丁幼春 劉偉鵬 董萬靜 陳禮源 劉曉東 靳 偉

(1.華中農業(yè)大學工學院， 武漢 430070； 2.農業(yè)農村部長江中下游農業(yè)裝備重點實驗室， 武漢 430070)

0 引言

提高油菜機械化及智能化播種水平是油菜種植節(jié)本增效的重要途徑[1]。油菜排種器是油菜機械化播種的核心工作部件[2]，其性能直接決定油菜播種質量，對種子流進行實時檢測、獲取播種信息及進行相應控制是播種環(huán)節(jié)智能化技術之一[3]。國外谷物排種器主要是一器多行氣力輸送集排式排種器，如美國John Deere公司、Case IH公司、德國LEMKEN公司研制的谷物精量播種機[4-6]，可實現(xiàn)寬幅播種作業(yè)。在電控排種器研究上，CAY等[7]研制了電控玉米排種器控制系統(tǒng)。國外播種裝備大多配套播種監(jiān)測裝置，如美國Precision Planting公司的SeedSense系列播種機監(jiān)控系統(tǒng)[8]、美國John Deere公司的SeedStarTM監(jiān)視器[9]和意大利MC ELECTRONICS公司的Sistema Full semina監(jiān)測系統(tǒng)[10]均可實現(xiàn)谷物播種株距、播種總量、排種頻率和播種面積等播種信息的實時監(jiān)測和顯示，當出現(xiàn)故障時會自動報警。國外播種機械已產品化，適合大田作業(yè)。我國長江中下游地區(qū)地塊較小、土壤粘濕板結，寬幅播種機并不適用，且國外的播種監(jiān)測產品配套于特定機具，也不適合在我國播種機上直接使用。

針對油菜種子因含油量高、表皮薄而易發(fā)生破損和堵塞的問題，廖慶喜團隊[11-16]研制了正負氣壓式、滾筒集排式、氣送式及勺式穴播等油菜排種器，實現(xiàn)了油菜精量播種。關于油菜排種器的研究大多聚焦于結構及其優(yōu)化設計，以此來提高排種性能[17-21]，而對電控油菜排種器研究較少。電控排種器能以穩(wěn)定的排種頻率工作，從而保證較高的播種質量。電控排種器通?；谂欧N器當前轉速對排種頻率進行間接估算，難以對排種頻率進行精確調節(jié)。播種監(jiān)測技術能實時獲取排種器當前的排種狀況，包括播量、實時排種頻率等信息，結合漏播檢測及補種技術，可有效提高播種質量。周利明等[22-23]根據(jù)種子介電特性，基于電容檢測原理實現(xiàn)了對玉米、稻谷和棉籽檢測；陳建國等[24]基于電容傳感器設計了小麥種子數(shù)量檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)了小麥精量播種機播種量檢測；楊碩等[25]設計了玉米播種粒距監(jiān)測及漏播預警系統(tǒng)，用以解決玉米精密播種時因粒距不一致而引起的播量分布不均勻問題。在油菜漏播檢測與補種方面，丁幼春團隊[26-28]研制了基于壓電薄膜、基于薄面激光-硅光電池及與分流機制結合的小粒徑種子流傳感裝置，并在油菜精量排種器漏播實時檢測方法[29]基礎上，研制了油菜補種系統(tǒng)[30-31]。油菜補種系統(tǒng)配套于正負氣壓組合氣力式油菜排種器上，系統(tǒng)工作時造成補種過量，降低了播種質量。

為此本文設計一種可根據(jù)排種頻率進行反饋控制的排種器，以期實現(xiàn)油菜播種過程中排種頻率的可測、可控，提高油菜播種智能化水平，為小田塊油菜精量排種器設計提供技術支撐。

1 結構設計及測試

1.1 整體結構及排種過程

油菜排種器整體結構示意圖如圖1所示，主要包括螺管排種機構、小粒徑種子感知模塊、檢測及控制模塊、驅動模塊和固定模塊。螺管排種機構由外種箱、端蓋、端蓋固定座和種箱組成，小粒徑種子感知模塊包括出種口傳感單元、導種管、硅光電池和激光發(fā)射模組，檢測及控制模塊由單片機控制器及信息處理電路、薄膜按鍵和OLED屏幕組成，驅動模塊由直流電機、電機驅動殼體、直流電機驅動器和電源組成，固定模塊由底座、固定外殼、銷釘、電機蓋板和電路封裝殼組成。排種器整體尺寸如表1所示。

