高原源 王 秀 楊 碩 趙學(xué)觀 竇漢杰 趙春江

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(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；3.國(guó)家農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心， 北京 100097)

0 引言

精密播種技術(shù)可以在不改變播種密度的前提下，提高播種粒距均勻性和播深一致性，達(dá)到節(jié)本增效的作用，這也是當(dāng)前研究的重點(diǎn)[1]。播種深度是種子萌發(fā)、出苗及生長(zhǎng)發(fā)育的關(guān)鍵[2-4]，不一致的播種深度會(huì)影響出苗整齊度，造成大小苗現(xiàn)象，進(jìn)而影響產(chǎn)量[5-6]。傳統(tǒng)播種深度控制方式是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)調(diào)整單體四連桿處彈簧預(yù)緊力，以達(dá)到適宜的對(duì)地壓力和播種深度。實(shí)際作業(yè)中，存在地表起伏和殘茬覆蓋等現(xiàn)象，土壤阻力區(qū)間變化較大[7-9]，造成作業(yè)機(jī)具振動(dòng)，特別是在高速作業(yè)時(shí)，被動(dòng)彈簧方式下的單體對(duì)地下壓力變化波動(dòng)較大，影響開溝深度和播深穩(wěn)定性。

由于被動(dòng)式播種深度控制性能不穩(wěn)定，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開始側(cè)重于對(duì)主動(dòng)壓力控制方式的研究[10-12]。文獻(xiàn)[13]設(shè)計(jì)了液壓式加載仿形深度控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)播種機(jī)下壓力和仿形量的調(diào)節(jié)；文獻(xiàn)[14]設(shè)計(jì)了一種基于位移傳感器的播種開溝深度控制系統(tǒng)，通過控制仿形機(jī)構(gòu)處的液壓缸，實(shí)現(xiàn)了同步仿形和開溝深度可控；文獻(xiàn)[15]則對(duì)四連桿處的電液播深調(diào)節(jié)裝置進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真和優(yōu)化，確定相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)；文獻(xiàn)[16-17]采用位移傳感器和超聲波傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量開溝深度，通過控制液壓油缸實(shí)現(xiàn)開溝下壓力自動(dòng)控制和開溝深度的監(jiān)控。上述研究主要通過對(duì)播種深度的監(jiān)測(cè)反饋間接控制播種下壓力，控制精度有待提高。隨著精密播種技術(shù)的發(fā)展，面向農(nóng)藝需求的播種環(huán)境不僅要求一致的開溝深度，還需要適宜的土壤壓實(shí)力，對(duì)播種下壓力的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制成為研究重點(diǎn)。文獻(xiàn)[18]通過監(jiān)測(cè)鎮(zhèn)壓輪壓力調(diào)節(jié)覆土輪高度，以改變覆土量，調(diào)整播種深度和種上壓實(shí)度；文獻(xiàn)[19-20]則對(duì)種溝壓實(shí)度進(jìn)行監(jiān)控，通過安裝在限深輪上的壓電薄膜傳感器監(jiān)測(cè)對(duì)地壓力，調(diào)節(jié)四連桿上氣囊，以實(shí)現(xiàn)單體對(duì)地下壓力的控制；文獻(xiàn)[21]采用軸銷傳感器采集限深輪對(duì)地壓力，并通過液壓式仿形機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)控；美國(guó)Precision Planting公司[22]采用壓力傳感器檢測(cè)單體限深輪對(duì)地壓力，以氣動(dòng)或液壓方式對(duì)仿形四連桿進(jìn)行控制，從而調(diào)整播種下壓力。由于壓電傳感器通用性不高，已有基于平滑濾波的軸銷傳感器測(cè)量方式靈敏度低，且缺乏合適的下壓力控制模型，影響了控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度和控制準(zhǔn)確性，此外，相比氣壓驅(qū)動(dòng)，液壓方式結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)拖拉機(jī)自身動(dòng)力和油路要求較高。

本文采用氣動(dòng)式播種下壓力控制方式，提出一種基于氣囊壓力和仿形四連桿傾角的播種下壓力控制方法，以實(shí)現(xiàn)下壓力快速精準(zhǔn)控制?；谝浑A濾波的軸銷傳感器下壓力監(jiān)測(cè)方式，設(shè)計(jì)相應(yīng)的氣動(dòng)式下壓力控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)播種深度的主動(dòng)調(diào)節(jié)和限深輪對(duì)地下壓力的穩(wěn)定一致，為實(shí)現(xiàn)精密播種作業(yè)奠定基礎(chǔ)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)組成

播種機(jī)氣動(dòng)式單體下壓力控制系統(tǒng)主要由氣壓驅(qū)動(dòng)裝置、仿形四連桿、傾角傳感器、軸銷下壓力傳感器、數(shù)據(jù)采集控制卡(DAQ)和上位機(jī)等組成，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)工作原理圖Fig.1 Working principle diagram of system1.橫梁 2.仿形四連桿 3.破茬刀 4.開溝器 5.限深輪 6.鎮(zhèn)壓輪 7.播深調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu) 8.軸銷下壓力傳感器 9.種箱 10.傾角傳感器 11.氣囊 12.氣囊固定座 13.控制箱 14.氣罐

