小麥小區(qū)條播機(jī)電控排種系統(tǒng)設(shè)計與試驗(yàn)

俞傳陽 陳 狀 陳黎卿

(1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 合肥 230036； 2.安徽建筑大學(xué)機(jī)械與電氣工程學(xué)院， 合肥 230601)

0 引言

小麥作為我國種植面積最大的作物，其品種選育是關(guān)系品質(zhì)的重要因素。小麥小區(qū)播種是品種選育的一個重要環(huán)節(jié)，田間育種試驗(yàn)是進(jìn)行品種改良和繁育良種的小面積試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)育種試驗(yàn)機(jī)械化能夠提高育種試驗(yàn)準(zhǔn)確性、提高工作效率、減輕勞動強(qiáng)度[1]。小區(qū)播種機(jī)作為田間育種試驗(yàn)的專用播種機(jī)械，能夠?qū)⒍康姆N子按照農(nóng)藝要求播入一定范圍的小區(qū)內(nèi)[2-4]。小區(qū)條播機(jī)作為小區(qū)播種機(jī)械主要機(jī)型之一，通過人工供種、錐體充種、格盤運(yùn)種、排種口排種、離心分種器分種等完成一個小區(qū)的播種[5]。離心式排種系統(tǒng)工作性能直接影響到小區(qū)播種機(jī)播種性能。為了提高排種性能，國內(nèi)外者進(jìn)行了大量研究[6-11]，WAEL[12]以小麥、扁豆和亞麻為試驗(yàn)對象，研究了3種作物分別在對稱式離心分種器和對稱分隔式離心分種器下的播種效果，結(jié)果表明對稱式離心分種器對于3種作物的分種效果均高于對稱分隔式；程修沛等[13]以離心分種器的轉(zhuǎn)動速度、離心分種器的分種面夾角和離心分種器分種距離為試驗(yàn)因素進(jìn)行分析，確定了各因素對分種均勻性的影響規(guī)律；龔麗農(nóng)等[14]為了提高小區(qū)播種機(jī)的工作精度和工作效率設(shè)計了小區(qū)播種機(jī)電控系統(tǒng)，并通過試驗(yàn)分析了播種不同種子時分配器的最佳轉(zhuǎn)速；程修沛等[15]為了提高小區(qū)播種機(jī)的自動化水平，基于STM32設(shè)計了小區(qū)播種機(jī)排種控制系統(tǒng)，采用Android 終端進(jìn)行人機(jī)交互，實(shí)現(xiàn)了小區(qū)排種作業(yè)的精準(zhǔn)控制。以上成果為小區(qū)播種機(jī)性能提升奠定了一定基礎(chǔ)，然而，現(xiàn)有小麥小區(qū)條播機(jī)電控排種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不合理、車速與錐體格盤速度匹配不理想等對小麥播種均勻性一致性影響研究尚不足，制約了小麥小區(qū)條播機(jī)的進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

本文設(shè)計基于ARM的小麥小區(qū)播種機(jī)電控排種系統(tǒng)，采用串口屏作為人機(jī)交互，設(shè)計北斗導(dǎo)航設(shè)備定位信息解析、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動錐體格盤、直流無刷電機(jī)驅(qū)動分種器的控制接口，形成提高小麥小區(qū)播種機(jī)排種性能的成套電控系統(tǒng)。

1 小區(qū)播種機(jī)電控排種系統(tǒng)工作原理

小麥小區(qū)條播機(jī)主要由底盤、發(fā)動機(jī)、開溝器、離心分種裝置、錐體格盤、格盤電機(jī)、減速器、控制箱、人機(jī)交互屏、北斗差分定位系統(tǒng)等組成，整機(jī)構(gòu)成如圖1所示。

圖1 小區(qū)播種機(jī)整機(jī)效果圖Fig.1 Render of whole plot planter1.發(fā)動機(jī) 2.人機(jī)交互屏 3.控制箱 4.北斗天線 5.錐體格盤 6.格盤電機(jī)及減速器 7.離心分種裝置 8.開溝器

