陳彩蓉，郭 棟，胡 飛，武亞楠，於海明

(1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，江蘇 南京 210031；2.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)人工智能學(xué)院，江蘇 南京 210031)

0 引言

中國(guó)蔬菜產(chǎn)量占世界蔬菜總產(chǎn)量的60%左右，是世界上最大的蔬菜生產(chǎn)國(guó)。育苗移栽與播種是兩種互補(bǔ)的種植方式，育苗移栽種植對(duì)氣候具有補(bǔ)償作用，能充分利用光熱資源，其經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益均十分顯著。由于人工移栽對(duì)勞動(dòng)力需求量大，難以適應(yīng)大面積蔬菜種植的需求，制約了蔬菜生產(chǎn)的發(fā)展，因此實(shí)現(xiàn)機(jī)械化移栽作業(yè)成為我國(guó)蔬菜生產(chǎn)的迫切需要[1-3]。蔬菜機(jī)械移栽過(guò)程中普遍存在工作阻力大、耗能高等問(wèn)題。入土成穴是旱地移栽作業(yè)的重要工序，也是移栽機(jī)受外力最大的作業(yè)階段之一。吊杯栽植器作為移栽機(jī)直接與土壤接觸的工作部件，其形狀、尺寸及作業(yè)參數(shù)直接影響栽植器打穴栽植性能[4]。降低吊杯栽植器的成穴阻力，不僅可以節(jié)能降耗，還可以降低與之配套拖拉機(jī)的功率要求，有利于減輕對(duì)田間土壤的壓實(shí)，因此研究吊杯栽植器的入土成穴性能對(duì)提高栽植質(zhì)量和效率具有重要的意義[5-6]。

本文以吊杯入土成穴力學(xué)特性測(cè)量為目標(biāo)，基于LabVIEW軟件開(kāi)發(fā)吊杯栽植器成穴阻力試驗(yàn)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)吊杯成穴阻力、電機(jī)轉(zhuǎn)速和扭矩等數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及相關(guān)數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存，可為吊杯栽植器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供試驗(yàn)平臺(tái)與技術(shù)支撐。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)與工作原理

吊杯栽植器成穴阻力試驗(yàn)系統(tǒng)主要由栽植裝置和成穴阻力測(cè)量系統(tǒng)兩部分組成，如圖1所示。栽植裝置由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、吊杯栽植器和機(jī)架等部分組成。成穴阻力測(cè)量系統(tǒng)主要由直流電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、承載機(jī)構(gòu)及計(jì)算機(jī)等組成。壓力傳感器安裝在承載機(jī)構(gòu)上，承載機(jī)構(gòu)上放有土槽；直流電機(jī)與扭矩傳感器連接，扭矩傳感器的另一端通過(guò)鏈條與栽植機(jī)構(gòu)相連，吊杯栽植器安裝在栽植機(jī)構(gòu)末端。試驗(yàn)時(shí)，電機(jī)動(dòng)力經(jīng)過(guò)扭矩傳感器、鏈條傳到栽植機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)吊杯完成入土栽植作業(yè)。吊杯入土過(guò)程中，土槽下的壓力傳感器將土槽所受到的力傳輸?shù)诫娔X，根據(jù)作用力與反作用力的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)吊杯栽植器成穴阻力的測(cè)量；同時(shí)，扭矩傳感器將扭矩?cái)?shù)據(jù)通過(guò)串口通信模塊傳輸?shù)诫娔X。操作者可以通過(guò)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)對(duì)栽植頻率的調(diào)節(jié)，更換不同吊杯可以測(cè)試吊杯的尺寸參數(shù)、栽植頻率等作業(yè)參數(shù)對(duì)吊杯栽植器入土成穴力學(xué)性能的影響。

1.吊杯栽植器 2.壓力傳感器 3.測(cè)力儀表 4.PC 5.承載機(jī)構(gòu)6.土槽 7.栽植機(jī)構(gòu)

成穴阻力測(cè)量系統(tǒng)主要作用是根據(jù)吊杯入土試驗(yàn)要求，利用計(jì)算機(jī)發(fā)出控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)吊杯按設(shè)定的栽植頻率運(yùn)動(dòng)，并將傳感器數(shù)據(jù)傳送到計(jì)算機(jī)中。測(cè)量系統(tǒng)分為硬件、軟件兩大部分。硬件部分主要包括壓力傳感器、扭矩傳感器、數(shù)據(jù)采集卡和PC等；軟件部分通過(guò)LabVIEW進(jìn)行程序編寫(xiě)，通過(guò)串口通信模塊、數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行傳感器數(shù)據(jù)的讀取，實(shí)現(xiàn)栽植過(guò)程成穴阻力、驅(qū)動(dòng)扭矩和轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 壓力傳感器