作為主動(dòng)式播種下壓力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，氣壓驅(qū)動(dòng)裝置包括氣泵、氣罐、氣囊、溫度傳感器、氣壓傳感器、電氣比例閥等，其中，氣囊一端通過固定座與單體橫梁固定，另一端通過改裝的支架與仿形四連桿固定；氣壓和溫度傳感器用于監(jiān)測(cè)氣泵工作狀態(tài)和氣罐內(nèi)部氣壓，保證裝置安全工作；電氣比例閥實(shí)時(shí)控制氣囊內(nèi)部壓力，通過氣囊形變改變四連桿向下作用力，進(jìn)而帶動(dòng)單體運(yùn)動(dòng)；軸銷下壓力傳感器安裝在原有限深塊擺動(dòng)銷孔處，用于監(jiān)測(cè)限深輪對(duì)地下壓力；而四連桿上臂處的傾角傳感器則可以實(shí)時(shí)獲取仿形四連桿擺動(dòng)角度，結(jié)合氣囊內(nèi)部氣壓和軸銷傳感器信號(hào)，通過DAQ傳輸給上位機(jī)，由上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示氣囊氣壓和實(shí)際下壓力，并與設(shè)定播種下壓力進(jìn)行比較，當(dāng)兩者差值超過設(shè)定閾值時(shí)，上位機(jī)經(jīng)過計(jì)算發(fā)送控制指令給DAQ，由DAQ輸出控制信號(hào)到氣壓驅(qū)動(dòng)裝置，進(jìn)而改變氣囊對(duì)地作用力，實(shí)現(xiàn)播種下壓力穩(wěn)定控制。

1.2 力學(xué)分析

如圖1所示，播種單體實(shí)際作業(yè)時(shí)，在仿形四連桿作用下，開溝圓盤刀沿著破茬刀方向切入土壤并開出種溝，兩側(cè)的限深輪則始終貼地運(yùn)動(dòng)并壓實(shí)土壤，其中圓盤刀與限深輪相對(duì)位置差即為開溝深度。當(dāng)?shù)孛嫫鸱蛲寥牢锘匦愿淖儠r(shí)，土壤開溝和壓實(shí)阻力發(fā)生變化，造成開溝器(單體)振動(dòng)和仿形四連桿傾角改變。根據(jù)四連桿力矩平衡可知，此時(shí)氣囊對(duì)單體作用下壓力

(1)

式中F′——四連桿對(duì)單體下壓力，N

F——單體對(duì)四連桿反作用力，N

FAS——?dú)饽覍?duì)四連桿作用力，N

L1——四連桿上臂長(zhǎng)度，m

L2、L3——力FAS和F力臂長(zhǎng)度，m

α——四連桿傾角，(°)

忽略破茬刀和鎮(zhèn)壓輪豎直方向所受土壤阻力，則單體總的對(duì)地下壓力為

(2)

式中G——播種單體自身重力，N

Ft——橫梁對(duì)四連桿牽引力，N

FD——播種下壓力，N

由于單體對(duì)地下壓力主要作用在限深輪和開溝器上，即

FD=FC+FW

(3)

式中FC——地面對(duì)開溝器作用力，N

FW——地面對(duì)限深輪作用力，N

另一方面，地面對(duì)單體反作用力主要來源于兩者接觸時(shí)的形變阻力和土壤變形摩擦力，根據(jù)流變學(xué)理論，土壤近似為非線性彈性材料，其力學(xué)模型可用Kelvin并聯(lián)模型描述[4]。假設(shè)作業(yè)過程中單體與地面之間形變量主要來源于土壤，根據(jù)式(3)，則地面對(duì)單體作用力

(4)

式中K1——單體豎直方向的阻力系數(shù)，N/m

C——單體豎直方向的運(yùn)動(dòng)阻尼系數(shù)，N·s/m

H——開溝器相比地表下壓深度，m

h——限深輪相比地表下壓深度，m

此時(shí)，播種深度

Δh=H-h

(5)

其中，模型系數(shù)K1和C主要取決于土壤特性，如濕度、粘性、機(jī)械組成和土壤比阻等。由式(4)看出，當(dāng)播種下壓力一定時(shí)，土壤物化特性變化會(huì)帶來開溝器和限深輪作用力的重新分配，如開溝器作用力FC增大必然會(huì)導(dǎo)致限深輪作用力FW的減小，進(jìn)而影響開溝深度和壓實(shí)深度，造成播種深度的變化。換言之，當(dāng)播種下壓力無法滿足土壤特性變化帶來的開溝壓力需求時(shí)，限深輪脫離地面，播種深度均勻性將無法保證；反之，超出需求時(shí)，限深輪過度壓實(shí)地表，影響后期種子出苗。結(jié)合式(2)，當(dāng)?shù)孛嫫鸱騿误w自重發(fā)生變化時(shí)，四連桿角度和單體對(duì)地下壓力隨之改變，土壤開溝和壓實(shí)作用力發(fā)生變化，假設(shè)作業(yè)土壤特性一致，則同樣影響播種深度。

為保證穩(wěn)定的播種深度和適宜的播種壓實(shí)力，本系統(tǒng)通過在單體四連桿處安裝氣囊，對(duì)四連桿施加額外力，為單體提供一個(gè)豎直方向的補(bǔ)償力，一方面滿足地表殘茬覆蓋下破茬和開溝需要，保證穩(wěn)定的開溝深度，另一方面減小開溝器對(duì)限深輪作用力的分?jǐn)傋饔?，使限深輪和?zhèn)壓輪始終貼緊并壓實(shí)土壤，營(yíng)造一個(gè)“上松下實(shí)”的種溝環(huán)境，減少落種跳動(dòng)，利于蓄水保墑，保證種子后期發(fā)育。

1.3 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由氣壓驅(qū)動(dòng)裝置、四連桿傾角傳感器、數(shù)據(jù)采集控制卡等組成。

