廖慶喜 吳 崇 張青松 王寶山 杜文斌 王 磊

(1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 武漢 430070； 2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長(zhǎng)江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 武漢 430070)

0 引言

油菜精量播種技術(shù)具有節(jié)種、省工和增效等優(yōu)點(diǎn)，已成為油菜機(jī)械化播種的主要發(fā)展趨勢(shì)，其核心是根據(jù)農(nóng)藝要求提供均勻的種子流，為種子發(fā)芽、光水肥氣充分利用提供良好條件[1-3]。

國(guó)內(nèi)外對(duì)精量播種技術(shù)的研究主要集中在排種器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和參數(shù)優(yōu)化[4-5]，目前有多種性能穩(wěn)定、播種精度高的排種器在生產(chǎn)實(shí)踐中應(yīng)用[6-7]。傳統(tǒng)油菜播種機(jī)多采用地輪驅(qū)動(dòng)排種器，搭配手動(dòng)變速箱調(diào)節(jié)播量及播種粒距[8-9]，但由于田間工況復(fù)雜、機(jī)具工作振動(dòng)大，高速作業(yè)時(shí)易出現(xiàn)地輪打滑、懸空，鏈條跳動(dòng)等現(xiàn)象，對(duì)播種質(zhì)量有較大影響[10-14]。且通過手動(dòng)變速箱調(diào)節(jié)播量，使播量?jī)H能在固定擋位調(diào)節(jié)，難以滿足不同種植農(nóng)藝要求及作業(yè)速度下對(duì)播量精準(zhǔn)調(diào)控的要求。

為實(shí)現(xiàn)高速精量播種與播量精準(zhǔn)調(diào)節(jié)，學(xué)者對(duì)排種器的驅(qū)動(dòng)及測(cè)速方式進(jìn)行了廣泛研究[15-17]。多采用電驅(qū)動(dòng)，地輪編碼器[18-19]、衛(wèi)星定位模塊[20]或地速雷達(dá)等方式測(cè)速，實(shí)際應(yīng)用中各種測(cè)速方式的適宜測(cè)速區(qū)間具有明顯差異，無(wú)法保證不同工況及不同速度下的測(cè)速準(zhǔn)確性。

針對(duì)以上問題，本文設(shè)計(jì)一種基于地輪編碼器和北斗信號(hào)接收器(簡(jiǎn)稱北斗接收器)兩種測(cè)速方式的隨速播種控制系統(tǒng)。以2BFQ系列油菜精量聯(lián)合直播機(jī)為平臺(tái)，搭載不同類型排種器，通過微信小程序[21]設(shè)置播種作業(yè)參數(shù)并顯示系統(tǒng)作業(yè)信息，利用差壓變送器獲取負(fù)壓輸送頭處實(shí)時(shí)負(fù)壓以判斷吸附種子狀態(tài)，STM32主控器自動(dòng)選擇速度源，生成電機(jī)控制指令并驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，滿足隨速精量播種要求，為油菜播種機(jī)隨速控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)和工作原理

油菜隨速播種控制系統(tǒng)主要由STM32主控器、藍(lán)牙模塊、微信小程序交互端、北斗接收器、地輪編碼器、差壓變送器及驅(qū)動(dòng)模塊等組成，其整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 整機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural diagram of whole machine1.地輪編碼器 2.差壓變送器及負(fù)壓輸送頭 3.48V轉(zhuǎn)24V模塊 4.步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 5.主控器 6.48V電源 7.北斗接收器 8.5V USB供電模塊 9.藍(lán)牙模塊 10.排種驅(qū)動(dòng)模塊

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Structural diagram of control system

