溫寶琴 宋鵬翔 李景彬 黃 勇 岑紅蕾

(1.石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院， 石河子 832003； 2.現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械兵團(tuán)重點實驗室， 石河子 832003)

0 引言

勺式馬鈴薯排種器是目前國內(nèi)外廣泛使用的一種排種器[1-2]，既適用于整薯種薯的排種，也適用于切塊種薯的排種[3]，此類排種器具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、適應(yīng)性強(qiáng)等特點[4-6]，但是存在較高的漏播問題，通過結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化后，該排種器漏播率仍約7%[7]。為保證作業(yè)質(zhì)量，在實際作業(yè)過程中部分地區(qū)通過人工進(jìn)行補種[8]，該補種方式不僅增加了作業(yè)成本和勞動強(qiáng)度，而且實際播種過程中排種器運行速度較快，補種效果難以保證。

目前，解決馬鈴薯排種器漏播問題的有效方法是對漏播情況進(jìn)行檢測并通過補種裝置進(jìn)行自動補種[9]。在國內(nèi)，勺式馬鈴薯排種器主要分為勺鏈?zhǔn)胶蛶资?。針對勺鏈?zhǔn)今R鈴薯排種器漏播問題，?？档萚10]設(shè)計了一種電容式漏播檢測傳感器，在種勺通過種箱取得種薯向上運動的過程中進(jìn)行漏播檢測，通過PLC控制一組獨立并列的勺鏈?zhǔn)脚欧N器進(jìn)行補種；孫偉等[11]設(shè)計了一種由霍爾傳感器定位，紅外光電傳感器測薯的漏播檢測裝置，通過單片機(jī)控制速動補種裝置實現(xiàn)補種，漏播檢測過程中需要對種勺進(jìn)行定位，輸出定位信號控制漏播檢測傳感器在種勺兩側(cè)進(jìn)行測漏；張曉東等[12]設(shè)計了自動補償系統(tǒng)，通過驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)帶動補償排種器轉(zhuǎn)動進(jìn)行自動補種；官洪民等[13]為了保證漏播檢測的準(zhǔn)確性，將霍爾傳感器、光電傳感器和壓電傳感器進(jìn)行結(jié)合，通過種勺定位結(jié)合多次漏播判定來提高漏播檢測的準(zhǔn)確性。

針對帶勺式馬鈴薯排種器漏播問題，ZHANG等[14]通過對種勺進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在種勺上增加負(fù)壓吸管的方式，可以將漏播率降至4%；樊婧婧[15]采用圖像處理的方式對漏播情況進(jìn)行檢測，以PLC作為控制器，結(jié)合工控機(jī)來實現(xiàn)株距控制和漏播補償；孫傳祝等[16]通過PLC控制排種器液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速進(jìn)而控制株距，通過控制排種器速度來降低漏播率。

通過分析，針對勺式馬鈴薯排種器，目前大部分漏播檢測方式利用霍爾傳感器對種勺是否到達(dá)檢測位置進(jìn)行檢測，進(jìn)而將信號傳遞給控制器，由控制器控制漏播檢測傳感器在種勺的兩側(cè)進(jìn)行檢測。漏播補種方式主要分為導(dǎo)種過程中速動補種和投種過程中獨立排種器補種[17]。本文研究的對象為2CM-2/4型帶勺式馬鈴薯播種機(jī)，播種行數(shù)大于等于2，該播種機(jī)工作速度最快可達(dá)6.8 km/h，工作速度較快，工況復(fù)雜，所以使用霍爾傳感器定位配合光電傳感器在種勺側(cè)面測漏的漏播檢測方式難以保證高速工作過程中漏播檢測的成功率。同時，馬鈴薯排種器體積較大，對于該播種機(jī)，在有效的行距空間內(nèi)設(shè)置單獨的補種排種器會對該播種機(jī)的作業(yè)效率造成較大影響，并且當(dāng)播種機(jī)作業(yè)速度較快時，獨立補種排種器難以保證后補種薯的株距合格率[18-19]。

本文針對帶勺式馬鈴薯排種器工作過程中出現(xiàn)的漏播率較高的問題，以不影響排種器自身工作效率和作業(yè)質(zhì)量為出發(fā)點，提出一種漏播檢測方式，并以單片機(jī)為控制核心，通過電磁推桿式補種模塊進(jìn)行補種，設(shè)計漏播檢測與補種系統(tǒng)，并通過試驗臺對該系統(tǒng)進(jìn)行性能測試。