作業(yè)時，控制箱采集北斗差分定位信息，計算錐體格盤匹配轉(zhuǎn)速，控制格盤電機(jī)和分種電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，小麥種子經(jīng)種管落入開溝并被覆土。

小麥小區(qū)條播機(jī)控制系統(tǒng)如圖2所示。整個控制系統(tǒng)主要分為信號采集系統(tǒng)、人機(jī)交互系統(tǒng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)3部分。信號采集系統(tǒng)主要包括北斗差分定位系統(tǒng)和STM32F4串口通信模塊，其中北斗差分定位系統(tǒng)由移動站和基站兩部分組成，工作時，基站置于空曠無遮擋高處，移動站置于播種機(jī)中間位置隨播種機(jī)運(yùn)動，移動站將報文數(shù)據(jù)發(fā)送到控制器，解析得到小區(qū)播種機(jī)速度信息；人機(jī)交互系統(tǒng)主要設(shè)置小區(qū)長度和將離心分種器轉(zhuǎn)速發(fā)送到控制器，同時實(shí)時顯示小區(qū)播種機(jī)的作業(yè)信息；執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要包括步進(jìn)電機(jī)和永磁無刷直流電機(jī)(以下簡稱BLDC)，步進(jìn)電機(jī)通過小區(qū)播種機(jī)速度信息控制錐體格盤轉(zhuǎn)動，BLDC通過控制器指令保持一定的轉(zhuǎn)速控制離心分種器轉(zhuǎn)動。

圖2 小區(qū)播種機(jī)控制系統(tǒng)框圖Fig.2 Structure diagram of control system of plot planter

2 離心分種裝置設(shè)計

2.1 工作原理

排種裝置整體結(jié)構(gòu)如圖3a所示，主要由錐體格盤、格盤電機(jī)、減速器、鏈傳動和離心分種裝置組成。其中，離心分種裝置由落種漏斗、離心分種器、八行分種管、聯(lián)軸器、BLDC組成，BLDC軸與聯(lián)軸器相連，聯(lián)軸器另一端與離心分種器軸相連，由BLDC控制離心分種器的轉(zhuǎn)速。工作時，預(yù)先設(shè)定BLDC轉(zhuǎn)速，當(dāng)錐體格盤轉(zhuǎn)動時，種子從錐體格盤落種口落下，通過落種漏斗落到離心分種器表面，離心分種器高速旋轉(zhuǎn)，種子在離心力作用下均勻分配為8行。分配頭與導(dǎo)種管相連，完成排種工作。

圖3 排種裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Diagrams of seed discharge device1.錐體格盤 2.格盤電機(jī)及減速器 3.鏈傳動 4.離心分種裝置 5.落料漏斗 6.分種器 7.分種管 8.聯(lián)軸器 9.BLDC

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

小麥從落種漏斗落到離心分種器上，到小麥被離心力甩出離心分種器，可能會出現(xiàn)兩種運(yùn)動情況：還未與離心分種器凸臺碰撞就已經(jīng)甩出離心分種器；與離心分種器凸臺產(chǎn)生碰撞之后彈出離心分種器。假設(shè)小麥未與離心分種器凸臺碰撞就已經(jīng)甩出，則小麥?zhǔn)芰Ψ治鋈鐖D4所示。

圖4 小麥未碰撞時運(yùn)動分析Fig.4 Motion analysis of wheat without collision

其中，小麥主要受力有離心力Fr(N)、離心分種器水平面支持力FN(N)、自身重力mg(N)、小麥滑動時水平面摩擦力f1(N)、凸臺長度為L(m)。在離心力X方向上，受力方程為

(1)

式中m——小麥質(zhì)量，kg

g——重力加速度，m/s2

v——離心分種器線速度，m/s

ω——角速度，rad/s

μ——離心分種器水平面摩擦因數(shù)

θ——小麥滑動時水平面摩擦力f1與X軸負(fù)方向夾角

r——離心分種器半徑，m

(2)

(3)

經(jīng)分析可得

(4)

