何永玲 吳 飛 李尚平 劉天翔 玉運(yùn)發(fā) 鄧樟林

(1.北部灣大學(xué)機(jī)械與船舶工程學(xué)院， 欽州 535011； 2.廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 南寧 530004；3.廣西民族大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院， 南寧 530006)

0 引言

甘蔗種植是甘蔗生產(chǎn)過(guò)程中勞動(dòng)強(qiáng)度最大的環(huán)節(jié)之一，其作業(yè)質(zhì)量直接影響新植蔗或宿根蔗的產(chǎn)量。我國(guó)甘蔗種植機(jī)研究較為薄弱，因此制約了甘蔗產(chǎn)量的增長(zhǎng)[1]。目前，我國(guó)生產(chǎn)的甘蔗種植機(jī)大多數(shù)是實(shí)時(shí)切種式，其自動(dòng)化程度低，機(jī)種率約36%，輔助排種需要人工多，勞動(dòng)強(qiáng)度大[2-3]。與人工種植相比，甘蔗機(jī)械化種植過(guò)程中易出現(xiàn)漏播、排種不均勻現(xiàn)象[4]，作業(yè)中常常通過(guò)人工補(bǔ)種來(lái)降低漏種率，因此加大了人工勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)成本等。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)播種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了很多研究，如國(guó)外應(yīng)用光電傳感器、激光等方法檢測(cè)甜菜、玉米等種子的粒距均勻性。國(guó)內(nèi)利用光電傳感器、高速攝影等方法監(jiān)測(cè)排種情況[5-7]。也有研究設(shè)計(jì)了補(bǔ)種裝置[8]，但目前對(duì)于甘蔗漏種還處于漏種監(jiān)測(cè)與標(biāo)識(shí)的水平。預(yù)切種式橫向種植技術(shù)采用深種淺覆蓋的方法，其排種的方向與壟溝垂直，具有植株密度合理、出芽率高、產(chǎn)量高、用種少的特點(diǎn)，有利于甘蔗抗倒伏和宜于甘蔗芽出苗。

本文針對(duì)其種植密度均勻性差、人工補(bǔ)種的勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低等問(wèn)題，從提高補(bǔ)種準(zhǔn)確性和補(bǔ)種穩(wěn)定性出發(fā)，提出在甘蔗橫向種植機(jī)上加裝一套補(bǔ)種裝置和控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)橫向種植機(jī)的實(shí)時(shí)補(bǔ)種。該系統(tǒng)采用分級(jí)傳動(dòng)方式，通過(guò)對(duì)補(bǔ)種裝置的充種、儲(chǔ)種、供種、護(hù)種及投種過(guò)程分析和試驗(yàn)探討，以期達(dá)到連續(xù)供種和連續(xù)補(bǔ)種的目的。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 種植機(jī)整體結(jié)構(gòu)

甘蔗橫向種植機(jī)主要由開(kāi)溝器、機(jī)架、傾倒裝置、鏈?zhǔn)讲シN器、補(bǔ)種裝置、輔助輪、覆土機(jī)構(gòu)、地輪、施肥機(jī)構(gòu)等組成。橫向種植機(jī)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 橫向種植機(jī)整體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Overall structure diagram of transverse planter1.開(kāi)溝器 2.機(jī)架 3.傾倒裝置 4.鏈?zhǔn)讲シN器與集蔗箱 5.補(bǔ)種裝置 6.輔助輪 7.覆土機(jī)構(gòu) 8.地輪 9.施肥機(jī)構(gòu) 10.蔗種落點(diǎn) 11.導(dǎo)蔗槽

圖2 試驗(yàn)樣機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic of test prototype structure1.導(dǎo)蔗板 2.蔗種 3.集蔗箱 4.傾倒裝置 5.補(bǔ)種裝置 6.播種器輸送帶1 7.播種器輸送帶2