1 總體方案

1.1 技術(shù)要求

由于馬鈴薯播種機(jī)在室外工作，環(huán)境較為復(fù)雜，漏播檢測過程中易受到塵土、霧、雨、太陽光等外界因素的干擾[20]，所以傳感器選型與漏播檢測模塊的設(shè)計需要盡可能排除環(huán)境干擾。該播種機(jī)取種帶運行速度可達(dá)0.54 m/s，所以傳感器響應(yīng)速度需達(dá)到10 ms，根據(jù)排種器結(jié)構(gòu)尺寸，傳感器檢測距離應(yīng)不小于200 mm。由于該播種機(jī)排種器之間間距較小，為保證補種裝置不影響排種器的運行速度和播種質(zhì)量，無法使用獨立的補種排種器進(jìn)行補種，選擇在排種器的導(dǎo)種區(qū)域，通過快速動作裝置從外部通過排種器保護(hù)殼進(jìn)行速動補種，為滿足補種需求，根據(jù)排種器運行速度，補種模塊動作時間應(yīng)在250 ms以內(nèi)。檢測模塊在補種模塊之前，且模塊之間距離可調(diào)，從輸出漏播信號到控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作需在50 ms內(nèi)完成，所以選擇體積較小、性價比較高的單片機(jī)作為控制器即可,檢測與補種技術(shù)要求如表1所示。

表1 技術(shù)要求參數(shù)Tab.1 Parameters for technical requirements

1.2 基本結(jié)構(gòu)

漏播檢測與補種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與安裝示意圖如圖1所示，該系統(tǒng)漏播檢測模塊和補種模塊通過排種器保護(hù)殼安裝在排種器上，由于取種帶表面交錯排布兩列種勺，所以每列種勺配備一套漏播檢測模塊與補種模塊，分別通過傳感器調(diào)節(jié)架與執(zhí)行機(jī)構(gòu)安裝架安裝于排種器保護(hù)殼之上，每一套漏播檢測模塊有兩組對射式光電傳感器，每組傳感器有發(fā)射端和接收端，安裝于排種器保護(hù)殼表面和取種帶內(nèi)部，與檢測孔處于同一軸線上。每一套補種模塊由補種種道、執(zhí)行機(jī)構(gòu)安裝架、電磁鐵推桿、單向開合門等組成，位于漏播檢測模塊正下方，垂直于取種帶安裝。同時，為統(tǒng)計排種器工作過程中的總播種數(shù)，設(shè)計一組播種數(shù)統(tǒng)計傳感器，通過傳感器調(diào)節(jié)架安裝于排種器保護(hù)殼側(cè)面。控制面板安裝于種箱側(cè)壁。

圖1 漏播檢測與補種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of proposed miss-seeding detection and compensation systems1.取種帶 2.播種數(shù)統(tǒng)計傳感器組 3.漏播檢測傳感器組 4.傳感器調(diào)節(jié)架 5.單向開合門 6.執(zhí)行機(jī)構(gòu)安裝架 7.電磁鐵推桿 8.從動輪 9.補種薯 10.補種種道 11.主驅(qū)動輪 12.排種器保護(hù)殼 13.控制面板 14.種箱 15.種勺

1.3 硬件組成

漏播檢測與補種系統(tǒng)硬件組成如圖2所示，主要由電源模塊、單片機(jī)模塊、檢測模塊、補種模塊、顯示模塊和聲光報警模塊組成，檢測模塊主要進(jìn)行漏播檢測與播種數(shù)量統(tǒng)計，并將結(jié)果輸入單片機(jī)，補種模塊的主要作用是在單片機(jī)的控制下進(jìn)行補種工作，電源模塊負(fù)責(zé)為系統(tǒng)各個模塊進(jìn)行供電，顯示模塊和聲光報警模塊將總漏播數(shù)量和總播種數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計顯示并進(jìn)行相應(yīng)的漏播提示。

圖2 控制系統(tǒng)硬件組成Fig.2 Hardware composition of control system

1.4 工作原理

電機(jī)通過鏈傳動帶動如圖1所示排種器主驅(qū)動輪逆時針運轉(zhuǎn)，取種帶表面種勺正面自下而上通過種箱取得種薯，當(dāng)種勺通過最高點后種薯掉落至前一種勺的背面共同向下運動。當(dāng)種勺到達(dá)漏播檢測位置，排種器保護(hù)殼、取種帶和傳感器護(hù)板上的檢測孔處于同一軸線上，若背部無種薯，則漏播檢測傳感器兩個信號發(fā)射端發(fā)射的信號穿過所有檢測孔，兩個接收端接收到信號，傳感器電路對信號進(jìn)行處理后向單片機(jī)輸出漏播信號，單片機(jī)接收到漏播信號后驅(qū)動補種程序控制繼電器導(dǎo)通，電磁鐵推桿通電動作推動執(zhí)行塊將補種口種薯推入排種器保護(hù)殼，而后電磁鐵推桿在歸位彈簧的作用下返回原位，完成一次補種。反之，若背部有種薯，檢測裝置無信號輸出，補種模塊不動作。每個種勺通過播種數(shù)統(tǒng)計檢測區(qū)都將向單片機(jī)輸出一個低電平信號。漏播信號和播種數(shù)統(tǒng)計信號輸入單片機(jī)后，顯示模塊對總漏播數(shù)與總播種數(shù)進(jìn)行同步顯示。