壓力傳感器用來(lái)測(cè)量吊杯栽植器入土成穴阻力的變化，要求傳感器動(dòng)態(tài)響應(yīng)頻率高，適合動(dòng)態(tài)測(cè)量。系統(tǒng)選用DYZ-101型柱式壓力傳感器，采用高精度電阻應(yīng)變片作為傳感器敏感元件，量程0～500 N，靈敏度2.0±0.05 mV/V，非線性≤±0.03%FS。該傳感器結(jié)構(gòu)緊湊、綜合精度高，適合長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量。選用德森特D056測(cè)力儀表作為壓力傳感器的配套儀表，具有信號(hào)精密放大、變送輸出、數(shù)據(jù)通信、內(nèi)部穩(wěn)壓、線性補(bǔ)償和溫度補(bǔ)償?shù)裙δ?，可以較好地滿足系統(tǒng)要求。D056測(cè)力儀表有RS485、RS232兩個(gè)串口，支持Modbus-RTU、ASCII主動(dòng)上傳和HEX快速主動(dòng)上傳3種通信協(xié)議。

2.2 扭矩傳感器

扭矩是反映驅(qū)動(dòng)軸運(yùn)行狀態(tài)的重要參數(shù)，移栽機(jī)工作負(fù)荷較大，環(huán)境復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)扭矩的實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)測(cè)量，可以為栽植器成穴阻力和驅(qū)動(dòng)扭矩對(duì)應(yīng)關(guān)系的研究提供依據(jù)，同時(shí)對(duì)于監(jiān)測(cè)移栽機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性、降低故障率具有重要意義。扭矩傳感器選用大洋DYN-200型動(dòng)態(tài)扭矩傳感器，通過(guò)在傳感器軸上粘貼應(yīng)變片實(shí)現(xiàn)扭矩在線測(cè)量。扭矩傳感器集成儀表功能，主要由應(yīng)變信號(hào)采集、放大電路、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)通信和穩(wěn)壓電源等模塊組成，支持扭矩、轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)分別輸出；配有RS232、RS485接口，可直接與計(jì)算機(jī)通訊。扭矩傳感器支持儀表主動(dòng)上傳、Modbus-RTU和ASCII主動(dòng)上傳3種通信協(xié)議。將傳感器數(shù)據(jù)輸出方式設(shè)為RS485通信配轉(zhuǎn)速頻率輸出方式，扭矩、轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)輸出互不干擾，大大提高了系統(tǒng)抗干擾性能，也保證傳輸數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性與實(shí)時(shí)性。

2.3 數(shù)據(jù)采集卡

采用NI公司的USB-6009多功能數(shù)據(jù)采集卡，它提供了8路模擬量輸入通道(14位，48 kS/s)，12路數(shù)字I/O線，2路模擬量輸出通道(150 Hz)和一個(gè)32位計(jì)數(shù)器。根據(jù)采集卡提供的端口，將動(dòng)態(tài)扭矩傳感器輸出的轉(zhuǎn)速信號(hào)連接到計(jì)數(shù)器輸入端口PFI0。

2.4 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

采用110BL168S150-430型直流無(wú)刷電機(jī)和ZM-6545A型無(wú)刷驅(qū)動(dòng)器作為栽植裝置的動(dòng)力源，通過(guò)調(diào)節(jié)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速即可實(shí)現(xiàn)栽植頻率的調(diào)節(jié)。110BL168S150-430型直流無(wú)刷電機(jī)主要參數(shù)：額定功率1.5 kW，額定轉(zhuǎn)矩4.8 N·m，額定電壓48 V，額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min。ZM-6545A型無(wú)刷驅(qū)動(dòng)器采用新型PWM技術(shù)，具有控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)、快速制動(dòng)等功能，提供過(guò)熱保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)，具有操作簡(jiǎn)單、振動(dòng)小、噪聲低和運(yùn)行平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)。PWM調(diào)速技術(shù)具有調(diào)速靈活、調(diào)速精度高和抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，鑒于PWM調(diào)速的精準(zhǔn)性、穩(wěn)定性和便捷性，采用PWM技術(shù)進(jìn)行直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制。

移栽機(jī)作業(yè)時(shí)栽植機(jī)構(gòu)一般工作在中低速、高扭矩的工作狀態(tài)，需要在直流電機(jī)和栽植機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)軸之間增加減速器來(lái)降速增扭。根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍和栽植頻率的要求，選用傳動(dòng)比為24的減速器。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)是實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器集成開(kāi)發(fā)平臺(tái)的簡(jiǎn)稱，它是目前國(guó)際上應(yīng)用最廣泛的虛擬儀器開(kāi)發(fā)環(huán)境之一。LabVIEW在數(shù)據(jù)采集與儀器控制方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，虛擬儀器架構(gòu)(Virtual Instrument Software Architecture，VISA)實(shí)現(xiàn)了I/O接口的無(wú)關(guān)性需求，通過(guò)調(diào)用NI-VISA庫(kù)函數(shù)并配置不同的設(shè)備參數(shù)，就可實(shí)現(xiàn)各種I/O接口儀器通用程序的設(shè)計(jì)[7-8]。

