呂小榮，陳小虎，楊璐杰，劉 錚，唐 鵬，涂心葉

（四川農(nóng)業(yè)大學機電學院，四川 雅安 625014）

“2022 年中央一號文件”提出要在全國適宜地區(qū)推廣大豆-玉米帶狀復合種植，全力抓好糧食生產(chǎn)和重要農(nóng)產(chǎn)品供給[1]，而機械播種是大豆-玉米帶狀復合種植的關鍵技術之一。目前國內外廣泛使用的大豆玉米精量播種機其實際作業(yè)中均存在一些無法避免的漏播現(xiàn)象，若不加以補種，必將造成作物減產(chǎn)[2-3]。對于大豆玉米等種子，田間播種時種子直接被泥土覆蓋，即使出現(xiàn)漏播駕駛員也難以察覺，由此可能會導致作物稀疏缺苗等情況，影響產(chǎn)量[4-6]。在實際生產(chǎn)中，多采用在作物出苗后進行人工補種的方法，但人工補種費時費力，且補種后存在作物長勢不均勻的情況[7]。因此，解決大豆玉米排種器漏播問題的有效途徑是在播種時對漏播情況進行檢測并通過補種裝置進行實時補種[8]。

近年來，國內外許多學者[9-14]致力于在排種器上安裝各種傳感器進行漏播檢測。在補種裝置設計方面，許多學者[15-18]設計了勺式補種器、轉勺式補種器等補種裝置，通過合適的控制算法，能實現(xiàn)位置上無偏差的實時補種?；谏鲜鲅芯?，本文以降低大豆玉米的漏播率為切入點，通過加裝補種系統(tǒng)以降低漏播率、提高播種質量。

1 補種系統(tǒng)總體結構及工作原理

1.1 總體結構

大豆玉米氣吸式播種機補種系統(tǒng)由補種裝置、檢測與控制系統(tǒng)組成，如圖1所示。

圖1 補種系統(tǒng)總體結構Figure 1 Overall structure of reseeding system

圖2 檢測與控制系統(tǒng)各元器件連接示意圖Figure 2 Connection diagram of components of detection and control system

其中補種裝置是與原排種裝置同型的氣吸式排種器，檢測與控制系統(tǒng)主要包括傳感器、步進電機和單片機等部分，各元器件連接示意如圖2所示。傳感器用于檢測吸種孔是否正常吸附種子。控制系統(tǒng)用于接收傳感器信號、處理信號以及向步進電機發(fā)出指令，步進電機帶動補種盤轉動指定角度進行補種作業(yè)。

1.2 工作原理

當播種機穩(wěn)定運行后，步進電機在控制器的指令下驅動補種盤轉動，當檢測到補種盤中即將轉出真空室的吸種孔吸附到種子時補種盤停止轉動、等待補種。此時原排種器正常進行播種作業(yè)，當檢測系統(tǒng)檢測到原排種盤即將轉出真空室的吸種孔沒有吸附到種子時，控制系統(tǒng)輸出控制指令，由步進電機驅動補種盤轉動預定的角度（兩個相鄰吸種孔之間的夾角，18°）進行補種。在一次補種完成后，檢測系統(tǒng)將繼續(xù)監(jiān)測補種盤中即將轉出真空室的吸種孔是否吸附種子，如果沒有，則控制系統(tǒng)驅動步進電機轉動預定角度，直到補種盤中即將轉出真空室的吸種孔吸附到種子時停止轉動，等待下一次補種。

2 檢測與控制系統(tǒng)設計

檢測與控制系統(tǒng)用于檢測漏播信號和驅動補種裝置作業(yè)，主要由信號采集模塊、執(zhí)行模塊和軟件程序3部分組成。

2.1 信號采集模塊

信號采集模塊主要用于檢測原排種裝置的吸種孔是否吸附種子，并將結果反饋給控制器。根據(jù)排種器的工作環(huán)境，信號采集模塊的傳感器須具有較好的靈敏度和抗干擾能力、且不影響排種器的正常工作[19-20]。因此本文選用具有精度高、反應快、非接觸等優(yōu)點的HD-DS25CM-3MM型光電傳感器，其感應距離為25 cm，響應時間為2 ms。

傳感器的安裝位置如圖3 所示，傳感器的射裝置和接受裝置分別安裝在排種器的左右兩側，發(fā)射裝置和接收裝置處于同一軸線上，且軸線穿過排種器最下方的排種孔。

圖3 光電傳感器安裝位置Figure 3 Installation position of photoelectric sensor

2.3 執(zhí)行模塊

執(zhí)行模塊主要由補種裝置和步進電機組成，通過步進電機驅動補種裝置的補種盤轉動進行補種作業(yè)。補種裝置結構如圖4所示，主要包括儲種箱、補種盤、攪種盤、刮種器等部分。

圖4 補種裝置結構圖Figure 4 Structure diagram of reseeding device

圖5 JPS-12排種器性能檢測試驗系統(tǒng)試驗臺Figure 5 JPS-12 seed metering device performance detection test system test bench