表1 油菜排種器主要參數(shù)

螺管排種機構采用文獻[30]中的油菜螺管式補種器排種原理，文獻[31]在此基礎上進行改進，結構更為緊湊，功耗更低。螺管排種機構在變量補種裝置上進一步優(yōu)化，增加外種箱，裝種時不需要重復拆卸種箱，排種器可持續(xù)工作。

排種器工作前，油菜種子沿外種箱內壁及種箱進種口(旋轉中心)流入種箱中，通過薄膜按鍵輸入播種信息(單位面積播量、播種機具幅寬、油菜種子千粒質量等)，與單片機控制器連接的霍爾傳感器實時獲取播種機具前進速度信息，單片機控制器根據(jù)輸入的播種信息和實時獲取的前進速度信息確定理論排種頻率，實際排種頻率由小粒徑種子感知模塊實時獲取，理論排種頻率和實際排種頻率之差作為單片機控制器輸入，由單片機控制器決策出PWM占空比，單片機控制器輸出PWM占空比信號至直流電機驅動器，直流電機驅動器驅動直流電機帶動種箱轉動，油菜種子隨種箱旋轉運動，在重力、離心力、種子群相互作用力及種箱內螺紋推力作用下，油菜種子持續(xù)從種箱流入端蓋固定座，在自身重力、種子群相互作用力、支持力和摩擦力作用下，端蓋固定座中的種子不斷向底部流動，當螺管旋轉至端蓋固定座底部時，種子進入種箱螺管內，依靠種子流動和螺管作用，種子隨種箱轉動甩出，甩出后的種子通過小粒徑種子感知模塊，小粒徑種子感知模塊實時獲取種子流信息。整個過程中，OLED屏幕實時顯示播種信息及種子流信息。

1.2 小粒徑種子感知模塊參數(shù)確定

小粒徑種子感知模塊是油菜排種器的核心模塊，用于實時獲取小粒徑種子播量信息。根據(jù)排種器排種過程，當種子從螺管排種機構的種箱螺管流出后，油菜種子進入出種口傳感單元，傳感器模組完成種子播量信息感知。為使種子有序通過傳感區(qū)域且提高播量檢測精度，要確定傳感器模組參數(shù)，并對導種管進行結構參數(shù)設計，使其能夠與傳感器模組匹配，減少播量漏記。

1.2.1感知模塊傳感器模組參數(shù)

小粒徑種子感知模塊采用薄面激光-硅光電池檢測原理[25]，此檢測方法能實現(xiàn)對油菜等中小粒徑種子的單粒感應，為無接觸式傳感。核心傳感器為激光發(fā)射模組和硅光電池。選用受光面為10 mm×10 mm正方形的硅光電池，采用對角線區(qū)域作為感光區(qū)域，即感光區(qū)域長度為14.1 mm。選用發(fā)射角度為30°的激光發(fā)射模組，激光發(fā)射模組和硅光電池的水平距離H為23 mm。激光發(fā)射模組位于導種管下端面下方，如圖2a所示。h為導種管上端面到下端面距離，O為激光發(fā)射點，α為激光發(fā)射模組角度，H為薄面激光與硅光電池水平距離，a為最大內切橢圓長軸長度，b為最大內切橢圓短軸長度?？紤]到排種器總體高度不宜過大且方便傳感器模組安裝，設定導種管上端面到下端面距離h為10 mm。

1.2.2導種管結構參數(shù)設計

導種管為小粒徑種子感知模塊的核心結構，將甩出的種子導入薄面激光傳感光層，需盡可能增加無碰撞彈跳種子通過性，設計導種管下端面為閉合光滑曲面。選用最大內切橢圓，如圖2b所示。最大內切橢圓需保證橢圓與3條邊相切且橢圓中心位于薄面激光層等腰三角形底邊中線上，同時為了保證種子在導種管不堵塞，最大內切橢圓長軸長度a≥4D，短軸長度b≥4D(D為油菜種子粒徑，0.8～2.2 mm)，即a與b最小為8.8 mm。根據(jù)上述條件，最大內切橢圓長軸長度a為16 mm，短軸長度b為8.8 mm，有效檢測面積為110.95 mm2。在相同條件下，最大內切圓半徑為5.4 mm，有效檢測面積為91.94 mm2，內切橢圓有效檢測面積大于最大內切圓。

