官洪民，李 娟，王鐵偉

(青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266109)

0 引言

馬鈴薯是國(guó)家糧食安全戰(zhàn)略作物之一，而馬鈴薯聯(lián)合播種裝備是馬鈴薯產(chǎn)業(yè)至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。農(nóng)業(yè)機(jī)械化是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要標(biāo)志，在鄉(xiāng)村振興中發(fā)揮著重要的裝備支撐、技術(shù)引領(lǐng)和勞動(dòng)代替作用[1-5]。

目前，在農(nóng)業(yè)播種過(guò)程中，排種器漏播實(shí)時(shí)檢測(cè)方法方面的研究已經(jīng)取得諸多成果，在自動(dòng)補(bǔ)種方面也有一定研究[6-13]。這些研究主要是針對(duì)玉米、蔬菜等小粒種子的排種系統(tǒng)，其與馬鈴薯排種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、工作原理差異較大。

馬鈴薯播種由于大部分是切塊種植，薯塊形狀、大小不一，使得種勺取種困難，容易產(chǎn)生漏種現(xiàn)象。通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)和作業(yè)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以降低漏播率，但改進(jìn)后的排種器仍有7%左右的漏播率[14-15]。針對(duì)這些問(wèn)題，曹東[16]提出了漏播檢測(cè)預(yù)警的辦法。張曉東等[17]采用光電對(duì)輸種管的薯種流動(dòng)進(jìn)行檢測(cè)，但檢測(cè)的是薯種流動(dòng)規(guī)律，存在著當(dāng)播種機(jī)前進(jìn)速度變化時(shí)，這一規(guī)律就會(huì)破壞的問(wèn)題，從而對(duì)漏播有一定的影響。孫偉等[18]利用光電、霍爾傳感器檢測(cè)薯種，但其是通過(guò)增加補(bǔ)種裝置的方式解決漏播的問(wèn)題。孫傳祝等[19]根據(jù)液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速、播種機(jī)播種速度及播種株距3者之間關(guān)系建立播種株距控制系統(tǒng)，以減小漏播率，但若有漏播無(wú)法補(bǔ)種。樊婧婧等[20]介紹了以PLC、霍爾傳感器組成的播種控制系統(tǒng)。楊浩等[21]總結(jié)了我國(guó)馬鈴薯精密播種技術(shù)存在的不足，并提出相應(yīng)的解決對(duì)策。

針對(duì)上述存在的問(wèn)題，研發(fā)一種由光電、壓電和霍爾多種傳感器融合測(cè)量的關(guān)鍵技術(shù)和方法，以提高薯種漏播檢測(cè)精準(zhǔn)性；設(shè)計(jì)基于單片機(jī)控制的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的排種器勺鏈運(yùn)轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)；創(chuàng)建加速補(bǔ)種的控制數(shù)學(xué)模型；實(shí)現(xiàn)無(wú)需單獨(dú)增加補(bǔ)種裝置的集播、檢、補(bǔ)于一體的智能化馬鈴薯播種機(jī)設(shè)計(jì)；解決傳統(tǒng)排種器結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性、易漏種和難監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，保證檢測(cè)可靠性和補(bǔ)償準(zhǔn)確性。

1 總體方案

播種器與傳統(tǒng)馬鈴薯播種機(jī)不同點(diǎn)：排種裝置采用鏈條或膠帶升運(yùn)排種方式(本文采用鏈條升運(yùn)排種方式)，基于單片機(jī)的馬鈴薯智能測(cè)控系統(tǒng)對(duì)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的排種器勺鏈運(yùn)轉(zhuǎn)的控制，完成取種和排種及補(bǔ)種三位一體的馬鈴薯播種智能化控制。

馬鈴薯播種智能化控制系統(tǒng)以單片機(jī)為核心嵌入主控系統(tǒng)，由播種機(jī)行走速度感知、種勺運(yùn)行感知、光電薯種感知、壓電薯種感知、直流電機(jī)控制部分、通訊接口和觸摸屏等部分構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)原理Fig.1 Principle of control system

1.1 傳感器布局

薯種檢測(cè)是由霍爾、光電和壓電傳感器相互融合，組成多級(jí)檢測(cè)，從而提高檢測(cè)的靈敏度?；魻枴⒐怆姾蛪弘妭鞲衅鞯陌惭b結(jié)構(gòu)如圖2所示。