1.2 整機(jī)工作原理

如圖2所示，工作時(shí)，拖拉機(jī)牽引種植機(jī)作業(yè)，由地輪轉(zhuǎn)動(dòng)為播種器和施肥機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力。將已裝框的蔗種通過(guò)傾倒裝置有序倒入集蔗槽中，兩側(cè)均有12框蔗種，可連續(xù)供種到集蔗箱中，再通過(guò)鏈?zhǔn)讲シN器連續(xù)有序地提升傳送進(jìn)行播種。補(bǔ)種系統(tǒng)安裝在鏈?zhǔn)讲シN器的傳送鏈上方，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有漏種情況，補(bǔ)種裝置立即進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)種，同時(shí)由單獨(dú)的供種箱向補(bǔ)種裝置供種，使其連續(xù)作業(yè)，蔗種最終通過(guò)鏈?zhǔn)讲シN器將蔗種導(dǎo)出橫向掉落到開(kāi)溝器開(kāi)好的溝中。然后利用施肥機(jī)構(gòu)進(jìn)行施肥，覆土機(jī)構(gòu)進(jìn)行最后覆土，完成蔗種種植過(guò)程。

1.3 補(bǔ)種裝置結(jié)構(gòu)

基于農(nóng)藝要求設(shè)計(jì)了具有有序排種、連續(xù)供種和及時(shí)精確補(bǔ)種功能的輥槽式補(bǔ)種裝置，該裝置主要由補(bǔ)種箱、提升機(jī)構(gòu)、儲(chǔ)蔗槽、補(bǔ)種輥耙、漏種檢測(cè)裝置、導(dǎo)流板、機(jī)架等組成，輥耙式甘蔗補(bǔ)種裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 輥耙式甘蔗補(bǔ)種裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structural schematic of rake-roller sugarcane replanting device1.漏種檢測(cè)裝置 2.蔗種 3.提升機(jī)構(gòu) 4.補(bǔ)種箱 5.半圓槽 6.補(bǔ)種輥耙 7.導(dǎo)流板 8.余量不足檢測(cè)裝置 9.儲(chǔ)蔗槽 10.支架 Ⅰ.充種區(qū) Ⅱ.儲(chǔ)種區(qū) Ⅲ.供種區(qū) Ⅳ.護(hù)種區(qū) Ⅴ.投種區(qū)

1.4 補(bǔ)種裝置工作原理

工作時(shí)，采用分級(jí)傳動(dòng)控制，由供種過(guò)程和補(bǔ)種過(guò)程組成。①供種過(guò)程：當(dāng)儲(chǔ)蔗槽中蔗種余量不足時(shí)，余量不足檢測(cè)裝置將檢測(cè)的信號(hào)傳給控制器，控制提升機(jī)構(gòu)動(dòng)作，及時(shí)將蔗種從補(bǔ)種箱里斜向上輸送，當(dāng)鏈槽越過(guò)最高點(diǎn)時(shí)，蔗種不再受鏈槽支持力，只受重力作用，蔗種做類(lèi)平拋運(yùn)動(dòng)掉入到儲(chǔ)蔗槽中，完成對(duì)補(bǔ)種輥耙的供種過(guò)程。②補(bǔ)種過(guò)程：當(dāng)漏種檢測(cè)裝置檢測(cè)發(fā)現(xiàn)播種器傳送帶的鏈槽中出現(xiàn)漏種，將信號(hào)傳至單片機(jī)，單片機(jī)輸出PWM脈沖信號(hào)控制補(bǔ)種輥耙工作，蔗種在離開(kāi)導(dǎo)流板瞬間做近似斜拋運(yùn)動(dòng)完成投種過(guò)程，即完成補(bǔ)種過(guò)程。

當(dāng)補(bǔ)種箱內(nèi)蔗種余量不足時(shí)，報(bào)警電路發(fā)出報(bào)警，提醒工作人員對(duì)補(bǔ)種箱蔗種進(jìn)行補(bǔ)給。在整個(gè)補(bǔ)種過(guò)程中，由于提升機(jī)構(gòu)的有序排種，儲(chǔ)蔗槽的有序儲(chǔ)蔗以及補(bǔ)種輥耙的準(zhǔn)確補(bǔ)種，補(bǔ)種裝置實(shí)現(xiàn)了不堵蔗、不卡蔗，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)和準(zhǔn)確補(bǔ)種的功能。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與分析