離心分種器旋轉(zhuǎn)一圈所需時間

(5)

式中n——離心分種器轉(zhuǎn)速，r/min

(6)

聯(lián)立可得

(7)

所以存在小麥未與離心分種器凸臺碰撞就直接甩出離心分種器的情況。假設(shè)有k個凸臺，那么當(dāng)離心分種器旋轉(zhuǎn)時，相鄰的兩個凸臺經(jīng)過同一點(diǎn)的時間間隔為

(8)

而凸臺長度L必須滿足

L

(9)

因?yàn)樾←湻N子從離心分種器中心的正上方落下，如果凸臺長度過大，小麥種子將會直接落到凸臺上方，影響分種效果。在滿足凸臺長度L小于半徑r的條件下，當(dāng)離心分種器轉(zhuǎn)速和凸臺個數(shù)不變時，凸臺長度越大，離心分種器凸臺與小麥種子產(chǎn)生碰撞的幾率就越大。

由此，得出離心分種器轉(zhuǎn)速、凸臺個數(shù)和凸臺長度對分種效果存在一定影響，通過離散元進(jìn)一步分析。

3 電控排種驅(qū)動控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 控制器

控制系統(tǒng)硬件主要由STM32F405RG最小核心模塊、電源模塊、按鍵模塊、LED狀態(tài)指示模塊、串口屏模塊、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊、CAN總線模塊和北斗差分定位系統(tǒng)串口通信模塊等組成。控制器采集北斗差分定位系統(tǒng)輸出的GPRMC報文進(jìn)行解析，得到小區(qū)播種機(jī)的速度及位置信息，進(jìn)而匹配錐體格盤轉(zhuǎn)速。人機(jī)交互系統(tǒng)能夠完成小區(qū)播種實(shí)時運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)顯示，如當(dāng)前小區(qū)播種機(jī)前進(jìn)速度、錐體格盤轉(zhuǎn)過角度、小區(qū)播種機(jī)前進(jìn)距離等參數(shù)，并且可以在小區(qū)播種機(jī)作業(yè)前設(shè)置小區(qū)長度、離心分種器的轉(zhuǎn)速，向控制器發(fā)送開始指令。

3.2 錐體格盤與離心分種控制系統(tǒng)設(shè)計

錐體格盤驅(qū)動系統(tǒng)硬件主要由錐體格盤部件、步進(jìn)電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器以及控制器接口電路等組成。選用86HBM80H型閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)，支持DC/AC 24～75V，配有廣州雷賽公司的HBS86H數(shù)字式混合伺服驅(qū)動器，細(xì)分選項達(dá)16種組合，最大為51 200 p/r。 控制器電平為3.3 V，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器標(biāo)準(zhǔn)控制信號為5～24 V，控制器PWM脈沖控制引腳(PA5)與驅(qū)動器間增設(shè)高速電平轉(zhuǎn)換模塊TXS0108E，形成5 V可調(diào)頻率PWM驅(qū)動信號。由電機(jī)頻率轉(zhuǎn)速關(guān)系可得

(10)

式中n0——錐體格盤轉(zhuǎn)速，r/min

f——PWM頻率，Hz

N——步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器一圈脈沖數(shù)

i——與格盤電機(jī)連接的減速器減速比

由STM32F405RG中PWM頻率設(shè)置關(guān)系可得

(11)

式中NT——定時器時鐘頻率，Hz

Npsc——預(yù)分頻系數(shù)

Narr——寄存器自動重裝載值

可得錐體格盤轉(zhuǎn)速和PWM控制頻率關(guān)系為

(12)

試驗(yàn)中，采用STM32F405RG的TIM8定時器，時鐘源NT為168 MHz，自動重裝載值Narr為336，與格盤電機(jī)連接的減速器速比i為40，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器一圈脈沖數(shù)N設(shè)置為10 000。聯(lián)立式(10)～(12)可得

(13)

