基于GIS的油菜播種控制系統(tǒng)設(shè)計與試驗

張金然，李存超，李 詢，孫國峻，何瑞銀，*，魏 清

(1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，江蘇省智能化農(nóng)業(yè)裝備實驗室，江蘇 南京 210031； 2.高淳區(qū)禾田坊谷物種植家庭農(nóng)場，江蘇 南京 210031)

提高機械化播種水平是油菜種植節(jié)本增效的重要途徑[1]。目前，針對播種調(diào)節(jié)國內(nèi)外已有一些研究[2-4]。據(jù)報道，Amazone公司研制的氣送式集排系統(tǒng)供種裝置采用液壓驅(qū)動變量播種，可實時調(diào)節(jié)排種器轉(zhuǎn)速[5]。Iida[6]基于處方圖利用電動機驅(qū)動控制，與GPS導(dǎo)航技術(shù)配合，實現(xiàn)變量施肥與播種。袁文勝等[7]設(shè)計了一種異形孔窩眼輪式排種器，提高了播種合格率，減少了種子破損。吳明亮等[8-9]設(shè)計了2BF-6、2BYD-6型系列油菜免耕直播機，采用槽輪式排種器，可通過型孔數(shù)量和堵頭長度調(diào)節(jié)播種量。廖慶喜等[10]設(shè)計了一器多行機械離心式排種器，結(jié)構(gòu)簡單，依靠種子離心力實現(xiàn)一器多行排種。國內(nèi)現(xiàn)有的油菜直播機相關(guān)研究多聚焦于氣力式機械結(jié)構(gòu)設(shè)計改進和關(guān)鍵部件分析，未能從根本上解決地輪傳動播種導(dǎo)致的漏播及播種同步均勻調(diào)節(jié)問題[11-14]。江蘇省內(nèi)多采用稻油輪作模式，油菜品種多，但不同品種的種植要求有差異，傳統(tǒng)的播種機具和方法難以滿足不同油菜品種的種植需求[15-16]。針對上述問題，設(shè)計一種電控排種系統(tǒng)，采用GIS地圖，通過存儲播種作業(yè)信息、地圖數(shù)據(jù)，結(jié)合GPS位置信號，確定田塊內(nèi)的播種信息并傳遞給主控制器[17]，基于比例積分微分控制(PID控制)算法使得排種軸旋轉(zhuǎn)速度與播種作業(yè)速度保持同步，以實現(xiàn)精準(zhǔn)排種控制。

1 播種機整機結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)設(shè)計

1.1 整機結(jié)構(gòu)設(shè)計

結(jié)合現(xiàn)代農(nóng)機提倡“一機多用、復(fù)合作業(yè)”的概念。根據(jù)油菜播種農(nóng)藝要求，設(shè)計油菜復(fù)式播種機，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

該油菜復(fù)式播種機可一次性完成旋耕、開溝、播種、鎮(zhèn)壓作業(yè)。機架前部設(shè)有施肥裝置和旋耕開溝裝置；中部設(shè)有開種溝播種裝置，采用側(cè)邊傳動方式，在排種軸和測速輪上裝有編碼器，用來檢測機具速度和排種軸轉(zhuǎn)速，播種裝置采用直流電機帶動排種軸轉(zhuǎn)動的方式進行排種。

1.2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

播種控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。電控排種系統(tǒng)主要包括播種控制器、測速編碼器、GPS接收機、電機驅(qū)動器、直流電機。排種作業(yè)時，計算機裝載播種機作業(yè)區(qū)域的播種處方圖，通過GPS系統(tǒng)[18]實時獲取播種機所在田塊的位置，并將播種信息發(fā)送至播種控制器，控制器根據(jù)播種信息通過2個測速編碼器分別采集排種軸轉(zhuǎn)速和機具行進速度，實現(xiàn)閉環(huán)PID控制，實時調(diào)節(jié)對應(yīng)轉(zhuǎn)速驅(qū)動排種軸轉(zhuǎn)動下種[19-21]。計算機基于控制器發(fā)送回來的排種軸和測速輪轉(zhuǎn)速可以顯示作業(yè)參數(shù)。