2.1 充種過(guò)程分析

充種過(guò)程中，提升機(jī)構(gòu)做角速度為ω(rad/s)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，底層蔗種隨著機(jī)構(gòu)有序地從補(bǔ)種箱中提升，提升機(jī)構(gòu)的半圓槽在提升過(guò)程中依次將蔗種充入槽內(nèi)。經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)提升機(jī)構(gòu)與水平面夾角θ取55.3°較合適，既可滿(mǎn)足將甘蔗提起又能保證一個(gè)槽只有一根蔗種[9]。

當(dāng)提升機(jī)構(gòu)工作時(shí)，蔗種的充種過(guò)程分析如圖4所示。

圖4 充種過(guò)程分析圖Fig.4 Stress analysis diagram of sugarcane species

由圖4蔗種受力分析可得

Gsinθ=F1cosα

(1)

Gcosθ=F1sinα

(2)

式中G——蔗種重力，N

F1——半圓槽對(duì)蔗種的支持力， N

α——F1與提升斜面的夾角，(°)

由式(1)、(2)可知，在提升機(jī)構(gòu)勻速提升過(guò)程中，半圓槽對(duì)蔗種的支持力F1一直存在，其隨著提升位置改變而改變，但蔗種始終保持相對(duì)平衡的狀態(tài)。

當(dāng)蔗種通過(guò)提升鏈送至儲(chǔ)種區(qū)時(shí)，由于蔗種從半圓槽中轉(zhuǎn)出時(shí)僅受自身重力和傳送帶的離心力作用，蔗種所受的向心力不足以維持蔗種在槽內(nèi)的穩(wěn)定狀態(tài)，因此蔗種沿半圓槽斜面切線(xiàn)滑出，蔗種按照斜拋運(yùn)動(dòng)被拋出，落入儲(chǔ)蔗槽中，完成儲(chǔ)蔗過(guò)程[10]。其儲(chǔ)蔗過(guò)程分析如圖5所示。

圖5 儲(chǔ)蔗過(guò)程分析圖Fig.5 Analysis diagram of sugarcane storage process

2.2 補(bǔ)種輥耙設(shè)計(jì)

2.2.1輥槽截面形狀

輥槽形狀和尺寸受蔗種品種、尺寸、形狀等的影響。本文選取半年蔗蔗種，按照雙蔗芽蔗種要求進(jìn)行預(yù)切種，經(jīng)測(cè)量蔗種直徑為25～30 mm，長(zhǎng)度380 mm左右，蔗種形狀近似圓柱體，有微小的彎曲變形，根據(jù)蔗種的形狀特征將槽型定為近似矩形(如圖6所示)。

圖6 補(bǔ)種輥耙結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Schematic of replanting roller rake structure

本研究選用有助于順利供種和減輕供種過(guò)程中儲(chǔ)蔗槽對(duì)蔗種損傷的矩形形狀槽型，其一側(cè)帶有圓弧倒角，將儲(chǔ)蔗槽對(duì)蔗種的力有效地分解掉，同時(shí)蔗種在此過(guò)程中發(fā)生滾動(dòng)從而保護(hù)了蔗種不被損傷。根據(jù)控制設(shè)計(jì)要求，每個(gè)輥槽中只能存放一根蔗種，輥槽寬度b和高度h須滿(mǎn)足[11]

(3)

式中dmax——蔗種最大直徑，mm

k——蔗種撓度補(bǔ)償系數(shù)，mm

通過(guò)抽取150 kg甘蔗樣品得到甘蔗最大直徑dmax≈35 mm，dmin≈20 mm。考慮到蔗種撓度且預(yù)切種時(shí)已對(duì)蔗種挑選過(guò)，k≤0.1dmax，取3.5 mm。由式(3)計(jì)算得35 mm