2 漏種檢測與補種系統(tǒng)設(shè)計

為選擇最佳的漏播檢測與補種區(qū)域，將排種器工作過程劃分為4個區(qū)域，如圖3所示。區(qū)域Ⅰ為取種區(qū)，該區(qū)域種勺負(fù)責(zé)從種箱中舀取種薯，不具備漏播檢測與補種條件。區(qū)域Ⅱ為清種區(qū)，該區(qū)域是清種裝置工作區(qū)，主要通過沖擊振動的方式清除種勺中的多余種薯和種勺之間夾帶的多余種薯，該區(qū)域取種帶振動較大[21]，且塵土較多，不利于傳感器的檢測工作。區(qū)域Ⅲ為護(hù)種區(qū)，取種帶運行平穩(wěn)，有利于漏播檢測與補種，并且該區(qū)域排種帶與排種器保護(hù)殼配合間隙較小，通過改進(jìn)取種帶與排種器保護(hù)殼結(jié)構(gòu)，可以使得漏播檢測過程在一個相對封閉的檢測環(huán)境實現(xiàn)。區(qū)域Ⅳ為排種區(qū)，種薯在該區(qū)域從種勺背面落下，排入種溝，該區(qū)域距離土表較近，塵土彌漫嚴(yán)重，容易對檢測造成干擾[22]，同時，若在該區(qū)域進(jìn)行補種，需要后補種薯的初速度、補種時間點和下落運動軌跡與正常種薯保持同步，才能確保后補種薯的落點滿足株距要求，若在區(qū)域Ⅲ進(jìn)行補種模塊的設(shè)計，只需將后補種薯在既定時間范圍內(nèi)補入缺種種勺背部，即可保證與其他種薯同步的運動規(guī)律。因此，該研究選擇在排種器的區(qū)域Ⅲ護(hù)種區(qū)進(jìn)行漏播檢測與補種。

圖3 排種器工作區(qū)域Fig.3 Work area of seed metering deviceⅠ.取種區(qū) Ⅱ.清種區(qū) Ⅲ.護(hù)種區(qū) Ⅳ.排種區(qū)

2.1 漏種檢測模塊

根據(jù)排種器結(jié)構(gòu)尺寸，傳感器檢測范圍應(yīng)不小于200 mm，由于取種帶線速度超過0.5 m/s，傳感器響應(yīng)速度需在10 ms以內(nèi)，根據(jù)其田間運行環(huán)境，傳感器需要較好的靈敏度和穿透性，且檢測方式為非接觸式檢測，由于控制器核心為單片機(jī)，最終檢測模塊需輸出TTL電平信號。

圖4 漏播檢測傳感器的信號輸出電路Fig.4 Signal output circuit of miss-seeding detection sensors

研究選用PRS4Y20TZ10TZ型對射式光電傳感器，搭配ER2-502型光纖放大器進(jìn)行信號處理和輸出，輸出電路如圖4所示，該傳感器檢測距離可達(dá)300 mm，響應(yīng)時間在500 μs以內(nèi)，PRS4Y20TZ10TZ型對射式光電傳感器通過光纖線傳輸光線，光束的聚攏程度較高，因而檢測精度較高，光源的發(fā)光波長為625 nm，波的能量大，頻率高，穿透能力強(qiáng)，可以減少塵土等外界環(huán)境對檢測過程的干擾，并且由于光波頻率高于電磁輻射頻率，可以抵抗電磁干擾[23]，防止電機(jī)、變頻器等硬件對檢測過程的干擾，當(dāng)檢測到信號后，通過放大器對檢測信號進(jìn)行處理，最終通過ZD端口向單片機(jī)輸出NPN開關(guān)量信號。

漏播檢測傳感器安裝布局如圖5所示，兩組傳感器通過傳感器安裝架固定于排種器保護(hù)殼之上，每組傳感器兩個端頭處于同一軸線上。取種帶內(nèi)側(cè)兩個傳感器端頭前部設(shè)計了傳感器護(hù)板，防止排種器運行過程中由于取種帶振動損壞傳感器端頭，外側(cè)兩個傳感器端頭緊貼排種器保護(hù)殼。因此，傳感器端頭、排種器保護(hù)殼和取種帶之間形成較為封閉的檢測空間，隔絕了大部分塵土、太陽光等外界因素對檢測的干擾，從結(jié)構(gòu)上為檢測模塊提供了良好的檢測環(huán)境。

圖5 漏播檢測模塊結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Schematic of miss-seeding detection module1.候補種薯 2.種勺 3.排種器保護(hù)殼 4.漏播檢測傳感器 5.播種數(shù)統(tǒng)計傳感器 6.從動輪 7.種箱 8.主動輪 9.檢測孔 10.傳感器護(hù)板 11.取種帶