系統(tǒng)初始工作時(shí)，藍(lán)牙模塊進(jìn)入透?jìng)髂Ｊ绞怪骺仄髋c小程序建立連接，用戶通過微信小程序設(shè)置播種參數(shù)信息，地輪編碼器、北斗接收器及差壓變送器同時(shí)進(jìn)入工作狀態(tài)，主控器最先讀取差壓變送器的負(fù)壓信號(hào)，若負(fù)壓達(dá)到吸附種子臨界負(fù)壓則開展播種作業(yè)，打開電機(jī)使能開關(guān)，讀取地輪編碼器和北斗接收器的速度信號(hào)，根據(jù)速度信號(hào)與設(shè)定好的參數(shù)信息生成電機(jī)控制指令，使STM32的定時(shí)器通過PWM模式產(chǎn)生目標(biāo)頻率的脈沖，脈沖進(jìn)入電機(jī)驅(qū)動(dòng)器經(jīng)過電流環(huán)和速度環(huán)等PID運(yùn)算，控制步進(jìn)電機(jī)快速響應(yīng)，以目標(biāo)轉(zhuǎn)速驅(qū)動(dòng)排種軸轉(zhuǎn)動(dòng)。拖拉機(jī)變速工作時(shí)，主控器自動(dòng)選擇地輪編碼器與北斗接收器中較準(zhǔn)確的速度源以驅(qū)動(dòng)電機(jī)。若負(fù)壓輸送頭處負(fù)壓未達(dá)到臨界負(fù)壓，則主控器停止發(fā)送電機(jī)驅(qū)動(dòng)脈沖，停止讀取速度信號(hào)，并持續(xù)監(jiān)測(cè)和判斷負(fù)壓值，實(shí)現(xiàn)隨拖拉機(jī)前進(jìn)速度調(diào)整排種軸轉(zhuǎn)速，達(dá)到精量播種的目的。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 信號(hào)處理模塊

主控器選用意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的基于ARMv7架構(gòu)的32位Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103VET6單片機(jī)。該單片機(jī)擁有512K flash、64K SRAM，最高運(yùn)行頻率72 MHz；同時(shí)擁有多路模數(shù)轉(zhuǎn)換器、定時(shí)器及通信接口，可以滿足高性能、低功耗及低成本的設(shè)計(jì)要求。

2.2 信號(hào)采集模塊

2BFQ系列油菜精量聯(lián)合直播機(jī)搭載一器雙行正負(fù)氣壓組合式精量排種器，為獲取播種作業(yè)狀態(tài)，采用佛山一眾傳感儀器有限公司生產(chǎn)的YZ1301型差壓變送器采集負(fù)壓輸送頭負(fù)壓。

地輪編碼器采用歐姆龍自動(dòng)化有限公司生產(chǎn)的E6B2 CEZ1X型旋轉(zhuǎn)增量編碼器[22]。

北斗接收器采用杭州中科微電子有限公司生產(chǎn)的ATGM332D型北斗定位模塊。

系統(tǒng)采用智能手機(jī)作為人機(jī)交互設(shè)備，通過藍(lán)牙(HC-08型)與主控器搭建信息通路。

2.3 排種器驅(qū)動(dòng)模塊

電機(jī)是排種器驅(qū)動(dòng)模塊的核心工作部件，目前常用于電驅(qū)排種的為直流無(wú)刷電機(jī)[14]。相較于直流無(wú)刷電機(jī)，閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)內(nèi)置加減速算法，低頻特性良好、控制簡(jiǎn)單、精度高、響應(yīng)快、無(wú)累積誤差、具有1.5倍過載能力，能夠適配常見油菜精量排種器10～60 r/min的轉(zhuǎn)速范圍，滿足隨速播種時(shí)頻繁調(diào)速要求，提高播種精度。

排種器驅(qū)動(dòng)模塊主要由步進(jìn)電機(jī)及減速器、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、傳動(dòng)通軸、鏈輪及鏈條組成，以驅(qū)動(dòng)一器雙行正負(fù)氣壓組合式油菜精量排種器為例，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 排種器驅(qū)動(dòng)模塊Fig.3 Seed metering device drive module1.86HBS120型步進(jìn)電機(jī) 2.行星減速器 3.十字萬(wàn)向節(jié)聯(lián)軸器 4.一器雙行正負(fù)氣壓組合式油菜精量排種器 5.傳動(dòng)通軸 6.1∶1傳動(dòng)鏈

2BFQ系列油菜精量直播機(jī)設(shè)計(jì)播量為2 250～3 750 g/hm2，播種粒距為30～80 mm[23]，排種盤型孔數(shù)為50，取目標(biāo)播種粒距為50 mm，為達(dá)到12 km/h的作業(yè)速度，則排種盤轉(zhuǎn)速需為80 r/min。根據(jù)最大作業(yè)速度和株距要求，選擇減速器傳動(dòng)比為10，則步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)扭矩[24]為

(1)