1.3 轉速-排種頻率測定

為給后續(xù)排種器控制提供依據(jù)，進行轉速-排種頻率關系測定。測定試驗所用的主要設備為油菜排種器、SLY-C型數(shù)粒儀、SW6234C型激光轉速測速儀和電子天平等。測試系統(tǒng)如圖3所示。

利用檢測及控制模塊產生頻率為500 Hz的PWM信號占空比，通過薄膜按鍵輸入來獲得不同PWM信號占空比，檢測及控制模塊產生的PWM信號占空比作為驅動模塊的輸入信號(500 Hz時直流電機達到最大功率)，種箱外側壁上粘有反光膠布，測量時將測速儀和種箱放置于同一水面，可獲取當前排種器轉速。同時，PWM信號占空比測量值在OLED顯示屏上顯示。

轉速-排種頻率標定測試時，通過薄膜按鍵設定PWM信號占空比范圍為13%～100%(當PWM信號占空比低于13%時，因電機轉速過低，排種器排種工作不穩(wěn)定)，每1%為1個水平進行轉速-排種頻率標定測試，每次工作1 min，在出種口套有塑封袋，用來收集每次排出的油菜種子，使用電子天平稱量并人工計數(shù)排種總量，隨后計算出排種頻率。每個水平重復試驗3次，取平均值，記錄不同水平下排種器轉速、排種頻率。

圖4為油菜排種器在占空比為13%～100%時，排種器轉速-排種頻率測定試驗結果。如圖4a所示，油菜排種器轉速隨PWM信號占空比增大而增大，經過曲線擬合后，得到轉速r與PWM信號占空比z的函數(shù)關系式為r=0.000 2z3-0.073 3z2+7.713 9z-68.359，決定系數(shù)為0.99。由圖4b可知，排種器排種頻率隨轉速增加有增大的趨勢，隨后趨于穩(wěn)定。油菜排種器轉速位于18～34 r/min范圍內，此時轉速較低，排種頻率不穩(wěn)定。當轉速位于34～200 r/min區(qū)間內，排種器排種頻率i與轉速r有較高的線性度，經過線性擬合后轉速-排種頻率特性曲線關系式為i=0.312r+1.475(34 r/min≤r≤200 r/min)，決定系數(shù)為0.99。當轉速高于200 r/min時，1 min內排種器排種頻率趨于穩(wěn)定。

整個試驗過程中，未出現(xiàn)油菜種子破損情況。油菜排種器轉速在34～200 r/min范圍內，排種頻率與轉速有良好的線性相關度。

1.4 播量準確率測試

為給后續(xù)排種器控制系統(tǒng)提供依據(jù)，進行播量準確率測試。測試所用的設備為油菜排種器和SLY-C型數(shù)粒儀。

測試時，在油菜排種器出種口處套上塑封袋。通過按鍵輸入設定排種頻率，檢測及控制模塊根據(jù)轉速-排量關系特性曲線將指定排種頻率轉變?yōu)椴煌琍WM信號占空比，控制直流電機對應轉速，直流電機帶動排種器工作，以此獲得不同排種頻率，工作1 min后，排種器停止轉動。設定排種頻率、排種時間和檢測的排種總量可通過OLED顯示屏實時顯示。設定的排種器排種頻率為10～60 Hz(油菜排種器正常工作排種頻率為10～64 Hz)，以5 Hz為一個水平，收集1 min內排種總量并對種子進行人工計數(shù)，記錄檢測的排種總量和實際排種總量，每個排種頻率水平下重復試驗3次，試驗結果取平均值，如表2所示，油菜排種器在排種頻率10.1～60.3 Hz范圍內，播量檢測準確率大于等于87.05%。同時隨排種頻率增加，播量準確率下降?；诒∶婕す?硅光電池的檢測原理進行分析，由于薄面激光傳感光層面積有限，當多粒種子同時落下穿過薄面激光傳感光層時，會被記為一粒種子，且隨著種子排種頻率增大，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的概率隨之增大，導致播量檢測準確率隨排種頻率增加有降低的趨勢。