為保證檢測的準(zhǔn)確性，將種勺背部落種區(qū)域劃分為3等份，分別在1/3和2/3處各設(shè)置一組傳感器，則每個區(qū)域?qū)挾染鶠?0 mm，通過統(tǒng)計可得種薯直徑在30～55 mm之間，將兩組傳感器檢測信號進(jìn)行邏輯與運算，即只有當(dāng)兩組傳感器的接收端共同接收到信號，才會輸出漏播信號，排除了由于種薯直徑太小造成的誤檢情況。同時，為防止兩組檢測傳感器信號發(fā)射與接收之間相互產(chǎn)生干擾，將兩組傳感器的2個發(fā)射端與2個接收端設(shè)置為相反方向，即每一端由一個發(fā)射端頭和接收端頭組成。傳感器端頭之間的間距為20 mm(圖5)，取種帶、傳感器護(hù)板和排種器保護(hù)殼表面檢測孔如圖6所示，考慮到取種帶運行過程會出現(xiàn)橫向移動，使得檢測孔向一側(cè)產(chǎn)生輕微偏移的情況，偏移距離小于5 mm，因此檢測孔總長度L=50 mm，以便于傳感器的安裝調(diào)試。當(dāng)播種機(jī)達(dá)到最快運行速度時，傳感器檢測時間為

(1)

式中t——傳感器檢測時間，ms

W——檢測孔總寬度，mm

v——取種帶線速度，m/s

圖6 檢測孔結(jié)構(gòu)位置示意圖Fig.6 Detection hole structure position diagram1.檢測孔 2.漏播檢測傳感器 3.排種器保護(hù)殼 4.取種帶 5.種勺 6.傳感器護(hù)板

最大取種帶線速度v=0.54 m/s，假設(shè)檢測孔總寬度W=10 mm，通過計算可得t≈18.52 ms，而傳感器的響應(yīng)時間在500 μs以內(nèi)，所以檢測孔總寬度W=10 mm時，滿足播種機(jī)任一工作速度下的漏播檢測。取種帶表面的檢測孔位于每個種勺背部種薯落點相對應(yīng)的位置，由于種薯直徑在30～55 mm之間，所以取種帶表面檢測孔距離種勺高度H=20 mm，當(dāng)排種器運行時，其檢測孔隨取種帶處于運動狀態(tài)，傳感器護(hù)板和排種器保護(hù)殼上的檢測孔相對于傳感器位置不變，當(dāng)種勺運動至檢測位置，若種勺背部無種薯，則3個檢測孔處于同一軸線，傳感器發(fā)射端發(fā)送的信號可以通過檢測孔被接收端接收，產(chǎn)生漏播信號，反之，種勺背部種薯遮擋檢測孔，接收端接收不到檢測信號，不產(chǎn)生漏播信號。

該檢測方式利用帶勺式馬鈴薯排種器的結(jié)構(gòu)特點，通過結(jié)構(gòu)改進(jìn)，只需對射式光電傳感器就可以實現(xiàn)漏播檢測，不需要獨立的傳感器對種勺是否到達(dá)漏播檢測區(qū)域進(jìn)行判斷，降低了漏播檢測的復(fù)雜性。

2.2 補種模塊

由于候補種薯直徑在30～50 mm之間，因此執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作的行程不能小于50 mm，根據(jù)播種機(jī)工作速度，補種模塊完成1次動作時間應(yīng)小于250 ms，根據(jù)排種器結(jié)構(gòu)尺寸，補種執(zhí)行機(jī)構(gòu)寬度應(yīng)不大于排種器保護(hù)殼寬度。選用電磁鐵推桿作為補種執(zhí)行機(jī)構(gòu)，工作電壓為24 V，電流為9 A，行程為60 mm，可產(chǎn)生推力60 N，該電磁鐵寬度為50 mm，高度為45 mm，可以滿足補種需求。

補種控制電路如圖7所示，由于電磁鐵推桿工作電壓與電流較大，單片機(jī)無法實現(xiàn)對電磁鐵推桿的直接控制，需要使用兩級開關(guān)來實現(xiàn)對電磁鐵推桿的間接控制。使用三極管Q2作為第1級開關(guān)控制繼電器PK1的閉合與斷開，繼電器PK1作為第2級開關(guān)控制電磁鐵推桿的動作。單片機(jī)通過ZX端向三極管Q2的基極輸出低電平信號使得三極管Q2的發(fā)射極與集電極導(dǎo)通，即第1級開關(guān)導(dǎo)通，進(jìn)而繼電器PK1通電吸合，其端口3、4之間導(dǎo)通，即第2級開關(guān)導(dǎo)通，電磁鐵推桿通電推動執(zhí)行塊進(jìn)行補種。

