楊 媛，李旭英，何生根，王 璐，趙士杰

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，呼和浩特 010018)

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2ZB-2型吊杯式移栽機栽植深度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計

楊 媛，李旭英，何生根，王 璐，趙士杰

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，呼和浩特 010018)

為了更好地評價移栽機的栽植性能，以2ZB-2型吊杯式移栽機為試驗對象，針對表征栽植性能參數(shù)之一栽植深度，設(shè)計了數(shù)據(jù)采集測試系統(tǒng)。此數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分為硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計與軟件程序設(shè)計兩部分：硬件結(jié)構(gòu)部分包括傳感器、數(shù)據(jù)采集卡等儀器的選型、安裝與調(diào)試，并對所選用傳感器進行了標定；軟件部分是基于LabVIEW虛擬儀器中DAQmx設(shè)計的，主要包括具有良好人機界面的前面板及后面板中的程序框圖。通過合理設(shè)置采樣模式及采樣率等參數(shù)，實現(xiàn)了兩個通道距離數(shù)據(jù)的實時采集與顯示，并通過插值計算得到了相應(yīng)采集距離值下的栽植深度值。田間試驗表明：本數(shù)據(jù)采集測試系統(tǒng)相比于傳統(tǒng)人工測量方式，節(jié)省人力成本，提高勞動效率，也可對后續(xù)移栽機栽植性能的評價提供參考。

移栽機；栽植深度；LabVIEW；測試系統(tǒng)

0 引言

育苗移栽具有傳統(tǒng)直播難以比擬的優(yōu)越性，因其可使幼苗有效地避開災(zāi)害性氣候的影響，提高成活率，延長作物的生育期，達到了節(jié)約成本、增加產(chǎn)量的效果，已成為大面積栽植的一種必然趨勢。 近年來，相應(yīng)的移栽機械也發(fā)展迅速。吊杯式移栽機是一種集覆膜、開溝、栽苗及覆土等一系列功能的農(nóng)業(yè)移栽機具，作業(yè)效率、栽植質(zhì)量較高，受到我國北方地區(qū)農(nóng)戶的青睞[1-2]。

栽植深度是衡量移栽機的栽植性能中缽苗栽植狀態(tài)的重要指標之一。而缽苗栽植深度對苗的生長、緩苗過程等有很大的影響。影響栽植深度的主要因素有：地輪的高度和栽植器仿形機構(gòu)的特性及耕作土壤表面不平度等。

綜上所述，栽植深度對移栽機栽植性能穩(wěn)定性的研究具有重要意義。而傳統(tǒng)測量都是在移栽之后，再挖開苗來手工測量栽植深度的，造成數(shù)據(jù)精度低、費時、費力[3]。

針對以上人工測量存在的問題，設(shè)計了基于2ZB-2型吊杯式移栽機栽植深度數(shù)據(jù)采集測試系統(tǒng)，通過布設(shè)超聲波測距傳感器采集相應(yīng)的數(shù)據(jù)，由插值計算得到了相應(yīng)采集距離值下的栽植深度值，為移栽機進一步優(yōu)化設(shè)計及評定缽苗栽植精度提供一定的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 吊杯式移栽機栽植深度計算

1.1 吊杯式移栽機工作原理

2ZB-2型吊杯式移栽機由主架、地輪、安裝架、覆土鎮(zhèn)壓輪機構(gòu)、地輪調(diào)節(jié)機構(gòu)和吊杯等機構(gòu)組成[4]，如圖1所示。

1.苗盤支架 2.苗盤 3.地輪升降機構(gòu) 4.鏈條罩 5.地輪 6.栽植裝置 7.吊杯 8.座椅 9.鎮(zhèn)壓輪 10.鎮(zhèn)壓輪升降機構(gòu)圖1 吊杯式移栽機結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Structure diagram of Dibble-type Transplanter

吊杯式移栽機栽植秧苗時無需開溝器。作業(yè)時，采用輪式拖拉機三點后懸掛牽引，地輪將動力通過鏈條傳到移栽裝置主軸，驅(qū)動吊杯運動；當(dāng)?shù)醣\動到最高位置時，進行投苗；載有缽苗的吊杯逆時針旋轉(zhuǎn)到最低位置時，吊杯尖嘴進行打穴，同時杯內(nèi)缽苗自由落入穴中；最后，進行覆土鎮(zhèn)壓，完成栽植過程[5]。