2.2.2輥耙直徑

排種輪直徑的設(shè)計(jì)也尤為重要，設(shè)計(jì)得較大會(huì)導(dǎo)致排種器及其他部件增大;設(shè)計(jì)得太小會(huì)導(dǎo)致供種的困難。因此，排種輪直徑設(shè)計(jì)時(shí)，既要滿(mǎn)足種子良好的填充性能，又要保證相對(duì)緊湊合理的部件結(jié)構(gòu)，考慮到補(bǔ)種輥耙上應(yīng)同時(shí)有4個(gè)槽儲(chǔ)備蔗種的要求，根據(jù)蔗種平均直徑計(jì)算，本研究補(bǔ)種輥耙直徑初定為200 mm[12]。

2.3 供種過(guò)程分析

當(dāng)補(bǔ)種輥耙工作時(shí)，儲(chǔ)蔗槽中的蔗種沿輥耙的曲面滾動(dòng)到輥槽中完成供種過(guò)程[13]。供種過(guò)程分析如圖7所示。

圖7 供種過(guò)程分析圖Fig.7 Analysis diagram of seed supply process

蔗種在儲(chǔ)蔗槽中的受力情況如下

G+F4cosβ=F3cosγ

(4)

f+F3sinγ+F4sinβ=F2

(5)

式中F2——儲(chǔ)蔗槽對(duì)蔗種的作用力，N

F3——輥耙對(duì)蔗種的彈力，N

F4——蔗種間相互作用力，N

f——輥槽對(duì)蔗種的摩擦力，N

β——蔗種之間的作用力方向與豎直方向的夾角，(°)

γ——蔗種對(duì)補(bǔ)種輥耙的彈力方向與豎直方向的夾角，(°)

隨著輥耙的轉(zhuǎn)動(dòng)，蔗種沿輥耙槽的圓弧曲面滾動(dòng)，同時(shí)F2也隨之變化，最后落入到輥槽中完成供種過(guò)程。

2.4 護(hù)種過(guò)程分析

當(dāng)補(bǔ)種輥耙工作時(shí)，輥槽中的蔗種做圓周運(yùn)動(dòng)完成護(hù)種過(guò)程，避免過(guò)多的蔗種落入，確保補(bǔ)種的精確性。蔗種在補(bǔ)種輥槽中的受力分析如圖8所示。

圖8 護(hù)種過(guò)程分析圖Fig.8 Analysis diagram of seed protection process

蔗種在輥槽中受力分析為

Gsinη=F5

(6)

(7)

式中F5——補(bǔ)種輥槽對(duì)蔗種的彈力，N

F6——導(dǎo)流板對(duì)蔗種的支持力，N

F——提供蔗種做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力，N

η——向心力方向與豎直方向的夾角，(°)

v——補(bǔ)種輥耙的轉(zhuǎn)動(dòng)線(xiàn)速度，m/s

m——蔗種質(zhì)量，kg

R——補(bǔ)種輥耙半徑，mm

2.5 投種過(guò)程分析

對(duì)投種過(guò)程中蔗種進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，蔗種在輥耙中做轉(zhuǎn)速為n的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，蔗種在離開(kāi)導(dǎo)流板瞬間，只受重力作用，使蔗種沿導(dǎo)流板切線(xiàn)方向以初速度v1做斜拋運(yùn)動(dòng)[14]，其投種運(yùn)動(dòng)過(guò)程分析如圖9所示。

圖9 投種過(guò)程分析圖Fig.9 Analysis diagram of seed feeding process

在忽略空氣阻力影響下，對(duì)投種臨界位置進(jìn)行速度分析，受輥耙切向力的作用，蔗種經(jīng)導(dǎo)流板投出的初速度為v1=2πRn。速度為

(8)

在重力作用下蔗種的運(yùn)動(dòng)軌跡為

(9)