圖7 補種控制電路Fig.7 Compensation control circuit

補種模塊結(jié)構(gòu)如圖8所示，補種模塊主要由補種種道、執(zhí)行機(jī)構(gòu)安裝架、單向補種門、推拉式電磁鐵和執(zhí)行塊組成，執(zhí)行塊的行程平面與重力方向的夾角為80°，且補種種道出口邊線與執(zhí)行塊前端面相切，以保證候補種薯通過補種種道后，最終位置保持與執(zhí)行塊前端面處于接觸狀態(tài)，防止候補種薯與執(zhí)行塊之間由于距離差導(dǎo)致補種過程中產(chǎn)生沖擊。候補種薯由補種種道滑落至執(zhí)行塊前方，當(dāng)補種控制電路啟動，使得電磁鐵通電動作，通過執(zhí)行塊推動候補種薯落入缺種種勺背部，電磁鐵推桿鐵芯在歸位彈簧作用下返回初始位置，完成一次補種動作。

圖8 補種模塊結(jié)構(gòu)示意圖Fig.8 Schematic of compensation module1.補種種道 2.電磁鐵推桿 3.執(zhí)行機(jī)構(gòu)安裝架 4.排種器保護(hù)殼 5.執(zhí)行塊 6.單向補種門

在補種過程中，候補種薯需要通過排種器保護(hù)殼表面的補種口落入缺種種勺背部。為防止排種器正常運行過程中種薯通過補種口流出，在補種口設(shè)計開合角為90°～180°的單向補種門，在補種過程中，執(zhí)行塊推動候補種薯向前運動，使得單向補種門逆時針旋轉(zhuǎn)，在限位結(jié)構(gòu)的控制下，該裝置的最大開啟角為90°。補種結(jié)束后，通過其自身重力或隨后種勺壓力的作用下順時針旋轉(zhuǎn)下落，在限位結(jié)構(gòu)控制下最大下落角為180°。

同時，為了降低執(zhí)行塊的質(zhì)量對電磁鐵推桿的能量消耗，提高單向補種門結(jié)構(gòu)適用性，降低其制造難度。采用SolidWorks軟件對執(zhí)行塊和單向開合補種門進(jìn)行三維建模，并對其內(nèi)部進(jìn)行網(wǎng)格化，使用ABS材料(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物)進(jìn)3D打印。

2.3 單片機(jī)模塊

圖10 單片機(jī)模塊電路Fig.10 Circuit diagram of single chip microcomputer module

控制面板示意圖如圖9所示，當(dāng)排種器以最快速度運行時，要求該控制系統(tǒng)在50 ms以內(nèi)完成信號處理和輸出，STC89C516單片機(jī)選用12 MHz晶振時，機(jī)器周期即可達(dá)1 μs，滿足使用要求，且該單片機(jī)功耗低、價格便宜，適用于農(nóng)業(yè)機(jī)械，同時，選用蜂鳴器與LCD液晶對漏播情況進(jìn)行提示和統(tǒng)計數(shù)據(jù)的實時顯示。

圖9 控制面板示意圖Fig.9 Schematic of control panel1.繼電器 2.電源線 3.蜂鳴器 4.降壓模塊 5.單片機(jī) 6.檢測模塊信號輸入端口 7.顯示模塊

單片機(jī)模塊以STC89C516為核心，電路如圖10所示。主要對各個模塊的信號進(jìn)行接收、處理和輸出。檢測模塊的漏播檢測傳感器和播種數(shù)統(tǒng)計檢測傳感器向單片機(jī)模塊輸入漏播信號和總播數(shù)統(tǒng)計信號，占用P3.2和P2.4引腳。單片機(jī)通過P2.0引腳向補種控制電路發(fā)送補種信號。顯示模塊采用LCD12864實時顯示總漏播數(shù)和總播種數(shù)，占用P1.0～P1.7，P0.0～P0.4引腳。聲光報警模塊由蜂鳴器和指示燈組成，對漏播情況進(jìn)行及時提醒，占用P2.2引腳。晶振電路和復(fù)位電路保證單片機(jī)的正常運行。

2.4 軟件設(shè)計

根據(jù)控制需求，當(dāng)漏播檢測傳感器和總播種數(shù)統(tǒng)計傳感器輸出檢測信號后，單片機(jī)模塊需要對信號進(jìn)行快速識別，出現(xiàn)漏播信號時，單片機(jī)需要對漏播信號進(jìn)行優(yōu)先處理。當(dāng)單片機(jī)檢測到播種數(shù)統(tǒng)計信號，需對信號進(jìn)行二次判別，并將該信號進(jìn)行累加統(tǒng)計后調(diào)用LCD顯示程序進(jìn)行實時顯示。當(dāng)單片機(jī)檢測到漏播信號后，通過外部中斷對漏播信號進(jìn)行優(yōu)先處理，并對信號進(jìn)行二次判別，根據(jù)漏播檢測與補種之間的距離差，需延時后向補種模塊發(fā)送補種信號，同時延時過程不能占用單片機(jī)的運行，需要在外部中斷中嵌套定時器中斷。同時單片機(jī)需要對漏播數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計并通過LCD顯示。主程序和中斷程序是主要的組成部分。