1，機架；2，行程開關(guān)；3，種盒；4，調(diào)節(jié)手輪；5，高度調(diào)節(jié)裝置；6，鎮(zhèn)壓輪；7，雙圓盤開溝器；8，測速輪；9，彈簧立柱；10，護溝裝置；11，清溝鏟；12，旋耕刀；13，側(cè)邊傳動箱；14，肥箱；15，控制器；16，拖拉機；17，GPS。1， Rack; 2， Travel switch; 3， Seed box; 4， Adjust hand wheel; 5， Height adjusting device; 6， Suppression round; 7， Double disc ditcher; 8， Speed measuring wheel; 9， Spring column; 10， Ditch protection device; 11， Ditch shovel; 12， Rotary tillage knife; 13， Side transmission box; 14， Fertilizer box; 15， Controller; 16， Tractor; 17， GPS.

圖2 播種控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Overall structure of seeding control system

2 電動機調(diào)速系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型與控制策略

2.1 播種作業(yè)速度與排種軸轉(zhuǎn)速的關(guān)系

排種器轉(zhuǎn)速與穴距的關(guān)系為

(1)

式(1)中：S為穴距，cm；Vp為電機轉(zhuǎn)速，r·min-1；Vm為作業(yè)速度，km·h-1；Z為型孔數(shù)；i為排種電機與排種軸的轉(zhuǎn)速比，1∶1.75。

2.2 電機調(diào)速系統(tǒng)的傳遞函數(shù)

電控排種系統(tǒng)主要通過調(diào)控電樞電壓控制直流電機轉(zhuǎn)速[22]。直流電機的傳遞函數(shù)為

(2)

式(2)中：Td為電磁時間常數(shù)；Tm為機電時間常數(shù)；Ce為電機反電動勢系數(shù)。電機選用5PC90GU-24直流電機：Tm=0.9 s，Td=8.2 ms，Ce=12.04 V·r-1·min-1。將上述參數(shù)代入式(2)：

(3)

2.3 PID控制策略

控制系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵是對電動機的及時響應(yīng)和精準(zhǔn)控制，因此采用增量式PID控制算法將目標(biāo)轉(zhuǎn)速與監(jiān)測轉(zhuǎn)速的差值反饋到脈沖寬度調(diào)制(PWM)輸出波形，通過調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速實現(xiàn)均勻播種控制。根據(jù)式(4)的直流電機電樞電壓和轉(zhuǎn)速的關(guān)系求出比例系數(shù)：

(4)

式(4)中：Kp為比例系數(shù)；Ki=Kp(T/Ti)為積分系數(shù)；Kd=Kp(Td/T)為微分系數(shù)。根據(jù)實際輸出轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速階躍響應(yīng)數(shù)據(jù)，對PID控制參數(shù)進行整定確定：Kp=10.2，Ki=0.9，Kd=1.3。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 硬件設(shè)計

系統(tǒng)主要由硬件和軟件組成。硬件包括電源模塊、主控模塊、GPS模塊、人機交互模塊、信號采集模塊、電機驅(qū)動模塊、播種執(zhí)行模塊。其中，電源模塊在田間試驗時直接接入拖拉機自帶的12 V電源控制系統(tǒng)。播種控制器以STC12C5A60S2單片機為核心，實現(xiàn)串口與計算機通信、測速信號處理和排種軸轉(zhuǎn)速控制等功能，控制系統(tǒng)電路如圖3所示。

選用TOP103型GPS定位系統(tǒng)，定位精度≤1 m，可滿足系統(tǒng)需求。傳感器測速模塊由2個歐姆龍增量式編碼器(LPD3806-400BM)組成，分別用于采集機具作業(yè)速度和排種軸轉(zhuǎn)速并進行反饋。采樣頻率對PID控制算法的響應(yīng)時間有很大影響[23]。根據(jù)測速輪周長L和機具行進速度v確定選用400線編碼器，采樣頻率f為5 Hz，安裝位置如圖4所示。

1，排種電機；2，測速地輪；3，編碼器1；4，編碼器2。1， Seed metering motor; 2， Speed measuring ground wheel; 3， Encoder 1; 4， Encoder 2.

