時，作業(yè)性能優(yōu)于0.5km/h和0.6km/h，此速度下株距變異系數(shù)均值為6.71%、栽植角度與深度合格率平均值分別為94.3%、95.0%。對比試驗結(jié)果表明，0.4km/h、0.5km/h和0.6km/h速度下，電驅(qū)控制與傳統(tǒng)機械控制相比，栽植株距變異系數(shù)平均值分別降低6.25%、6.37%和6.19%，可有效解決拖拉機動力輸出軸驅(qū)動不穩(wěn)定性對栽植作業(yè)軌跡和株距的影響。

關(guān)鍵詞：甘薯；裸苗移栽；斜栽式；栽植軌跡；電控系統(tǒng)；四連桿機構(gòu)

中圖分類號：S223.93

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：2095-5553 （2024） 06-0053-06

收稿日期：2022年11月1日

修回日期： 2023年4月18日

*基金項目：山東省農(nóng)業(yè)重大應(yīng)用技術(shù)創(chuàng)新項目（SD2019NJ009）；青島農(nóng)業(yè)大學(xué)高層次人才科研基金（1116002）

第一作者：徐亞雷，男，1996年生，山東棗莊人，碩士研究生；研究方向為農(nóng)業(yè)機械與裝備。E-mail： yalei0109@163.com

通訊作者：張還，男，1974年生，濟南人，博士，副教授；研究方向為智能農(nóng)業(yè)機械與裝備。E-mail： huan0804@163.com

Development of oblique-planting mechanism for sweet potato seedlings

and its electric control system

Xu Yalei¹， Yang Hongguang²， Pan Zhiguo¹， Yang Ranbing^{1， 3}， Li Lin¹， Zhang Huan¹

（1. College of Mechanical and Electrical Engineering， Qingdao Agricultural University， Qingdao， 266109， China;

2. Nanjing Institute of Agricultural Mechanization， Ministry of Agriculture and Rural Affairs， Nanjing，

210014， China; 3. College of Mechanical and Electrical Engineering， Hainan University， Haikou， 570228， China）

Abstract： Naked seedling transplanting is the main way of sweet potato cultivation， and planting operation is the key link of transplanting. Aiming at the problems of poor planting quality and low automation in planting machine of naked sweet potato seedlings in our country， according to the agronomic requirements for planting naked sweet potato seedlings in this study， a kind of oblique planting mechanism of naked sweet potato seedlings and its control system were developed based on the principle of four-link mechanism. The movement trajectory of the planting mechanism was studied by theoretical analysis and simulation， and the key structural parameters of the planting mechanism were determined. An electric control system of planting mechanism was constructed， which consisted of brushless DC motor， rotary encoder and PLC controller. Field experiments showed that when the target plant distance was 20 cm and the operating speed was 0.4-0.6 km/h， the operation quality index of transplanting reached the standard requirements. When the operating speed was 0.4 km/h， the operating performance was better than that of 0.5 km/h and 0.6 km/h. At this speed， the average coefficient of variation of plant distance was 6.71%， and the average passing rate of planting angle and depth were 94.3% and 95.0%， respectively. The comparative test results showed that compared with the traditional mechanical control， the electric drive control at 0.4 km/h， 0.5 km/h and 0.6 km/h speeds reduced the average coefficient of variation of plant distance by 6.25%， 6.37% and 6.19%， respectively， which could effectively solve the influence of the driving instability of the tractor power output shaft on the planting operation trajectory and plant distance.

Keywords： sweet potato; seedling transplanting; oblique-planting; planting track; electric control system; four-bar linkage

