付衛(wèi)強(qiáng) 董建軍 梅鶴波 高娜娜 盧彩云 張俊雄

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 北京 100083； 2.北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心， 北京 100097)

0 引言

播種深度作為玉米播種機(jī)播種作業(yè)質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，對(duì)玉米產(chǎn)量有非常大的影響[1-2]。播種深度一致性差，會(huì)影響出苗整齊度，降低群體密度和整齊度，致使玉米植株在群體內(nèi)所處的溫度、光照等環(huán)境條件不一致，進(jìn)而影響玉米果穗數(shù)和植株干物質(zhì)的積累，最終造成產(chǎn)量降低[3-10]。免耕播種農(nóng)田有殘茬、秸稈、雜草等覆蓋，而且土壤緊實(shí)度大且不一致，機(jī)械式仿形壓力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)雖然可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)調(diào)節(jié)彈簧位置來(lái)進(jìn)行播種單體下壓力調(diào)節(jié)，來(lái)獲得較好的播種深度一致性，但難以與土壤實(shí)際條件匹配，從而影響出苗及根系發(fā)育；最重要的是不能實(shí)時(shí)檢測(cè)仿形輪對(duì)農(nóng)田地表壓力并進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。而主動(dòng)作用式仿形技術(shù)作為一種提高播種深度一致性的重要技術(shù)，能實(shí)現(xiàn)理想的播種深度一致性和合理的土壤壓實(shí)度，該項(xiàng)技術(shù)已成為玉米精密播種技術(shù)的重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容之一[11-12]。

國(guó)外學(xué)者對(duì)主動(dòng)作用式仿形技術(shù)研究始于20世紀(jì)70年代[13]。JENSEN等[14]提出了一種播種深度一致性控制方法：控制器實(shí)時(shí)采集負(fù)載傳感器檢測(cè)到的限深輪負(fù)載，通過(guò)與設(shè)定值進(jìn)行比較計(jì)算后驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)裝置在播種單體上施加的向下壓力，從而使開(kāi)溝深度保持在設(shè)定值。WEATHERLY等[15]設(shè)計(jì)了基于電液比例技術(shù)的播種深度控制系統(tǒng)以迅速檢測(cè)播前地表的起伏情況，保證播種深度一致性并提高種子的發(fā)芽率。SUOMI等[16]研發(fā)了一種符合ISO 11783標(biāo)準(zhǔn)的播種深度自動(dòng)控制系統(tǒng)。國(guó)外播種機(jī)生產(chǎn)廠商與精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)產(chǎn)品生產(chǎn)商研發(fā)了播種單體下壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)來(lái)提高播種深度一致性。例如美國(guó)的Precision Planting、AgLeader、John Deere、Dawn Equipment等公司均相應(yīng)研制了下壓力控制技術(shù)產(chǎn)品[17-22]。

國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)主動(dòng)作用式仿形技術(shù)的研究始于2009年[23]。中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)李洪文等[24]設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于播種深度自控系統(tǒng)的調(diào)節(jié)裝置。溫麗萍等[25-26]采用超聲波傳感器設(shè)計(jì)了一種電液自動(dòng)仿形控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)精密播種機(jī)單體仿形開(kāi)溝和播種深度的自動(dòng)控制。趙金輝等[27]設(shè)計(jì)了基于位移傳感器的播種機(jī)開(kāi)溝深度控制系統(tǒng)。文獻(xiàn)[28-30]提出了一種基于壓電薄膜的免耕播種機(jī)播種深度控制系統(tǒng)，控制空氣彈簧產(chǎn)生的推力使播種單體與地表間保持足夠壓力，從而保證播種深度的穩(wěn)定性。

國(guó)內(nèi)的研究多采用超聲傳感器、壓電傳感器、位移傳感器，可靠性不高，通用性不強(qiáng)。鑒于此，本文開(kāi)展主動(dòng)式播種深度一致性控制方法研究，研制基于力反饋的玉米播種單體下壓力控制系統(tǒng)，提高系統(tǒng)的可靠性和通用性。