1.2 栽植深度計算公式的推導(dǎo)

秧苗的栽植深度是指從秧苗與覆土表面交點到秧苗根部的垂直距離。秧苗的栽植深度不合適，將會對秧苗的生長、緩苗過程等造成很大的影響。從農(nóng)藝角度來看，栽植深度越均勻一致越有利于植物的生長[3]。

在進行栽植深度測試之前，首先需將超聲波測距傳感器1、2分別安裝在移栽裝置主軸所在的水平位置上，安裝結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示，H(mm)即為栽植深度。

1.防護板 2.移栽支架 3.超聲波測距傳感器2 4.超聲波測距傳感器1圖2 超聲波傳感器安裝結(jié)構(gòu)簡圖Fig.2 The installation structure sketch of ultrasonic sensors

將圖2中超聲波測距傳感器安裝位置與移栽裝置主軸之間的數(shù)學(xué)關(guān)系轉(zhuǎn)化為計算模型,如圖3所示。

圖3 栽植深度計算模型Fig.3 Calculation model of the Transplanting Depth

圖3中各變量、常量的定義如下：θ為作業(yè)時，移栽橫梁的傾斜角度；h1、h2為超聲波測距傳感器1、2所測地表距離(mm)；a、b為傳感器支架頂端中心距主軸中心的長度值，常量a=277mm，b=286mm；y1、y2為作業(yè)時，傳感器支架頂端距主軸中心的垂直距離值(mm)；l為作業(yè)時，軸中心至地表面的距離(mm)；L為主軸中心至吊杯杯嘴底端的距離值(mm)；H為缽苗的栽植深度值(mm)。

由圖3可得

(1)

y1=l-128-h1

(2)

y2=185-l+h2

(3)

由以上式(1)～式(3)可得到

l=216+0.51h1+0.49h2

(4)

結(jié)合栽植深度H=L-l及L=425mm，可得到栽植深度表達式為

H=209-0.51h1-0.49h2

(5)

2 栽植深度采集系統(tǒng)構(gòu)成及傳感器標定

2.1 測試系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

構(gòu)建的系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.4 The structure diagram of the system hardware

圖4中的設(shè)備、儀器選型如下：

1)移栽機型號：2ZB-2型吊杯式移栽機。

2)拖拉機型號：山拖泰山拖拉機(22kW)。

3)超聲波測距傳感器型號：NU112F30TR-1MD，精度1mm，最大測距范圍1m。

4)數(shù)據(jù)采集卡型號：NI USB-6043 X系列。

5)供電儀器及相關(guān)設(shè)備：24V6A蓄電瓶，24V轉(zhuǎn)220V逆變器等。

2.2 測試系統(tǒng)軟件程序

系統(tǒng)采用的NI USB-6343X數(shù)據(jù)采集卡，由于該卡支持DAQmx驅(qū)動程序，所以使用數(shù)據(jù)采集程序DAQmx-Data Acquisition對其進行開發(fā)。整個栽植深度測試系統(tǒng)軟件部分包括前面板和程序框圖設(shè)計兩部分。其中，前面板設(shè)計具有良好的人機交互界面，而后面板中的程序框圖是由函數(shù)、子VI等組成。

測試系統(tǒng)前面板界面是由輸入控件和顯示控件組成的，主要分為通道參數(shù)配置部分及數(shù)據(jù)的波形顯示部分；波形顯示部分又包括可任意切換顯示超聲波測距傳感器1、2實時測量的距離值與對應(yīng)計算得到的栽植深度值。按照完成一個數(shù)據(jù)采集的功能和實際應(yīng)用，首先應(yīng)進行系統(tǒng)參數(shù)的配置，主要包括通道、輸入接線方式、采樣模式、采樣率及采樣最大值與最小值等的選擇與配置。通道具體配置界面如圖5 所示。