圖2 系統(tǒng)組成Fig.2 System components

1.3.1氣壓驅(qū)動(dòng)裝置

氣壓驅(qū)動(dòng)裝置包括氣泵、單向閥、氣罐、油液分離器、電氣比例閥、氣囊以及相應(yīng)的溫度、壓力傳感器等，如圖2所示。其中，氣泵作用是產(chǎn)生高壓空氣，并經(jīng)單向閥存入氣罐中，在電氣比例閥的控制下，將一定壓力的空氣輸入氣囊。同時(shí)，為保證比例閥工作性能，在比例閥與氣罐之間裝有油液分離器(AFC-2000型，亞德客國(guó)際集團(tuán))，壓力范圍0.05～0.9 MPa，以過濾氣體中的水分。在空壓機(jī)和氣罐后安裝溫度傳感器和壓力傳感器(CS-PT1100型，西安中星測(cè)控有限公司)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)氣泵作業(yè)溫度和氣壓以及氣罐內(nèi)部氣壓。其中，溫度傳感器量程0～200℃，精度0.2%(FS)，壓力傳感器量程0～1.0 MPa，測(cè)量精度1.0%(FS)，兩者輸出信號(hào)均為4～20 mA。當(dāng)氣泵溫度或氣罐內(nèi)部氣壓超過安全范圍時(shí)，通過控制固態(tài)繼電器(MGR-1 DD220D60型，美格爾電子有限公司)斷開來關(guān)閉氣泵，保證了裝置使用安全性和可靠性，其中繼電器最大負(fù)載電流60 A，控制電壓3～32 V DC。

(1)氣泵選型和氣罐設(shè)計(jì)

為保證裝置穩(wěn)定可靠的工作性能，選用深圳市德平國(guó)瀚汽車電子科技有限公司的DOWN D444型工業(yè)用電動(dòng)氣泵，工作電壓12 V DC，工作電流23 A，工作壓力為1.5 MPa，工作溫度為-40～80℃，長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)性能可靠。同時(shí)，對(duì)氣泵進(jìn)行了充氣速度試驗(yàn)以測(cè)試氣泵啟停時(shí)間間隔。結(jié)果顯示，對(duì)20 L氣罐滿負(fù)荷充氣情況下，充氣時(shí)間為5.5 min。

氣罐設(shè)計(jì)直徑為225 mm，長(zhǎng)度580 mm，容積約為23 L，材質(zhì)為不銹鋼。同時(shí)在氣罐上下對(duì)稱方向焊接支架，便于固定安裝。此外，氣泵支架上安裝有不銹鋼控制箱，內(nèi)部安裝氣泵、電氣比例閥、信號(hào)采集控制模塊及相關(guān)傳感器等部件，實(shí)現(xiàn)播種作業(yè)過程中相關(guān)硬件的防水防塵。

(2)氣囊和電氣比例閥選型

由裝置工作原理可知，通過調(diào)節(jié)氣囊內(nèi)部氣壓，進(jìn)而改變氣囊作用力，可實(shí)現(xiàn)對(duì)播種下壓力的控制。其中，氣囊作用力公式為

FAS=pA×106

(6)

式中A——?dú)饽叶松w面積，m2

p——?dú)饽覂?nèi)部氣壓，MPa

對(duì)氣囊而言，氣壓作用面積即氣囊端蓋面積，即

A=πd2/4

(7)

式中d——?dú)饽叶松w直徑，m

由式(6)、(7)可得氣囊作用力

FAS=25pπd2×104

(8)

玉米播種作業(yè)時(shí)，其播種下壓力參照文獻(xiàn)[23]選取為2 000 N，為此設(shè)定單體對(duì)地下壓力FD=2 000 N，測(cè)量空載下播種單體質(zhì)量約為80 kg，即G=800 N，由式(2)可知，不考慮橫梁對(duì)四連桿牽引力影響，則四連桿對(duì)單體作用力F′約為1 200 N，即在氣囊作用下，單體獲得額外下壓力約為1 200 N。假設(shè)四連桿水平，L1=2L2，則FAS≈2F′=2 400 N。經(jīng)過篩選，最終選用青島歐美亞橡膠工業(yè)有限公司生產(chǎn)的A180型車用氣囊，直徑74 mm，工作行程為131 mm。由氣囊作用力公式(8)計(jì)算可知，在0.6 MPa氣壓作用下，氣囊向下作用力為2 580 N，滿足設(shè)計(jì)需求。

參照氣罐的最大安全工作壓力0.72 MPa，設(shè)定本系統(tǒng)工作氣壓范圍為0～0.6 MPa。電氣比例閥選用FESTO公司VPPM系列比例閥，其工作氣壓范圍0～1.0 MPa，控制信號(hào)4～20 mA，控制精度1%(FS)，用于根據(jù)給定的氣壓設(shè)定值，按比例調(diào)節(jié)輸出氣壓。其所配備的集成式壓力傳感器可檢測(cè)輸出口氣壓，并將其與設(shè)定值進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)壓力的閉環(huán)控制，保證輸出氣壓的穩(wěn)定。

1.3.2傾角傳感器

播種作業(yè)過程中，仿形四連桿會(huì)隨著地表起伏而上下波動(dòng)，造成作用于單體的下壓力變化，為建立準(zhǔn)確壓力控制模型，本文選用深圳維特智能科技有限公司的SINVT-232型高精度電壓型傾角傳感器，通過將傳感器固定在仿形四連桿上臂來測(cè)其相對(duì)機(jī)架水平面擺動(dòng)角度。傳感器支持0～5 V模擬量輸出，角度測(cè)量范圍為-90°～90°，分辨率為0.01°，響應(yīng)時(shí)間為0.01 s。