將式(8)代入式(9)可得蔗種絕對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡為

(10)

式中x——正面水平方向位移，mm

y——側(cè)面豎直方向位移，mm

g——重力加速度，m/s2

φ——蔗種經(jīng)導(dǎo)流板投出的速度方向與水平方向的夾角，(°)

t0——蔗種投送運(yùn)動(dòng)時(shí)間，s

v1x——投種速度水平方向分量，m/s

v1y——投種速度豎直方向分量，m/s

2.6 輥耙補(bǔ)種過(guò)程仿真分析

利用SoildWorks建立模型導(dǎo)入ADAMS中，仿真模型如圖10所示。研究蔗種在輥耙儲(chǔ)蔗槽和導(dǎo)流板作用下的受力情況及軌跡變化[15]，位移-時(shí)間變化曲線(xiàn)如圖11所示，加速度-時(shí)間變化曲線(xiàn)如圖12所示。

圖10 輥耙補(bǔ)種過(guò)程仿真模型Fig.10 Simulation model of roller rake replenishment process1.播種器輸送帶 2.補(bǔ)種輥耙 3.儲(chǔ)蔗槽 4.導(dǎo)流板 5.蔗種

圖11 位移-時(shí)間變化曲線(xiàn)Fig.11 Changing curve of displacement with time

圖12 加速度-時(shí)間變化曲線(xiàn)Fig.12 Changing curve of acceleration with time

圖11中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ分別代表供種、護(hù)種和投種過(guò)程，由圖12可分析出，0.8～2.3 s時(shí)間段內(nèi)，蔗種在輥耙槽的圓弧曲面滾動(dòng)完成供種過(guò)程對(duì)應(yīng)的合力由大變小，將集中力通過(guò)圓弧曲面分解，同時(shí)將蔗種耙入槽內(nèi)，有效解決了卡蔗和堵蔗問(wèn)題，仿真情況與理論分析一致，說(shuō)明該補(bǔ)種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。

3 補(bǔ)種控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 漏種檢測(cè)系統(tǒng)組成與檢測(cè)原理

控制系統(tǒng)以AT89C52單片機(jī)為控制中心，由電源模塊、光電檢測(cè)、中央處理單元、補(bǔ)種模塊、數(shù)碼管顯示模塊、蜂鳴報(bào)警模塊等構(gòu)成，補(bǔ)種控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖13所示。

圖13 補(bǔ)種控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖Fig.13 Hardware structure block diagram of replenishment control system

其中，光電檢測(cè)部分采用對(duì)射型激光傳感器。該傳感器的工作原理為：對(duì)射型光電傳感器將光源發(fā)射器與接收器相對(duì)放置，工作時(shí)光線(xiàn)正常導(dǎo)通，當(dāng)光線(xiàn)被遮擋時(shí),接收器在未收到光線(xiàn)時(shí)輸出信號(hào)[16]。當(dāng)蔗種播種傳送帶正常工作時(shí)，光電傳感器檢測(cè)鏈槽中有無(wú)蔗種，將光照強(qiáng)度的變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)[17]，當(dāng)鏈槽中有蔗種時(shí)傳感器輸出高電平，反之，傳感器輸出低電平，單片機(jī)判斷該鏈槽漏種。根據(jù)實(shí)際需要本設(shè)計(jì)采用E3F-5DN1 NPN型激光傳感器，補(bǔ)種檢測(cè)控制裝置實(shí)物圖如圖14所示。

圖14 補(bǔ)種檢測(cè)控制裝置實(shí)物圖Fig.14 Physical map of replenishment testing1.鏈槽 2.激光傳感器 3.鏈槽孔 4.蔗種

3.2 自動(dòng)供種原理

當(dāng)儲(chǔ)蔗槽里蔗種不足時(shí)傳感器輸出低電平信號(hào)，單片機(jī)判斷該儲(chǔ)蔗槽余量不足，驅(qū)動(dòng)供種電機(jī)動(dòng)作，將預(yù)先切好的蔗種通過(guò)提升鏈槽傳送到儲(chǔ)蔗槽中，保證補(bǔ)種動(dòng)作的正常進(jìn)行，儲(chǔ)蔗槽余量檢測(cè)示意圖如圖15所示。