采用LabVIEW編寫(xiě)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)軟件，通過(guò)串口通信、USB-6009數(shù)據(jù)采集卡，將成穴阻力、扭矩和轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)栽植過(guò)程吊杯栽植器成穴阻力、扭矩及轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、顯示和存儲(chǔ)等功能。軟件系統(tǒng)主要由參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)3個(gè)模塊組成。

(1)參數(shù)設(shè)置模塊：進(jìn)行串口資源分配，設(shè)置波特率、數(shù)據(jù)位和校驗(yàn)位等串口通信參數(shù)。

(2)數(shù)據(jù)采集模塊：實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與傳感器、數(shù)據(jù)采集卡的通信，將傳感器數(shù)據(jù)傳輸?shù)絃abVIEW中。

(3)存儲(chǔ)管理模塊：以波形圖、數(shù)值等形式實(shí)時(shí)顯示、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

3.1 串口通信設(shè)置

LabVIEW通過(guò)NI-VISA接口函數(shù)讀取壓力傳感器、扭矩傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)[9-10]。NI-VISA函數(shù)位于LabVIEW的Instrument I/O模板的Serial子面板，主要包括串口通信初始化、讀、寫(xiě)等操作的一些函數(shù)。按照相應(yīng)的順序配置串口操作參數(shù)，設(shè)定端口號(hào)、波特率和奇偶校驗(yàn)位等信息，并與測(cè)力儀表、扭矩傳感器的通信參數(shù)保持一致[11-12]。

3.2 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

人機(jī)交互界面主要分為參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)顯示兩部分，參數(shù)設(shè)置部分主要根據(jù)系統(tǒng)資源進(jìn)行串口通信參數(shù)選擇，數(shù)據(jù)顯示部分以數(shù)值、曲線的形式顯示實(shí)時(shí)獲取的傳感器數(shù)據(jù)。

3.3 數(shù)據(jù)采集模塊

成穴阻力、扭矩和轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)是通過(guò)分別調(diào)用D056型測(cè)力儀表、DYN-200N型動(dòng)態(tài)扭矩傳感器的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的。D056型測(cè)力儀表設(shè)置成ASCII主動(dòng)發(fā)送通信模式，波特率19 200 bps。儀表按照設(shè)定的最小間隔主動(dòng)發(fā)送一個(gè)7位的ASCII碼值(包括小數(shù)點(diǎn)和負(fù)號(hào)顯示共計(jì)6位)，當(dāng)數(shù)據(jù)不足6位時(shí)用空格表示(20H)，最后一位為回車(chē)符(0DH)。成穴阻力采集LabVIEW程序如圖2所示。

圖2 成穴阻力采集程序

為保證串口通信的速度和穩(wěn)定性，扭矩傳感器通信協(xié)議設(shè)置成ASCII主動(dòng)上傳模式，只發(fā)送實(shí)時(shí)扭矩?cái)?shù)據(jù)，波特率38 400 bps。扭矩采集LabVIEW程序如圖3所示。

圖3 扭矩采集程序

DYN-200N傳感器的轉(zhuǎn)速信號(hào)采用脈沖方式發(fā)送，扭矩傳感器軸轉(zhuǎn)動(dòng)一周輸出60個(gè)脈沖，通過(guò)USB-6009數(shù)據(jù)采集卡計(jì)數(shù)器功能配合移位寄存器實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速測(cè)量，轉(zhuǎn)速采集程序如圖4所示。

圖4 轉(zhuǎn)速采集程序

4 系統(tǒng)試驗(yàn)

為驗(yàn)證吊杯栽植器成穴阻力試驗(yàn)系統(tǒng)的性能，搭建了室內(nèi)試驗(yàn)平臺(tái)，如圖5所示，主要由栽植裝置、吊杯栽植器和成穴阻力測(cè)量系統(tǒng)等部分組成。該系統(tǒng)可以通過(guò)調(diào)節(jié)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)栽植頻率的設(shè)置，成穴阻力、扭矩、轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)顯示在LabVIEW前面板上，如圖6所示。

1.扭矩傳感器 2.直流電機(jī) 3.栽植機(jī)構(gòu) 4.吊杯栽植器 5.土槽 6.阻力測(cè)量平臺(tái) 7.調(diào)速器 8.PC

圖6 試驗(yàn)系統(tǒng)界面

5 結(jié)束語(yǔ)

采用壓力傳感器、扭矩傳感器和數(shù)據(jù)采集卡，完成了基于LabVIEW的吊杯栽植器成穴阻力試驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了栽植過(guò)程中吊杯栽植器成穴阻力、扭矩和轉(zhuǎn)速等信息實(shí)時(shí)顯示、存儲(chǔ)等功能。測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)監(jiān)測(cè)效果良好，能夠滿足吊杯栽植過(guò)程成穴阻力監(jiān)測(cè)的實(shí)際需求，可為吊杯栽植器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。