表2 不同排種頻率下排種器播量檢測準確率試驗結果

根據(jù)播量準確率隨排種頻率變化的現(xiàn)象構建排種器播量檢測準確率補償模型，使結果盡可能接近真實排種頻率，為控制系統(tǒng)提供更精確的理論依據(jù)。

補償模型為

n′=kin

(1)

式中n′——修正后檢測粒數(shù)，粒

ki——修正系數(shù)

n——修正前檢測粒數(shù)，粒

ki隨著檢測排種頻率i變化而變化。修正系數(shù)ki由多次試驗來獲取。通過大量準確率測試獲取播量檢測準確率隨檢測排種頻率變化特性曲線，如圖5所示。

由圖5可知，播量檢測準確率w與檢測排種頻率i擬合曲線方程為w=f(i)=-0.281 8i+103.77(i≥15 Hz)。若檢測排種頻率低于15 Hz時，不使用補償模型。

修正系數(shù)ki與播量檢測準確率w關系式為

ki=w-1=f(i)-1

(2)

2 控制系統(tǒng)總體設計

2.1 硬件系統(tǒng)

油菜排種器集成薄膜按鍵、0.96英寸OLED顯示屏、直流電機驅動器、霍爾傳感器、直流電機、單片機控制器和信息處理電路及nRF無線收發(fā)器、激光發(fā)射模組、硅光電池和電源于一體?？刂葡到y(tǒng)硬件實物如圖6所示。

油菜排種器控制系統(tǒng)結構框圖如圖7所示，由檢測及控制模塊、nRF24L01無線收發(fā)器、電源、霍爾傳感器、OLED顯示屏、薄膜按鍵、直流電機和小粒徑種子感知模塊組成。采用MSP430F149單片機為排種器檢測及控制模塊的主控制器。

工作時，通過薄膜按鍵輸入播種信息(機具幅寬、單位面積播量、油菜千粒質量等)，利用霍爾傳感器實時獲取磁鋼信息，檢測及控制模塊將磁鋼信息轉化成前進速度信息，并根據(jù)輸入的播種信息和前進速度信息計算理論排種頻率，小粒徑種子感知模塊實時獲取種子信息并傳輸至檢測及控制模塊，檢測及控制模塊將實時的種子流信息轉換成實際排種頻率，與理論排種頻率作差并轉化為轉速信息作為控制器輸入，控制驅動模塊帶動螺管排種機構進行播種工作。裝置工作過程中，OLED顯示屏實時顯示播種信息及種子流信息，nRF無線收發(fā)器同時實時傳輸數(shù)據(jù)至顯示終端。檢測模塊電路包括雙級放大電路、比較電路、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路[27]。油菜排種器控制系統(tǒng)電路圖如圖8所示。

2.2 控制程序設計

油菜排種器控制器以實時檢測排種頻率作為反饋信號，控制驅動模塊中的直流電機帶動排種器進行工作。圖9為油菜排種器排種頻率控制系統(tǒng)程序流程圖。

控制系統(tǒng)開始工作時，完成系統(tǒng)初始化工作，通過霍爾傳感器測得實時磁鋼信息轉化為播種機具前進速度，利用小粒徑種子感知模塊實時獲取排種器排出的種子流信息，得到實時排種頻率信息，同時，通過薄膜按鍵輸入來設定播種信息(單位面積播量、機具幅寬、油菜種子千粒質量等)。根據(jù)獲得的實時播種機具前進速度信息和設定的播種信息可確定理論排種頻率，當播種信息改變時，更新理論排種頻率。將理論排種頻率與實際排種頻率計算的差值e(t)作為PD控制器的輸入，計算出控制量u(t)。為使電機穩(wěn)定工作，當控制增量(u(t)-u(t-1))絕對值高于10時，控制增量絕對值取10?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)控制量生成目標轉速，進而輸出PWM占空比至直流電機驅動器，驅動電機轉動并使螺管排種機構工作，達到目標排種頻率，從而實現(xiàn)對油菜排種器的排種頻率控制，控制周期為0.5 s。圖10為油菜排種器排種頻率控制系統(tǒng)框圖。