對(duì)傾角傳感器進(jìn)行固定安裝，保證傳感器在四連桿上浮輸出角度為正，下沉輸出角度為負(fù)。同時(shí)，在實(shí)際使用之前，需對(duì)傳感器進(jìn)行試驗(yàn)標(biāo)定。通過手動(dòng)測(cè)量四連桿上臂相對(duì)機(jī)架垂直面夾角，算出四連桿水平傾角，并記錄傳感器信號(hào)輸出值。最終建立輸出信號(hào)值與實(shí)際四連桿傾角之間關(guān)系模型為

α=36U-70.52

(9)

式中U——傾角傳感器輸出信號(hào)值，V

1.3.3軸銷下壓力傳感器

為保證限深輪下壓力的穩(wěn)定控制，需對(duì)限深輪下壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。參照國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)可知，基于限深輪壓力傳感器的測(cè)力方式檢測(cè)可靠、通用性強(qiáng)，如圖3所示。

圖3 壓力傳感器安裝示意圖Fig.3 Force sensor installation diagrams1.機(jī)架 2.傳感器固定片 3.軸銷傳感器 4.限深塊 5.限深臂 6.限深塊

圖3中，F(xiàn)W為地面對(duì)限深輪作用力，N；F1為限深塊對(duì)擺臂作用力，N；F′1為擺臂對(duì)限深塊作用力，其與F1大小相等，方向相反，N；F2為播深調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)對(duì)限深塊作用力，N；F3為軸銷對(duì)限深塊作用力，N；F3x、F3y分別為F3在水平和豎直方向分量，N；F′3y為限深塊對(duì)軸銷傳感器豎直方向反作用力，其與F3y大小相等，方向相反，N；F4為機(jī)架對(duì)軸銷作用力，N。圖3b為軸銷傳感器安裝剖視圖，通過傳感器固定片將軸銷傳感器固定在機(jī)架上，限制其作業(yè)時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而保證豎直方向壓力檢測(cè)準(zhǔn)確性。

根據(jù)現(xiàn)有播種機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸，替換限深塊擺動(dòng)銷軸為軸銷傳感器，由軸銷傳感器豎直方向受力形變量來監(jiān)測(cè)限深塊對(duì)擺臂作用力，進(jìn)而獲得限深輪對(duì)地壓力。據(jù)前述設(shè)定單體對(duì)地下壓力FD=2 000 N，則限深輪垂直作用力FC最大為2 000 N，參照文獻(xiàn)[21]選型公式，考慮一定的安全系數(shù)，最終選擇蚌埠眾城傳感器有限公司生產(chǎn)的ZHZX-N18型軸銷傳感器，量程訂制為0～600 kg，精度為0.5%(FS)，搭配BSQ-8型壓力變送器，可實(shí)現(xiàn)0～5 V模擬量輸出。

由于軸銷傳感器與限深塊剛性接觸，作業(yè)中地表變化會(huì)帶來傳感器的碰撞和沖擊，造成傳感器輸出值波動(dòng)較大，需對(duì)輸出值進(jìn)行濾波。文獻(xiàn)[21]采用的平滑濾波方式存在靈敏度低問題，影響反饋控制。為此本研究采用一階低通濾波方式對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，公式為

y(n)=ax(n)+(1-a)y(n-1) (0

(10)

式中x(n)——傳感器采樣值

y(n)——本次濾波輸出值

y(n-1)——上次濾波輸出值

a——濾波系數(shù)

濾波系數(shù)越小，濾波結(jié)果越平穩(wěn)，但靈敏度越低。綜合考慮靈敏度和平穩(wěn)度，本文所選濾波系數(shù)a=0.7。如圖4所示，對(duì)前期試驗(yàn)獲取傳感器原始數(shù)據(jù)對(duì)比處理發(fā)現(xiàn)，一階低通濾波能及時(shí)跟進(jìn)數(shù)據(jù)變化，且能過濾較大數(shù)據(jù)波動(dòng)，滿足控制需求。

圖4 壓力傳感器原始數(shù)據(jù)濾波處理結(jié)果Fig.4 Force sensor filtering

建立輸出信號(hào)值與實(shí)際限深輪壓力之間關(guān)系模型為

FW=845.4u-86.26

(11)

式中u——壓力傳感器輸出信號(hào)值，V

1.3.4數(shù)據(jù)采集控制卡

信號(hào)采集控制器選用北京聚英翱翔電子有限公司的JY-DAM0A02型采集控制模塊，7～30 V DC寬壓供電，通信接口支持RS485的標(biāo)準(zhǔn)Modbus協(xié)議。模塊支持10路12位分辨率模擬量輸入和2路12位分辨率模擬量隔離輸出。對(duì)本設(shè)計(jì)而言，由于傳感器輸出信號(hào)的不同，需對(duì)采集卡采集控制電路進(jìn)行隔離變換，為此將現(xiàn)有采集卡10路模擬量輸入變換為4路4～20 mA模擬量輸入和6路0～5 V模擬量輸入，2路模擬量輸出變換為1路0～5 V模擬量輸出和1路4～20 mA模擬量輸出，其中0～5 V輸出用于控制固態(tài)繼電器。本系統(tǒng)主要涉及到控制器的查詢和控制指令，其中查詢返回指令的字節(jié)數(shù)根據(jù)查詢路數(shù)而定，默認(rèn)查詢?nèi)?0路數(shù)據(jù)，返回20個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，每2個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)代表1路傳感器檢測(cè)值，由于返回值范圍為0～65 535，需對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，其中傳感器檢測(cè)的實(shí)際值等于返回值的0.001倍，如采集到12 000，則實(shí)際值12 mA。同理，模擬量的設(shè)置輸出值等于實(shí)際值的100倍，如設(shè)置輸出為5 V，則在輸出數(shù)值后寫入500。

1.4 軟件設(shè)計(jì)