圖15 供種檢測(cè)示意圖Fig.15 Replanting detection diagram1.提升鏈槽 2、6.蔗種 3.供種電機(jī) 4.激光傳感器 5.儲(chǔ)蔗槽

3.3 自動(dòng)補(bǔ)種原理

補(bǔ)種試驗(yàn)過(guò)程中，設(shè)從傳感器位置到輥耙將蔗種導(dǎo)出投落到鏈槽的位置為S(m)；蔗種通過(guò)輥槽轉(zhuǎn)動(dòng)1/N周掉落到鏈槽中，播種器輸送帶1的速度為v0(m/s)，則延時(shí)時(shí)間為t2(s)，計(jì)算式為

(11)

式中t1——完成一次補(bǔ)種所用時(shí)間，s

t——從檢測(cè)到漏種信號(hào)到補(bǔ)種完成所用時(shí)間，s

圖16 單片機(jī)與外圍電路連接電路Fig.16 Connecting circuit between single chip microcomputer and peripheral circuit

T——補(bǔ)種輥耙轉(zhuǎn)動(dòng)周期，s

N——補(bǔ)種輥耙槽數(shù)

3.4 硬件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)中，單片機(jī)系統(tǒng)模塊主要由單片機(jī)和外圍電路組成。單片機(jī)作為該控制系統(tǒng)的主核心芯片，對(duì)傳感器采集的信息具有處理分析的功能。AT89C52是一款高性能CMOS 8位單片機(jī)，4k字節(jié)FLASH閃速存儲(chǔ)器，128字節(jié)內(nèi)部RAM，32個(gè)I/O口線(xiàn)，2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，1個(gè)5向量?jī)杉?jí)中斷結(jié)構(gòu)，1個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路[18]。其外圍電路主要包括外部時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊及步進(jìn)電機(jī)等。單片機(jī)與外圍電路連接圖如圖16所示。

3.5 軟件設(shè)計(jì)

補(bǔ)種系統(tǒng)的控制部分主要依靠激光傳感器監(jiān)測(cè)鏈槽漏種情況，在發(fā)生漏播時(shí)，步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)開(kāi)始執(zhí)行補(bǔ)種作業(yè)，在集蔗槽出現(xiàn)余量不足時(shí)，步進(jìn)電機(jī)執(zhí)行供種作業(yè)，在集蔗箱余量不足時(shí)進(jìn)行報(bào)警通知，相應(yīng)的補(bǔ)種控制流程如圖17所示。

圖17 補(bǔ)種控制流程圖Fig.17 Flow chart of supplementary control

4 臺(tái)架試驗(yàn)與結(jié)果分析

4.1 補(bǔ)種試驗(yàn)臺(tái)

本試驗(yàn)主要是對(duì)蔗種補(bǔ)種系統(tǒng)的補(bǔ)種性能進(jìn)行檢測(cè)，建立試驗(yàn)平臺(tái)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，并測(cè)試其相關(guān)技術(shù)指標(biāo)[19]。補(bǔ)種試驗(yàn)臺(tái)實(shí)物圖如圖18所示。

圖18 補(bǔ)種試驗(yàn)臺(tái)實(shí)物圖Fig.18 Physical photo of replenishment test-bed1.計(jì)算機(jī) 2.播種器 3.單片機(jī)控制系統(tǒng) 4.補(bǔ)種裝置 5.示波器 6.電機(jī) 7.電機(jī)變頻器

在試驗(yàn)過(guò)程中，補(bǔ)種裝置固定在機(jī)架上，播種器輸送帶逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)完成排種動(dòng)作，通過(guò)攝像裝置進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)并采集數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)量各項(xiàng)性能指標(biāo)。