1 玉米播種單體下壓力控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)組成與工作原理

下壓力控制系統(tǒng)由平行四連桿、下壓液壓缸、液壓閥組、下壓力感知傳感器、控制器、車載計(jì)算機(jī)等組成(圖1)。其工作流程如下：在播種作業(yè)前通過(guò)車載計(jì)算機(jī)設(shè)置下壓力感知傳感器目標(biāo)閾值，并將目標(biāo)閾值發(fā)送到控制器。在播種作業(yè)開(kāi)始時(shí)，車載計(jì)算機(jī)發(fā)送啟動(dòng)指令到控制器。在播種作業(yè)過(guò)程中，控制器實(shí)時(shí)采集下壓力感知傳感器信息，與設(shè)定的下壓力感知傳感器目標(biāo)閾值相比較，計(jì)算并輸出控制量到液壓閥組驅(qū)動(dòng)液壓缸實(shí)時(shí)調(diào)整平行四連桿仿形機(jī)構(gòu)，使限深輪與地表的壓力在設(shè)定的閾值區(qū)間內(nèi)，從而提高開(kāi)溝深度的穩(wěn)定性，進(jìn)而保證播種深度的穩(wěn)定性。

圖1 下壓力控制系統(tǒng)示意圖Fig.1 Sketch of downforce control system1.平行四連桿 2.機(jī)架 3.下壓液壓缸 4.開(kāi)溝盤 5.限深輪 6.下壓力感知傳感器 7.限深輪調(diào)節(jié)裝置 8.鎮(zhèn)壓輪 9.液壓閥組 10.控制器 11.車載計(jì)算機(jī)

1.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本研究基于現(xiàn)代農(nóng)裝科技股份有限公司生產(chǎn)的2BQX-6型玉米免耕精密播種機(jī)展開(kāi)。

1.2.1下壓力檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)

1.2.1.1下壓力感知傳感器安裝方式設(shè)計(jì)

下壓力感知傳感器是播種單體下壓力控制實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。如圖2所示，限深輪限位銷軸是一個(gè)限位軸，自身不轉(zhuǎn)動(dòng)，受力穩(wěn)定，只受垂直于限深輪擺臂方向的反作用力，通過(guò)銷軸受力分析能夠清晰地推導(dǎo)出地表對(duì)限深輪垂直方向的反作用力。因此傳感器設(shè)計(jì)成銷軸形式，直接替換限深輪限位銷軸，提高系統(tǒng)的通用性。

圖2 限深輪限位銷軸位置Fig.2 Depth wheel limit pin position

圖3 下壓力感知傳感器的安裝方式Fig.3 Mounting design of downforce sensor

如圖3所示，采用軸銷式力傳感器代替限深輪限位銷軸，力傳感器的一端與傳感器固定板用螺栓緊固，另外一端穿過(guò)限位塊銷軸孔用卡簧固定，傳感器固定板通過(guò)螺栓固定在機(jī)架固定孔上。傳感器固定板主要用來(lái)防止傳感器軸向竄動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，保持傳感器受力點(diǎn)不變，便于精確地采集地表對(duì)限深輪垂直方向的反作用力。

1.2.1.2傳感器量程計(jì)算

玉米播種單體質(zhì)量mc取值150 kg。在播種作業(yè)過(guò)程中，播種單體受到地表反作用力。由于微地形變化導(dǎo)致播種單體產(chǎn)生振動(dòng)，致使下壓力感知傳感器受到播種單體的沖力。假設(shè)下壓力感知傳感器受到的沖力為播種單體質(zhì)量的n倍，則下壓力感知傳感器的量程Frang為

Frang=(1+n)mcgKsafe

(1)

式中mc——玉米播種單體質(zhì)量，kg

g——重力加速度，9.8 m/s2

Ksafe——安全系數(shù)