3.2 軟件設(shè)計

軟件系統(tǒng)首先進行配置初始化。計算機加載作業(yè)信息和地圖數(shù)據(jù)后，對控制系統(tǒng)選定手動或自動模式。手動模式，通過調(diào)節(jié)旋鈕人工調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速；自動模式，啟動定時器，通過增量式編碼器采集機具前進速度，并接收由計算機發(fā)送到控制器的播種信息?？刂破魍ㄟ^計算得到當(dāng)前排種軸的理論轉(zhuǎn)速，同另一個編碼器采集到的排種軸實際轉(zhuǎn)速進行PID控制，輸出PWM占空比，實時調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，并將轉(zhuǎn)速信息發(fā)送回計算機，調(diào)節(jié)行程和播種信息。軟件流程如圖5所示。

圖5 控制系統(tǒng)流程圖Fig.5 Flow chart of control system

圖6為基于python語言，利用ArcGIS軟件進行二次開發(fā)的田塊播種地圖軟件界面。根據(jù)GPS測得當(dāng)前田塊的位置，查詢田塊信息和播種信息，并發(fā)送至播種執(zhí)行控制器[24]。

4 性能測試試驗

4.1 試驗材料與設(shè)備

選用窩眼輪式排種器進行試驗，窩眼輪直徑為60 mm，厚度為20 mm，其外圓周上均勻分布著12個用于充種的型孔，充種角度為90°，護種區(qū)角度為120°，窩眼直徑為3.5 mm。供試油菜品種為中雙11，平均粒徑1.72～2.21 mm，千粒重4.68 g，含水率7.65%，自然休止角27.2°，純凈度98.5%。試驗在南京農(nóng)業(yè)大學(xué)播種性能試驗臺(圖7)進行。

4.2 試驗設(shè)計與方法

以GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機試驗方法》為依據(jù)，對設(shè)計的系統(tǒng)開展不同車速下排種電機轉(zhuǎn)速跟隨狀況和播種性能試驗。播種試驗以平均穴距、變異系數(shù)為評價指標(biāo)，以驗證播種控制系統(tǒng)的播種精度和播種穩(wěn)定性。

圖6 田塊播種的電子地圖Fig.6 Electronic map of seeding field

圖7 精密播種機控制系統(tǒng)檢測試驗臺Fig.7 Precision seeding control system test bench

試驗設(shè)定穴距(Z)分別為8、12、16 cm，履帶前進速度分別為0.85、1.10、1.35 m·s-1。

4.2.1 轉(zhuǎn)速控制精度檢驗

在設(shè)定的排種電機理論轉(zhuǎn)速下，通過增量編碼器和數(shù)據(jù)采集卡記錄排種電機輸出的實時轉(zhuǎn)速[25]，采集時間1 min，重復(fù)6次，計算電機轉(zhuǎn)速變異系數(shù)。

4.2.2 排種控制精度檢驗

為研究機具作業(yè)速度與設(shè)定播種穴距對排種性能的影響，采用排種試驗臺單次連續(xù)采集不同工況下250個粒距，重復(fù)6次試驗，獲取每次的平均穴距和變異系數(shù)δ。

4.3 結(jié)果與分析

4.3.1 轉(zhuǎn)速控制精度

由表1可知，當(dāng)理論電機轉(zhuǎn)速為6～54 r·min-1時，實際轉(zhuǎn)速變異系數(shù)在5%以下，最大變異系數(shù)為4.85%，最小變異系數(shù)為1.24%，最大平均偏差為3.72%，最小平均偏差為0.86%，實際轉(zhuǎn)速在理論轉(zhuǎn)速附近波動范圍小，穩(wěn)定性好。