4.2 試驗(yàn)內(nèi)容與方法

試驗(yàn)材料為提前切好的蔗種段，放入蔗種框中，每框平均75根，將每框蔗種通過(guò)傾倒裝置倒入播種器集蔗箱中進(jìn)行排種，在播種器排種株距保持在30 cm內(nèi)的情況下，當(dāng)排種過(guò)程中出現(xiàn)漏種時(shí)進(jìn)行補(bǔ)種試驗(yàn)，每次試驗(yàn)重復(fù)3次。播種器的輸送帶用電機(jī)模擬拖拉機(jī)的5個(gè)速度擋位，對(duì)應(yīng)播種器輸送帶的5個(gè)行進(jìn)速度。自主設(shè)計(jì)自動(dòng)補(bǔ)種試驗(yàn)裝置并搭建試驗(yàn)平臺(tái)，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行試驗(yàn)研究。試驗(yàn)選取行進(jìn)速度x1和補(bǔ)種輥槽數(shù)x2兩個(gè)因素，根據(jù)拖拉機(jī)行進(jìn)擋位要求，確定影響因素取值范圍為3～8 km/h、補(bǔ)種輥耙槽數(shù)2～10個(gè)，以補(bǔ)種成功率、重置率為指標(biāo)。試驗(yàn)采用二因素五水平二次旋轉(zhuǎn)正交組合設(shè)計(jì)試驗(yàn)。

補(bǔ)種成功率：在種植過(guò)程中，用攝像裝置記錄漏種(排種器輸送帶上的鏈槽中沒(méi)有蔗種)次數(shù)和補(bǔ)種次數(shù)，補(bǔ)種成功率則為補(bǔ)種成功次數(shù)與漏種次數(shù)比值。每種試驗(yàn)重復(fù)3次，取平均值。其計(jì)算公式為

(12)

式中y1——補(bǔ)種成功率

n1——補(bǔ)種成功次數(shù)

H——漏種次數(shù)

重置率：在種植過(guò)程中，用攝像裝置記錄重置(排種器輸送帶上鏈槽中多補(bǔ)的蔗種)次數(shù)，重置率則為重置次數(shù)與每次試驗(yàn)所用蔗種的根數(shù)百分比。每種試驗(yàn)重復(fù)3次，取平均值。其計(jì)算公式為

(13)

式中y2——重置率n2——重置次數(shù)

M——每次試驗(yàn)所用蔗種的根數(shù)

4.3 多因素試驗(yàn)及結(jié)果分析

4.3.1試驗(yàn)方案及結(jié)果

根據(jù)單因素試驗(yàn)研究結(jié)果，進(jìn)一步研究補(bǔ)種輥槽數(shù)和行進(jìn)速度兩因素組合對(duì)補(bǔ)種裝置補(bǔ)種性能的影響。固定提升電機(jī)轉(zhuǎn)速為12.9 r/min,補(bǔ)種電機(jī)轉(zhuǎn)速為12.9 r/min，補(bǔ)種軸高度為215 mm時(shí)[20-21]，試驗(yàn)因素編碼如表1所示(表中x2取值為圓整結(jié)果)，試驗(yàn)方案與結(jié)果如表2所示。

表1 試驗(yàn)因素編碼Tab.1 Coding of experimental factors

根據(jù)正交旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)所得的結(jié)果以及方差分析(表3)得，F(xiàn)x1=216.46>F0.05(1，10)=4.96，P<0.01；由表3可得，F(xiàn)x2=68.49>F0.05(1，10)=4.96，P<0.01。由此可知行進(jìn)速度對(duì)補(bǔ)種成功率的影響為極顯著，補(bǔ)種輥槽數(shù)對(duì)補(bǔ)種成功率的影響為極顯著。

4.3.2兩因素交互作用對(duì)性能指標(biāo)的影響

通過(guò)Design-Expert 8.0.6軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得出行進(jìn)速度和補(bǔ)種輥槽數(shù)對(duì)補(bǔ)種成功率和重置率的響應(yīng)曲面如圖19所示。