1.4.1上位機(jī)界面設(shè)計(jì)

上位機(jī)界面采用美國(guó)國(guó)家儀器公司的LabVIEW系統(tǒng)開發(fā)軟件進(jìn)行編程開發(fā)，播種下壓力監(jiān)控系統(tǒng)界面如圖5所示。在設(shè)定的采樣間隔時(shí)間下，采集卡采集氣壓驅(qū)動(dòng)裝置相關(guān)傳感器信號(hào)，包括氣泵溫度、氣泵壓力、氣罐壓力和氣囊壓力，同時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)播種作業(yè)過程中傾角傳感器監(jiān)測(cè)值和限深輪對(duì)地壓力。“校準(zhǔn)”按鈕可實(shí)現(xiàn)對(duì)單體四連桿傾角檢測(cè)值的自動(dòng)校準(zhǔn)，以保證田間作業(yè)下傾角測(cè)量的準(zhǔn)確性和下壓力控制精度。

圖5 播種下壓力監(jiān)控界面Fig.5 Downforce control system interface

在播種下壓力設(shè)定上，設(shè)置兩種輸入方式，分為“手動(dòng)”模式和“自動(dòng)”模式。在手動(dòng)模式下，軟件根據(jù)壓力調(diào)節(jié)范圍設(shè)置為“無壓力”、“低壓力”、“中壓力”和“高壓力”4種選項(xiàng)，用戶可根據(jù)需要選擇；在自動(dòng)模式下，用戶可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)輸入播種下壓力設(shè)定值，由軟件自動(dòng)調(diào)節(jié)。考慮到不同土壤特性影響，作業(yè)時(shí)可以在手動(dòng)模式下測(cè)試出適宜播種下壓力，再切換到自動(dòng)模式下運(yùn)行。此外，運(yùn)用LabVIEW的圖表工具可以監(jiān)測(cè)各參數(shù)實(shí)時(shí)值，對(duì)歷史數(shù)據(jù)以表格形式導(dǎo)出保存，便于后續(xù)分析。“調(diào)節(jié)閾值”框方便用戶根據(jù)經(jīng)驗(yàn)輸入調(diào)節(jié)閾值，根據(jù)前期試驗(yàn)?zāi)J(rèn)設(shè)置為300 N，即當(dāng)壓力監(jiān)測(cè)值與設(shè)定值差值超過設(shè)定調(diào)節(jié)閾值時(shí)，軟件才啟動(dòng)壓力調(diào)整，避免作業(yè)過程中下壓力的頻繁調(diào)節(jié)，影響電氣比例閥使用壽命，降低系統(tǒng)運(yùn)行負(fù)荷。

1.4.2控制程序設(shè)計(jì)

整個(gè)程序控制流程如圖6所示。

圖6 程序控制流程圖Fig.6 Flow chart of control program

系統(tǒng)上位機(jī)與下位機(jī)數(shù)據(jù)采集卡采用串口通信，默認(rèn)通信參數(shù)為波特率9 600 b/s，8位數(shù)據(jù)，無校驗(yàn)。對(duì)于系統(tǒng)中電氣比例閥而言，由于其接收4～20 mA電流控制信號(hào)控制比例閥開度，當(dāng)接收低于4 mA電流信號(hào)時(shí)，比例閥會(huì)報(bào)錯(cuò)，需在控制系統(tǒng)啟動(dòng)后，對(duì)比例閥輸出4 mA信號(hào)以進(jìn)行設(shè)備初始化。此外，為降低氣泵在未受監(jiān)控下運(yùn)行帶來的安全隱患，軟件設(shè)置在只有“系統(tǒng)監(jiān)控”開關(guān)打開的情況下才會(huì)顯示“氣泵開關(guān)”按鈕，且只有在氣泵打開情況下才會(huì)進(jìn)行后續(xù)氣泵啟?？刂坪蛪毫φ{(diào)節(jié)功能，避免因氣罐氣壓不足而無法執(zhí)行壓力調(diào)節(jié)的情況，保證了裝置作業(yè)的安全性。

2 試驗(yàn)與結(jié)果分析

試驗(yàn)裝置選用河北中友機(jī)電設(shè)備有限公司生產(chǎn)的2BFQ-6型氣力精密播種機(jī)單體，如圖7所示。搭建了播種單體壓力控制系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)，以進(jìn)行相關(guān)的測(cè)試試驗(yàn)。為精確測(cè)量實(shí)際下壓力值，在升降架下放置TCS-300型無線便攜式電子秤(量程0～300 kg)，可實(shí)現(xiàn)稱量數(shù)據(jù)的無線傳輸。

圖7 測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)Fig.7 Testing bench1.氣囊 2.傾角傳感器 3.控制箱 4.蓄電池 5.軸銷傳感器 6.升降架 7.電子秤