按一般工程經(jīng)驗(yàn)n取2，安全系數(shù)Ksafe取1.5，則取整后，下壓力感知傳感器量程Frang為7 000 N。

1.2.1.3下壓力感知傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

受制于銷軸尺寸限制，下壓力感知傳感器外徑Φ取14 mm。根據(jù)受力方向和安裝環(huán)境以及固定方式，設(shè)計(jì)軸銷式力傳感器。下壓力感知傳感器機(jī)械強(qiáng)度通過(guò)MSC Nastran軟件進(jìn)行仿真校核。下壓力感知傳感器仿真模型選取材料為40Cr調(diào)質(zhì)，其左端固定，右端鉸接，中間兩圓凸處始加7 000 N的力載荷，劃分41 951個(gè)四面體網(wǎng)格進(jìn)行求解計(jì)算，結(jié)果如圖4所示。仿真結(jié)果表明，模型受到的最大應(yīng)力為524 000 kPa，小于材料的屈服應(yīng)力735 000 kPa，最小安全系數(shù)為1.4，滿足試驗(yàn)要求。

圖4 下壓力感知傳感器應(yīng)力分析圖Fig.4 Spacer pin of depth roller

下壓力感知傳感器根據(jù)外形尺寸以及量程等參數(shù)由蚌埠眾誠(chéng)傳感器有限公司定做，型號(hào)為ZHZX-N13，量程7 000 N，輸出電壓范圍0 ～ 5 V，工作電壓9～36 V DC。將下壓力感知傳感器分別安裝固定在2BQX-6型玉米免耕精密播種機(jī)單體上，實(shí)際安裝效果如圖5所示。

圖5 下壓力感知傳感器總成與安裝Fig.5 Assembly and mounting of downforce sensor

1.2.1.4下壓力信號(hào)采集設(shè)備

下壓力感知傳感器與數(shù)據(jù)采集器連接，數(shù)據(jù)采集器將下壓力感知傳感器輸出值發(fā)送到CAN總線上。通過(guò)廣州致遠(yuǎn)電子有限公司的USBCAN-Ⅱ模塊將CAN總線數(shù)據(jù)發(fā)送到車載計(jì)算機(jī)，采用ZLGCAN Test軟件記錄下壓力感知傳感器測(cè)量值。

數(shù)據(jù)采集器采用北京凱商公司的C101控制器，主要參數(shù)：6路PWM功率輸出，2路CAN總線接口，8路量程0～5 V DC的10 bit模擬量輸入接口，工作電壓(12/24±1)V DC；編程環(huán)境為OpenPCS, 結(jié)合SFC語(yǔ)言結(jié)構(gòu)清晰與ST語(yǔ)言靈活的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行混合編程。車載計(jì)算機(jī)采用新漢VMC1000型車載計(jì)算機(jī)，具有7英寸觸摸屏，2路RS232接口，1路CAN總線接口，工作電壓9～36 V DC；操作系統(tǒng)為Windows XP Embedded。

1.2.1.5下壓力感知傳感器數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)前，將播種機(jī)停放在試驗(yàn)地塊上，拖拉機(jī)三點(diǎn)懸掛處于懸浮狀態(tài)。旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)用播種單體播種深度調(diào)節(jié)手柄來(lái)調(diào)節(jié)力傳感器預(yù)緊力，使預(yù)緊力保持在20～40 N之間。拖拉機(jī)作業(yè)速度8～9 km/h。由于軸銷式力傳感器與限深輪為剛性接觸，免耕播種地表情況復(fù)雜，傳感器輸出值波動(dòng)比較大，不能反映下壓力的實(shí)際大小。因此需要對(duì)力傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行濾波處理。下壓力數(shù)據(jù)曲線如圖6所示。

圖6 下壓力感知傳感器輸出信號(hào)曲線Fig.6 Output curves of downforce sensor

由圖6可知，下壓力傳感器原始數(shù)據(jù)值波動(dòng)比較大，無(wú)法直接用于下壓力控制。采用滑動(dòng)平均濾波算法對(duì)傳感器原始數(shù)據(jù)濾波后，下壓力曲線較為平滑，對(duì)播種機(jī)振動(dòng)干擾抑制效果明顯，可以進(jìn)行作業(yè)控制。

