高原源 王 秀 楊 碩 翟長遠(yuǎn) 趙學(xué)觀 趙春江

(1.中國農(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.國家農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心， 北京 100097)

0 引言

播種粒距、播種深度和播種下壓力是評(píng)價(jià)機(jī)械化播種質(zhì)量的重要指標(biāo)，其中，適宜一致的播種深度可以提高種子出苗整齊度，發(fā)揮群體增產(chǎn)優(yōu)勢[1-3]。為提高播種質(zhì)量，有必要對(duì)播種深度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測評(píng)價(jià)，以實(shí)現(xiàn)作業(yè)過程中的動(dòng)態(tài)控制和后續(xù)播種質(zhì)量評(píng)估。

播種深度是開溝器開溝、土壤回流和覆土輪鎮(zhèn)壓共同作用的結(jié)果，人工不易測量，現(xiàn)有測量方法是在忽略種子落土彈跳的條件下，將播種單體開溝深度作為種子播種深度，測量方式主要分為接觸式和非接觸式。其中，非接觸式主要采用超聲波傳感器或激光測距傳感器來測量機(jī)具作業(yè)地面高度，進(jìn)而算出開溝深度[4- 5]，由于受田間殘茬等復(fù)雜環(huán)境影響，少免耕作地塊測量誤差遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)耕整地塊[6]。考慮到播種深度測量的精度需求，為減小殘茬、光照等因素的影響，現(xiàn)有研究多采用接觸式測量方法，其主要通過測量機(jī)具上仿形部件偏轉(zhuǎn)位移得到開溝深度。趙金輝等[7]利用位移傳感器檢測開溝器和后置仿形輪位置，計(jì)算出理論開溝深度；任守華等[8]通過編碼器檢測機(jī)架上仿形托板擺動(dòng)幅度，判斷開溝深淺；文獻(xiàn)[9]采用超聲波結(jié)合角度傳感器測量小麥播種深度。分析發(fā)現(xiàn)，仿形部件相對(duì)開溝器的安裝位置會(huì)導(dǎo)致播種機(jī)仿形提前或滯后現(xiàn)象[10]，影響測量精度。同位仿形方式因較優(yōu)的仿形控制效果而獲得更多應(yīng)用，針對(duì)同位限深輪的測量可減小地形對(duì)播種深度測量精度的影響。文獻(xiàn)[11-13]在設(shè)定限深輪擺臂上限位情況下，通過測量限位軸銷受力或限深輪形變量反映播種深度的變化，但當(dāng)?shù)匦位蛲寥雷兓聣毫刂祈憫?yīng)不及時(shí)時(shí)，易出現(xiàn)限深輪擺臂脫離限位銷軸、限深輪接觸但未壓實(shí)土壤的情況，此時(shí)這種間接方式無法得到實(shí)時(shí)開溝深度。相比之下，測量開溝器與限深輪相對(duì)位置高度差(即開溝深度)的方式更直接，且適用范圍更廣。此外，已有研究多側(cè)重于實(shí)時(shí)監(jiān)測，而使用監(jiān)測數(shù)據(jù)、并依據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)一步對(duì)播種深度進(jìn)行現(xiàn)場評(píng)價(jià)具有更大的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

在監(jiān)測通信方式上，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的單一通信方式信號(hào)利用率低，多路通信時(shí)布線繁雜且不易擴(kuò)展[14]。為滿足多源信息遠(yuǎn)程監(jiān)控的需求，解決電子控制單元(Electronic control unit, ECU)之間信息傳輸和處理問題，基于ISO 11783協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的控制局域網(wǎng)(Controller area network, CAN)現(xiàn)場總線技術(shù)被提出，并在收獲、施肥、植保、產(chǎn)量監(jiān)控和播種等方面得到應(yīng)用[15-21]。在播種方面，主要側(cè)重于面向特定功能的總線研究，如田輝輝等[22]設(shè)計(jì)了針對(duì)大豆排種的故障報(bào)警總線監(jiān)測系統(tǒng)，楊碩等[23]則對(duì)排種器驅(qū)動(dòng)總線控制進(jìn)行了研究。隨著播種機(jī)功能的擴(kuò)展，有必要加強(qiáng)對(duì)播種機(jī)總線控制技術(shù)的研究。