2.1 模型建立和驗(yàn)證

2.1.1模型建立

由于系統(tǒng)是通過對(duì)氣囊的控制來實(shí)現(xiàn)對(duì)地下壓力的改變，為實(shí)現(xiàn)下壓力的快速準(zhǔn)確調(diào)節(jié)，減少響應(yīng)時(shí)間，有必要建立系統(tǒng)對(duì)地壓力控制模型。根據(jù)上述分析，選用氣囊壓力和四連桿傾角兩個(gè)因素進(jìn)行分析。由于氣囊有一定的工作行程，超出后氣囊處于拉伸狀態(tài)，壓力作用效果降低，而四連桿擺動(dòng)角直接影響氣囊作用行程，根據(jù)氣囊行程和文獻(xiàn)[24]中地形坡度實(shí)際測(cè)量，選定四連桿角度測(cè)試范圍為-6°～6°，實(shí)測(cè)單體此時(shí)上下浮動(dòng)高度約為120 mm，在氣囊作業(yè)行程范圍內(nèi)。由于氣囊工作壓力受限于氣罐和氣泵組合開關(guān)安全氣壓限制，選定測(cè)試范圍為0～0.6 MPa。在所選因素各自工作范圍內(nèi)等間距選取7個(gè)水平，對(duì)應(yīng)四連桿角度為-6°～6°，氣囊氣壓為0～0.6 MPa，進(jìn)行兩因素不同組合下的全面試驗(yàn)，記錄電子秤實(shí)際顯示值，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，用于建立氣囊作用下壓力與氣囊氣壓和四連桿傾角之間關(guān)系模型。同時(shí)，為保證模型擬合的準(zhǔn)確性，在已選定的四連桿傾角和氣囊壓力因素水平下，實(shí)時(shí)采集記錄四連桿傾角和氣囊壓力，以及對(duì)應(yīng)的對(duì)地下壓力。為減小單體自重對(duì)控制模型的影響，每次調(diào)節(jié)四連桿傾角后對(duì)電子秤進(jìn)行去皮操作，以扣除升降架和單體質(zhì)量，獲得限深輪處實(shí)際壓力。測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.1 Experimental data

注：fA表示實(shí)際氣囊作用下壓力，N。

為方便數(shù)據(jù)處理，以及剔除數(shù)據(jù)量綱，需對(duì)氣囊壓力進(jìn)行歸一化處理，根據(jù)電氣比例閥量程調(diào)節(jié)范圍為0～1.0 MPa，可對(duì)氣壓進(jìn)行最小最大值標(biāo)準(zhǔn)化，同理，對(duì)四連桿角度進(jìn)行弧度變換，公式為

(12)

式中x——?dú)饽覊毫ψ儞Q值

y——四連桿傾角弧度值，rad

由表1可以看出，同一氣囊壓力下，四連桿傾角減小，實(shí)際播種下壓力也逐漸減小，結(jié)合式(2)，由于四連桿初始傾角逐漸減小造成支架橫梁對(duì)單體的向上牽引作用逐漸增強(qiáng)，抵消了氣囊對(duì)四連桿向下的作用，也造成了傾角變化范圍的縮小。對(duì)本研究而言，為減小限深輪變形對(duì)模型擬合的影響，提取表1中四連桿實(shí)時(shí)傾角和下壓力，運(yùn)用Matlab軟件的數(shù)據(jù)擬合工具箱，選擇多項(xiàng)式逼近的擬合方式，建立基于氣囊壓力和四連桿傾角的氣囊播種下壓力控制模型。所得模型為

fc=63.07+1 339x-643.8y+7 216xy-11 520y2

(13)

式中fc——播種下壓力輸出值，N

2.1.2試驗(yàn)驗(yàn)證

為對(duì)模型控制準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證，在前述試驗(yàn)基礎(chǔ)上，另設(shè)置6種四連桿傾角、6種氣囊壓力，記錄實(shí)際下壓力和模型預(yù)測(cè)值，如圖8所示，并添加y=x的實(shí)際下壓力線來觀察模型預(yù)測(cè)相關(guān)性。

由圖8看出，模型預(yù)測(cè)下壓力均勻分布于y=x直線附近，說明下壓力控制誤差較小。進(jìn)一步，統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)預(yù)測(cè)誤差絕對(duì)值最大為88.53 N，預(yù)測(cè)誤差絕對(duì)值平均為35.10 N，標(biāo)準(zhǔn)偏差為20.13 N。由圖8數(shù)據(jù)得出，模型預(yù)測(cè)均方根誤差為39.51 N，可以認(rèn)為模型具有較好的下壓力控制準(zhǔn)確性。

圖8 模型預(yù)測(cè)相關(guān)性分析Fig.8 Correlation analysis of downforce predict value and corresponding actual value

2.2 控制響應(yīng)測(cè)試

由于播種下壓力控制系統(tǒng)的執(zhí)行部件主要為氣囊，其響應(yīng)特性可以代表系統(tǒng)的控制性能，本文在0.1～0.6 MPa的氣壓范圍內(nèi)選取6個(gè)壓力，對(duì)氣囊進(jìn)行充氣階躍響應(yīng)測(cè)試。為實(shí)時(shí)采集氣囊內(nèi)部氣壓反饋值，綜合考慮傳感器響應(yīng)時(shí)間限制和數(shù)據(jù)采集卡反饋速度，最終選擇數(shù)據(jù)采樣頻率為10 Hz，采樣時(shí)間為20 s，得到測(cè)試結(jié)果如圖9所示。

圖9 氣囊控制階躍響應(yīng)測(cè)試結(jié)果Fig.9 Response test of single air-spring

從圖9看出，在不同氣壓設(shè)定下，氣囊充氣響應(yīng)快速且平穩(wěn)，較少出現(xiàn)大的振蕩，屬于衰減振蕩型響應(yīng)，按式(14)、(15)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到表2所示響應(yīng)結(jié)果，包括響應(yīng)超調(diào)量(σp)、穩(wěn)態(tài)誤差(ess)和調(diào)節(jié)時(shí)間(Ts)。其中，調(diào)節(jié)時(shí)間為達(dá)到穩(wěn)態(tài)值5%誤差范圍內(nèi)所需時(shí)間。超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)誤差計(jì)算公式為

(14)

ess=y(∞)-pt (15)