0 引言

甘薯作為一種重要的農(nóng)產(chǎn)品和工業(yè)原料，在我國得到廣泛的種植。由于甘薯屬于異花授粉作物，有性繁殖過程復(fù)雜且產(chǎn)量低，而甘薯的營養(yǎng)器官具有較強的再生能力，因此在實際生產(chǎn)中用種薯培育甘薯秧苗，經(jīng)剪苗后再通過裸苗移栽的方式得到廣泛采用^{[1， 2]}。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對甘薯裸苗移栽進行了研究。Yan等^[3]設(shè)計了一種適用于甘薯平插種植農(nóng)藝要求的裸苗移栽機。Liu等^[4]設(shè)計了一種適用于甘薯船底型種植農(nóng)藝要求的裸苗栽植機構(gòu)。劉正鐸等人設(shè)計了一種基于機械臂與深度學(xué)習(xí)的甘薯移栽機，可在移栽時出現(xiàn)漏苗現(xiàn)象時進行補栽作業(yè)。胡良龍等^[5]設(shè)計了一種利用地輪驅(qū)動的鏈夾式甘薯移栽機，可實現(xiàn)斜插種植的軌跡要求，但需要更換齒輪改變傳動比調(diào)節(jié)移栽株距。申屠留芳等^[6]研究了指夾式栽植機構(gòu)，并對關(guān)鍵部件的運動進行了軌跡仿真。另外日本研制的小型自走式甘薯移栽機，適用于需要膜上移栽的丘陵地區(qū)，但造價昂貴且作業(yè)效率不高?？傮w而言國內(nèi)適用于甘薯斜插種植的機械仍然較少，且栽植機構(gòu)也主要利用地輪或拖拉機輸出軸驅(qū)動，存在地輪滑移和拖拉機輸出軸轉(zhuǎn)速與作業(yè)速度不匹配的問題，栽植質(zhì)量無法得到有效保障。

為解決目前甘薯移栽機栽植質(zhì)量差，主要栽植方式短缺的問題，基于四連桿機構(gòu)原理設(shè)計斜插式甘薯裸苗栽植機構(gòu)，可以較好完成甘薯苗斜插種植農(nóng)藝要求，并利用電驅(qū)裝置控制移栽作業(yè)，從而保持較高的移栽株距穩(wěn)定性與栽植質(zhì)量，以期為甘薯機械化種植與自能化發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

1 甘薯裸苗移栽方法及斜插式農(nóng)藝要求

甘薯移栽工序復(fù)雜、農(nóng)藝要求高。如圖1所示，甘薯裸苗栽植方式主要有直插式、斜插式、船底型和水平栽插式。其中，斜插式有利于抗旱增產(chǎn)，是目前使用較多的一種甘薯裸苗移栽方式^[7]。

如圖1（b）所示，斜插法移栽是將甘薯苗傾斜插入土中，根據(jù)T/CAAMM 52—2020《甘薯復(fù)式栽植機》團體標(biāo)準(zhǔn)，斜插式主要農(nóng)藝要求是栽植入土深度為10cm左右，薯苗斜度為45°左右（即是合格的“斜插法”）

2 甘薯裸苗斜插式栽植機構(gòu)設(shè)計與軌跡分析

為實現(xiàn)斜插式栽植軌跡，如圖2所示設(shè)計的栽植機構(gòu)由夾取桿、受拉彈簧、凸輪、曲柄、搖桿、連桿等部分組成。曲柄、搖桿、連桿通過鉸接的方式固定在機架板上構(gòu)成四連桿機構(gòu)，循環(huán)往復(fù)運動實現(xiàn)斜插種植軌跡要求。滾動軸承在凸輪上周向滾動，通過支點、彈簧、嚙合殘齒輪控制夾取桿的開合夾取甘薯秧苗。滾動軸承在凸輪上周向轉(zhuǎn)動一圈，夾取手完成一個周期移栽動作。

栽植機構(gòu)夾取爪尖的運動軌跡決定甘薯苗在壟體中的栽植形狀。為實現(xiàn)斜插形移栽，栽植機構(gòu)爪尖入土后的運動軌跡需傾斜向下。由于機具隨拖拉機向前運動，因此栽植運動軌跡由機具的前進運動和夾取爪的回轉(zhuǎn)運動合成^[8]，當(dāng)機具在前進時，栽植機構(gòu)各部分的運動軌跡如圖3所示。

假設(shè)圖3中桿件L₁、L₂、L₃、L₅長度和C點坐標(biāo)（x_c，y_c）以及角度θ、φ₁、φ₂為已知量。

圖3只為說明夾取爪尖端運動軌跡（夾苗點距夾取爪尖端的距離忽略不計，即夾取爪尖端運動軌跡即為甘薯苗栽插軌跡），因此將夾取機構(gòu)簡化為AE桿簡要說明，可建立矢量方程