本文以6行同位仿形播種機(jī)為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)一種基于CAN總線的播種深度監(jiān)測評(píng)價(jià)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)基于限深輪角度的接觸式播種深度測量裝置，并基于ISO 11783標(biāo)準(zhǔn)，制訂易于擴(kuò)展的通信協(xié)議，開發(fā)播種深度實(shí)時(shí)監(jiān)測評(píng)價(jià)軟件，并對(duì)播種深度變化進(jìn)行研究，以期為后續(xù)精密播種作業(yè)奠定基礎(chǔ)。

1 播深監(jiān)測評(píng)價(jià)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

本研究在同位仿形方式下展開，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)作為試驗(yàn)平臺(tái)，該播種機(jī)作業(yè)幅寬3.0～4.2 m，配套功率73.5～132.4 kW，其主要用于玉米或大豆的精密播種作業(yè)。

系統(tǒng)組成如圖1所示，主要由播深測量裝置、電子控制單元(ECU)、GPS測速傳感器、車載平板計(jì)算機(jī)(Panel personal computer，PC)和蓄電池等組成。其中播深測量裝置安裝在限深輪擺臂銷軸上，內(nèi)部的角度傳感器實(shí)時(shí)測量限深輪擺臂相對(duì)機(jī)架擺動(dòng)角度；ECU采集播深測量裝置輸出信號(hào)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理和模型換算后得到實(shí)時(shí)播種深度，并通過CAN總線方式實(shí)現(xiàn)與車載計(jì)算機(jī)通信，其中PC與ECU之間通過USB/CAN轉(zhuǎn)換器連接；基于LabVIEW開發(fā)的車載計(jì)算機(jī)界面可顯示播種機(jī)各單體行播種深度，以實(shí)現(xiàn)播種深度的實(shí)時(shí)監(jiān)測和評(píng)價(jià)。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)成圖Fig.1 System composition diagram

1.2 播深測量裝置

1.2.1測量原理

根據(jù)同位仿形結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，裝置采用接觸式測量方式，通過測量限深輪作業(yè)過程中擺動(dòng)角以獲得實(shí)時(shí)播種深度，測量原理如圖2所示。其中，Ls表示限深輪擺臂長度，mm；Hs表示限深輪圓心距鉸接點(diǎn)高度，mm；L表示開溝器轉(zhuǎn)軸距擺臂鉸接點(diǎn)高度，mm；θ表示限深輪擺臂與單體架夾角，(°)；Rw表示限深輪半徑，mm；Rc表示開溝器半徑，mm；H表示播種深度，mm。

圖2 播深測量Fig.2 Principle diagrams of sowing depth measurement1.開溝器 2.角度傳感器 3.限深輪 4.傳感器保護(hù)套 5.角度傳感器 6.聯(lián)軸器 7.聯(lián)軸器套 8.連接螺栓 9.擺臂銷軸 10.限深輪擺臂

單體作業(yè)過程中限深輪胎面形變和種上覆土影響播種深度測量準(zhǔn)確性，其中，種上覆土厚度可通過調(diào)節(jié)覆土輪對(duì)地壓力來改變，對(duì)本裝置試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在設(shè)定相同覆土壓力情況下，覆土厚度基本不變，而限深輪胎面因其自身材質(zhì)及土壤相互作用，作業(yè)過程中形變較小。假設(shè)限深輪受力變形量和覆土厚度帶來的播種深度補(bǔ)償量為Δh，由圖2a可知，單體播種深度為

H=L+Rc-Hs-Rw+Δh

(1)

對(duì)限深輪擺動(dòng)高度Hs而言，可通過擺臂轉(zhuǎn)動(dòng)角計(jì)算得到，即

Hs=Lssinθ

(2)

根據(jù)式(1)、(2)得此時(shí)播種深度

H=L+Rc-Rw-Lssinθ+Δh

(3)