由圖19a可知，當(dāng)補(bǔ)種輥槽數(shù)一定時(shí)，隨著行進(jìn)速度的增大，補(bǔ)種成功率呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)；當(dāng)行進(jìn)速度一定時(shí)，隨著補(bǔ)種輥槽數(shù)的增加，補(bǔ)種成功率顯現(xiàn)上升的趨勢(shì)。補(bǔ)種成功率最大值出現(xiàn)在行進(jìn)速度為3.0 km/h處、補(bǔ)種輥槽數(shù)為10個(gè)處，行進(jìn)速度對(duì)補(bǔ)種成功率的影響大于補(bǔ)種輥槽數(shù)的影響。

表2 試驗(yàn)方案與結(jié)果Tab.2 Test plan and experimental result

表3 補(bǔ)種成功率方差分析Tab.3 Variance analysis of success rate of replenishment

注：P<0.01表示差異極顯著；0.01≤P≤0.05表示差異顯著,下同。

圖19 雙因素響應(yīng)曲面Fig.19 Two-factor response surface

圖19b為重置率的雙因素響應(yīng)曲面。當(dāng)補(bǔ)種輥槽數(shù)一定時(shí)，隨著行進(jìn)速度的增大，重置率呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)；當(dāng)行進(jìn)速度一定時(shí)，隨著補(bǔ)種輥槽數(shù)的增加，重置率呈現(xiàn)緩慢增加的趨勢(shì)，但是變化幅度較小。重置率最小值出現(xiàn)在行進(jìn)速度為3 km/h、補(bǔ)種輥槽數(shù)為2個(gè)處，補(bǔ)種輥槽數(shù)對(duì)重置率無(wú)顯著性影響，行進(jìn)速度對(duì)重置率有顯著性影響。

4.3.3驗(yàn)證分析及其優(yōu)化

由Excel軟件對(duì)全部試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行二元二次回歸分析可得回歸方程模型

(14)

由表4可知，行進(jìn)速度對(duì)重置率影響顯著(P<0.01)，其他項(xiàng)對(duì)重置率影響不顯著(P>0.01)，故剔除其他項(xiàng)后的方程為

y2=-3.58+1.758x1 (15)

由Excel規(guī)劃求解求得最優(yōu)解：行進(jìn)速度為3 km/h、補(bǔ)種輥槽數(shù)為10個(gè)，得補(bǔ)種成功率為93.97%，重置率為1.69%，與圖19所得分析結(jié)果一致。

5 結(jié)論

(1)結(jié)合設(shè)計(jì)的甘蔗橫向種植機(jī)，設(shè)計(jì)了一套基于51單片機(jī)控制的甘蔗實(shí)時(shí)補(bǔ)種系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了分級(jí)傳動(dòng)的實(shí)時(shí)補(bǔ)種裝置，通過(guò)光電傳感器的實(shí)時(shí)檢測(cè)和單片機(jī)控制，可實(shí)現(xiàn)漏種檢測(cè)，并對(duì)甘蔗種植過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)種。

(2)以行進(jìn)速度和補(bǔ)種輥槽數(shù)為試驗(yàn)因素，以補(bǔ)種成功率和重置率為補(bǔ)種性能指標(biāo)，進(jìn)行了二因素五水平正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，行進(jìn)速度對(duì)補(bǔ)種成功率的影響極顯著，補(bǔ)種輥槽數(shù)對(duì)補(bǔ)種成功率影響極顯著；當(dāng)行進(jìn)速度為3 km/h、補(bǔ)種輥槽數(shù)為10個(gè)時(shí)，補(bǔ)種成功率為93.97%，重置率為1.69%。

(3)試驗(yàn)表明，僅通過(guò)播種器很難實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)播種，而運(yùn)用機(jī)電結(jié)合的方式可以較好地解決蔗種漏種的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)漏種檢測(cè)和實(shí)時(shí)補(bǔ)種，從而提高甘蔗的播種率。