霍爾傳感器在光電傳感器下方安裝，光電傳感器設(shè)置在勺鏈兩側(cè)的機(jī)箱上。取種勺的上沿設(shè)置有缺口，壓電傳感器固定設(shè)置在機(jī)箱上且與取種勺缺口相對(duì)應(yīng)，取種勺的側(cè)面中心位置處設(shè)置有磁性金屬片?；魻杺鞲衅鞴潭ㄔO(shè)置在機(jī)箱上且某一時(shí)刻與取種勺上的磁性金屬片相對(duì)應(yīng)。光電傳感器和壓電傳感器前后在同一水平面上，勺鏈帶動(dòng)取種勺上下順循環(huán)運(yùn)動(dòng)，在某一時(shí)刻，光電傳感器與薯種對(duì)齊、霍爾傳感器與取種勺對(duì)齊，壓電傳感器在某一時(shí)刻位于取種勺的缺口處，以感知薯種的壓力。

1.光電傳感器 2.取種勺 3.種勺缺口 4.勺鏈 5.磁性金屬片 6.霍爾傳感器 7.壓電傳感器圖2 傳感器布局結(jié)構(gòu)和實(shí)物Fig.2 Sensor layout structure and physical object

1.2 檢測(cè)與補(bǔ)種工作原理

由于薯種的不規(guī)則性，僅用一種傳感器難以精準(zhǔn)判斷它是否存在，所以同時(shí)采用不同傳感器對(duì)薯種進(jìn)行多重檢測(cè)，將檢測(cè)信號(hào)送入控制器進(jìn)行處理。只有當(dāng)霍爾傳感器檢測(cè)到種勺時(shí)，光電及壓電傳感器信號(hào)才起作用，即只有當(dāng)霍爾輸出為“1”情況下，光電及壓電傳感器二者輸出信號(hào)進(jìn)行邏輯“或”運(yùn)算，若為“1”，即光電及壓電傳感器信號(hào)任意一個(gè)為“1”時(shí)，說(shuō)明正常不缺種；光電及壓電傳感器信號(hào)都為“0”時(shí)，則為缺種。其中霍爾傳感器有雙重作用，除上述作用外，另一作用是記錄缺種種勺的數(shù)量，便于及時(shí)發(fā)出補(bǔ)種信號(hào)命令。當(dāng)判別是缺種時(shí)，計(jì)數(shù)器開始工作，當(dāng)霍爾傳感器計(jì)數(shù)值P≥A-1(A-1為排鐘時(shí)刻，A為缺種的種勺到背面下端排種位置種勺的個(gè)數(shù)，本文播種機(jī)A=10)，發(fā)出補(bǔ)種命令使相應(yīng)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)加速運(yùn)行，將缺種鏈勺快速略過(guò)，即將下一個(gè)鏈勺上的薯種取代缺種并快速排入溝槽中，完成檢測(cè)、補(bǔ)種的過(guò)程。

1.3 加速補(bǔ)種數(shù)學(xué)模型建立

基于直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)排種器的關(guān)鍵技術(shù)，確定電機(jī)驅(qū)動(dòng)速度與地輪速度相互協(xié)調(diào)的自適應(yīng)控制關(guān)系，建立相互作用的數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)出下列公式

(1)

式中S——株距，mm

L——兩鏈勺距離，mm

V排——勺鏈線速度，mm/s

V地——地輪速度，mm/s

加速補(bǔ)種是當(dāng)檢測(cè)該勺無(wú)種時(shí)，在該勺需排種的前一時(shí)刻，系統(tǒng)加速該勺使下一勺種補(bǔ)上該位置的播種。該控制系統(tǒng)包括缺種判斷模塊、補(bǔ)種計(jì)數(shù)模塊及速度控制模塊，智能控制器接收漏播檢測(cè)傳感器及霍爾傳感器檢測(cè)信號(hào)后，由缺種判斷模塊判斷取種勺是否缺種，若缺種，則結(jié)合霍爾傳感器由補(bǔ)種計(jì)數(shù)模塊進(jìn)行計(jì)數(shù)。設(shè)當(dāng)前缺種位置與排種位置之間有A個(gè)取種勺，則當(dāng)補(bǔ)種計(jì)數(shù)模塊計(jì)數(shù)為A-1時(shí)，由速度控制模塊控制排種的直流電機(jī)加速，越過(guò)當(dāng)前缺種勺，從而由下一個(gè)有種的取種勺對(duì)當(dāng)前缺種位置進(jìn)行補(bǔ)種。