其中，L、Rw、Rc、Ls可通過實(shí)測獲得，而Δh與地塊土壤特性有關(guān)，為保證測量準(zhǔn)確性，可通過作業(yè)前進(jìn)行田間取樣標(biāo)定來獲得Δh。在上述變量已知情況下，測量限深輪擺臂轉(zhuǎn)動(dòng)角θ可求得播種深度H。基于此，設(shè)計(jì)圖2b所示播深測量裝置。裝置采用基于角度傳感器的測量方式，通過角度傳感器直接測量限深輪擺臂角，進(jìn)而獲得相對(duì)開溝器位置信息和開溝深度，包括傳感器保護(hù)套、角度傳感器、聯(lián)軸器、聯(lián)軸器套和連接螺栓。其中，角度傳感器轉(zhuǎn)動(dòng)軸通過聯(lián)軸器和連接螺栓與擺臂銷軸固定，傳感器自身通過聯(lián)軸器套與限深輪擺臂固定，擺臂銷軸與機(jī)架固定，以此測量限深輪擺臂相對(duì)機(jī)架擺動(dòng)角，計(jì)算得到播種深度。此外，聯(lián)軸器套和傳感器保護(hù)套可保護(hù)聯(lián)軸器和角度傳感器，起到防塵防磕碰的作用。

1.2.2傳感器選型與校正

角度傳感器通過采集限深輪貼地運(yùn)動(dòng)時(shí)擺臂的運(yùn)動(dòng)角度來檢測地面起伏高度，其擺動(dòng)范圍受播深調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)影響。本文選用深圳市米朗科技有限公司生產(chǎn)的WOA-H-90-V1型霍爾角度傳感器，其采用高性能集成磁敏感應(yīng)元件，可實(shí)現(xiàn)絕對(duì)位置測量，量程為90°，0～5 V模擬量輸出，工作電壓為5～10 V(DC)。由于角度傳感器安裝過程中存在偏差，為提高播深測量裝置的測量精度，未考慮實(shí)際播深補(bǔ)償量情況下，進(jìn)行了傳感器室內(nèi)標(biāo)定試驗(yàn)。

單體處于提升狀態(tài)時(shí)，限深輪擺臂在自身重力作用下處于最大角度位置，實(shí)際測量發(fā)現(xiàn)，相同規(guī)格單體限深臂下限位角度基本一致，通過角度尺測量得其角度為40°，此時(shí)根據(jù)傳感器額定輸出信號(hào)大小和測量角度范圍，初步建立限深輪擺臂角度與角度傳感器信號(hào)輸出值之間關(guān)系。由于播深測量裝置是通過測量角度以獲得播種深度，相比之下，直接建立傳感器信號(hào)輸出值與實(shí)際播種深度關(guān)系模型的方式，不僅可以減小測量誤差，還可以獲得更加直觀的播深數(shù)據(jù)。為簡化模型，本試驗(yàn)優(yōu)先建立播種深度和傳感器信號(hào)輸出值關(guān)系模型。

如圖3所示，手動(dòng)旋轉(zhuǎn)播深調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)控制限深臂擺動(dòng)上限位，通過升降支架支撐開溝圓盤兩側(cè)限深輪至上限位，采集角度傳感器輸出信號(hào)值，并用游標(biāo)卡尺測量開溝圓盤與限深輪底端距離?？紤]到實(shí)際播種深度不小于0，且單體結(jié)構(gòu)限制下最大不超過105 mm，可知傳感器輸出信號(hào)在一定范圍內(nèi)。多次測量后建立各單體行播種深度測量模型，如表1所示。其中，x表示角度傳感器信號(hào)值，mV；y表示播種深度檢測值，mm。

圖3 角度傳感器標(biāo)定Fig.3 Calibration of angle sensor

表1 播種深度測量模型Tab.1 Measurement models of sowing depth

1.3 數(shù)據(jù)采集控制單元

采用HY-TTC 32集成控制器(TTC32，TTControl GmbH)以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集控制，其配備了高性能的英飛凌XC2267微控制器，集成了2路標(biāo)準(zhǔn)CAN總線接口，可實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的總線通訊。搭載的30個(gè)可自由配置的I/O接口，常規(guī)輸入端口為14路，通過軟件設(shè)置最多可擴(kuò)展至30路0～32 V模擬電壓測量，滿足系統(tǒng)信號(hào)采集需求。同時(shí)，利用CoDeSysV2.3軟件，使用支持IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)的ST語言可對(duì)播種深度監(jiān)測系統(tǒng)程序進(jìn)行編程。