式中M1——電機(jī)驅(qū)動(dòng)扭矩，N·m

K——電機(jī)安全系數(shù)，取2

M2——作業(yè)時(shí)排種軸最大負(fù)荷，N·m

μ1——鏈輪傳動(dòng)比，取1

μ2——減速器傳動(dòng)比，取10

利用蕪湖艾瑞特機(jī)電設(shè)備有限公司ATRITER BME-006型數(shù)顯力矩扳手測(cè)得排種軸的啟動(dòng)扭矩為9.8 N·m，平穩(wěn)轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩為7.4 N·m。由式(1)計(jì)算得電機(jī)驅(qū)動(dòng)扭矩為1.48 N·m，選用杭州步科機(jī)電有限公司生產(chǎn)的86HBS120型步進(jìn)電機(jī)，在800 r/min時(shí)仍可保持3.1 N·m的扭矩，滿足作業(yè)要求；選用步科HBS860H型閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，該驅(qū)動(dòng)器可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的速度環(huán)、電流環(huán)、位置環(huán)的三環(huán)控制，系統(tǒng)控制響應(yīng)快、精度高。

2.4 硬件系統(tǒng)電路

差壓變送器接24 V電源，信號(hào)輸出線經(jīng)降壓后連接主控器PC3引腳，通過ADC(模數(shù)轉(zhuǎn)換器)獲取輸入電壓，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為風(fēng)壓信號(hào)；藍(lán)牙模塊與北斗接收器由主控器供電，分別通過UART4(串口4)和USART2(串口2)與主控器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互；步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接48 V電源，PULL+接主控器PA11引腳，主控器的TIM1在輸出比較模式下通過PA11向驅(qū)動(dòng)器傳輸脈沖驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本控制系統(tǒng)的軟件主要由主控端硬件驅(qū)動(dòng)程序和交互端微信小程序組成。主控端硬件驅(qū)動(dòng)程序基于Keil uVision5開發(fā)，采用C語(yǔ)言編程。交互端微信交互小程序基于微信開發(fā)者程序進(jìn)行開發(fā)，采用JavaScript語(yǔ)言編程。

3.1 主控端硬件驅(qū)動(dòng)程序

主控端硬件驅(qū)動(dòng)程序的主要功能是與交互端進(jìn)行信息收發(fā)同時(shí)接收各傳感器信號(hào)進(jìn)行分析計(jì)算，并通過定時(shí)器輸出電機(jī)控制信號(hào)，其整體流程如圖4所示。系統(tǒng)與交互端保持通信，監(jiān)聽控制參數(shù)的更新，同時(shí)根據(jù)各傳感器信息、交互端控制參數(shù)等計(jì)算出電機(jī)控制指令，生成特定頻率的PWM波實(shí)時(shí)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。

圖4 主控端整體流程圖Fig.4 Program flow chart of overall control system

3.1.1藍(lán)牙模塊配置

使用AT指令將藍(lán)牙模塊配置為從機(jī)模式，此模式下可被上位機(jī)搜索和連接；為了保證田間惡劣工況下的連接穩(wěn)定性及傳輸距離，將波特率配置為9 600 b/s；主控器供電后，藍(lán)牙模塊進(jìn)入透?jìng)髂Ｊ健?/p>

3.1.2負(fù)壓信號(hào)獲取

差壓變送器工作時(shí)輸出的電壓與測(cè)得的負(fù)壓成正比例關(guān)系，則

AV=1.221AI

(2)

式中AV——測(cè)得的負(fù)壓，Pa

AI——輸入電壓對(duì)應(yīng)的數(shù)字量

在負(fù)壓輸送頭的基礎(chǔ)上添加3個(gè)和氣室聯(lián)通的寶塔頭，封閉其中2個(gè)寶塔頭，變送器負(fù)壓管與未封閉寶塔頭連接以獲得負(fù)壓，如圖5所示。

圖5 差壓變送器及負(fù)壓輸送頭連接方式示意圖Fig.5 Diagram of differential pressure transmitter and negative pressure delivery head connection method

利用深圳市聚茂源科技有限公司生產(chǎn)的標(biāo)智GM511型手持式差壓計(jì)在臺(tái)架和田間兩種條件下測(cè)得播種機(jī)負(fù)壓輸送頭處能夠吸附種子的臨界負(fù)壓為1 477 Pa。因此當(dāng)AV≥1 477 Pa時(shí)，主控器拉高電機(jī)使能，打開PWM波生成定時(shí)器進(jìn)行電機(jī)控制；若AV<1 477 Pa，主控器拉低電機(jī)使能，持續(xù)讀取負(fù)壓值并與臨界負(fù)壓對(duì)比判斷。