裝置底輪直徑650 mm，直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的播種鏈條齒輪直徑65 mm，勺距150 mm；底輪測(cè)速傳感器采用磁電式增量編碼器，分辨率4 096，即一圈輸出脈沖數(shù)為4 096，設(shè)20 ms程序檢測(cè)的編碼數(shù)為n(即脈沖數(shù))，則非缺種情況下的排種器轉(zhuǎn)速與地輪行走感知傳感器輸出脈沖的關(guān)系為(排種器轉(zhuǎn)速自適應(yīng)地輪行走控制)

(2)

若缺種的情況下，加速補(bǔ)種時(shí)刻的排種轉(zhuǎn)速為正常播種轉(zhuǎn)速的兩倍，則加速補(bǔ)種時(shí)刻的轉(zhuǎn)速為

(3)

式中s——株距，mm

n——轉(zhuǎn)速，rad/min

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

2.1.1 主控部分

主控系統(tǒng)以STC15系列的單片機(jī)為核心，如圖3所示。一壟兩行播種檢測(cè)需7個(gè)傳感器，它們是光電傳感器(2個(gè))、霍爾傳感器(2個(gè))、壓電傳感器(2個(gè))及行走速度傳感器(1個(gè))。速度測(cè)量傳感器選用國(guó)產(chǎn)TJK-M12型，速度測(cè)量輸入P1.0-P1.1。壓電傳感器選用DT1-28系列，經(jīng)電路處理輸入到P1.2-P1.3。WPM輸出端P3.4-P3.5，RS-485通訊接入端P3.0-P3.1、P3.3，通訊接口可接入觸摸屏。

圖3 主控電路Fig.3 Main control circuit

光電傳感器選擇日本生產(chǎn)的PR-M51系列傳感器，CM2-45P霍爾傳感器。它們輸出的均為脈沖數(shù)字量信號(hào)，采用高速光耦隔離以提高抗干擾能力，分別接入電路J2-1至J2-5，通過(guò)光耦O1-O5將信號(hào)傳入單片P2.3-P2.7，如圖4所示。

圖4 信號(hào)輸入隔離電路Fig.4 Signal input isolation circuit

2.1.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與信號(hào)處理電路

直流電機(jī)采用伺服控制模塊驅(qū)動(dòng)，該模塊控制信號(hào)輸入電壓0～5 V，控制系統(tǒng)是由單片機(jī)P3.4與P3.5輸出兩路WPM經(jīng)U3運(yùn)算放大器將處理輸出0～5 V的模擬電壓，如圖5所示。

圖5 WPM信號(hào)轉(zhuǎn)換電路Fig.5 WPM signal conversion circuit

存儲(chǔ)電路是由U2集成電路AT2432，32K字節(jié)的存儲(chǔ)空間足以滿足控制系統(tǒng)參數(shù)及數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，該電路5-6腳分別由單片機(jī)P2.0和P2.1控制讀寫，如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路Fig.6 Data storage circuit

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.2.1 主程序

馬鈴薯播種機(jī)智能控制系統(tǒng)軟件主程序，主要用于完成控制系統(tǒng)各部分初始化及實(shí)現(xiàn)各功能子程序的調(diào)用，從而控制播種機(jī)正常工作。

系統(tǒng)軟件流程主要分為以下4個(gè)過(guò)程，其工作流程如圖7所示。

圖7 主程序流程Fig.7 Main program flow

(1)系統(tǒng)初始化：系統(tǒng)初始化包括定時(shí)器、看門狗、相關(guān)寄存、WPM發(fā)生器、中斷功能和通訊口等有關(guān)程序初始化，使系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)。

(2)數(shù)據(jù)采集：系統(tǒng)采集的傳感器數(shù)據(jù)經(jīng)內(nèi)部處理便于控制與顯示。

(3)數(shù)據(jù)與信息交互：系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)串口通訊傳到觸摸屏上顯示；通過(guò)操作觸摸屏向主控系統(tǒng)進(jìn)行信息傳遞與參數(shù)設(shè)置(啟動(dòng)按鈕、株距設(shè)定等參數(shù)設(shè)置)，使操作者直接觀察實(shí)時(shí)測(cè)控?cái)?shù)據(jù)與信息交互。

(4)控制系統(tǒng)：當(dāng)按下觸摸屏上的啟動(dòng)按鈕時(shí)，開啟控制子程序，系統(tǒng)對(duì)測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較、判斷等過(guò)程處理后，做出相應(yīng)的控制。

2.2.2 播種控制軟件設(shè)計(jì)

播種控制器軟件工作流程如圖8所示。

圖8 播種控制程序流程Fig.8 Seeding control program flow

(1)系統(tǒng)初始化。

(2)讀取系統(tǒng)設(shè)置值及測(cè)量數(shù)據(jù)，判斷播種機(jī)是否前進(jìn)，若行進(jìn)，解析控制指令，驅(qū)動(dòng)播種器上的直流電機(jī)使其運(yùn)行，否則直流電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