上位機(jī)選用USB/CAN轉(zhuǎn)換器(隔離型，北京樂電新南科技有限公司)對(duì)控制器發(fā)送報(bào)文進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并由上位機(jī)獲取解析。轉(zhuǎn)換器與ECU通信波特率依照ISO 11783-2：2012規(guī)定設(shè)為250 kb/s，與PC通信波特率為115 200 b/s。考慮到后續(xù)使用便捷性，選用車載平板計(jì)算機(jī)作為系統(tǒng)交互設(shè)備，平板搭載Windows 7 32位操作系統(tǒng)，支持12～30 V寬電壓供電，可由拖拉機(jī)直接供電。

1.4 通信協(xié)議設(shè)計(jì)

ISO 11783是國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)為農(nóng)林拖拉機(jī)和機(jī)械制訂的基于CAN 2.0B協(xié)議的串行控制和通信數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)總線標(biāo)準(zhǔn)。CAN 2.0B根據(jù)消息幀標(biāo)識(shí)符的位數(shù)規(guī)定了標(biāo)準(zhǔn)幀(11位)和擴(kuò)展幀(29位)兩種格式，而ISO 11783只針對(duì)擴(kuò)展幀格式定義了完整的通信策略，并采用協(xié)議數(shù)據(jù)單元(Protocol data unit, PDU)來規(guī)范信息幀格式，如圖4所示。主要由優(yōu)先級(jí)(P)、擴(kuò)展數(shù)據(jù)頁(EDP)、數(shù)據(jù)頁(DP)、PDU格式(PF)、特定PDU(PS)、源地址(SA)和數(shù)據(jù)場(DATA)組成。其中，P、EDP、DP、PF和PS構(gòu)成報(bào)文的參數(shù)組編號(hào)(Parameter group numbers，PGN)，用以標(biāo)志PDU的內(nèi)容和種類。根據(jù)ISO 11783-3:2014規(guī)定，所有控制報(bào)文的缺省優(yōu)先級(jí)為3，消息報(bào)文的缺省優(yōu)先級(jí)為6，ISO 11783消息傳輸時(shí)EDP為0。根據(jù)PF取值不同可將PDU分為PDU1和PDU2，當(dāng)PF小于240時(shí)為PDU1，此時(shí)PS為目標(biāo)地址(DA)，消息發(fā)送到特定地址，其中DA=255為全局目的地址，要求所有控制器進(jìn)行消息偵聽和響應(yīng)；當(dāng)PF處于240～255之間時(shí)為PDU2，此時(shí)PS為組擴(kuò)展(GE)?？傆?jì)適于分配的參數(shù)組為8 672個(gè)，對(duì)CAN總線通信協(xié)議的制訂就是為不同報(bào)文分配特有的參數(shù)組編號(hào)。

圖4 數(shù)據(jù)幀報(bào)文格式Fig.4 Message format of data frame

對(duì)單體而言，由于單個(gè)數(shù)據(jù)幀最多包含8字節(jié)數(shù)據(jù)，考慮到后續(xù)單體多源信息擴(kuò)展的傳輸需求，根據(jù)ISO 11783-3:2014規(guī)定，本協(xié)議采用多包消息的方式，將相同PGN的單體信息，包含播種深度、播種下壓力、播種速率、施肥速率、播種施肥堵塞等數(shù)據(jù)分包發(fā)送。其中，將每個(gè)包數(shù)據(jù)域首字節(jié)定義為數(shù)據(jù)包序列號(hào)，并按遞增順序發(fā)送。由于最多可分配255個(gè)序列號(hào)，完全滿足單體行信息擴(kuò)展需求。對(duì)本系統(tǒng)而言，每行單體分配一個(gè)PGN，數(shù)據(jù)域首字節(jié)均定義為1，第2、3字節(jié)表示播種深度，分辨率為0.01 mm，測量范圍為0～642.55 mm，未使用字節(jié)全部設(shè)置為FF16。