4.3.2 排種控制精度

由表2可知，在設(shè)定的穴距合格范圍(0.5Z～1.5Z)，在模擬作業(yè)速度(0.85～1.35 m·s-1)下，平均穴距的最大誤差為6.25%，變異系數(shù)均值在15.28%以下。隨著機具作業(yè)速度的增加，3個穴距下的變異系數(shù)平均值分別為12.18%、12.64%、13.33%，排種穩(wěn)定性變差；隨著設(shè)定排種穴距的增加，3個作業(yè)速度下的變異系數(shù)平均值分別為14.72%、12.47%、10.97%，排種穩(wěn)定性有所提高。以上結(jié)果說明，在相同作業(yè)速度下，應(yīng)盡量選擇較大的設(shè)定穴距。相較于文獻報道的傳統(tǒng)油菜排種最大平均變異系數(shù)20.25%[26-27]，本系統(tǒng)的播種控制精度明顯提高。

4.4 田間試驗結(jié)果

機具作業(yè)過程中，當(dāng)拖拉機行駛速度變化時，排種軸轉(zhuǎn)速需要同步跟隨變化，以保證播種精度。為此，設(shè)計播種同步試驗。設(shè)定穴距為12 cm，作業(yè)速度在0.5～1.3 m·s-1階梯變化，單位采樣時間(1 s)記錄排種軸轉(zhuǎn)速和作業(yè)速度。試驗結(jié)果如圖8所示，排種軸轉(zhuǎn)速隨作業(yè)速度變化響應(yīng)及時。

表1 轉(zhuǎn)速控制精度試驗結(jié)果

Table1Test result of speed control precision

序號No.理論轉(zhuǎn)速Theoretical speed/(r·min-1)實際轉(zhuǎn)速Actual speed/(r·min-1)N1N2N3N4N5N6δ/%166.45.96.76.5 6.66.54.8521213.212.214.012.712.613.24.8331819.518.619.217.417.718.54.4242425.524.324.424.225.524.92.3953029.830.331.330.130.530.91.7863636.737.435.936.637.436.11.7174242.843.642.543.342.341.71.6184847.648.948.648.349.448.51.2495455.454.153.855.754.254.61.39

表2 播種控制精度試驗結(jié)果

Table2Test result of seeding control precision

作業(yè)速度Track speed/(m·s-1)設(shè)定穴距Distanceset/cmδ%N1N2N3N4N5N6平均Mean平均穴距Averagedistance/cm0.85813.0912.9114.5914.1315.3715.1914.217.51211.3610.8412.5412.7612.7410.7811.6711.71611.6211.8010.9411.2710.149.3610.6815.01.10816.3914.2514.6713.9715.6513.2414.697.31210.5412.8312.1912.3313.4113.2912.4312.21611.4411.6510.2011.7110.529.4510.8215.41.35816.0215.0614.7415.5416.1015.2715.288.31212.6314.4614.3511.2213.5813.6313.3111.71613.1112.2410.8610.2211.7210.3111.4116.4

圖8 作業(yè)速度響應(yīng)圖Fig.8 Track speed response

5 結(jié)論

針對江蘇省的油菜種植條件，設(shè)計了一套可基于播種作業(yè)信息與GIS地圖來自動調(diào)整播種密度的油菜播種控制系統(tǒng)，實現(xiàn)精量播種。當(dāng)電機工作轉(zhuǎn)速在6～54 r·min-1，實際轉(zhuǎn)速的變異系數(shù)小于5%，排種轉(zhuǎn)速在理論目標(biāo)轉(zhuǎn)速下波動幅度較小，精度可滿足控制系統(tǒng)需求。臺架試驗表明，油菜播種的平均變異系數(shù)最高的為15.28%，較傳統(tǒng)油菜播種明顯提高?？刂葡到y(tǒng)對機具速度變化響應(yīng)及時，排種軸轉(zhuǎn)速對于機具前進速度的跟隨效果穩(wěn)定性較好。