(3)直流電機(jī)自適應(yīng)行走輪的數(shù)學(xué)模型控制。

(4)通過(guò)霍爾傳感器測(cè)量判斷運(yùn)行的種勺是否經(jīng)過(guò)該傳感器，若經(jīng)過(guò)則讀取光電、壓電感知傳感器值記入，否則檢測(cè)情況不記入。

(5)根據(jù)光電及壓電傳感器二者輸出信號(hào)進(jìn)行邏輯“或”運(yùn)算結(jié)果判斷是否正常。

(6)若正常則系統(tǒng)轉(zhuǎn)入正常自適應(yīng)控制播種，否則，轉(zhuǎn)入補(bǔ)種工作狀態(tài)。

(7)若轉(zhuǎn)入補(bǔ)種工作狀態(tài)，則系統(tǒng)計(jì)數(shù)器P，開始通過(guò)霍爾傳感器記錄勺鏈運(yùn)行時(shí)種勺經(jīng)過(guò)霍爾傳感器的個(gè)數(shù)。

(8)判斷是否達(dá)到補(bǔ)種時(shí)刻(P≥A-1)，若沒(méi)達(dá)到，系統(tǒng)將繼續(xù)運(yùn)行，若達(dá)到了，則電機(jī)加速運(yùn)行補(bǔ)種。

(9)系統(tǒng)判斷補(bǔ)種是否結(jié)束，若沒(méi)結(jié)束，繼續(xù)運(yùn)行，若結(jié)束了，則系統(tǒng)轉(zhuǎn)入正常自適應(yīng)控制播種。

3 驗(yàn)證試驗(yàn)

系統(tǒng)實(shí)物如圖9所示。正交試驗(yàn)方案中，播種機(jī)以2～8 km/h作業(yè)速度進(jìn)行試驗(yàn)，株距設(shè)定300 mm，選取每次播種過(guò)程中，一行的3個(gè)測(cè)量段進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，每段測(cè)量50個(gè)種薯的間距，共選取150個(gè)種薯進(jìn)行株距測(cè)量，測(cè)量3次，計(jì)算出株距變異系數(shù)、種子漏播率等性能指標(biāo)，排除誤差，取均值作為測(cè)試結(jié)果[22-23]。

圖9 系統(tǒng)實(shí)物Fig.9 System object

通過(guò)Matlab軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得出交互作用對(duì)3個(gè)試驗(yàn)指標(biāo)影響的響應(yīng)三維圖，如圖10～11所示。由圖10可知，當(dāng)設(shè)置株距300 mm時(shí)，作業(yè)速度由2 km/h增加到10 km/h，其合格率降低2%，株距逐漸增加。由圖11可知，當(dāng)設(shè)置株距300 mm時(shí)，作業(yè)速度由2 km/h增加到10 km/h，其漏播率增加0.5%，株距逐漸增加，但都符合作業(yè)要求。通過(guò)上述數(shù)據(jù)測(cè)試與分析可以看出，該機(jī)各項(xiàng)技術(shù)性能指標(biāo)均達(dá)到了馬鈴薯播種機(jī)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

圖10 行走速度與設(shè)置株距偏離合格率Fig.10 Qualified rate of deviation between walking speed and set spacing

圖11 行走速度與設(shè)置株距對(duì)漏播率的影響Fig.11 Influence of walking speed and seed spacing on miss seeding rate

4 結(jié)束語(yǔ)

本文給出了行走路徑、排種和補(bǔ)種之間的數(shù)學(xué)模型，提出了一種基于行走感知的與排種速度匹配的單薯均勻排種與加補(bǔ)種技術(shù)的播種機(jī)控制系統(tǒng)方案，研發(fā)了基于單片機(jī)的播種機(jī)控制系統(tǒng)，解決了光電、壓電和霍爾傳感器融合的漏播檢測(cè)及加速補(bǔ)種關(guān)鍵問(wèn)題。實(shí)地試驗(yàn)表明，當(dāng)設(shè)置株距300 mm，其作業(yè)速度在2～10 km/h范圍內(nèi)時(shí)，其平均漏播率≤1.24%，株距平均值307.5 mm。試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明所設(shè)計(jì)的馬鈴薯播種-檢測(cè)-補(bǔ)種一體化控制系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期效果，滿足馬鈴薯高效、精準(zhǔn)和無(wú)人工輔助播種作業(yè)的需求，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)馬鈴薯播種機(jī)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。