參照標(biāo)準(zhǔn)ISO 11783-7:2015對(duì)機(jī)具消息應(yīng)用層的規(guī)定，制訂了表2所示播種機(jī)相關(guān)參數(shù)的報(bào)文，如定義播種機(jī)行駛狀態(tài)的PGN為00FE49，更新周期為100 ms，字節(jié)長度為8字節(jié)(bytes)。其中，字節(jié)1、2表示測量的對(duì)地行駛速度，分辨率為0.001 (m/s)/bit，測量范圍為0～64.255 m/s；字節(jié)3～6表示行駛距離，分辨率為0.001 m/b，測量范圍為0～4 211 081.215 m；字節(jié)8的前兩位表示行駛方向，00表示倒退，01表示前進(jìn)，10為錯(cuò)誤指示，11不可用；其余未定義位保留。

表2 參數(shù)組編號(hào)定義Tab.2 PGN definition of CAN system

1.5 評(píng)價(jià)方法與軟件開發(fā)

圖5 播種深度監(jiān)測界面Fig.5 Sowing depth real-time monitoring interface

為實(shí)現(xiàn)對(duì)播種深度的實(shí)時(shí)監(jiān)測和評(píng)價(jià)，本系統(tǒng)開發(fā)了基于LabVIEW的上位機(jī)界面，如圖5所示。在設(shè)定的采樣間隔時(shí)間下，ECU采集限深臂角度傳感器信號(hào)并傳輸給上位機(jī)，上位機(jī)解析傳感器信號(hào)，利用試驗(yàn)所建模型實(shí)時(shí)顯示播種深度。而播種深度質(zhì)量評(píng)價(jià)規(guī)則參照農(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》，當(dāng)設(shè)定播種深度大于等于3 cm時(shí)，播種深度合格誤差為±1.0 cm，當(dāng)小于3 cm時(shí)，播種深度合格誤差為±0.5 cm。相關(guān)的各播種深度監(jiān)測評(píng)價(jià)參數(shù)計(jì)算公式為

(4)

(5)

(6)

(7)

式中η——播種深度合格率，%

n——播種深度合格數(shù)

N——播種深度測量點(diǎn)數(shù)

hi——播種深度測量值，mm

Sh——播種深度標(biāo)準(zhǔn)差，mm

Vh——播種深度變異系數(shù)，%

機(jī)具作業(yè)時(shí)，ECU以20 Hz采樣頻率采集各單體播深數(shù)據(jù)并通過總線傳輸給上位機(jī)，上位機(jī)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，并以設(shè)定的讀取間隔時(shí)間(默認(rèn)0.5 s)顯示在界面上。同時(shí)，設(shè)定播深補(bǔ)償值輸入框，便于對(duì)實(shí)時(shí)檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。當(dāng)輸入播種深度設(shè)定值時(shí)，ECU獲取參數(shù)并進(jìn)行質(zhì)量評(píng)價(jià)。由于播種機(jī)由多個(gè)單體組成，為評(píng)價(jià)整體效果，系統(tǒng)選取各行平均播種深度作為質(zhì)量評(píng)價(jià)參數(shù)，通過連續(xù)計(jì)算獲取100個(gè)播種深度，參照標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算得到播種機(jī)實(shí)時(shí)播深合格率、平均播深、播深標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)，方便作業(yè)時(shí)實(shí)時(shí)調(diào)整和后期質(zhì)量評(píng)價(jià)。

2 試驗(yàn)與結(jié)果分析

2.1 播種深度變化特性試驗(yàn)

為解析傳統(tǒng)機(jī)械式被動(dòng)仿形播種單體播深動(dòng)態(tài)變化的頻率構(gòu)成，獲取其不同試驗(yàn)條件下播深主頻率波段，實(shí)現(xiàn)后續(xù)信號(hào)濾波以及播深動(dòng)態(tài)主動(dòng)控制，選擇圖6所示裝置中左側(cè)機(jī)械式仿形單體作為試驗(yàn)對(duì)象，于2019年4月在河北省石家莊市趙縣姚家莊村進(jìn)行了播種深度變化特性試驗(yàn)。試驗(yàn)田長180 m，寬20 m，采用二因素裂區(qū)試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，研究不同處理地塊(免耕地和旋耕地)和作業(yè)速度(4、6、8、10 km/h)對(duì)播種深度測量的影響。將地塊耕作方式作為主區(qū)，分為免耕地(A1)和旋耕地(A2)，作業(yè)速度作為副區(qū)，設(shè)置B1、B2、B3、B4共4個(gè)水平，分別對(duì)應(yīng)4、6、8、10 km/h作業(yè)速度。

