電動(dòng)準(zhǔn)直蔬菜播種機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與關(guān)鍵技術(shù)研究

許敏

摘要：針對(duì)種植蔬菜農(nóng)藝中畫線、撒播、間苗、收割以人力為主，不僅浪費(fèi)時(shí)間而且浪費(fèi)種子，且葉類蔬菜播種不直給后期收割帶來不便等現(xiàn)狀，開發(fā)了一種電動(dòng)準(zhǔn)直蔬菜播種機(jī)。該播種機(jī)精準(zhǔn)播種、行距可調(diào)、轉(zhuǎn)向靈活，準(zhǔn)直行走精度滿足設(shè)施農(nóng)業(yè)對(duì)蔬菜準(zhǔn)直播種的農(nóng)藝要求?；诖?，本文將著重分析探討電動(dòng)準(zhǔn)直蔬菜播種機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與關(guān)鍵技術(shù)，以期能為以后的實(shí)際工作起到一定的借鑒作用。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)準(zhǔn)直；蔬菜播種機(jī)；設(shè)計(jì)；技術(shù)

1、電動(dòng)準(zhǔn)直蔬菜播種機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求

根據(jù)設(shè)施農(nóng)業(yè)與精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)對(duì)蔬菜種植的農(nóng)藝要求，電動(dòng)準(zhǔn)直蔬菜播種機(jī)應(yīng)該滿足以下要求：1）工作效率及工作幅寬：所設(shè)計(jì)的播種機(jī)應(yīng)該具有節(jié)能、高效等特點(diǎn)，每小時(shí)播種面積1600～2600m2；通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有溫室的門寬一般在1m左右，畦播蔬菜每畦寬度在900mm左右，因此播種機(jī)工作幅寬為900mm。2）準(zhǔn)直行走精度：蔬菜播種機(jī)準(zhǔn)直行走既能節(jié)約種子又能減少起壟劃線的工作量，而且便于管理以及后期機(jī)械自動(dòng)化收割，準(zhǔn)直精度應(yīng)該控制在±10mm/50m。3）轉(zhuǎn)向要求：溫室內(nèi)部工作空間狹小，蔬菜播種機(jī)轉(zhuǎn)彎應(yīng)該靈活且轉(zhuǎn)彎半徑小，能夠?qū)崿F(xiàn)原地滑移轉(zhuǎn)向。4）行走速度控制：要求蔬菜播種機(jī)具有自走及巡航功能，事先設(shè)定不同行走速度，采用無線遙控。

2、電動(dòng)準(zhǔn)直蔬菜播種機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要由速度可獨(dú)立調(diào)節(jié)的電驅(qū)動(dòng)輪組成，通過兩側(cè)驅(qū)動(dòng)輪差速實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，行走系統(tǒng)由兩滾筒式獨(dú)立驅(qū)動(dòng)輪和串排式隨動(dòng)鎮(zhèn)壓輪組成，通過控制器實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)。激光引導(dǎo)系統(tǒng)主要有激光發(fā)射器和激光接收器，接收器安裝在自動(dòng)找正裝置上，12V直流電機(jī)帶動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，激光接收器通過兩個(gè)螺母與絲杠相連，螺母可以在激光接收器下方的螺母導(dǎo)向槽里左右滑動(dòng)，播種前激光束照到激光接收器上，控制器判斷激光束所處的位置，控制直流電機(jī)旋轉(zhuǎn)，直到激光束對(duì)準(zhǔn)激光接收器的中間位置，控制器才切斷直流電機(jī)控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)激光接收器自動(dòng)對(duì)中。激光接收器對(duì)中后，將激光接收信號(hào)與PLC控制器相連，此時(shí)激光接收器接收的激光信號(hào)作為準(zhǔn)直行走引導(dǎo)信號(hào)，引導(dǎo)播種機(jī)沿著激光束平面直線行走。

2.1轉(zhuǎn)向方式的選擇

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的好壞直接影響了準(zhǔn)直精度，不同方式的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所需的控制方式也不同。對(duì)于精準(zhǔn)設(shè)施農(nóng)業(yè)來說，所選的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)應(yīng)該具有結(jié)構(gòu)簡單、便于控制、反應(yīng)速度快、性能穩(wěn)定及轉(zhuǎn)彎半徑小等特點(diǎn)。現(xiàn)對(duì)備選的四輪獨(dú)立轉(zhuǎn)向、阿克曼轉(zhuǎn)向、差速轉(zhuǎn)向及合成軸轉(zhuǎn)向等4種轉(zhuǎn)向方式進(jìn)行比較，其結(jié)果如表1所示。由于播種機(jī)的工作空間主要是狹小的溫室大棚，要求轉(zhuǎn)彎半徑小或者可以原地轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)向必須靈活可控，而且能夠準(zhǔn)直行走；另一方面由于整機(jī)以車載蓄電池為動(dòng)力源，宜采用兩個(gè)電驅(qū)動(dòng)輪結(jié)構(gòu)，因而采用差速轉(zhuǎn)向系統(tǒng)能夠滿足播種機(jī)設(shè)計(jì)需要。