圖5 前面板中的通道配置設(shè)計Fig.5 Channel configuration’s design of the front panel

LabVIEW擁有豐富的圖形界面設(shè)計控件及函數(shù)，選擇波形圖表可進行實時采集的數(shù)據(jù)波形顯示。由于本系統(tǒng)用來采集兩通道的電壓信號，可將采集波形用不同顏色的動態(tài)曲線在同一圖表中實時顯示， 存儲。

實時波形仿真界面如圖6所示。

圖6 前面板中的波形仿真界面Fig.6 Waveform simulation interface of the front panel

2.3 測試系統(tǒng)主程序設(shè)計

栽植深度測試系統(tǒng)的主程序如圖7 所示，程序主要是利用DAQmx進行編程的[7-10]。其中，包括DAQmx創(chuàng)建通道、DAQmx定時、DAQmx開始任務(wù)、DAQmx讀取和DAQmx清除任務(wù)5個部分。配置好通道參數(shù)及數(shù)據(jù)存儲位置后，可開始數(shù)據(jù)采集任務(wù)，數(shù)據(jù)會按從左至右的順序結(jié)構(gòu)通過幀來傳遞，直至停止采集。系統(tǒng)程序框圖如圖7所示。

圖7 測試系統(tǒng)程序框圖Fig.7 Program block diagram of the test system

2.4 傳感器標定

選購好系統(tǒng)硬件后，需對所用超聲波傳感器NUMF112F-1MD進行標定。

NUMF112F-1MD傳感器輸出的是0～5V標準的模擬電壓信號，而為了提高數(shù)據(jù)的精確度，進行系統(tǒng)的靜態(tài)標定。具體方法為：

1)將全量程(1 000mm)分為20個等間距點。

2)由于傳感器的盲區(qū)為200mm,故設(shè)置最小量值為200mm，由小到大、逐點增加輸入最大量值1 000mm；同時，記錄下與各點實際距離值相對應(yīng)的測量電壓值。

3)將實際距離由大到小逐點遞減，直至為200mm,同時記錄下與各點距離值相對應(yīng)的測量電壓。

4)按2)、3)所述過程，對傳感器進行正、反行程往復(fù)循環(huán)3次測試，取其平均值，將得到的測量電壓—實際距離測試數(shù)據(jù)表格列出。

5)對數(shù)據(jù)進行直線擬合，從而得到NU112F30TR-1MD的標定曲線及其方程如圖8、圖9所示。

6)超聲波傳感器1標定直線方程及其決定系數(shù)R2為

y1=161.0x1+135.4 R2=0.998

(6)

y2=176.2x2+146.5 R2=0.999

(7)

式中 x1、x2—測量電壓值(V)；

y1、y2—實際距離值(mm)；

利用式(6)、式(7)即可得到超聲波測距傳感器測量的距離值。

圖8 超聲波測距傳感器1標定曲線Fig.8 Ultrasonic ranging sensor 1 calibration results

圖9 超聲波測距傳感器2標定曲線Fig.9 Ultrasonic ranging sensor 2 calibration results

3 測試系統(tǒng)的田間驗證

在充分了解2ZB-2型吊杯式移栽機的工作原理和結(jié)構(gòu)特征的基礎(chǔ)上，將超聲波測距傳感器1、2分別安裝在移栽機主軸兩側(cè)，垂直于移栽支架的位置；連接電源、逆變器與傳感器、數(shù)據(jù)采集卡及筆記本電腦等的接線，并再次調(diào)試整個測試裝置至其無故障。此次移栽對象是青椒缽苗，栽植深度調(diào)節(jié)范圍為80～120mm。試驗地點選擇在內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗田內(nèi)，試驗土壤類型為砂壤土，試驗之前已進行過翻耕整地，使地表平整。

3.1 試驗數(shù)據(jù)采集

選擇試驗田內(nèi)的5個不同地段進行測試。作業(yè)前，先進行采集程序的參數(shù)設(shè)置?？紤]到短時間內(nèi)地移栽機行走速度穩(wěn)定且表面不平度變化相對較小，可將采樣頻率設(shè)置為：10Hz，即每秒采集10個數(shù)據(jù)點。采集數(shù)據(jù)的存儲位置為：C：..仿真程序文件夾下。移栽機在每個地段內(nèi)速度達到穩(wěn)定時開始計時，設(shè)置移栽機移栽測試的距離為10m，每次移栽株數(shù)約為20株青椒缽苗，由超聲波傳感器采集地表距離，并在栽植深度數(shù)據(jù)采集前面板上實時顯示數(shù)據(jù)波形。