OA+AB=OC+CB

OE=OA+AE（1）

由式（1）建立夾苗點E點的位移方程

x_A+L₂cosφ₂=x_C+L₃cosφ₃

y_A+L₂sinφ₂=y_C+L₃sinφ₃（2）

x_E=x_A+L₅cos（φ₂+θ）

y_E=y_A+L₅sin（φ₂+θ）（3）

其中A點坐標(biāo)

x_A=L₁cosφ₁

y_A=L₁sinφ₁（4）

求解位移方程

tanβ=y_A－y_Cx_A－x_C（5）

在三角形ABC中，∠ACB=β-φ₃，則

cos（β－φ₃）=（x_A－x_C）²+（y_A－y_C）²+L²₃－L²₂2L₃（x_A－x_C）²+（y_A－y_C）²（6）

sinφ₂=y_C+L₃sinφ₃－y_AL₂（7）

綜上可得φ₂、φ₃、x_E、y_E。

根據(jù)式（2）、式（3）對時間求導(dǎo)建立速度方程

x_A′－L₂φ₂′sinφ₂=0－L₃φ₃′sinφ₃

y_A′+L₂φ₂′cosφ₂=0+L₃φ₃′cosφ₃（8）

x_E′=x_A′－L₅φ₂′sin（φ₂+θ）

y_E′=y_A′－L₅φ₂′cos（φ₂+θ）（9）

x_A′=－L₁φ₁′sinφ₁

y_A′=L₁φ₁′cosφ₁（10）

求解速度方程

φ₂′=x_A′+y_A′tanφ₃L₂sinφ₂－L₂tanφ₃cosφ₂（11）

φ₃′=y_O′+L₂φ₂′cosφ₂L₃cosφ₃（12）

綜合式（8）～式（12）可求得x_E′、y_E′。

通過分析可知，栽植機構(gòu)曲柄OA、連桿AB、搖桿BC和機架板OC長度以及連桿AB與夾取爪AE間的夾角等對栽植運動軌跡有重要影響。

假設(shè)夾取抓DE長度固定，分析四連桿機構(gòu)各桿件長度與角度的變化對栽植軌跡的影響。如圖4所示，桿OC、AB、BC的長度與角DAB的改變直接影響了栽植角度與深度的變化。此外，桿OA長度的變化對種植軌跡所圍成的面積也有影響，而角EDA的變化對栽植軌跡影響較小。

根據(jù)編程頁面調(diào)整四連桿機構(gòu)參數(shù)，通過多組不同參數(shù)條件下的對比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)各桿件長度為OA∶OC∶AB∶BC∶AD∶DE=20∶105∶60∶80∶80∶60、∠EDA=80°、∠DAB=125°時，E點的運動軌跡可以較好滿足T/CAAMM 52—2020《甘薯復(fù)式栽植機》團體標(biāo)準(zhǔn)對甘薯裸苗斜插式移植的農(nóng)藝要求，其具體參數(shù)和軌跡如圖5所示。

3 基于PLC的栽植機構(gòu)電控系統(tǒng)設(shè)計

3.1 總體結(jié)構(gòu)原理

如圖6所示，甘薯裸苗栽植機構(gòu)電控系統(tǒng)工作原理為利用旋轉(zhuǎn)編碼器實時檢測地輪的行進速度，三菱FX_3U系列PLC根據(jù)行進速度的變化實時調(diào)整電機的轉(zhuǎn)速做隨動控制，從而保證株距的穩(wěn)定。