圖7 免耕地播種深度動(dòng)態(tài)變化Fig.7 Dynamic change of sowing depth under no-tillage

圖6 播種深度變化特性測試試驗(yàn)Fig.6 Variation characteristic test of sowing depth

根據(jù)播深測量角度傳感器硬件參數(shù)，設(shè)置ECU對(duì)傳感器采樣頻率為200 Hz，試驗(yàn)時(shí)采用USBCAN分析儀(USBCAN-E-U型，廣州致遠(yuǎn)電子有限公司)連接ECU，利用自帶的ZLGCANTest軟件實(shí)時(shí)采集ECU發(fā)送的傳感器數(shù)據(jù)報(bào)文，并對(duì)不同試驗(yàn)條件傳感器原始數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。為便于后續(xù)數(shù)據(jù)分析，每種處理采樣時(shí)間為40 s，即獲取數(shù)據(jù)8 000個(gè)，并通過Matlab對(duì)其進(jìn)行離散傅里葉變換(DFT)，處理公式[24]為

(8)

其中

f[k]=kfs/N(k=0,1,…,N)

式中fs——采樣頻率，Hz

f[k]——數(shù)據(jù)x的離散頻率組成

x[n]——長度為N的有限長序列

X(f[k])——DFT變換后數(shù)據(jù)

圖8 旋耕地播種深度動(dòng)態(tài)變化Fig.8 Dynamic changes of sowing depth under rotary tillage

去除傳感器直流分量，得到動(dòng)態(tài)變化結(jié)果如圖7、8所示。從整體看，較大幅值振蕩分布區(qū)間主要處于低頻區(qū)間，即播種深度變化主要頻率在1 Hz以內(nèi)。從地塊耕作方式來看，免耕地播深傳感器變化最高幅值處于111～201 mV區(qū)間內(nèi)，而旋耕地最高幅值變化范圍為34～117 mV，顯然免耕地傳感器振蕩幅值更高，原因在于免耕地土壤堅(jiān)實(shí)度較大，區(qū)間分布不均勻，造成播種機(jī)開溝過程中限深輪起伏波動(dòng)較大，而旋耕地由于土壤均勻，播深變化相對(duì)較小。另外，免耕地播深變化主頻主要為0.05 Hz，且未隨車速變化而變化，主頻幅值隨車速增加呈減小趨勢；旋耕地下，除10 km/h以外，播深變化主頻隨車速增加而增大，最高為0.125 Hz，主頻幅值則隨車速增加而減小。

進(jìn)一步，計(jì)算每種處理下的功率譜密度，公式[25]為

P(f[k])=|X(f[k])|2

(9)

為便于比較不同處理下播種深度變化功率譜密度，提取各功率譜密度函數(shù)在0～1 Hz頻率范圍內(nèi)峰值，得到如圖9所示峰值散點(diǎn)圖。從圖中可看出，播種深度功率峰值變化主頻區(qū)間主要集中在0～0.4 Hz內(nèi)，且與車速變化關(guān)系不明顯，這也與文獻(xiàn)[26]中所得條播機(jī)開溝深度功率峰值振蕩主頻在0.5 Hz以下的結(jié)論相符，進(jìn)一步驗(yàn)證了試驗(yàn)結(jié)論準(zhǔn)確性，為后續(xù)播種深度控制中信號(hào)的低通濾波處理提供了參考。

圖9 功率譜密度峰值散點(diǎn)圖Fig.9 Peak map of PSD

2.2 播種深度監(jiān)測評(píng)價(jià)試驗(yàn)