STM32F405RG芯片定時器時鐘經(jīng)8分頻后，預(yù)分頻系數(shù)Npsc取值范圍為0～65 535，則錐體格盤轉(zhuǎn)速n0取值范圍為0～75 r/min。經(jīng)上述理論分析可得出目標(biāo)轉(zhuǎn)速n0和定時器預(yù)分頻系數(shù)Npsc關(guān)系，但不能直接用于被控對象，其回歸特性多采用實(shí)測方法得到。以0.50 r/min為等間距、以0.50 r/min為起始目標(biāo)轉(zhuǎn)速進(jìn)行12組試驗(yàn)，通過編碼器測量錐體格盤實(shí)際轉(zhuǎn)速，編碼器安裝圖如圖5所示。

圖5 編碼器安裝圖Fig.5 Encoder installation drawing

考慮單片機(jī)實(shí)際工作性能，目標(biāo)轉(zhuǎn)速和實(shí)際轉(zhuǎn)速關(guān)系不宜采用高階多項式擬合，因此本文采用一階擬合曲線得到目標(biāo)轉(zhuǎn)速n0和實(shí)際轉(zhuǎn)速n的函數(shù)關(guān)系

n=1.79n0-0.36

(14)

由小區(qū)條播機(jī)的作業(yè)要求可知，小區(qū)條播機(jī)在規(guī)定長度區(qū)域行走所需時間應(yīng)與錐體格盤轉(zhuǎn)動一圈時間一致，即滿足

(15)

式中vt——小區(qū)條播機(jī)行走速度，m/s

vd——北斗移動站輸出含速度信息的GPRMC報文解析以節(jié)為單位的小區(qū)條播機(jī)行走速度，kn

本文采用北斗星通高高精度差分定位技術(shù)模塊UB480和UB482，分別作為基站和移動站，可以實(shí)現(xiàn)相對精度達(dá)2 cm左右的定位準(zhǔn)度，通過實(shí)測5 m和10 m，分別試驗(yàn)3組，平均解析值為498.63 cm和997.98 cm，誤差都在2 cm左右，定位精度滿足系統(tǒng)要求。由于北斗移動站存在靜態(tài)下定位漂移的現(xiàn)象，采用Mean-Shift聚類算法分析靜態(tài)下340個速度樣本數(shù)據(jù)，得到聚類中心數(shù)為22個，速度漂移范圍在0.006～0.28 km/h之間，對聚類中心的速度取均值0.06 km/h，因此在實(shí)際控制中需減去靜態(tài)速度誤差均值，如圖6所示。

圖6 移動站漂移數(shù)據(jù)Fig.6 Mobile station drift data

得出目標(biāo)預(yù)分頻系數(shù)Npsc和小區(qū)條播機(jī)行走速度之間的函數(shù)關(guān)系

(16)

BLDC采用57BL75S10-230TF9型永磁無刷直流電機(jī)，DC 12 V供電，額定功率100 W；匹配自制矢量控制器，實(shí)現(xiàn)500～2 000 r/min無級調(diào)速，與控制器通過CAN總線通信，波特率為500 kbit/s。CAN通信協(xié)議如表1所示。

表1 CAN通信協(xié)議Tab.1 Statistics of CAN communication protocol

離心分種轉(zhuǎn)速調(diào)控對小麥播種性能有一定影響，文獻(xiàn)[15]采用占空比控制BLDC驅(qū)動器，得出占空比和分種轉(zhuǎn)速擬合函數(shù)關(guān)系。本文在此基礎(chǔ)上，采用帶有矢量控制算法(簡稱“FOC”)的BLDC驅(qū)動器對分種目標(biāo)轉(zhuǎn)速分別為1 000、1 200 r/min進(jìn)行測試。如圖7所示，采用FOC驅(qū)動器控制電機(jī)轉(zhuǎn)速波動均小于4 r/min，以此保證分種轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性。

圖7 電機(jī)轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線Fig.7 Motor speed response curve