主程序流程圖如圖11所示，系統(tǒng)上電之后進(jìn)入系統(tǒng)初始化、外部中斷初始化和LCD顯示初始化；初始化之后進(jìn)行系統(tǒng)的自檢，排除系統(tǒng)故障；打開外部中斷，對漏播傳感器產(chǎn)生的中斷信號和播種數(shù)統(tǒng)計傳感器產(chǎn)生的播種數(shù)統(tǒng)計信號進(jìn)行循環(huán)掃描，當(dāng)出現(xiàn)中斷信號，執(zhí)行中斷程序控制補種模塊進(jìn)行補種，中斷程序執(zhí)行完畢返回主程序，檢測到播種數(shù)統(tǒng)計信號，對總播種數(shù)進(jìn)行累加統(tǒng)計，并通過LCD進(jìn)行實時顯示；終止信號控制系統(tǒng)各個模塊停止運行。

圖11 主程序流程圖Fig.11 Main program block diagram

中斷程序流程圖如圖12所示，當(dāng)單片機(jī)接收到漏播檢測傳感器輸出的外部中斷信號時，程序執(zhí)行從主程序跳入中斷子程序，為防止干擾信號輸入，再次對該信號進(jìn)行判斷，由于檢測模塊與執(zhí)行模塊之間有一定的距離，需要檢測模塊檢測到漏播信號之后延時固定時間后，補種模塊才能動作，所以在外部中斷程序中對定時器進(jìn)行初始化，跳入定時器進(jìn)行計時，當(dāng)計時結(jié)束之后向補種模塊發(fā)送動作信號啟動補種控制電路，同時，漏播數(shù)量進(jìn)行累加，LCD進(jìn)行同步顯示。

圖12 中斷程序流程圖Fig.12 Interrupt program flowchart diagram

3 性能試驗

3.1 補種可行性測試

3.1.1試驗方法

為確保補種模塊在有效補種時間t0內(nèi)能夠完成補種，設(shè)計測試試驗如圖13所示。使用斜面儀結(jié)合角度測量儀將電磁鐵推桿固定于10.08°的斜面，以模擬補種模塊實際安裝的傾斜角。隨機(jī)挑選候補種薯作為補種對象。在執(zhí)行塊表面粘貼反光貼，用于對執(zhí)行塊的運動軌跡進(jìn)行跟蹤。采用510 f/s的高速攝像機(jī)對補種過程進(jìn)行拍攝。

圖13 補種模塊動作過程Fig.13 Action process of compensation module

最終利用ProAnalyst軟件對推塊表面反光貼片的運動軌跡進(jìn)行跟蹤，并以時間為自變量輸出運動軌跡所對應(yīng)的位移距離和相應(yīng)的幀數(shù)數(shù)據(jù)。通過提取推塊關(guān)鍵位置對應(yīng)的幀數(shù)，計算補償時間，并與有效補償時間進(jìn)行比較，分析補種模塊的可行性。

當(dāng)播種機(jī)實際工作最大速度為6.8 km/h時，對應(yīng)取種帶線速度為v=0.54 m/s。此時取種帶運行一個種勺間距的時間，即有效補種時間為

(2)

式中t0——有效補種時間，ms

L2——取種帶表面單列種勺間距，mm

補種模塊完成一次補種動作的時間即補種時間，由補種模塊從接收到補種信號到開始動作的系統(tǒng)誤差時間與補種模塊從開始工作到正行程結(jié)束的過程需要的正行程時間組成，其關(guān)系為

t1=t2+t3

(3)

式中t1——補種時間，ms

t2——系統(tǒng)誤差時間，ms

t3——正行程時間，ms

根據(jù)ProAnalyst軟件輸出的數(shù)據(jù)，結(jié)合補償時間與系統(tǒng)誤差時間及正行程時間之間的關(guān)系，確定如圖13b所示單片機(jī)發(fā)出補種動作信號時對應(yīng)幀數(shù)、電磁鐵推桿開始動作時對應(yīng)幀數(shù)和圖13c所示電磁鐵推桿達(dá)到動作最遠(yuǎn)點時對應(yīng)幀數(shù)，則補種時間為

(4)

式中F1——發(fā)出補種動作信號時對應(yīng)幀數(shù)，f

F2——電磁鐵推桿開始動作時對應(yīng)幀數(shù)，f

F3——電磁鐵推桿達(dá)最遠(yuǎn)點時對應(yīng)幀數(shù)，f

根據(jù)電磁鐵推桿達(dá)最遠(yuǎn)點時對應(yīng)幀數(shù)與圖13d所示電磁鐵推桿恢復(fù)原位時對應(yīng)幀數(shù)，求得電磁鐵推桿從最遠(yuǎn)點返回初始位置所用的回位時間為