如圖10所示，于2019年7月在河北省石家莊市欒城區(qū)北留營村進(jìn)行田間試驗(yàn)。為方便后續(xù)進(jìn)行播種深度實(shí)際測量，試驗(yàn)地塊選用免耕地，長、寬為220 m和4 m。為測試不同速度下各單體行播種深度監(jiān)測評(píng)價(jià)效果，沿拖拉機(jī)前進(jìn)方向分4段遞增車速，并分別采集每段下播種深度數(shù)據(jù)，考慮剔除地塊頭尾部分，每段長度為50 m。實(shí)際作業(yè)中，根據(jù)上位機(jī)車速檢測值，控制各段地塊拖拉機(jī)速度分別為4、6、8、10 km/h。為簡化試驗(yàn)，取掉單體覆土輪，以開溝深度等效評(píng)價(jià)播種深度，設(shè)定播深補(bǔ)償值Δh=0，并在試驗(yàn)前旋轉(zhuǎn)播深調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，保持調(diào)節(jié)播深一致，并設(shè)定評(píng)價(jià)系統(tǒng)播深設(shè)定值為50 mm。

圖10 田間試驗(yàn)Fig.10 Field experiment

對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，繪制得到圖11所示不同速度下單體播種深度測量值熱力圖[27]。圖中，紅色表示播種深度大于設(shè)定播深，藍(lán)色表示播種深度低于設(shè)定播深，其它顏色表示合格播種深度。從整體看，對(duì)地下壓力相同情況下，播種機(jī)右側(cè)單體播種深度大于左側(cè)，表明該地塊右側(cè)土壤堅(jiān)實(shí)度較小，開溝器可以獲得較大開溝深度，由文獻(xiàn)[28-29]所述，土壤質(zhì)地與電導(dǎo)率之間存在顯著正相關(guān)性，即電導(dǎo)率越高，土壤堅(jiān)實(shí)度越大，開溝深度越小，因此該圖也可一定程度上表征地塊不同區(qū)間土壤質(zhì)地區(qū)別。

圖11 不同車速下單體播種深度熱力圖Fig.11 Heat map of sowing depth at different speeds

從各單體行播深監(jiān)測看，4 km/h速度下行序號(hào)5，8 km/h速度下行序號(hào)4、6，以及10 km/h速度下的行序號(hào)6等均出現(xiàn)了連續(xù)較高的播深數(shù)據(jù)，最高甚至達(dá)到69.72 mm，超出播深調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)上限位，原因?yàn)殚_溝器兩側(cè)限深輪所處地形或土壤堅(jiān)實(shí)度不同，導(dǎo)致限深輪擺動(dòng)角度不一致，單側(cè)出現(xiàn)較深播種深度的現(xiàn)象；同理，由于播種深度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)“限深不限淺”，當(dāng)土壤堅(jiān)實(shí)度變大或地表凹陷時(shí)，會(huì)造成限深輪相對(duì)開溝器位置下降，播種深度降低，最小為23.19 mm。其中，行5出現(xiàn)較多的淺播狀況，分析發(fā)現(xiàn)這是因?yàn)樾?與拖拉機(jī)右側(cè)輪胎軌跡重合，開溝深度由于輪胎壓實(shí)土壤而變淺，這也與文獻(xiàn)[30]所述一致，即輪胎壓實(shí)后的地塊造成播種機(jī)開溝深度變小。

為測試系統(tǒng)播種深度監(jiān)測評(píng)價(jià)效果，隨機(jī)選取不同車速下某個(gè)單體行開溝深度進(jìn)行實(shí)際測量，即在4 km/h下第3行單體、6 km/h下第6行單體、8 km/h下第1行單體和10 km/h下第5行單體作業(yè)長度中間選取30 m，間隔25 cm進(jìn)行取樣，結(jié)合圖11選取等距離數(shù)據(jù)并繪制如圖12所示播種深度箱形圖。從圖中可以看出，相比播種深度監(jiān)測值，實(shí)際測量獲得數(shù)值波動(dòng)較大，整體布局較為分散，可能與種溝完整程度以及地表殘茬厚度帶來的人為測量不穩(wěn)定性有關(guān)。此外，觀察數(shù)據(jù)中位數(shù)發(fā)現(xiàn)，不同方式下得到結(jié)果相近，差值最大為9.02 mm，最小為0.02 mm。