2.4 軟件設計

本文控制系統(tǒng)的主控制器為基于ARM 架構的STM32F407微處理器，并移植STM32標準庫函數(shù)進行項目開發(fā)。

在系統(tǒng)初始化配置完成后進行系統(tǒng)應用程序的編寫，其主要內容為：使用光電傳感器進行漏播檢測、判斷漏播是否發(fā)生、輸出電機控制指令、系統(tǒng)復位等。

2.5 安裝調試

為驗證補種系統(tǒng)進行補種作業(yè)的可行性、實時性，需對系統(tǒng)做響應時間測試。系統(tǒng)的響應時間由包括傳感器響應時間和程序響應時間2 部分組成，其中傳感器的響應時間為2 ms，程序處理的響應時間通過如下方式測得：在程序中設置一軟件定時器，當傳感器檢測到漏播信號后觸發(fā)該定時器開始計數(shù)，該定時器時鐘頻率為1 MHz，此時程序將會執(zhí)行驅動步進電機轉動的指令，當執(zhí)行完后關閉該定時器并記錄計數(shù)值。

將控制系統(tǒng)按圖2 示意圖進行連接后啟動系統(tǒng)，連續(xù)進行10次測試，測試結果如表1所示，根據(jù)試驗結果，取響應的平均值為0.065 6 ms。

表1 程序響應時間測試結果Table 1 Program response time test results

綜上，補種系統(tǒng)完成一次補種作業(yè)的總響應時間為2.065 6 ms，根據(jù)《單粒（精密）播種機試驗方法》[21]，系統(tǒng)的響應時間在可接受范圍內。

3 臺架試驗

由于排種器的排種性能受多種因素的影響，據(jù)文獻[22-24]表明，影響氣吸式排種器排種性能的主要因素包括真空度、排種盤轉速以及吸種孔直徑等。為檢驗本文設計的補種系統(tǒng)的工作性能、確定補種系統(tǒng)的最優(yōu)參數(shù)組合，設計如下臺架試驗。

3.1 試驗條件及方法

補種系統(tǒng)臺架試驗在四川農(nóng)業(yè)大學機電實訓中心進行。以雅玉10 號玉米種子為試驗材料進行試驗，該種子百粒重約為30 g，試驗的種子尺寸為：長7.2～12.96 mm、寬6.8～9.3 mm、厚2.51～6.78 mm。

試驗設備分為原排種裝置、補種系統(tǒng)、控制臺3 部分構成。安裝時，將原排種裝置和補種裝置對稱安裝到機架上，并各自安裝一個排種管，以分別觀察落種情況。

將排種裝置機架固定在排種器性能檢測試驗系統(tǒng)試驗臺上，如圖5所示。試驗臺的種床帶速度、風機功率等是可調節(jié)的，通過種床帶的移動來模擬播種機在田間的移動，通過風機產(chǎn)生的負壓來吸附種子。排種器性能檢測試驗系統(tǒng)試驗臺的主要技術參數(shù)如表2所示。

表2 JPS-12排種器性能檢測試驗系統(tǒng)試驗臺技術參數(shù)Table 2 Technical parameters of JPS-12 seed metering device performance detection test system test bench

試驗方法：

①根據(jù)設計的氣吸室臨界真空度為2.06 kPa、補種盤轉速為20～33 r/min、吸種孔直徑為4～6 mm為基本參數(shù)，探究多因素對試驗指標的影響，設計出因素編碼表，如表3所示，進行多因素試驗[25]。

表3 因素編碼表Table 3 Factor code table

②在多因素試驗的基礎上運用響應曲面法進行分析，得出系統(tǒng)最優(yōu)參數(shù)組合。

③進行對比試驗，驗證補種系統(tǒng)的可靠性。

評價指標：根據(jù)《單粒（精密）播種機試驗方法》[21]，試驗的有關數(shù)據(jù)按照以下指標進行處理。合格指數(shù)評價指標如下：

漏播指數(shù)評價指標如下：

式（1）、（2）中：n0—空穴個數(shù)；n1—單粒種子個數(shù)；N'—理論排種個數(shù)。

3.2 試驗結果與分析

試驗采用JPS-12 試驗臺，建立播種試驗臺，運行穩(wěn)定后測得多因素數(shù)據(jù)結果如表4所示。

表4 多因數(shù)試驗方案及數(shù)據(jù)結果Table 4 Multi factor test scheme and data results

運用Design Expert對正交試驗結果進行分析得到各因素關于R1（合格指數(shù)）、R2（漏播指數(shù)）的回歸方程如下：

對合格指數(shù)、漏播指數(shù)進行方差分析，結果如表5、表6所示。

表5 合格指數(shù)方差分析Table 5 Qualified index analysis of variance

表6 漏播指數(shù)方差分析Table 6 Analysis of variance of missed seeding index

結果表明，此模型的P值＜0.000 1，響應面回歸模型極顯著；回歸模型相關系數(shù)R2為0.999 6。由顯著性水平檢驗可知：A、B、C、AB、AC、BC、A2、B2和C2項對響應值影響極顯著（P＜0.05），表明試驗因素對合格指數(shù)的影響不是簡單線性關系。從F值可知，影響合格指數(shù)的因素強弱順序為B（真空度kPa）＞A（轉速r/min）＞C（吸種孔直徑mm）。