3.2 控制系統(tǒng)設(shè)計

試驗選用M法測速，通過一定的時間周期Δt內(nèi)，測量編碼器輸出的脈沖個數(shù)M₁來計算速度^[9]，如式（13）所示。

v=πM₁dP₁Δt×10³（13）

式中： v——編碼器測得的作業(yè)速度，m/s；

M₁——時間間隔內(nèi)測得的脈沖總數(shù)；

P₁——地輪旋轉(zhuǎn)編碼器每轉(zhuǎn)一圈發(fā)出的脈沖；

Δt——選取的時間周期，ms；

d——地輪直徑，m。

作業(yè)距離和作業(yè)時間、拖拉機前進速度的關(guān)系為

Δs=v×ΔT（14）

式中： ΔT——任意作業(yè)時間間隔，s；

Δs——ΔT時間內(nèi)作業(yè)距離，m。

由于齒輪帶動夾取手運動，且齒輪轉(zhuǎn)動一圈夾取手栽植一次，因此作業(yè)距離和作業(yè)時間、理論移栽電機轉(zhuǎn)速、預(yù)設(shè)株距的關(guān)系式為

Δs=N₁60i₁i₂lΔT100（15）

式中： N₁——理論移栽電機轉(zhuǎn)速，r/min；

l——預(yù)設(shè)株距，cm；

i₁——電機減速器傳動比，取i₁=5；

i₂——夾取手齒輪傳動比，取i₂=2.5。

綜合式（14）和式（15）可得，某時刻作業(yè)速度和理論移栽驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速N₁的關(guān)系為

N₁=6 000i₁i₂lv（16）

控制器模擬量電壓輸出與移栽電機轉(zhuǎn)速關(guān)系，采用現(xiàn)場試驗標(biāo)定并擬合曲線的方法^[10]。通過試驗設(shè)定不同的模擬量電壓輸出同時測量相應(yīng)的電機轉(zhuǎn)速，利用Matlab & Curve Fitting工具箱進行數(shù)據(jù)擬合，其方程和擬合度如圖7所示。

株距設(shè)置完成后，控制器通過作業(yè)速度與移栽電機轉(zhuǎn)速之間的函數(shù)關(guān)系計算理論電機轉(zhuǎn)速，并通過電壓—轉(zhuǎn)速擬合曲線方程，計算理論模擬電壓輸出控制電機轉(zhuǎn)動，依據(jù)電機實際轉(zhuǎn)速與理論轉(zhuǎn)速差值，作為參數(shù)自適應(yīng)PID控制的反饋信號，閉環(huán)式控制移栽電機實時轉(zhuǎn)速。其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖8所示。

為了提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，電機理論轉(zhuǎn)速N₁允許范圍為（N₁±0.05N₁），當(dāng)實際轉(zhuǎn)速N>1.05N₁或N<1.05N₁時，認(rèn)為不滿足理論轉(zhuǎn)速界限，并利用參數(shù)自適應(yīng)PID進行修正，直至恢復(fù)到誤差允許范圍內(nèi)，當(dāng)檢測的電機轉(zhuǎn)速誤差在允許范圍之內(nèi)，直流電機轉(zhuǎn)速維持不變。

4 田間性能試驗

4.1 試驗儀器與條件

試驗儀器主要有土壤水分儀、硬度測量儀、游標(biāo)卡尺、卷尺、量角器、計數(shù)器和研制的甘薯裸苗斜插式移栽機構(gòu)及其電控系統(tǒng)。如圖9所示，將研制的甘薯裸苗斜插式移栽機構(gòu)及電控系統(tǒng)安裝在合作單位生產(chǎn)的甘薯裸苗移栽機上。

該機主要由旋耕機構(gòu)、起壟機構(gòu)、覆膜機構(gòu)、覆土機構(gòu)、甘薯裸苗斜插式移栽機構(gòu)及其電控系統(tǒng)等組成。其主要作業(yè)參數(shù)如表1所示。

試驗在山東青州甘薯種植基地進行，試驗地土質(zhì)為壤土、平均含水率16.3%、堅實度210kPa。試驗用甘薯苗品種為煙薯25號，苗齡均為35d，單株長度為20～25cm，距離苗根部30mm處的平均直徑為4.28mm。試驗前用旋耕機旋耕一遍。采用壟作不覆膜種植，起壟高度260mm，壟距為900mm，株距設(shè)置為20cm。