3.3 軟件設(shè)計

控制系統(tǒng)軟件以MDK5作為開發(fā)平臺，采用C語言進(jìn)行編程，控制流程如圖8所示。

圖8 控制系統(tǒng)流程圖Fig.8 Flow chart of control system

控制系統(tǒng)軟件核心在于解析北斗移動站報文對錐體格盤轉(zhuǎn)角實(shí)時控制。移動站輸出報文帶有經(jīng)緯度和速度信息的字符串，遵循NMEA-0183協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。北斗移動站每秒輸出近1 KB ASCⅡ字符數(shù)據(jù)到控制器串口，采用DMA方式繞過CPU而將數(shù)據(jù)直接由串口寄存器搬運(yùn)到內(nèi)存數(shù)組，降低了CPU占有率；利用環(huán)形數(shù)組對北斗數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，并周期性調(diào)用解析函數(shù)，保證了數(shù)據(jù)不丟幀；對環(huán)形緩沖區(qū)數(shù)據(jù)采用有限狀態(tài)機(jī)法解析出一幀完整GPRMC數(shù)據(jù)幀，基于NMEA-0183的C開源庫實(shí)現(xiàn)解析GPRMC幀，得到時速信息。

4 排種系統(tǒng)性能仿真

4.1 仿真模型建立

通過CATIA軟件建立離心分種機(jī)構(gòu)三維模型，將三維模型保存為igs格式，三維模型導(dǎo)入EDEM離散元仿真軟件中，在落種漏斗正上方建立顆粒工廠，模擬錐體格盤機(jī)構(gòu)的落種過程。

試驗(yàn)選用小麥品種為濟(jì)麥22，在小麥種子中隨機(jī)選取1 000粒測量其質(zhì)量，再隨機(jī)選取100粒小麥種子測量其長、寬、高，分別測試3組，結(jié)果如表2所示。

表2 小麥種子千粒質(zhì)量和外形尺寸統(tǒng)計Tab.2 Wheat seed 1 000 grain weight and size statistics

根據(jù)3組平均值對濟(jì)麥22種子進(jìn)行CATIA三維建模，保存為igs格式，將小麥顆粒模型導(dǎo)入EDEM離散元仿真軟件中，進(jìn)行顆粒填充，填充后的小麥顆粒模型如圖9所示。

圖9 小麥顆粒離散元模型Fig.9 Discrete element model of wheat grain

離心分種器的材質(zhì)為樹脂，相關(guān)參數(shù)如表3所示[16-19]。

表3 仿真參數(shù)Tab.3 Simulation parameters

4.2 試驗(yàn)方案設(shè)計

選取凸臺數(shù)、離心分種器轉(zhuǎn)速、凸臺長度為試驗(yàn)因素，采用三因素五水平二次正交旋轉(zhuǎn)中心組合試驗(yàn)方法，以變異系數(shù)為評價指標(biāo)。參考小麥條播機(jī)排量[20]，擬定小麥播種量為150 kg/hm2，設(shè)計播種量為2 000粒，生成速度為200粒/s，進(jìn)行正交試驗(yàn)。根據(jù)前期單因素試驗(yàn)的結(jié)果，選擇離心分種器轉(zhuǎn)速范圍為1 000～1 400 r/min，凸臺長度范圍為10～22 mm，凸臺數(shù)范圍為2～10個。試驗(yàn)因素編碼如表4所示。

表4 正交試驗(yàn)因素編碼Tab.4 Orthogonal test factors and codes

因?yàn)橥古_數(shù)為整數(shù)，且為了方便進(jìn)行試驗(yàn)，對各因素進(jìn)行取整。當(dāng)仿真模擬播種過程完成后，進(jìn)入Analyst Tree界面，為統(tǒng)計經(jīng)過各個分配頭的小麥籽粒數(shù)量，在八行分配頭的各個分配口處生成50 mm×50 mm×50 mm的柵格組，如圖10所示，以此來統(tǒng)計各個分配頭排出的小麥籽粒數(shù)量。

圖10 小麥籽粒統(tǒng)計仿真Fig.10 Statistical simulation of wheat grain1.小麥籽粒 2.離心分種器 3.柵格組