同時為防止小粒徑種子感知模塊獲取的實時排種頻率可能出現(xiàn)大幅度變化，導致在播種時頻繁進行電機轉速調整，小粒徑種子感知模塊獲取的排種頻率采用加權平均法，分別對4個時刻的排種頻率進行加權平均，采樣數(shù)據(jù)周期為0.5 s，作為控制系統(tǒng)輸入。計算公式為

i′=0.4it+0.3it-0.5+0.2it-1+0.1it-1.5

(3)

式中i′——反饋排種頻率，Hz

it——當前排種頻率，Hz

it-0.5——前0.5 s排種頻率，Hz

it-1——前1 s排種頻率，Hz

it-1.5——前1.5 s排種頻率，Hz

根據(jù)試湊法先調節(jié)比例控制系數(shù)kp，最后調節(jié)微分時間常數(shù)TD，選擇能夠使控制系統(tǒng)調節(jié)時間和超調量盡量小的kp和TD作為控制系統(tǒng)參數(shù)，最終確定kp=0.78，TD=0.85。

3 性能試驗

3.1 臺架試驗

為進一步驗證排種器工作性能，開展播量檢測準確率及排量穩(wěn)定性臺架試驗。

試驗材料選用中雙11號油菜種子(試驗前人工篩選出破碎的種子)，油菜種子千粒質量為4.67 g，平均粒徑為1.92 mm[32]。主要試驗設備有油菜排種器、浙江托普SLY-C型數(shù)粒儀、轉速控制系統(tǒng)、步進電機、均布磁鋼的水平圓盤、支架、電子天平(福州華志科學儀器有限公司，精度0.001 g)、速為SW6234C型激光轉速測速儀等。臺架試驗裝置如圖11所示。

3.1.1播量檢測準確率試驗

為驗證補償模型，進行播量檢測準確率試驗。通過按鍵輸入控制單片機進而控制排種器在不同排種頻率下工作。設定排種器排種頻率為10～60 Hz，以5 Hz為一個水平，每組試驗工作時間為1 min，每個水平重復3次，用塑封袋收集排出的種子并進行計數(shù)，將檢測的排種總量和實際排種總量進行記錄，取平均值。表3為采用補償模型后試驗結果。

表3 采用補償模型后不同排種頻率下播量檢測準確率試驗結果

由表3可知，油菜排種器在排種頻率10.1～60.4 Hz范圍內，修正后準確率大于等于98.75%，為后續(xù)排種頻率反饋控制提供了依據(jù)。

3.1.2排量穩(wěn)定性試驗

試驗目的在于評估排種器在不同條件下工作穩(wěn)定性和可靠性，為后續(xù)田間試驗提供支撐。排量穩(wěn)定性檢驗所用的設備為油菜排種器、SLY-C型數(shù)粒儀、激光轉速測速儀、轉速控制系統(tǒng)、步進電機、水平圓盤和電子天平等。試驗以NY/T 1143—2006《播種機質量評價技術規(guī)范》中排種量變異系數(shù)為評價依據(jù)(總排種量穩(wěn)定性變異系數(shù)小于等于1.3%)。

穩(wěn)定性試驗中，在油菜排種器出種口安裝塑封袋，收集出種口下落的種子。均布磁鋼的圓盤通過聯(lián)軸器固定于步進電機動力輸出軸上，圓盤與電機軸同軸心。將連接排種器的霍爾傳感器通過支架固定于步進電機陣列磁鋼上方，獲取圓盤轉速，同時在圓盤上貼反光膠布，利用激光測速儀測量圓盤轉速。通過薄膜按鍵輸入播種信息，排種器根據(jù)模擬轉盤轉速進行播種工作。分別設定步進電機轉速為25、30、35、40、45、50 r/min，共計6個水平，為了盡可能模擬田間工況，將圓盤轉速rd與理論排種頻率f關系設定為f=1.5rd-15，設定圓盤轉速rd與對應的機具田間作業(yè)速度v關系為v=0.04rd-0.6，在步進電機工作范圍內，理論排種頻率范圍為15～60 Hz，播種機理論前進速度為0.4～1.4 m/s。