4.2 栽植機構(gòu)及電控系統(tǒng)性能試驗

為驗證設(shè)計的斜插式栽植機構(gòu)及其電控系統(tǒng)的栽植質(zhì)量是否符合要求。利用加裝斜插式栽植機構(gòu)及電控系統(tǒng)的甘薯移栽機進行試驗。試驗時控制車速分別處于0.4km/h、0.5km/h和0.6km/h三個速度。不同速度下各栽植100棵，重復(fù)3次，對種植后的立苗角度合格率、栽插深度合格率兩個農(nóng)藝指標(biāo)以及漏栽率、株距變異系數(shù)進行分析。為排除甘薯秧苗形態(tài)大小對試驗結(jié)果的影響，試驗所用甘薯秧苗在每個速度區(qū)間內(nèi)重復(fù)使用。同時，為保證測區(qū)內(nèi)拖拉機速度的精確，在試驗區(qū)域前后預(yù)留出供拖拉機加減速的足夠距離。參考T/CAAMM 52—2020《甘薯復(fù)式栽植機》，移栽深度合格指標(biāo)為4～10cm，移栽角度合格指標(biāo)為45°±3°。試驗結(jié)果如表2所示。

由表2分析可得，隨著作業(yè)速度的提高，栽植角度合格率和栽植深度合格率均值降低，漏栽率增加，但總體變化幅度不大。作業(yè)速度0.4km/h時，作業(yè)性能優(yōu)于0.5km/h和0.6km/h，此作業(yè)速度下的移栽株距變異系數(shù)平均值為6.71%、栽植角度合格率平均值為94.3%、栽植深度合格率平均值為95.0%、漏栽率平均值為2.0%。3種作業(yè)速度下株距變異系數(shù)與漏栽率最大值分別為7.96%、4%，滿足甘薯裸苗移栽的要求。

4.3 株距控制穩(wěn)定性對比試驗

為進一步檢驗設(shè)計的電控系統(tǒng)在甘薯裸苗移栽時株距控制穩(wěn)定性方面的性能，開展與傳統(tǒng)利用拖拉機后輸出軸驅(qū)動的栽植性能對比試驗。栽植機構(gòu)用拖拉機后輸出軸驅(qū)動在0.4km/h、0.5km/h和0.6km/h，3種速度下各栽植100株甘薯秧苗同時測出移栽株距。并與4.2節(jié)試驗中的第1次試驗株距測量值進行對比。

圖11為3種速度下兩種移栽控制方式的株距測量數(shù)據(jù)?？梢钥闯觯娍卣{(diào)節(jié)方式下的移栽株距在設(shè)定值處小范圍上下浮動，而拖拉機輸出軸控制傳動的方式株距值波動明顯，且隨著作業(yè)速度的增加移栽株距有明顯增大的趨勢。

從表3可以看出隨著速度的提升，拖拉機后輸出軸傳動的控制方式移栽平均株距由18.0cm增加至21.2cm，移栽株距受作業(yè)速度影響較大，而電控方式株距平均值變化不大。分析標(biāo)準(zhǔn)差與變異系數(shù)可知拖拉機后輸出軸傳動的方式，標(biāo)準(zhǔn)差最大值為3.0，變異系數(shù)最大為14.15%，且3種速度下標(biāo)準(zhǔn)差與株距變異系數(shù)明顯大于電控調(diào)節(jié)的方式，這體現(xiàn)了電控調(diào)節(jié)的優(yōu)勢。

5 結(jié)論

1） 基于甘薯斜插種植農(nóng)藝要求，設(shè)計一種基于四連桿機構(gòu)原理的栽植機構(gòu)。通過對移栽鉗夾運動軌跡分析和移栽軌跡仿真，確定四連桿各桿件最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)，可較好滿足甘薯斜插種植農(nóng)藝要求。

2） 本文設(shè)計基于旋轉(zhuǎn)編碼器測速的移栽隨動控制系統(tǒng)，實現(xiàn)移栽株距穩(wěn)定、可調(diào)。田間試驗表明，設(shè)計的電驅(qū)式甘薯移栽機構(gòu)，按所設(shè)定的移栽株距工作時，移栽株距平均變異系數(shù)為7.30%，最大變異系數(shù)為7.96%。與傳統(tǒng)拖拉機輸出軸驅(qū)動相比具有較好的株距穩(wěn)定性。

參 考 文 獻(xiàn)

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