3.1.3地輪編碼器速度獲取

地輪編碼器與地輪通過鏈傳動(dòng)連接，如圖6所示。

圖6 地輪編碼器裝配圖Fig.6 Diagram of ground wheel encoder assembly

利用主控器中定時(shí)器的輸入捕獲功能對(duì)編碼器A和B兩相的脈沖信號(hào)進(jìn)行采集，用兩個(gè)變量h和c分別記錄脈沖數(shù)和圈數(shù)，編碼器每產(chǎn)生4 000個(gè)脈沖定時(shí)器產(chǎn)生一次中斷，每增加一個(gè)脈沖則h+1，每產(chǎn)生一個(gè)中斷則c+1。通過另一個(gè)定時(shí)器以固定時(shí)間間隔t觸發(fā)中斷并計(jì)算此時(shí)間內(nèi)的平均速度，計(jì)算后h與c清零。則拖拉機(jī)前進(jìn)速度vE為

(3)

式中vE——地輪編碼器測(cè)得機(jī)具前進(jìn)速度，km/h

k——速度單位轉(zhuǎn)換系數(shù)，取277.78

μ3——地輪與編碼器傳動(dòng)比，取11∶10

t——速度解算時(shí)間間隔，取0.2 s

φ——地輪直徑，取541 mm

αc——測(cè)速誤差修正系數(shù)

3.1.4北斗接收器速度獲取

ATGM332D使用NMEA0183格式[25]輸出定位的原始數(shù)據(jù)。通過中科微電子公司配套的上位機(jī)程序?qū)⒛K的接收方式設(shè)置為僅接收北斗的衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)VTG幀；設(shè)置信號(hào)更新頻率為5 Hz。VTG幀基本格式如下：

$BDVTG,Congt,T,Cogm,M,Sog,N,kph,K,mode*CS,

其中kph項(xiàng)為對(duì)地速度，獲取kph段數(shù)據(jù)即可獲得拖拉機(jī)實(shí)時(shí)速度vB，速度解析流程圖如圖7。

圖7 北斗速度解析程序流程圖Fig.7 Program flow chart of BDS speed analysis

3.1.5電機(jī)調(diào)速的數(shù)學(xué)模型

為實(shí)現(xiàn)隨速播種控制，需電機(jī)與拖拉機(jī)前進(jìn)速度動(dòng)態(tài)匹配。步進(jìn)電機(jī)靠脈沖驅(qū)動(dòng)，本數(shù)學(xué)模型的目的是解算出所需脈沖頻率。

脈沖頻率與拖拉機(jī)前進(jìn)速度的關(guān)系式為

(4)

式中Arr——定時(shí)器重裝載值，通過TIM_SetAutoreload命令更改，以輸出目標(biāo)頻率脈沖，調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速

d——目標(biāo)粒距，mm

m——排種盤型孔數(shù)

H——定時(shí)器時(shí)鐘頻率，取72 MHz

P——定時(shí)器預(yù)分頻值，配置定時(shí)器時(shí)寫入

n1——驅(qū)動(dòng)器細(xì)分?jǐn)?shù)

n2——電機(jī)旋轉(zhuǎn)一圈所需步數(shù)，固定為200

αz——傳動(dòng)誤差修正系數(shù)

v——拖拉機(jī)前進(jìn)速度，km/h

3.1.6工作模式切換與控制

本系統(tǒng)有恒定轉(zhuǎn)速播種和隨速播種兩種工作模式。其中系統(tǒng)處于隨速播種模式時(shí)根據(jù)式(4)進(jìn)行自動(dòng)實(shí)時(shí)調(diào)速，進(jìn)行隨速播種作業(yè)；系統(tǒng)處于恒定轉(zhuǎn)速播種模式時(shí)，排種器將被電機(jī)帶動(dòng)以恒定轉(zhuǎn)速進(jìn)行播種作業(yè)。

兩種模式間可通過微信小程序設(shè)置目標(biāo)粒距功能進(jìn)行切換。目標(biāo)粒距為正整數(shù)時(shí)，系統(tǒng)處于隨速播種模式；目標(biāo)粒距為0時(shí)，系統(tǒng)處于恒定轉(zhuǎn)速播種模式。

恒定轉(zhuǎn)速播種模式下通過微信小程序設(shè)置轉(zhuǎn)速功能可向主控器傳入目標(biāo)轉(zhuǎn)速n3，主控器內(nèi)由

(5)

計(jì)算出相應(yīng)Arr，生成脈沖驅(qū)動(dòng)電機(jī)以定轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)。

3.1.7隨速播種模式速度源自動(dòng)切換

當(dāng)系統(tǒng)處于隨速播種模式時(shí)啟動(dòng)速度源自動(dòng)切換控制。

北斗接收器測(cè)得速度為vB，地輪編碼器測(cè)得速度為vE，切換測(cè)速方式臨界速度為vL。速度源v選擇模式如表1。

表1 速度源切換邏輯Tab.1 Speed source switching logic

3.2 交互端微信小程序設(shè)計(jì)