4.3 仿真結(jié)果分析

每一組仿真試驗(yàn)結(jié)束后，統(tǒng)計各個分配頭的小麥種子數(shù)，計算變異系數(shù)，結(jié)果如表5所示。

表5 正交試驗(yàn)結(jié)果Tab.5 Statistics of coefficient of variation of orthogonal test

方差分析如表6所示，變異系數(shù)回歸模型F高度顯著(P<0.01)，檢驗(yàn)水平P=0.285 9>0.05，回歸方程不失擬。由表6可得，各試驗(yàn)因素對變異系數(shù)的影響從大到小分別為離心分種器轉(zhuǎn)速、凸臺數(shù)、凸臺長度。變異系數(shù)Y1回歸響應(yīng)面方程為

表6 變異系數(shù)方差分析Tab.6 Analysis of variance coefficient of variation

Y1=3.64-0.92A-0.90B-0.61C-1.55AB+
0.63AC-0.37BC+3.13A2+1.94B2+0.97C2

(17)

式中A、B、C——凸臺數(shù)、離心分種器轉(zhuǎn)速、凸臺長度編碼值

根據(jù)分析結(jié)果，利用Design-Expert 8.0軟件繪制各因素交互效應(yīng)響應(yīng)曲面圖，圖11a為凸臺數(shù)與離心分種器轉(zhuǎn)速對變異系數(shù)影響的響應(yīng)曲面，當(dāng)凸臺數(shù)不變時，隨著離心分種器轉(zhuǎn)速的增大，變異系數(shù)先減小后增大，當(dāng)離心分種器轉(zhuǎn)速不變時，隨著凸臺數(shù)的增加，變異系數(shù)先減小后增大；圖11b為凸臺數(shù)和凸臺長度對變異系數(shù)影響的響應(yīng)曲面，當(dāng)凸臺數(shù)不變時，隨著凸臺長度的增加，變異系數(shù)先減小后增加，當(dāng)凸臺長度不變時，隨著凸臺數(shù)的增加，變異系數(shù)先減小后增加；圖11c為離心分種器轉(zhuǎn)速與凸臺長度對變異系數(shù)影響的響應(yīng)曲面，當(dāng)凸臺長度不變時，當(dāng)離心分種器轉(zhuǎn)速逐漸增大時，變異系數(shù)先減小后增大，當(dāng)離心分種器轉(zhuǎn)速不變時，隨著凸臺長度的不斷增大，變異系數(shù)先減小后增大。綜合分析可得，較優(yōu)的參數(shù)組合為：凸臺數(shù)為6、離心分種器轉(zhuǎn)速為1 200 r/min、凸臺長度為16 mm。

圖11 各因素交互作用對變異系數(shù)影響的響應(yīng)曲面Fig.11 Influence of interaction of various factors on response surface of coefficient of variation

5 性能試驗(yàn)

5.1 分種臺架試驗(yàn)

臺架試驗(yàn)在安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)智能農(nóng)機(jī)裝備工程實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，臺架選用JPS-12型排種器性能試驗(yàn)臺，臺架試驗(yàn)選用的小麥品種為濟(jì)麥22，為保持和仿真一致，將錐體格盤轉(zhuǎn)速設(shè)置為6 r/min，每次試驗(yàn)加入2 000粒小麥種子，通過存種袋收集各個分配頭排出的小麥數(shù)量。臺架試驗(yàn)共進(jìn)行9組，試驗(yàn)后計算變異系數(shù)和種子破碎率。

臺架試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。通過測得的數(shù)據(jù)計算得：臺架試驗(yàn)變異系數(shù)平均值為4.02%，臺架試驗(yàn)結(jié)果與仿真試驗(yàn)結(jié)果基本一致。小麥種子破損率的平均值為0.22%，符合國家標(biāo)準(zhǔn)[20]要求。

表7 臺架試驗(yàn)結(jié)果Tab.7 Bench test results %

5.2 清種試驗(yàn)

為避免播種混種，設(shè)計了小區(qū)條播機(jī)清種功能，通過點(diǎn)擊人機(jī)交互系統(tǒng)一鍵重置按鈕，錐體格盤便會自轉(zhuǎn)兩圈實(shí)現(xiàn)清種。