圖12 不同車速下單體播種深度箱形圖Fig.12 Sowing depth boxplot of row units at different speeds

對(duì)播種深度檢測值和實(shí)際值數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)處理結(jié)果如表3所示。在4～8 km/h車速范圍內(nèi)，兩種方式下的播種深度合格率均隨車速增大而減小，即播種深度一致性變差，而10 km/h下合格率有增大趨勢，原因可能是較高車速增加了開溝器在堅(jiān)實(shí)土壤下的切土能力，提高了播種深度一致性。此外，除8 km/h外，兩種方式下的播種深度標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)隨車速增大而增大，這也說明車速增大會(huì)造成播種深度穩(wěn)定性變差，而8 km/h下穩(wěn)定性增加可能由于作業(yè)行土壤質(zhì)地均勻，開溝較為穩(wěn)定。

對(duì)比兩種方式，4 km/h車速下，系統(tǒng)檢測的播種深度合格率、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)相對(duì)田間測量誤差顯著大于其它速度下相對(duì)誤差，原因可能是實(shí)際人工測量的不穩(wěn)定性帶來播種深度參照值的波動(dòng)，造成測量值出現(xiàn)較大誤差，無法表現(xiàn)系統(tǒng)監(jiān)測評(píng)價(jià)性能。對(duì)比取樣的各單體行可以看出，6～10 km/h車速下，系統(tǒng)檢測方式下平均播深、合格率、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)最大值分別為50.01 mm、78.95%、8.95 mm和17.90%，說明10 km/h下第5行單體平均播深和數(shù)值差異性最大，6 km/h下第6行單體播種深度合格率最大；相比田間實(shí)際測量方式，誤差分別處于4.20%～9.74%、6.11%～17.92%、10.93%～16.32%和18.83%～19.79%之間。此外，隨著車速增加，平均播深相對(duì)誤差增大，標(biāo)準(zhǔn)差相對(duì)誤差降低，而變異系數(shù)相對(duì)誤差較為穩(wěn)定，說明較大車速會(huì)降低系統(tǒng)平均播深評(píng)價(jià)準(zhǔn)確性。考慮到地塊區(qū)間差異和人工測量誤差，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)播種深度的監(jiān)測評(píng)價(jià)功能。

表3 田間試驗(yàn)測試結(jié)果Tab.3 Field experiment results

3 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了一種基于CAN總線的播種深度實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)。采用基于限深輪擺動(dòng)角度的播深測量裝置，通過接觸式測量方式，提高了復(fù)雜作業(yè)環(huán)境下的播種深度檢測精度；以ISO 11783標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，制訂了播種深度實(shí)時(shí)監(jiān)測總線通信協(xié)議，有利于后續(xù)播種作業(yè)參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化傳輸和擴(kuò)展。

(2)基于LabVIEW的播種深度監(jiān)測評(píng)價(jià)系統(tǒng)通過對(duì)通訊協(xié)議的解析，實(shí)時(shí)顯示各播種單體行播種深度值，得到的播種深度圖可在一定程度上表征地塊質(zhì)地信息，同時(shí)系統(tǒng)以行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，可根據(jù)設(shè)定播種深度實(shí)現(xiàn)對(duì)作業(yè)地塊播種深度信息，如平均播深、播深變異系數(shù)等的評(píng)價(jià)，為后續(xù)播種決策提供參考。

(3)播種深度變化特性試驗(yàn)表明，播種深度變化主頻幅值隨車速增加呈減小趨勢，且免耕地條件下幅值變化大于旋耕地，而功率譜密度振蕩主頻受地塊耕作方式和機(jī)具作業(yè)速度影響較小，主要在0.4 Hz以下，可為后續(xù)播深控制信號(hào)處理提供參考。系統(tǒng)田間試驗(yàn)結(jié)果表明，在6～10 km/h車速下，相比實(shí)際人工測量方式，系統(tǒng)監(jiān)測平均播深、合格率、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)最大值分別為50.01 mm、78.95%、8.95 mm和17.90%，相對(duì)誤差分別處于4.20%～9.74%、6.11%～17.92%、10.93%～16.32%和18.83%～19.79%之間，滿足設(shè)計(jì)需求，實(shí)現(xiàn)了對(duì)播種深度的監(jiān)測評(píng)價(jià)功能。