1.2.2液壓缸選型

2BQX-6型玉米免耕精密播種機(jī)播種單體約為150 kg。參照播種單體質(zhì)量，選取下壓液壓缸油缸的型號(hào)為HSG 20/40-100，液壓缸無(wú)桿腔內(nèi)徑D為40 mm，液壓缸活塞桿直徑d為20 mm。液壓系統(tǒng)額定壓力ps取10 MPa，則下壓液壓缸產(chǎn)生的最大舉升力Fumax為12.57 kN。下壓液壓缸產(chǎn)生的舉升力完全可以提升播種單體。下壓液壓缸安裝位置如圖7所示。

圖7 下壓液壓缸安裝位置Fig.7 Mounting position of hydraulic cylinder

1.2.3液壓部分設(shè)計(jì)

液壓部分由比例減壓閥、下壓液壓缸、電磁閥、溢流閥、單向閥等組成。液壓原理圖見(jiàn)圖8。電磁閥電磁鐵得電后系統(tǒng)可以正常工作。此時(shí)：

(1)比例減壓閥U電磁鐵和比例減壓閥A、B、C均不得電，播種單體A、B、C均不動(dòng)作。

(2)比例減壓閥U電磁鐵得電，比例減壓閥A、B、C不得電，下壓液壓缸A、B、C活塞伸出使播種單體A、B、C提升。

(3)比例減壓閥U電磁鐵不得電，比例減壓閥A、B、C分別得電，從而分別控制對(duì)應(yīng)下壓液壓缸活塞收回，播種單體下降。

(4)比例減壓閥U電磁鐵得電，比例減壓閥A、B、C分別得電，由于播種單體自重原因，播種單體不動(dòng)作。

圖8 下壓力控制系統(tǒng)液壓原理圖Fig.8 Hydraulic schematic of downforce control system1.下壓液壓缸A 2.下壓液壓缸B 3.下壓液壓缸C 4.比例減壓閥A 5.比例減壓閥B 6.比例減壓閥C 7.比例減壓閥U 8.電磁閥 9.溢流閥 10.單向閥 11.油壓傳感器

系統(tǒng)油源直接采用拖拉機(jī)后液壓輸出。國(guó)產(chǎn)60～67 kW拖拉機(jī)后液壓輸出額定流量一般為38 L/min，額定工作壓力12 MPa，安全工作壓力15 MPa。因此，比例減壓閥采用美國(guó)HydraForce公司型號(hào)為TS90-31的內(nèi)部先導(dǎo)式比例減壓/溢流閥，額定流量38 L/min，最大先導(dǎo)流量0.85 L/min，可調(diào)節(jié)壓力范圍0 ～ 13.8 MPa；選用12VDC E型比例電磁鐵[31]。

1.2.4電控部分設(shè)計(jì)

電控部分由控制器、下壓力感知傳感器和車載計(jì)算機(jī)組成。其工作流程如圖9，具體如下：車載計(jì)算機(jī)通過(guò)CAN總線將設(shè)置的下壓力感知傳感器目標(biāo)閾值發(fā)送到控制器；車載計(jì)算機(jī)發(fā)送啟動(dòng)指令到控制器，控制器實(shí)時(shí)采集下壓力感知傳感器信息，與設(shè)定的下壓力感知傳感器目標(biāo)閾值相比較，計(jì)算并輸出控制量到液壓閥組驅(qū)動(dòng)液壓缸動(dòng)作。

圖9 電控系統(tǒng)原理框圖Fig.9 Schematic diagram of control system

1.3 下壓力控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

1.3.1控制器軟件設(shè)計(jì)

下壓力控制系統(tǒng)控制器同時(shí)控制多個(gè)播種單體，僅以單個(gè)播種單體控制流程為例進(jìn)行說(shuō)明。播種深度一致性控制器軟件工作流程如下(圖10)：

(1)系統(tǒng)初始化。

(2)讀取CAN總線消息，判斷是否為下壓液壓缸控制指令。若為下壓液壓缸控制指令，解析控制指令，控制下壓液壓缸上升、下降或停止，發(fā)送響應(yīng)下壓液壓缸控制指令到CAN總線上。