(5)

式中t4——回位時間，ms

F4——電磁鐵推桿恢復(fù)原位時對應(yīng)幀數(shù)，f

為確保執(zhí)行機(jī)構(gòu)的連續(xù)動作可行性，確定補種模塊完整完成一次補種過程所需的補種總時間為

t5=t1+t4

(6)

式中t5——補種總時間，ms

3.1.2試驗結(jié)果與分析

為保證數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，該試驗重復(fù)進(jìn)行4次，并通過ProAnalyst軟件對每一次試驗中對應(yīng)的關(guān)鍵幀數(shù)F1、F2、F3和F4進(jìn)行輸出，為表達(dá)簡潔，將試驗數(shù)據(jù)重新定義了零點，統(tǒng)計結(jié)果如表2所示。

表2 補種測試試驗結(jié)果Tab.2 Compensation module test results f

對4次試驗結(jié)果分別進(jìn)行計算，求得補種過程中平均補種時間t1≈96 ms，取種帶表面單列種勺間距L2=145 mm，根據(jù)式(2)計算有效補種時間t0=268.52 ms，通過對比可得t1

3.2 漏播檢測與補種系統(tǒng)性能測試

試驗臺架如圖14所示，為測試該漏播檢測與補種系統(tǒng)在帶勺式馬鈴薯排種器上的漏播檢測與補種的成功率，搭建漏播檢測與補種試驗臺進(jìn)行性能測試。

圖14 漏播檢測與補種試驗臺Fig.14 Test stand for miss-seeding detection and automatic compensating1.種箱 2.排種器 3.播種數(shù)統(tǒng)計傳感器 4.漏播檢測傳感器 5.補種種道 6.單項開合門 7.執(zhí)行塊 8.電磁鐵推桿 9.電源 10.控制面板 11.高速攝像機(jī)

3.2.1試驗設(shè)備與材料

排種器主驅(qū)動輪動力由1.5 kW電機(jī)通過鏈傳動方式提供，電機(jī)轉(zhuǎn)速通過NVF2G-22/PS4型變頻器進(jìn)行控制，主驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速通過TA8146C型轉(zhuǎn)速測量儀進(jìn)行測定。排種器工作過程使用種薯為切塊種薯，直徑在30～55 mm之間。補種過程使用尺寸滿足要求的整薯種薯作為候補種薯，直徑在30～50 mm之間。漏播檢測與補種過程使用MS55KS2型高速攝像機(jī)進(jìn)行拍攝。

3.2.2試驗方法

漏播檢測與補種系統(tǒng)以不影響排種器實際工作質(zhì)量為前提，因此，衡量該系統(tǒng)的評價指標(biāo)是當(dāng)排種器處于不同工作速度時，該系統(tǒng)的補種成功率，即試驗以播種機(jī)實際前進(jìn)速度為影響因素，通過搭建試驗臺，根據(jù)速度關(guān)系，通過控制主動輪轉(zhuǎn)速模擬播種機(jī)實際工作速度，以補種成功率為評價指標(biāo)進(jìn)行單因素6水平試驗。

馬鈴薯播種機(jī)在實際工作的過程中，排種器的動力通過地輪提供，所以單位時間內(nèi)播種機(jī)前進(jìn)距離與速度的比值和單位時間內(nèi)種勺運動距離與取種帶線速度的比值相等，即當(dāng)種勺運動一個相鄰種勺間距的時間與播種機(jī)前進(jìn)一個株距的時間的關(guān)系為

(7)

式中L——相鄰種勺間距，mm

L1——株距，mm

v1——播種機(jī)前進(jìn)速度，m/s

排種器主動輪角速度與其轉(zhuǎn)速之間、取種帶線速度與主動輪角速度之間的關(guān)系為

(8)

式中ω——主動輪角速度，rad/s

n——主動輪轉(zhuǎn)速，r/min

r——主動輪半徑，mm

則取種帶線速度v與主動輪轉(zhuǎn)速n之間的關(guān)系為

(9)

由于試驗以播種機(jī)實際前進(jìn)速度為影響因素，該馬鈴薯播種機(jī)實際工作速度為2.0～6.8 km/h，株距L1為250 mm，取種帶表面種勺為雙列交錯排布，相鄰種勺之間距離L為72.5 mm，單列種勺之間的距離L2為145 mm，排種器主動輪半徑r為95.5 mm。在該區(qū)間內(nèi)設(shè)定6個水平，并依次遞增，通過式(7)～(9)計算得到播種機(jī)實際前進(jìn)速度、取種帶線速度與主動輪轉(zhuǎn)速之間的換算關(guān)系如表3所示。