3.2 試驗數(shù)據(jù)分析

對LabVIEW存儲下來的栽植深度值進行計算分析。以其中兩個不同地段為例，來進行缽苗栽植深度的實測值與系統(tǒng)計算值的對比說明。數(shù)據(jù)計算表如表1所示。

表1 兩個地段栽植深度平均值、標準差的計算值 與實測值對比結(jié)果Table 1 The calculation results of the average transplanting depth 、 qualification rate and variation coefficient in three different location

通過對以上兩組不同地段移栽試驗數(shù)據(jù)的計算、分析與比較，可看出：地段1、2缽苗栽植深度平均值的計算結(jié)果均比其實測結(jié)果偏小8～16mm，栽植深度標準差的計算值比實測值偏大2mm左右。造成此結(jié)果的原因主要是受機器的振動、土壤疏松程度、地表面不平度及缽苗自身狀態(tài)等的影響[12]。但在允許的栽植深度變化范圍內(nèi)，故基本滿足農(nóng)業(yè)移栽機具對缽

苗栽植深度精度的要求。

4 結(jié)論

1)利用LabVIEW虛擬儀器編寫的數(shù)據(jù)采集程序可實現(xiàn)超聲波測距傳感器到地表面距離的測量，并可在系統(tǒng)前面板中實時顯示距離變化的波形圖，以及相應(yīng)栽植深度值。此測試系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)可靠，軟件程序可行，滿足實際應(yīng)用。

2)為驗證采集系統(tǒng)的實際工作性能，進行了田間試驗。結(jié)果表明：不同的試驗地段，缽苗的栽植深度平均值均有所不同，且其計算值均小于實測值，但基本滿足農(nóng)業(yè)移栽機具對缽苗栽植深度精度的要求，有待于進一步改進，提高測試精度。

3)與傳統(tǒng)的人工測量栽植深度相比，此數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相對節(jié)省了人力成本，提高勞動效率，也對后續(xù)研究吊杯式移栽機栽植性能的評價提供了依據(jù)。

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Test System’s Design on Transplanting Depth Measurement of 2ZB-2 Dibble-type Transplanter

Yang Yuan, Li Xuying, He Shenggen， Wang Lu, Zhao Shijie

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010018, China)

In order to better evaluate the transplanter planting performance, this paper takes 2ZB-2 dibble-cup type transplanter as the test object,and designs the data acquisition test system for the planting depth of plant performance parameters.This test system can be divided into two parts- hardware designing and software programming.Hardware structure section include sensors,data acquisition card’s selection,installation,debugging,and demarcate of sensors.The software part is designed based on DAQmx of LabVIEW virtual instrument.It mainly include the front panel design, which has a good man-machine interface, and program block design in the rear panel.By setting up parameters such as sampling mode,sampling rate reasonable,the virtual simulation has achieved two channel data real-time acquisition and display,and also got the corresponding planting depth by interpolation calculation.The field validation showed that this system can save the human cost and improve labor efficiency,also can provide reference for subsequent transplanter’s planting performance evaluation.

transplanter； planting depth； labVIEW； testing system

2016-01-31

國家自然科學(xué)基金項目(51465048);內(nèi)蒙古自治區(qū)高等學(xué)校研究項目 (NJZY050); 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)科技成果轉(zhuǎn)化項目(CGZH2015005)；內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)科技創(chuàng)新團隊項(NDTD2013-6)

楊 媛(1989-)，女，山西呂梁人，碩士研究生，(E-mail)yangyuan_smile@163.com。

李旭英(1963-)，女，巴彥淖爾市人，教授，博士，碩士生導(dǎo)師，(E-mail)lixuy2000@imau.edu.cn。

S223.92

A

1003-188X(2017)03-0116-05