(3)判斷是否為下壓力參數(shù)設(shè)置指令。若為下壓力參數(shù)設(shè)置指令，解析控制指令，設(shè)置下壓力目標(biāo)值、目標(biāo)值上限值、目標(biāo)值下限值，發(fā)送響應(yīng)下壓力參數(shù)設(shè)置指令到CAN總線上。

(4)判斷是否為下壓力控制啟停指令。若為下壓力控制啟停指令，解析控制指令，設(shè)置下壓力啟停標(biāo)志位為對(duì)應(yīng)值，發(fā)送響應(yīng)下壓力控制啟停指令到CAN總線上。

(5)讀取下壓力感知傳感器值和油液壓力值，發(fā)送當(dāng)前值到CAN總線上。

(6)判斷下壓力啟停標(biāo)志位，若為“啟動(dòng)”，運(yùn)行播種深度穩(wěn)定性控制算法，計(jì)算控制量并輸出到控制器功率輸出。否則控制器功率輸出設(shè)置為零。

圖10 控制器工作流程圖Fig.10 Flow chart of controller

1.3.2車載計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)

車載計(jì)算機(jī)軟件主要是實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，其軟件界面如圖11所示。

圖11 軟件界面Fig.11 Software interface of control system

1.4 下壓力控制系統(tǒng)性能測(cè)試

將控制器、液壓閥組固定在2BQX-6型玉米免耕精密播種機(jī)機(jī)架上，將力傳感器、下壓液壓缸安裝固定在播種單體上，將車載計(jì)算機(jī)安裝在紐荷蘭SNH904型牽引拖拉機(jī)上。播種單體下壓力控制系統(tǒng)液壓系統(tǒng)與拖拉機(jī)后液壓輸出連接。車載計(jì)算機(jī)與控制器通過(guò)CAN總線連接。試驗(yàn)時(shí)，將廣州致遠(yuǎn)電子有限公司的USBCAN數(shù)據(jù)采集模塊連接到播種單體下壓力控制系統(tǒng)CAN總線上，通過(guò)ZLGCANTest 軟件記錄車載計(jì)算機(jī)發(fā)送的控制指令和控制器上報(bào)的數(shù)據(jù)。試驗(yàn)前，將播種機(jī)停放在試驗(yàn)地塊上，拖拉機(jī)三點(diǎn)懸掛處于懸浮狀態(tài)。旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)用播種單體播種深度調(diào)節(jié)手柄來(lái)調(diào)節(jié)力傳感器預(yù)緊力，使預(yù)緊力保持在(2 500±10) N之間。

1.4.1系統(tǒng)性能階躍響應(yīng)測(cè)試

選取目標(biāo)下壓力4 000 N進(jìn)行階躍響應(yīng)測(cè)試試驗(yàn)。從階躍響應(yīng)曲線(圖12)可以看出，系統(tǒng)延遲時(shí)間0.34 s，上升時(shí)間0.10 s，峰值時(shí)間0.68 s，調(diào)節(jié)時(shí)間1.78 s，超調(diào)量13.33%，控制誤差2.33%，能滿足一般控制系統(tǒng)控制精度要求。

圖12 下壓力控制系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線Fig.12 Step response curves of downforce control system

1.4.2系統(tǒng)性能田間動(dòng)態(tài)測(cè)試

選取目標(biāo)下壓力4 000 N分別進(jìn)行正常作業(yè)速度下(5～7 km/h)下壓力控制系統(tǒng)田間測(cè)試。圖13為測(cè)試曲線。

圖13 正常作業(yè)速度下力傳感器輸出曲線Fig.13 Output curves of force sensor at normal operating speed

從圖13可以看出，在播種作業(yè)過(guò)程中，因地表地形變化等因素影響導(dǎo)致播種單體有向上跳動(dòng)的趨勢(shì)。但是，下壓力與目標(biāo)下壓力值相一致，表明限深輪保持與地表緊密接觸，播種深度受地形變化影響很小。