3.2.1功能設(shè)計(jì)

人機(jī)交互端的主要功能是根據(jù)實(shí)際作業(yè)情況設(shè)置目標(biāo)粒距、固定轉(zhuǎn)速、排種盤型孔數(shù)、機(jī)具幅寬、傳動(dòng)比、地輪直徑及滑移率7個(gè)設(shè)置參數(shù)；實(shí)時(shí)顯示吸種負(fù)壓、機(jī)具前進(jìn)速度、排種軸轉(zhuǎn)速、播種面積、播種量及工作模式6個(gè)顯示參數(shù)。

3.2.2軟件下載與界面設(shè)計(jì)

使用智能手機(jī)打開微信，在小程序界面搜索小程序全稱“隨速播種控制系統(tǒng)藍(lán)牙交互軟件”或簡(jiǎn)稱“隨速控制”即可找到，點(diǎn)擊進(jìn)入自動(dòng)完成下載與安裝，如圖8所示。

圖8 小程序下載界面與運(yùn)行界面Fig.8 Diagram of applet download and running interface

進(jìn)入程序首先進(jìn)行藍(lán)牙連接，完成后即可進(jìn)行控制。

4 關(guān)鍵參數(shù)標(biāo)定與數(shù)據(jù)分析

衡量本系統(tǒng)性能的主要指標(biāo)是粒距合格指數(shù)，對(duì)此指標(biāo)有兩個(gè)直接影響因素：測(cè)得拖拉機(jī)前進(jìn)速度的準(zhǔn)確性；電機(jī)控制精度和控制響應(yīng)時(shí)間。

4.1 拖拉機(jī)測(cè)速試驗(yàn)

4.1.1地輪編碼器測(cè)速

通過地輪編碼器測(cè)速試驗(yàn)，標(biāo)定地輪滑移率，用于修正其直接測(cè)得的速度，并確定此種測(cè)速方式適用的速度區(qū)間。

以東方紅LX954型拖拉機(jī)為動(dòng)力平臺(tái)，搭載2BFQ-6型油菜精量聯(lián)合直播機(jī)。分別以慢1、慢2、慢3、慢4、中1、中2(額定空載速度2.17～7.99 km/h)6個(gè)速度擋位前進(jìn)，放下三點(diǎn)懸掛、地輪空載、打開PTO驅(qū)動(dòng)旋耕刀以模擬實(shí)際田間工作情況，利用卷尺對(duì)拖拉機(jī)前進(jìn)距離進(jìn)行測(cè)量，利用地輪編碼器記錄轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)并通過藍(lán)牙模塊輸出至手機(jī)，數(shù)據(jù)更新頻率為5 Hz，計(jì)算地輪上定點(diǎn)擺線長(zhǎng)度與拖拉機(jī)位移之比，算得地輪滑移率。地輪滑移率計(jì)算公式為

(6)

式中s——地輪滑移率，%

L——拖拉機(jī)總位移，m

n——地輪總轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)，r

試驗(yàn)結(jié)果如表2。

表2 地輪編碼器測(cè)速試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Result of land wheel encoder speed test

此種測(cè)速方式下，拖拉機(jī)在低速(1.44～3.78 km/h)前進(jìn)時(shí)地輪滑移率為3.09%～5.90%，且隨著速度的增大，滑移率沒有明顯增加；中高速(4.76～7.99 km/h)前進(jìn)時(shí)滑移率為9.56%～20.05%，且隨著速度的增大，滑移率不斷增大。

引入測(cè)速誤差修正系數(shù)αc對(duì)測(cè)得的速度進(jìn)行修正，修正后的速度作為vE傳入主控器用于生成電機(jī)控制指令，則有

(7)

故地輪編碼器的適宜測(cè)速區(qū)間應(yīng)低于3.78 km/h，此時(shí)滑移率取最大值為5.90%，則αc為1.063。

4.1.2北斗接收器測(cè)速

在華中農(nóng)業(yè)大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)種植示范基地的平整直線水泥路使搭載北斗接收器的拖拉機(jī)原地靜止以及以2、3.5、4.5、6、8、10、12 km/h的速度直線前進(jìn)，測(cè)定各速度下傳回的速度信息各290～750組，利用SPSS軟件分析誤差的分布規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果如表3。