首先，在圓盤轉速恒定情況下進行試驗，每個水平重復3次，每次試驗時間為1 min。最后，在圓盤轉速變化情況下開展試驗，每次試驗設定3個轉速，每個轉速工作時間均為20 s，排種時間共計1 min，每組試驗重復3次，將塑封袋收集的種子稱量后進行人工計數(shù)，排量穩(wěn)定性試驗結果如表4所示。表中排種量穩(wěn)定性變異系數(shù)是指3次試驗排種粒數(shù)的標準差與平均值比值，播種量穩(wěn)定性變異系數(shù)為3次試驗的排種質量的標準差與平均值的比值。

表4 排種器排量穩(wěn)定性試驗結果

由表4可知，排種器在圓盤恒定轉速條件下，排種量穩(wěn)定性變異系數(shù)不高于1.16%，播種量穩(wěn)定性變異系數(shù)不高于0.93%。圓盤不同轉速情況下，排種量穩(wěn)定性變異系數(shù)不高于0.91%，播種量穩(wěn)定性變異系數(shù)不高于0.73%。綜上，排種器在不同工況下排種量穩(wěn)定性變異系數(shù)均較好，滿足油菜播種質量要求。

3.2 田間試驗

為驗證油菜排種器田間作業(yè)效果，于2020年9月在荊州監(jiān)利市試驗示范基地開展田間播種試驗。選用東風井關T954-PVCY型輪式拖拉機為動力，配套2BYL-8型油菜直播機。油菜排種器固定于肥箱支架上端，將均布磁鋼的水平圓盤固定于地輪上，安裝時保證地輪與水平圓盤同軸心，同時與排種器測控系統(tǒng)連接的霍爾傳感器安裝在磁鋼上方，用于獲取水平圓盤的實時轉速。導種軟管安裝于排種器出種口下方，在開溝器出種口處套塑封袋，田間試驗如圖12所示。

試驗以播量檢測準確率、排種量穩(wěn)定性變異系數(shù)及NY/T 2709—2015《油菜播種機作業(yè)質量》中播種量誤差率為試驗依據(jù)(播種量誤差率小于等于10%)，播種量誤差率計算式為

(4)

(5)

式中P——實際單位面積播種量，g/hm2

p——播種機行走50 m的排種總質量，g

ω1——播種機幅寬，m

ηp——播種量誤差率，%

P0——當?shù)剞r藝要求的理論單位面積播種量，g/hm2

根據(jù)農業(yè)農村部《2018—2019年度冬油菜生產技術指導意見》，設定單位面積播量6 000 g/hm2。在拖拉機慢Ⅰ擋至慢Ⅴ擋進行試驗，在每個擋位下進行3次試驗，每次前進距離為50 m。記錄油菜排種器檢測的排種總量和播種時間，并通過塑封袋收集每次試驗排出的油菜種子，后期人工計數(shù)。試驗結果如表5所示。

由表5可知，田間試驗時，油菜排種器在排種頻率10.27～40.95 Hz范圍內，油菜種子監(jiān)測誤差不超過1.41%，檢測準確率達到98.59%，播種量誤差率不高于2.55%，排種量穩(wěn)定性變異系數(shù)不大于0.98%，滿足NY/T 1143—2006《播種機質量評價技術規(guī)范》對排種量穩(wěn)定性變異系數(shù)及NY/T 2709—2015《油菜播種機作業(yè)質量》對播種量誤差率的要求。

表5 油菜排種器田間試驗結果

4 結論

(1)設計了基于排種頻率實時反饋的油菜排種器，排種器由螺管排種機構、小粒徑種子感知模塊、檢測及控制模塊和驅動模塊等組成。檢測及控制模塊根據(jù)設定的播種信息及霍爾傳感器測量的磁鋼信息確定理論排種頻率，將其與小粒徑種子感知模塊獲取實際排種頻率的差值，經過檢測及控制模塊轉換為轉速差值，并作為控制器輸入，控制器決策出對應的占空比，作用于驅動模塊帶動螺管排種機構進行排種工作。

(2)油菜排種器臺架試驗表明，在排種頻率10.1～60.4 Hz范圍內，檢測準確率不低于98.75%，不同轉速下的排種量穩(wěn)定性變異系數(shù)低于1.16%。油菜排種器田間試驗表明，在拖拉機不同前進速度情況下，播種量誤差率不超過2.55%，排種量穩(wěn)定性變異系數(shù)不超過0.98%，滿足油菜播種質量要求。