對(duì)圖13曲線數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可以得出：濾波處理前，傳感器輸出平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)分別為4 007.5 N、534.4 N、13.34%；濾波處理后，傳感器輸出平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)分別為4 004.8 N、382.0 N、9.54%。采用滑動(dòng)平均濾波算法對(duì)傳感器原始數(shù)據(jù)濾波后，下壓力曲線較為平滑，對(duì)播種機(jī)振動(dòng)干擾抑制效果明顯。

2 田間試驗(yàn)方法

2.1 播種深度合格率

黃淮海地區(qū)夏玉米高產(chǎn)栽培農(nóng)藝要求玉米播種深度一般為5～6 cm，墑情較好的粘土地一般為4～5 cm。本試驗(yàn)按照農(nóng)藝要求，玉米播種深度預(yù)設(shè)值為5.0 cm，即播種深度理論值h為5.0 cm。根據(jù)農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY/T 1768—2009《免耕播種機(jī) 質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定，本試驗(yàn)玉米單粒播種深度是否合格的判定標(biāo)準(zhǔn)為h±1.0 cm，即播種深度在4～6 cm之間即為合格。

測(cè)試小區(qū)長(zhǎng)度為4 m，每行選5個(gè)測(cè)點(diǎn)，在測(cè)試小區(qū)內(nèi)均布。在測(cè)試點(diǎn)上，垂直切開(kāi)土層，測(cè)定最上層種子的覆土層厚度。

播種深度合格率計(jì)算公式為

(2)

式中H——玉米播種深度合格率，%

h1——播種深度合格點(diǎn)數(shù)

h0——測(cè)定總點(diǎn)數(shù)

2.2 播種深度一致性變異系數(shù)

播種深度測(cè)量值平均值計(jì)算公式為

(3)

hi——玉米播種深度測(cè)量值，cm

播種深度標(biāo)準(zhǔn)差Sh計(jì)算公式為

(4)

式中Sh——播種深度標(biāo)準(zhǔn)差，cm

播種深度一致性變異系數(shù)Vh公式為

(5)

式中Vh——播種深度一致性變異系數(shù)，%

2.3 播種深度分布情況分析方法

試驗(yàn)測(cè)得播種深度不同測(cè)量值hi，以0.1倍理論播深h為間隔分成區(qū)段，在h周圍可得到區(qū)段[0.9h,h]；[h,1.1h]；等等。

相對(duì)頻率計(jì)算公式為

(6)

式中Fi——相對(duì)頻率，%

ni——播深hi在不同區(qū)段出現(xiàn)的頻率

以播種深度測(cè)量值hi為橫坐標(biāo)，相對(duì)頻率Fi為縱坐標(biāo)繪制頻率直方圖進(jìn)行分析。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

田間試驗(yàn)在北京市昌平區(qū)小湯山國(guó)家精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)研究示范基地進(jìn)行。圖14為玉米播種單體下壓力控制系統(tǒng)田間試驗(yàn)場(chǎng)景。試驗(yàn)前，調(diào)整限深輪使播種深度設(shè)定在5 cm。鎮(zhèn)壓輪鎮(zhèn)壓力控制機(jī)構(gòu)共有5個(gè)擋位，試驗(yàn)時(shí)均調(diào)整到第2個(gè)擋位。作業(yè)速度采用車載計(jì)算機(jī)內(nèi)置GPS模塊測(cè)量，測(cè)量精度0.1 m/s，輸出頻率1 Hz。計(jì)算試驗(yàn)時(shí)的平均值作為作業(yè)速度。