表3 北斗接收器測(cè)速數(shù)據(jù)Tab.3 Statistics of BDS receiver speed

拖拉機(jī)前進(jìn)速度在3.68～12.77 km/h時(shí)，北斗接收器測(cè)速誤差為-3.24%～3.40%，且隨著速度的增大，測(cè)速誤差較為穩(wěn)定；如圖9所示，拖拉機(jī)前進(jìn)速度為2.36 km/h時(shí)，北斗接收器會(huì)出現(xiàn)1～5 s的接收速度為0的情況，導(dǎo)致測(cè)得速度誤差較大，為-9.38%，并導(dǎo)致播種作業(yè)時(shí)出現(xiàn)較大面積漏播，故此種速度下不適宜采用北斗接收器測(cè)量拖拉機(jī)速度；拖拉機(jī)靜止時(shí)，測(cè)得速度恒為0。

圖9 低速時(shí)北斗速度數(shù)據(jù)分布曲線Fig.9 Diagram of BDS speed data distribution at low speed

由于北斗接收器測(cè)得速度的誤差互有正負(fù)且絕對(duì)值較小，不超過3.4%，因此不對(duì)此速度進(jìn)行修正，直接將其作為vB傳入主控器用于生成電機(jī)控制指令。

4.1.3適宜測(cè)速區(qū)間

分析兩種測(cè)速方式結(jié)果可得，地輪編碼器的適宜測(cè)速區(qū)間為1.44～3.78 km/h，北斗接收器的適宜測(cè)速區(qū)間為3.68～12.77 km/h，如圖10所示。

圖10 雙模測(cè)速誤差對(duì)比Fig.10 Diagram of dual mode speed measurement error

由于地輪滑移率對(duì)土壤墑情變化極為敏感，而北斗接收器對(duì)環(huán)境變換不敏感，適用范圍較廣，故以3.7 km/h為臨界速度，即vL=3.7 km/h。

4.2 傳動(dòng)系統(tǒng)控制試驗(yàn)

傳動(dòng)系統(tǒng)控制試驗(yàn)的目的是：判斷傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)誤差并進(jìn)行修正；通過確定電機(jī)響應(yīng)時(shí)間，以分析系統(tǒng)的調(diào)速頻率。

試驗(yàn)采用開發(fā)板A驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)；開發(fā)板B適配編碼器，并通過串口與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，傳輸實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)，傳輸頻率50 Hz。為模擬正常播種工作情況，將電機(jī)裝在直播機(jī)上，并打開PTO產(chǎn)生正常工作時(shí)的負(fù)壓，通過聯(lián)軸器將編碼器與傳動(dòng)通軸連接，測(cè)量傳動(dòng)通軸的轉(zhuǎn)速。通過開發(fā)板A的按鍵驅(qū)動(dòng)電機(jī)變速；通過開發(fā)板輸入計(jì)算機(jī)顯示與記錄。

4.2.1傳動(dòng)精度試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

表4為傳動(dòng)精度試驗(yàn)結(jié)果。由表可知，當(dāng)理論排種速度為10.05～50.74 r/min時(shí)，實(shí)際轉(zhuǎn)速與理論轉(zhuǎn)速的平均偏差為-5.31%，則傳動(dòng)誤差修正系數(shù)αz=1.056。

表4 傳動(dòng)精度試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Result of transmission accuracy test

影響傳動(dòng)精度的因素有：電機(jī)自身精度、測(cè)速程序、傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。使用同一測(cè)速程序測(cè)量電機(jī)的空載轉(zhuǎn)動(dòng)精度，測(cè)得轉(zhuǎn)速誤差為當(dāng)前轉(zhuǎn)速的萬(wàn)分之一，處于本電機(jī)25倍細(xì)分下標(biāo)稱誤差0.2%內(nèi)，符合轉(zhuǎn)動(dòng)精度要求，排除了電機(jī)自身精度及測(cè)速程序?qū)鲃?dòng)誤差的影響。傳動(dòng)結(jié)構(gòu)部分采用了10∶1行星減速器、十字萬(wàn)向節(jié)聯(lián)軸器、傳動(dòng)通軸等，查閱相關(guān)文獻(xiàn)得知各傳動(dòng)零部件均不會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)穩(wěn)定在-5%左右的誤差，則此穩(wěn)定誤差為系統(tǒng)誤差。如表5所示，引入修正系數(shù)αz=1.056后可將傳動(dòng)系統(tǒng)誤差控制在-1%以內(nèi)，符合傳動(dòng)精度要求。

表5 修正后傳動(dòng)精度Tab.5 Transmission accuracy after correcting

4.2.2控制響應(yīng)時(shí)間試驗(yàn)