式中tp——峰值時(shí)間，s

y(tp)——峰值，MPa

y(∞)——穩(wěn)態(tài)值，MPa

pt——目標(biāo)設(shè)定值，MPa

由表2看出，在氣壓0～0.3 MPa設(shè)定范圍內(nèi)，氣囊響應(yīng)調(diào)節(jié)時(shí)間最短，為0.3 s；之后，調(diào)節(jié)時(shí)間隨著設(shè)定氣壓增大而增大，當(dāng)設(shè)定氣壓為0.6 MPa時(shí)調(diào)節(jié)時(shí)間最長(zhǎng)，為0.7 s。而穩(wěn)態(tài)誤差也與設(shè)定氣壓呈正相關(guān)，最小為0.002 6 MPa，最大為0.007 9 MPa。相較而言，響應(yīng)超調(diào)量與設(shè)定氣壓值無關(guān)，系統(tǒng)最大超調(diào)量為4.97%。考慮到實(shí)際作業(yè)過程中，較少出現(xiàn)0.6 MPa的階躍調(diào)節(jié)，大多是在一定范圍內(nèi)微調(diào)，本文取不同設(shè)定氣壓下相關(guān)參數(shù)均值來表征系統(tǒng)控制性能，即平均調(diào)節(jié)時(shí)間0.42 s，平均穩(wěn)態(tài)誤差為0.005 2 MPa，平均超調(diào)量為3.83%。為保證系統(tǒng)程序控制的穩(wěn)定性，最終選取0.5 s為播種下壓力控制系統(tǒng)采樣間隔時(shí)間，并在程序中設(shè)置500 ms為默認(rèn)值。

2.3 田間試驗(yàn)

2.3.1試驗(yàn)條件

為測(cè)試系統(tǒng)在不同作業(yè)速度下播種深度控制性能，于2019年4月在河北省石家莊市趙縣趙州鎮(zhèn)南姚家莊村光輝農(nóng)業(yè)機(jī)械服務(wù)專業(yè)合作社(116°16′E，39°56′N)進(jìn)行田間試驗(yàn)。試驗(yàn)地塊長(zhǎng)180 m，寬20 m，土壤機(jī)械組成(參考國(guó)際制土壤質(zhì)地分類標(biāo)準(zhǔn))為黏粒占3.0%、粉粒占62%、沙粒占35%。由于黃淮海地區(qū)玉米高產(chǎn)栽培農(nóng)藝要求播種深度為5～6 cm，墑情較好粘土地一般為4～5 cm[21]，本試驗(yàn)設(shè)定播種深度為5.0 cm，并采用五點(diǎn)取樣法測(cè)得試驗(yàn)區(qū)域地表下5 cm土壤溫度23.32℃，相對(duì)濕度為22.01%(RS-ECH-I20型溫濕度計(jì)測(cè)量，山東仁科測(cè)控技術(shù)有限公司)，10 cm下土壤堅(jiān)實(shí)度為5.5 kg/cm2(TJSD-750-IV型土壤緊實(shí)度儀測(cè)量，浙江托普云農(nóng)科技股份有限公司)。如圖10所示，在現(xiàn)有加裝系統(tǒng)的播種單體基礎(chǔ)上，增加原有機(jī)械式調(diào)節(jié)單體，行距60 cm，以測(cè)試不同下壓力調(diào)節(jié)方式下播種深度控制性能。將兩行單體通過橫梁固定在拖拉機(jī)三點(diǎn)懸掛上，保持三點(diǎn)懸掛處于浮動(dòng)狀態(tài)?？紤]到氣囊反作用力會(huì)改變橫梁高度，進(jìn)而影響實(shí)際作用力，試驗(yàn)時(shí)在橫梁兩側(cè)各增加負(fù)載約70 kg。

圖10 田間試驗(yàn)Fig.10 Field test of control system1.機(jī)械控制單體 2.鋼直尺 3.測(cè)深擋板 4.主動(dòng)控制單體 5.氣壓驅(qū)動(dòng)裝置 6.車載計(jì)算機(jī)

將所選試驗(yàn)地塊均分為3個(gè)區(qū)塊，采用不同車速(6、8、10 km/h)進(jìn)行田間作業(yè)。實(shí)際作業(yè)時(shí)，使用拖拉機(jī)GPS測(cè)速，控制車速處于5～7 km/h、7～9 km/h和9～11 km/h 3個(gè)區(qū)間內(nèi)。同時(shí)，為保證測(cè)區(qū)內(nèi)拖拉機(jī)速度穩(wěn)定，在試驗(yàn)區(qū)域前后預(yù)留出了足夠距離供拖拉機(jī)加減速。

為簡(jiǎn)化試驗(yàn)，沒有進(jìn)行播種作業(yè)，以開溝深度等效評(píng)價(jià)播種深度控制效果，以限深輪與地表接觸壓實(shí)面距溝底高度為開溝深度，試驗(yàn)前調(diào)校預(yù)設(shè)開溝深度為50 mm，同時(shí)拆除覆土輪以減小覆土作業(yè)，便于開溝深度測(cè)量。待機(jī)具作業(yè)后，在試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)間隔1 m，總長(zhǎng)100 m范圍內(nèi)進(jìn)行不同調(diào)節(jié)方式和速度下深度測(cè)量，為減小種溝兩側(cè)地表高度差異帶來的測(cè)量誤差，選取種溝中心高度作為播種深度，方式如圖10所示。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》中合格播種深度(h±10) mm的判定標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)定本試驗(yàn)40～60 mm為合格播種深度。各參數(shù)計(jì)算公式為

(16)

(17)

(18)

(19)

式中η——播種深度合格率，%

n——播種深度合格數(shù)