圖14 下壓力控制系統(tǒng)田間試驗(yàn)Fig.14 Field test of downforce control system

試驗(yàn)分為土壤低緊實(shí)度與高緊實(shí)度兩種工況。試驗(yàn)在1號(hào)地和2號(hào)地2個(gè)地塊進(jìn)行。試驗(yàn)前每個(gè)地塊選取10個(gè)測(cè)量點(diǎn)，采用浙江托普儀器有限公司的TJSD-750-IV型土壤緊實(shí)度測(cè)量?jī)x測(cè)定每個(gè)點(diǎn)位在土壤表面以下5 cm的土壤緊實(shí)度。土壤緊實(shí)度儀主要參數(shù)為測(cè)量深度0～375 mm，最大負(fù)荷10 000 kPa，分辨率0.1 kPa，測(cè)量精度±1%。土壤緊實(shí)度測(cè)量數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 土壤緊實(shí)度數(shù)據(jù)Tab.1 Soil compaction data kPa

3.1 不同作業(yè)速度下播種深度一致性試驗(yàn)

在1號(hào)地塊進(jìn)行下壓力電控系統(tǒng)效果測(cè)試，除作業(yè)速度外，其他參數(shù)保持不變。作業(yè)速度選低速段(3～4 km/h)、中速段(5～7 km/h)和高速段(8～12 km/h)3個(gè)速度段。試驗(yàn)分別重復(fù)3次，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。可以看出，下壓力電控系統(tǒng)的播種深度合格率最小值為88.89%，滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中播種深度合格率大于等于75%的規(guī)定。

由表2可以計(jì)算得出，低、中、高3種播種作業(yè)速度下播種深度合格率均值分別為94.07%、91.11%、90.37%，不同作業(yè)速度下播種深度合格率均值差異不大于3.70個(gè)百分點(diǎn)，隨作業(yè)速度的增加而略有降低。低、中、高3種播種作業(yè)速度下播種深度變異系數(shù)均值分別為10.33%、12.34%、13.73%，不同作業(yè)速度下播種深度變異系數(shù)差異不大于3.40個(gè)百分點(diǎn)，會(huì)隨作業(yè)速度的增加而略有增大。

表2 不同作業(yè)速度下播種深度一致性試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.2 Test result of consistency of seeding depth at different sowing speeds

由此可以得出，作業(yè)速度對(duì)電控系統(tǒng)性能影響不大，但隨作業(yè)速度的增加而略有降低。

3.2 不同土壤緊實(shí)度下播種深度一致性試驗(yàn)

分別在1號(hào)地塊和2號(hào)地塊進(jìn)行下壓力電控系統(tǒng)效果影響的測(cè)試。所有參數(shù)保持不變。作業(yè)速度3～4 km/h，試驗(yàn)分別重復(fù)3次，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。從表3可以看出，下壓力電控系統(tǒng)的播種深度合格率最小值為93.33%，滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中播種深度合格率大于等于75%的規(guī)定。

表3 不同土壤緊實(shí)度下播深一致性試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.3 Test result of consistency of seeding depth under different soil compactions

由表3可以計(jì)算得出，1號(hào)地塊和2號(hào)地塊的播種深度合格率均值分別為94.07%和94.79%。不同土壤緊實(shí)度下播深合格率均值差異不大于0.72 個(gè)百分點(diǎn)，隨地塊緊實(shí)度的增大而略有降低。1號(hào)地塊和2號(hào)地塊的播深變異系數(shù)均值分別為10.33%、9.22%，不同土壤緊實(shí)度下播種深度變異系數(shù)差異不大于1.11 個(gè)百分點(diǎn)，隨土壤緊實(shí)度的增大而略有增加。

由此可以得出，土壤緊實(shí)度對(duì)下壓力電控系統(tǒng)性能影響不大，但是會(huì)隨土壤緊實(shí)度的增加而略有降低。

3.3 不同下壓力控制方式播種深度一致性試驗(yàn)

下壓力電控系統(tǒng)性能測(cè)試試驗(yàn)表明，播種深度合格率高于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。為了更好地驗(yàn)證系統(tǒng)性能，在1號(hào)地塊進(jìn)行了下壓力電控式與機(jī)械調(diào)節(jié)方式的對(duì)比試驗(yàn)。在此試驗(yàn)中，除了下壓力控制裝置外，其他參數(shù)保持一致。作業(yè)速度8～9 km/h，播深預(yù)設(shè)值5 cm。機(jī)械調(diào)節(jié)與電控調(diào)節(jié)分別重復(fù)3次，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