表6為控制響應(yīng)時(shí)間試驗(yàn)結(jié)果。以15 r/min為基準(zhǔn)轉(zhuǎn)速，當(dāng)速度增量為5、10、15、20、25、30、35 r/min時(shí)，響應(yīng)時(shí)間均不大于73 ms。

4.2.3電機(jī)調(diào)速頻率

電機(jī)的控制響應(yīng)時(shí)間為73 ms，則最高電機(jī)調(diào)速頻率為13.7 Hz，北斗接收器刷新信息的頻率為1～10 Hz，編碼器測(cè)速頻率可在較大范圍實(shí)現(xiàn)。

表6 控制響應(yīng)時(shí)間Tab.6 Control response time

考慮到低功耗藍(lán)牙傳輸速率較低，北斗接收器測(cè)速時(shí)間間隔越長(zhǎng)越準(zhǔn)確，故確定電機(jī)控制速率為5 Hz。

5 試驗(yàn)

5.1 臺(tái)架試驗(yàn)

5.1.1試驗(yàn)方法

利用華中農(nóng)業(yè)大學(xué)JPZS-16型數(shù)字化三軸振動(dòng)排種器性能測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)開展排種性能測(cè)試。利用編碼器配合跑米輪測(cè)量試驗(yàn)臺(tái)傳送帶速度，作為電機(jī)控制的速度源，引出ADC信號(hào)線接不同電壓模擬實(shí)時(shí)負(fù)壓。

試驗(yàn)過程中，設(shè)置目標(biāo)粒距為60、80 mm共2個(gè)水平，使用同一個(gè)一器雙行正負(fù)氣壓組合式油菜精量排種器，對(duì)照組由恒定轉(zhuǎn)速的電機(jī)驅(qū)動(dòng)(此恒定轉(zhuǎn)速由傳送帶速度結(jié)合目標(biāo)粒距反推)，試驗(yàn)組為由編碼器作為速度源的隨速播種控制系統(tǒng)，試驗(yàn)具體配置如圖11所示。

圖11 臺(tái)架試驗(yàn)配置圖Fig.11 Diagram of bench experiment configuration 1.200 mm跑米輪 2.編碼器 3.同步支架 4.JPZS-16型數(shù)字化三軸振動(dòng)排種器性能測(cè)試試驗(yàn)臺(tái) 5.ADC信號(hào)輸入線 6.藍(lán)牙模塊 7.控制板 8.脈沖發(fā)生器 9.步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 10.一器雙行正負(fù)氣壓組合式油菜精量排種器 11.步進(jìn)電機(jī)

以傳送帶不同速度為單一變量，設(shè)置傳送帶速度為2.6、3.9、5.1、5.9、7.8 km/h共5個(gè)水平，保持試驗(yàn)組與對(duì)照組正、負(fù)氣壓一致，所用電機(jī)、電源、驅(qū)動(dòng)器等一致，利用排種試驗(yàn)臺(tái)檢測(cè)排種性能。

5.1.2試驗(yàn)結(jié)果與分析

依據(jù)NY/T 503—2015《單粒(精密)播種機(jī)作業(yè)質(zhì)量》進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與評(píng)價(jià)。臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

表7 隨速播種控制系統(tǒng)臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果Tab.7 Bench experiment results of speed-dependent control system

5個(gè)速度水平下，目標(biāo)粒距為60 mm時(shí)，試驗(yàn)組的粒距合格指數(shù)均優(yōu)于對(duì)照組且均大于90%；目標(biāo)粒距80 mm時(shí)，試驗(yàn)組的粒距合格指數(shù)均優(yōu)于對(duì)照組且均大于92%；且速度在2.6～7.8 km/h范圍內(nèi)變化時(shí)，試驗(yàn)組均自動(dòng)適應(yīng)不同速度，表明隨速播種控制系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)要求且優(yōu)于傳統(tǒng)定轉(zhuǎn)速驅(qū)動(dòng)。

5.2 田間試驗(yàn)

5.2.1試驗(yàn)方法

為驗(yàn)證系統(tǒng)的作業(yè)效果，于2021年10月8日在華中農(nóng)業(yè)大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)種植示范基地進(jìn)行油菜精量播種田間試驗(yàn)。配套動(dòng)力為東方紅954型拖拉機(jī)、播種油菜品種為華油雜62，使用搭載本系統(tǒng)的2BFQ系列油菜精量直播機(jī)進(jìn)行播種試驗(yàn)，所用排種器為一器雙行正負(fù)氣壓組合式油菜精量排種器，如圖12所示。試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)粒距為60 mm，速度水平設(shè)置為慢1、慢2、慢3、慢4、中2，其中慢1、慢2速度低于3.7 km/h，以地輪編碼器作為速度源，慢4、中2速度高于3.7 km/h，以北斗接收器作為速度源，慢3速度在3.7 km/h上下跳動(dòng)，以兩種速度接收器作為速度源，并根據(jù)實(shí)時(shí)速度自行切換，播種作業(yè)及出苗效果如圖12a、12b所示。