N——播種深度測(cè)量點(diǎn)總數(shù)

hi——播種深度測(cè)量值，mm

Sh——播種深度標(biāo)準(zhǔn)差，mm

Vh——播種深度變異系數(shù)，%

2.3.2結(jié)果分析

測(cè)量播種深度數(shù)據(jù)如圖11所示。提取圖中8、10 km/h速度虛線框之外數(shù)據(jù)，加上6 km/h下播種深度數(shù)據(jù)，分析結(jié)果如表3所示。

圖11 不同下壓力調(diào)節(jié)方式和速度下播種深度Fig.11 Sowing depth with different downforce control modes at different speeds

從表3可以看出，不同車速作業(yè)下，主動(dòng)調(diào)節(jié)方式的播種深度平均值相差不大，與設(shè)定播種深度最大誤差出現(xiàn)在10 km/h車速下，為0.42 mm。與之相比，機(jī)械調(diào)節(jié)方式下播種深度平均值最大誤差為4.48 mm，參照播種深度合格率可以看出，主動(dòng)調(diào)節(jié)方式下播種深度穩(wěn)定性較好，合格率變化較小，不小于98.91%，而機(jī)械調(diào)節(jié)方式下，播種深度合格率隨車速升高有逐漸降低趨勢(shì)，其中最小合格率出現(xiàn)在車速10 km/h處，僅為86.96%。由播種深度標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)看出，主動(dòng)調(diào)節(jié)方式下，10 km/h作業(yè)時(shí)播種深度數(shù)值波動(dòng)較大，此時(shí)標(biāo)準(zhǔn)差為3.46 mm，變異系數(shù)為6.97%。機(jī)械調(diào)節(jié)方式下，車速增加帶來標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)的增大，最大標(biāo)準(zhǔn)差為6.70 mm，變異系數(shù)為13.07%，即播種深度穩(wěn)定一致性降低，而在低速(6 km/h)情況下，不同調(diào)節(jié)方式區(qū)別較小，且機(jī)械調(diào)節(jié)下播種深度穩(wěn)定性效果甚至優(yōu)于主動(dòng)調(diào)節(jié)方式。然而，從6～10 km/h車速范圍來看，主動(dòng)調(diào)節(jié)方式下的播種深度各個(gè)參數(shù)均相對(duì)穩(wěn)定，差異較小，體現(xiàn)了氣動(dòng)下壓力調(diào)節(jié)方式對(duì)播種深度穩(wěn)定一致性調(diào)節(jié)的較優(yōu)性能，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目的。

表3 田間試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果Tab.3 Field test results

對(duì)圖11虛線框數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，在8、10 km/h車速下，機(jī)械調(diào)節(jié)和主動(dòng)調(diào)節(jié)方式分別出現(xiàn)了一段差異較大的播種深度數(shù)據(jù)，其顯著低于前后測(cè)量數(shù)據(jù)。對(duì)照查看試驗(yàn)場(chǎng)地發(fā)現(xiàn)，拖拉機(jī)作業(yè)轉(zhuǎn)向造成地頭一段距離內(nèi)地表為輪胎所壓，土壤緊實(shí)度增加，當(dāng)單體開溝圓盤作業(yè)通過時(shí)，設(shè)定播種下壓力無法提供更大開溝深度，造成播種深度減小，如圖12a所示。此外，在10 km/h車速下發(fā)現(xiàn)，存在異常播種深度峰值，最高達(dá)79 mm，異常數(shù)據(jù)的出現(xiàn)是由于溝底緊實(shí)度小，存在土壤縫隙，造成播種深度測(cè)量值的增大(圖12b)。由此看出，播種作業(yè)過程中，拖拉機(jī)輪胎軌跡對(duì)播種深度合格率影響較大，實(shí)際工作時(shí)，應(yīng)盡量將單體安裝布置在輪胎軌跡以外，以減小輪胎壓痕對(duì)播種深度的影響。

圖12 田間播種深度測(cè)量Fig.12 Sowing depth measurement

3 結(jié)論

(1)采用氣動(dòng)式播種下壓力控制方式，提出一種基于氣囊壓力和仿形四連桿傾角的播種下壓力控制方法，采用一階濾波算法實(shí)現(xiàn)軸銷傳感器數(shù)據(jù)較優(yōu)濾波，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的氣動(dòng)式下壓力監(jiān)控系統(tǒng)。

(2)使用搭建的播種下壓力控制試驗(yàn)平臺(tái)，在不同氣囊壓力和四連桿傾角設(shè)置下，記錄氣囊作用下壓力，建立了壓力控制模型，模型校正系數(shù)為0.974 3，均方根誤差為49.41 N，預(yù)測(cè)均方根誤差為39.51 N，說明基于所提方法建立的模型具有較高的播種下壓力控制準(zhǔn)確性；氣囊響應(yīng)測(cè)試表明，在0.1～0.6 MPa壓力設(shè)定下，氣囊充氣階躍響應(yīng)平均超調(diào)量3.83%，平均穩(wěn)態(tài)誤差0.005 2 MPa，平均調(diào)節(jié)時(shí)間0.42 s，滿足作業(yè)需求。

(3)田間性能測(cè)試結(jié)果表明，在6～10 km/h作業(yè)速度范圍內(nèi)，氣動(dòng)下壓力調(diào)節(jié)方式對(duì)播種深度具有穩(wěn)定可靠的控制性能，系統(tǒng)播種深度合格率不小于98.91%，特別在高速時(shí)，其播種深度標(biāo)準(zhǔn)差為3.46 mm，變異系數(shù)為6.97%，顯著優(yōu)于被動(dòng)彈簧式下壓力調(diào)節(jié)方式。此外，研究了車輪壓痕對(duì)播種深度的影響，為播種機(jī)單體的安裝布局提供參考，為實(shí)現(xiàn)精密播種作業(yè)奠定了基礎(chǔ)。