2.2電驅(qū)動(dòng)輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該播種機(jī)采用直流電機(jī)作為動(dòng)力源，直流電機(jī)置于驅(qū)動(dòng)輪內(nèi)部，電機(jī)轉(zhuǎn)子與驅(qū)動(dòng)輪的一側(cè)端面通過螺栓緊固在一起，電機(jī)定子軸處在驅(qū)動(dòng)輪端面中心位置，與車架連接，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。該驅(qū)動(dòng)輪結(jié)構(gòu)緊湊，便于安裝，兩驅(qū)動(dòng)輪對(duì)稱安裝在播種機(jī)前方左右兩側(cè)，輸出軸與車架相連，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)驅(qū)動(dòng)輪相對(duì)于機(jī)架產(chǎn)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)播種機(jī)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪速度相同時(shí)，播種機(jī)沿直線運(yùn)動(dòng)，通過控制兩輪轉(zhuǎn)速差，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向功能。

驅(qū)動(dòng)輪的外形結(jié)構(gòu)決定了驅(qū)動(dòng)輪與地面的附著系數(shù)：表面太光滑時(shí)，容易造成打滑現(xiàn)象；太粗糙時(shí)地面經(jīng)驅(qū)動(dòng)輪碾壓后會(huì)出現(xiàn)高低不平的情況，導(dǎo)致播種深度不一致，影響出苗率。為此，采用在驅(qū)動(dòng)輪表面粘有高強(qiáng)度EVA膠的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，不僅增加了驅(qū)動(dòng)輪與地面的摩擦力，而且地面壤土經(jīng)驅(qū)動(dòng)輪碾壓后會(huì)形成比較平整的表面，保證了種子播種深度的一致性，提高了出苗率。

2.3準(zhǔn)直行走系統(tǒng)控制方案確定

在設(shè)施農(nóng)業(yè)與精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)快速發(fā)展過程中，對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械以及精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)機(jī)械提出了更高的要求，要求農(nóng)機(jī)沿著智能化與自動(dòng)化方向發(fā)展，同時(shí)對(duì)蔬菜精播提出了高要求，特別是準(zhǔn)直行走技術(shù)。以往人工種植蔬菜大多通過人工劃線、撒播、間苗等過程，不僅浪費(fèi)時(shí)間而且浪費(fèi)種子，對(duì)于葉類蔬菜來說播種不直給后期收割帶來不便，特別是機(jī)械收割。準(zhǔn)直行走技術(shù)能夠有效的解決走直問題，目前大田農(nóng)機(jī)常用GPS導(dǎo)航技術(shù)，但成本相對(duì)較高，不適用于設(shè)施農(nóng)業(yè)。本課題采用激光引導(dǎo)技術(shù)，利用激光照射距離遠(yuǎn)，發(fā)散角小等特點(diǎn)，為電動(dòng)蔬菜播種機(jī)準(zhǔn)直行走提供引導(dǎo)信號(hào)，設(shè)計(jì)一款能夠感應(yīng)激光的接收器，將激光信號(hào)傳遞給控制器，控制器通過計(jì)算與邏輯判斷，控制轉(zhuǎn)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)直行走功能。準(zhǔn)直行走系統(tǒng)的邏輯控制對(duì)于系統(tǒng)的靈敏度非常重要，穩(wěn)定可靠的控制方案成為了整個(gè)系統(tǒng)的核心，通過設(shè)計(jì)特定的激光接收器，采用分段模糊控制，能有效提高系統(tǒng)準(zhǔn)直行走精度。

總而言之，目前設(shè)施蔬菜播種農(nóng)藝多以人工為主，而設(shè)施農(nóng)業(yè)與精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)要求農(nóng)業(yè)機(jī)械沿著智能化與自動(dòng)化方向發(fā)展。為此，設(shè)計(jì)了一款適用于溫室的電動(dòng)準(zhǔn)直蔬菜播種機(jī)，具備激光導(dǎo)航走直、轉(zhuǎn)彎靈活及節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，搭建了播種機(jī)的整體結(jié)構(gòu)模型，確定了差速轉(zhuǎn)向?yàn)槠滢D(zhuǎn)向方式；經(jīng)過對(duì)其播種開溝功率消耗和行走功率消耗理論推導(dǎo)與計(jì)算，確定了無刷直流電機(jī)的功率，并且計(jì)算了蓄電池的容量。該研究為電動(dòng)準(zhǔn)直蔬菜播種機(jī)的樣機(jī)試制與設(shè)計(jì)奠定了理論基礎(chǔ)。

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