為驗(yàn)證隨速播種控制系統(tǒng)對(duì)其他類型排種器的適用性，于2021年9月28日開展精量穴播田間試驗(yàn)。如圖12c所示，試驗(yàn)地點(diǎn)、配套動(dòng)力及油菜品種與10月8日單粒精播田間試驗(yàn)一致。所用排種器改為小粒徑種子精量穴播集排器，采用光電傳感器判斷播種機(jī)進(jìn)入播種位置、控制電機(jī)使能開關(guān)。

圖12 田間試驗(yàn)及出苗效果Fig.12 Diagram of field experiment and sprouting consequent

5.2.2試驗(yàn)結(jié)果與分析

精量播種田間試驗(yàn)前，對(duì)播量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)測(cè)試，分別以慢1、慢2、慢3的前進(jìn)速度進(jìn)行播種，目標(biāo)粒距60 mm，廂面長(zhǎng)度54 m，統(tǒng)計(jì)6行總播量分別為30.04、30.52、30.51 g，測(cè)量得華油雜62千粒質(zhì)量為5.44 g，每行播種粒數(shù)分別為920、935、935粒。計(jì)算得54 m廂面長(zhǎng)、60 mm粒距對(duì)應(yīng)的理論粒數(shù)為900粒，播種量誤差分別為2.26%、3.89%、3.86%，滿足精量播種播量誤差國(guó)標(biāo)要求。

單粒精播田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和評(píng)價(jià)依據(jù)NY/T 2709—2015《油菜播種機(jī)作業(yè)質(zhì)量》，將粒距合格率、播種均勻性變異系數(shù)作為本系統(tǒng)的性能指標(biāo)。

播后30 d時(shí)，按照《油菜播種機(jī)作業(yè)質(zhì)量》要求，5種速度水平下的性能指標(biāo)如表8所示?？傻贸霰鞠到y(tǒng)能夠適應(yīng)不同排種系統(tǒng)在作業(yè)速度1.44～7.99 km/h區(qū)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)播量和粒距穩(wěn)定，且后期出苗效果良好，滿足設(shè)計(jì)要求。

表8 粒距合格率及播種均勻性變異系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果Tab.8 Statistics of qualified rate of seeding spacing and coefficient of variation of seeding uniformity

精量穴播試驗(yàn)結(jié)果證明，隨速播種控制系統(tǒng)可通過微信小程序修改參數(shù)，搭配小粒徑種子精量穴播集排器進(jìn)行隨速播種，具有較好的適用性。

6 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了基于北斗接收器和地輪編碼器測(cè)速的油菜隨速播種控制系統(tǒng)，標(biāo)定了吸附種子臨界負(fù)壓、電機(jī)調(diào)速頻率、地輪編碼器與北斗接收器兩種測(cè)速方式不同速度下的測(cè)速誤差。試驗(yàn)結(jié)果表明吸附種子臨界負(fù)壓為1 477 Pa；電機(jī)調(diào)速頻率為5 Hz；地輪編碼器在1.44～3.78 km/h時(shí)，滑移率最大為5.90%，速度修正系數(shù)為1.063；北斗接收器在3.67～12.77 km/h時(shí)速度誤差為-3.24%～3.4%；兩種測(cè)速方式的速度源切換臨界速度為3.7 km/h。

(2)油菜隨速播種控制系統(tǒng)播種與定轉(zhuǎn)速播種的臺(tái)架對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果表明：本系統(tǒng)播種粒距合格指數(shù)高于定轉(zhuǎn)速播種，且播種速度在2.6～7.8 km/h內(nèi)變化時(shí)，本系統(tǒng)均可自動(dòng)適應(yīng)速度變化控制播種粒距。

(3)開展了以油菜隨速播種控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)小粒徑種子精量穴播集排器和一器雙行正負(fù)氣壓組合式油菜精量排種器播種的田間試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，本系統(tǒng)可適用于不同排種器，滿足作業(yè)速度1.44～7.99 km/h時(shí)隨速播種要求，且播量和粒距穩(wěn)定，出苗效果良好，滿足設(shè)計(jì)要求。