表3 速度換算關(guān)系Tab.3 Speed conversion relationship

試驗過程中，每個速度水平下理論排種500粒種薯，重復(fù)5次，排種器主動輪轉(zhuǎn)速n通過轉(zhuǎn)速測量儀進(jìn)行測量。為實現(xiàn)臺架試驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確統(tǒng)計，使用高速攝像機(jī)統(tǒng)計原始播種數(shù)、原始漏播數(shù)、補種數(shù)、最終播種數(shù)和最終理論播種數(shù)，其關(guān)系為

(10)

式中m0——原始播種數(shù)m1——原始漏播數(shù)

m2——補種數(shù)m3——最終播種數(shù)

m4——最終理論播種數(shù)

據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以得到無該系統(tǒng)時，漏播數(shù)量與理論播種數(shù)量的比值，即原始漏播率為

(11)

式中η1——原始漏播率

使用該系統(tǒng)后最終的漏播數(shù)量與理論播種數(shù)量的比值，即最終漏播率為

(12)

式中η2——最終漏播率

該系統(tǒng)補種模塊的補種成功率為

(13)

式中η3——補種成功率

通過高速攝像機(jī)對每組試驗過程中的排種器取種過程、漏播檢測過程和補種過程進(jìn)行拍攝記錄，對每組試驗的m0、m1和m2進(jìn)行統(tǒng)計，結(jié)果如表4所示。

表4 取種及補種性能試驗結(jié)果Tab.4 Statistics of test results

3.2.3試驗結(jié)果與分析

如表4所示，當(dāng)排種帶速度超過0.46 m/s時，排種器原始漏播率顯著增加，主要原因是排種帶線速度增加使得種勺充種時間變短，充種效果變差，導(dǎo)致充種率下降[24]。

根據(jù)高速攝像機(jī)采集的結(jié)果，該系統(tǒng)漏播檢測成功率為100%，該系統(tǒng)補種模塊補種成功率如圖15所示，平均補種成功率約為83.0%，補種模塊作業(yè)過程中未出現(xiàn)對種薯造成損傷的現(xiàn)象，不考慮補種過程中的損傷率對補種成功率造成的影響。

圖15 補種成功率Fig.15 Success rate of compensating

根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果計算原始漏播率和最終漏播率如圖16所示。若不使用該系統(tǒng)，當(dāng)排種帶線工作速度在0.14～0.54 m/s之間時，排種器的原始漏播率在5.9%～11.4%之間，平均原始漏播率約為7.7%，使用該系統(tǒng)后，最終漏播率在0.9%～2.1%之間，平均最終漏播率為1.3%，該系統(tǒng)可平均降低漏播率6.4個百分點。

圖16 原始漏播率與最終漏播率Fig.16 Original and final miss rates

通過對高速攝像儀采集視頻進(jìn)行分析，確定補種模塊補種失敗的原因如圖17所示。候補種薯沿種道下滑，在終點處與擋板產(chǎn)生沖擊，由于補種種道出口與執(zhí)行塊之間的過渡平緩，會出現(xiàn)候補種薯與擋板沖擊后有回彈的情況，導(dǎo)致候補種薯的部分體積停留在補種種道中，電磁鐵推桿前端的執(zhí)行塊向前推動候補種薯的過程中，電磁鐵推桿的推力無法克服執(zhí)行塊、候補種薯和補種種道之間的相互作用力，在補種種道出口處出現(xiàn)卡種情況，無法使候補種薯通過單向補種門，導(dǎo)致補種失敗。

圖17 補種失敗分析示意圖Fig.17 Analysis diagram of compensation failure1.補種種道出口 2.候補種薯 3.執(zhí)行塊 4.單向補種門 5.補種種道

4 結(jié)論

(1)針對帶勺式馬鈴薯排種器作業(yè)過程中普遍存在的漏播率較高的問題，對漏播檢測模塊、補種模塊、單片機(jī)模塊、聲光報警模塊和顯示模塊進(jìn)行硬件選型、電路設(shè)計、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計，并根據(jù)系統(tǒng)控制需求完成了主程序、中斷程序和各個子程序的設(shè)計，完成了漏播檢測與補種系統(tǒng)的搭建，可以對帶勺式馬鈴薯排種器運行過程中的漏播情況進(jìn)行檢測并完成補種。

(2)通過臺架試驗對該漏播檢測與補種系統(tǒng)進(jìn)行性能測試，結(jié)果表明當(dāng)取種帶線速度在0.14～0.54 m/s之間時，漏播檢測成功率為100%，補種成功率平均約為83.0%，該系統(tǒng)可平均降低漏播率6.4個百分點，該漏播檢測與補種系統(tǒng)工作穩(wěn)定，為該系統(tǒng)在帶勺式馬鈴薯播種機(jī)上的實際應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。