表4 不同下壓力控制方式播深一致性對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.4 Comparison of consistency of seeding depth by different downforce control methods

從表4可以看出，兩種下壓力調(diào)控方式正常播種的播種深度合格率的最小值分別為75.56%和88.89%，滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中播種深度合格率大于等于75%的規(guī)定。由表4可以計(jì)算得出，下壓力機(jī)械調(diào)控方式和電控調(diào)控方式下的播種深度合格率均值分別為77.04%和90.37%。電控調(diào)節(jié)方式下的播種深度合格率均值比機(jī)械調(diào)控方式高13.33個(gè)百分點(diǎn)。機(jī)械調(diào)節(jié)方式和電控調(diào)節(jié)方式下的播種深度變異系數(shù)均值分別為19.57%、13.73%。下壓力電控調(diào)節(jié)方式下的播種深度變異系數(shù)比機(jī)械式低5.84個(gè)百分點(diǎn)。

由此可以得出，下壓力電控系統(tǒng)的播種深度一致性明顯優(yōu)于機(jī)械調(diào)節(jié)方式，且變異系數(shù)明顯低于機(jī)械調(diào)節(jié)方式。從圖15可以看出，下壓力電控系統(tǒng)對(duì)提高播種質(zhì)量有重要作用。

圖15 下壓力不同調(diào)節(jié)方式播種深度分布圖Fig.15 Sowing depth distribution with different downforce adjustment methods

3.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

由圖16可以看出，下壓力機(jī)械調(diào)節(jié)方式和下壓力電控調(diào)節(jié)方式進(jìn)行正常播種的播種深度合格率均值分別為77.04%和90.37%。將播種深度合格的判定標(biāo)準(zhǔn)提高至±0.5 cm，即播種深度在4.5～5.5 cm之間為合格，則相應(yīng)的播種深度合格率分別下降為31.11%和56.30%。下壓力控制裝置的播種深度合格率比機(jī)械調(diào)節(jié)方式高25.19個(gè)百分點(diǎn)?？梢?jiàn)，下壓力電控系統(tǒng)能保持種子播種深度的穩(wěn)定性，提高種子深度一致性。

圖16 下壓力不同調(diào)節(jié)方式播種深度頻率直方圖Fig.16 Frequency histograms of sowing depth with different downforce adjustment methods

4 結(jié)論

(1)針對(duì)機(jī)械式仿形壓力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的不足，開(kāi)展了基于力反饋的播種深度一致性控制方法研究，研制了播種單體下壓力控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了播種深度的實(shí)時(shí)精準(zhǔn)控制。

(2)玉米播種單體下壓力控制系統(tǒng)采用下壓力感知傳感器作為反饋，提高了系統(tǒng)的可靠性和通用性。試驗(yàn)結(jié)果表明，作業(yè)速度和土壤緊實(shí)度對(duì)下壓力電控系統(tǒng)性能影響不顯著，但是，下壓力電控系統(tǒng)性能隨作業(yè)速度增大和土壤緊實(shí)度增加而略有降低。

(3)在播種深度判定標(biāo)準(zhǔn)為(5.0±1.0) cm時(shí)，下壓力機(jī)械調(diào)節(jié)方式和下壓力電控調(diào)節(jié)方式下的播種深度合格率均值分別為77.04%和90.37%，下壓力電控調(diào)節(jié)方式下的播種深度合格率均值比機(jī)械調(diào)節(jié)方式高13.33個(gè)百分點(diǎn)。將播種深度判定標(biāo)準(zhǔn)提高至(5.0±0.5) cm后，對(duì)應(yīng)播種深度合格率分別為31.11%和56.30%，下壓力控制裝置的播種深度合格率比機(jī)械調(diào)節(jié)方式高25.19個(gè)百分點(diǎn)。可見(jiàn)，下壓力電控系統(tǒng)能保持種子播種深度的穩(wěn)定性，提高了種子深度一致性。

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