5.2.1試驗(yàn)方案設(shè)計

錐體格盤共有45個小槽格，分別編號1～45，每次隨機(jī)選取5個槽格，每個槽格加入10粒小麥種子，如圖12所示，設(shè)置錐體格盤以轉(zhuǎn)速6 r/min自轉(zhuǎn)2圈，記錄槽格內(nèi)小麥種子數(shù)量，如圖12所示。

圖12 自凈試驗(yàn)Fig.12 Self-purification test

5.2.2試驗(yàn)結(jié)果與分析

測得清種試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表8所示，由數(shù)據(jù)可得，錐體格盤自轉(zhuǎn)2圈可以將錐體格盤中剩余的小麥種子全部排出，不會造成和下一小區(qū)種子混種。

表8 清種試驗(yàn)結(jié)果Tab.8 Seed clearing test data

5.3 田間試驗(yàn)

5.3.1試驗(yàn)方案

田間試驗(yàn)在安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)萃園試驗(yàn)基地進(jìn)行，田間試驗(yàn)現(xiàn)場如圖13所示，試驗(yàn)樣機(jī)如圖13a所示。田間試驗(yàn)主要測量小區(qū)播種機(jī)各行總排量一致性。試驗(yàn)共進(jìn)行3組，第1組播種小區(qū)長度為3 m，第2組播種小區(qū)長度為4 m，第3組播種小區(qū)長度為5 m。

圖13 田間試驗(yàn)現(xiàn)場Fig.13 Diagrams of field test site

以3 m小區(qū)長度為例，各行排量一致性變異系數(shù)測量方法：以1 m等長連續(xù)取3段(1#～3#)，分別統(tǒng)計各段玉米種子數(shù)量，同樣方式再統(tǒng)計2～8行小麥種子數(shù)量；均勻性測量方法：以0.5 m等長連續(xù)取6段(A區(qū)～F區(qū))，分別統(tǒng)計各段玉米種子數(shù)量，采樣示意如圖13b所示。

5.3.2試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)測得各行排量一致性變異系數(shù)如表9所示。由表9可得，各行排量一致性變異系數(shù)第1組均值為5.87%、第2組均值為6.07%、第3組均值為5.12%，均值為5.69%；播種均勻性變異系數(shù)均值第1組為20.10%、第2組為20.89%、第3組為21.32%，均值為20.77%。因田間作業(yè)會受到播種機(jī)振動、地表不平等因素的影響，變異系數(shù)相對仿真試驗(yàn)和臺架試驗(yàn)會有所增加。

表9 各行排量一致性變異系數(shù)Tab.9 Coefficient of variation of consistency of seed metering quantity in each row

6 結(jié)論

(1)針對小麥小區(qū)條播機(jī)，設(shè)計了一種電控排種系統(tǒng)，建立錐體格盤轉(zhuǎn)速控制模型，該系統(tǒng)通過北斗導(dǎo)航設(shè)備確定播種機(jī)行駛狀態(tài)參數(shù)，完成對錐體格盤和離心分種裝置轉(zhuǎn)速匹配控制，離心分種裝置采用自制電機(jī)矢量驅(qū)動器保證了分種轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性，設(shè)計人機(jī)交互系統(tǒng)，完成對作業(yè)參數(shù)的設(shè)定和作業(yè)信息的實(shí)時反饋，實(shí)現(xiàn)了一鍵清種功能。

(2)通過排種系統(tǒng)性能仿真，確定了各因素對分種均勻性的影響主次順序?yàn)殡x心分種器轉(zhuǎn)速、凸臺數(shù)、凸臺長度，并得到最優(yōu)參數(shù)組合為凸臺長度16 mm、凸臺6個、離心分種器轉(zhuǎn)速1 200 r/min，通過臺架試驗(yàn)和田間試驗(yàn)表明，本文設(shè)計的電控排種系統(tǒng)排量一致性變異系數(shù)為5.69%，均勻性變異系數(shù)為20.77%，滿足作業(yè)要求。