結果表明，此模型的P值＜0.000 1，響應面回歸模型極顯著；回歸模型相關系數(shù)R2為0.998 4。由顯著性水平檢驗可知：A、B、C、AB、AC、BC、A2、B2和C2項對響應值影響極顯著（P＜0.05），表明試驗因素對漏播指數(shù)的影響不是簡單線性關系。從F值可知，影響漏播指數(shù)的因素強弱順序為A（轉速r/min）＞B（真空度kPa）＞C（吸種孔直徑mm）。

3.3 響應曲面分析

為更清楚了解各因素對合格指數(shù)、漏播指數(shù)的影響以及得到試驗的最優(yōu)參數(shù)，運用響應曲面分析法對各個因素之間的交互作用進行分析，將其固定在一個水平范圍內[26]。

將吸種孔直徑、真空度和轉速分別固定后，再分別對另外2 個因素的相互作用進行響應曲面分析，得到如圖6、圖7和圖8所示的結果。

圖6 轉速與真空度的相互作用對漏播指數(shù)和合格指數(shù)的影響Figure 6 Effect of the interaction between speed and vacuum on the leakage index and acceptance index

圖7 轉速和吸種孔直徑的相互作用對漏播指數(shù)和合格指數(shù)的影響Figure 7 The interaction of rotational speed and suction hole diameter on spillage and qualification index

圖8 真空度和吸種孔的相互作用對漏播指數(shù)和合格指數(shù)的影響Figure 8 Effect of interaction between vacuum degree and seed suction pore on leakage seeding index and acceptance index

由圖6 可以看出當吸種孔直徑保持一定時，隨著轉速增大，漏播指數(shù)逐漸增大、合格指數(shù)先增加后下降，在真空度逐漸增大的趨勢下，漏播指數(shù)逐漸下降、合格指數(shù)先增加后下降。由圖7 可以看出當真空度保持一定時，隨著轉速增大，漏播指數(shù)逐漸增大、合格指數(shù)先增加后下降，在吸種孔直徑逐漸增大的趨勢下，漏播指數(shù)、合格指數(shù)變化幅度不大。由圖8 可以看出當轉速保持一定時，隨著真空度增大，漏播指數(shù)變化趨勢不大、合格指數(shù)逐漸上升，在吸種孔直徑逐漸增大的趨勢下，漏播指數(shù)、合格指數(shù)逐漸上升。

根據(jù)上述試驗分析的結果，確定補種系統(tǒng)的最優(yōu)組合為真空度為4.3 kPa、補種盤轉速為27 r/min和吸種孔直徑為5 mm。

3.4 對比試驗

用最優(yōu)組合參數(shù)對補種系統(tǒng)的可靠性進行驗證試驗。其中一次試驗效果如圖9所示，

圖9 補種裝置臺架試驗Figure 9 Replenishment Device Bench Test

在排種裝置最優(yōu)的參數(shù)條件下進行試驗10次，分別得到表7和表8的數(shù)據(jù)。

表7 加裝了補種系統(tǒng)的播種試驗數(shù)據(jù)Table 7 Seeding test data with reseeding system %

表8 原排種裝置試驗數(shù)據(jù)Table 8 Test data of original seed metering device %

對比表7 和表8 發(fā)現(xiàn)，在最優(yōu)組合因素的工況下，加裝了補種系統(tǒng)的播種合格指數(shù)最高達96.60%，漏播指數(shù)最高為5.84%，原排種裝置合格指數(shù)最高為93.88%，漏播指數(shù)最高達到9.21%。將結果取平均值可知，加裝了補種系統(tǒng)的播種合格指數(shù)上升2.34%，漏播指數(shù)下降3.09%。

4 總結

① 根據(jù)補種系統(tǒng)的工作原理進行了檢測和控制系統(tǒng)設計，確定了系統(tǒng)所使用的主要硬件，同時編寫了相應的軟件程序。設計完成后對程序的響應時間進行了測試，結果表明，系統(tǒng)總響應時間為2.065 6 ms，滿足補種作業(yè)的要求。

② 以玉米種子為研究對象，開展補種系統(tǒng)臺架試驗，分析了轉速、真空度、吸種孔直徑對合格指數(shù)、漏播指數(shù)的影響。根據(jù)試驗結果，確定了補種裝置在真空度為4.3 kPa，補種盤轉速為27 r/min、吸種孔直徑為5 mm的組合下補種效果是最優(yōu)的。

③ 對比試驗表明，加裝了補種系統(tǒng)的后玉米的播種合格指數(shù)上升2.34%，漏播指數(shù)下降3.09%。

本文為了驗證補種系統(tǒng)工作的性能，僅以玉米種子為研究對象，研究表明加裝該補種系統(tǒng)后可提高玉米的播種質量，后續(xù)將通過更換適用于大豆種子的排種盤進一步驗證補種系統(tǒng)的工作性能。