基于電機(jī)直驅(qū)的玉米勺輪排種器排種質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)*

張炫炫，譚彧，張麗娜，蔣易宇，張然

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院,北京市,100083)

0 引言

播種粒距一致性是評價播種作業(yè)質(zhì)量的重要指標(biāo),播種粒距控制技術(shù)作為影響玉米播種立體定位、播種均勻性的重要指標(biāo)[1-2],對玉米產(chǎn)量具有非常大的影響[3]。實(shí)際作業(yè)時,播種粒距根據(jù)當(dāng)?shù)剞r(nóng)藝、播量[4]、車速[5-6]進(jìn)行調(diào)整。影響玉米播種粒距一致性的因素主要包括排種器的精準(zhǔn)度[7]、種子運(yùn)移著床的平穩(wěn)性[8]和排種轉(zhuǎn)速控制精確度[9-10]。

目前,電驅(qū)排種是玉米精量播種的主要發(fā)展方向。國內(nèi)外學(xué)者通過對排種驅(qū)動方式[11]、排種轉(zhuǎn)速的控制策略[12-13]和排種性能監(jiān)測評價系統(tǒng)[14]等方面進(jìn)行研究。其中,玉米落種狀態(tài)監(jiān)測傳感系統(tǒng)主要包括激光傳感器[15]、光電感應(yīng)式[16-17]和高速攝像機(jī)[18-19],能夠針對排種量進(jìn)行計(jì)數(shù)檢測,快速發(fā)現(xiàn)播種異常問題。紀(jì)超等[14]設(shè)計(jì)了光電感應(yīng)式傳感器對排種量進(jìn)行監(jiān)測并配備了防塵裝置,提高了傳感器對環(huán)境的適應(yīng)性。此外,陳黎卿[20]采用無刷直流減速電機(jī)驅(qū)動勺輪排種器,彌補(bǔ)了傳統(tǒng)被動式地輪驅(qū)動易斷播的不足,主動排種控制提高了播種均勻性。黃與霞等[21]采用步進(jìn)電機(jī)和鏈傳動方式驅(qū)動勺輪排種器,但振動極限位置鏈條無法工作。綜上所述,電驅(qū)式玉米勺輪排種器常采用鏈傳動或減速器增扭而不是電機(jī)直驅(qū)排種器,易產(chǎn)生鏈節(jié)跳動、傳動誤差等問題,影響對排種量和播種粒距的監(jiān)測效果。因此,對基于電機(jī)直驅(qū)的玉米勺輪排種器排種質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測具有重要意義。

針對非直驅(qū)式玉米勺輪排種器的排種質(zhì)量監(jiān)測精度低的問題,結(jié)合嵌入式技術(shù)、電機(jī)驅(qū)動技術(shù)和傳感檢測技術(shù),設(shè)計(jì)了一種基于電機(jī)直驅(qū)的玉米勺輪排種器排種質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)以單片機(jī)為核心,利用步進(jìn)電機(jī)直驅(qū)玉米勺輪排種器、光電傳感器對排種量和播種粒距進(jìn)行檢測,并通過臺架試驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)對排種質(zhì)量的監(jiān)測效果,為玉米精密播種機(jī)智能裝備的研發(fā)提供技術(shù)支撐。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)組成

基于電機(jī)直驅(qū)的玉米勺輪排種器排種質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)主要由人機(jī)交互設(shè)備HMI(Human Machine Interface)、控制器、驅(qū)動電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動器、勺輪排種器、落種監(jiān)測單元和編碼器組成,如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體組成

其中,驅(qū)動電機(jī)和勺輪排種器之間通過排種軸直接連接。系統(tǒng)通過編碼器對排種轉(zhuǎn)速進(jìn)行檢測、落種監(jiān)測單元對落種信息進(jìn)行采集、人機(jī)交互設(shè)備實(shí)現(xiàn)播種參數(shù)設(shè)定、控制器實(shí)現(xiàn)排種轉(zhuǎn)速指令控制和傳感器信號處理。

1.2 硬件設(shè)計(jì)

控制器選用基于ARM Cortex-M4內(nèi)核的STM32F407ZGT6單片機(jī),完成對電機(jī)控制、排種量和排種轉(zhuǎn)速監(jiān)測。HMI選擇中達(dá)電通股份有限公司的DOP-B07S515串口屏,采用RS232通訊。檢測模塊落種監(jiān)測單元選用MT-CDD-11P型光電檢測傳感器。選用步進(jìn)電機(jī)作為排種器動力源,電機(jī)和驅(qū)動器選用TC86-120步進(jìn)電機(jī)和SM808H伺服驅(qū)動器。步進(jìn)電機(jī)配備分辨率F為1 000 p/r的增量式光電編碼器,系統(tǒng)主體電路如圖2所示。

(a) 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路

使用單片機(jī)定時器IO口采集編碼器AB相脈沖信號,得到編碼器測量的排種轉(zhuǎn)速n1(即實(shí)際排種轉(zhuǎn)速)。

(1)

式中:n1——編碼器測量的排種轉(zhuǎn)速,r/min;

p——編碼器單位采樣周期內(nèi)捕獲的脈沖數(shù);

μ——編碼器信號倍頻系數(shù);

F——編碼器分辨率,p/r;

ΔT——編碼器采樣時間,ms。

使用單片機(jī)定時器IO口輸出轉(zhuǎn)速脈沖指令給電機(jī)驅(qū)動器,脈沖頻率f與步進(jìn)電機(jī)理論轉(zhuǎn)速n2(即理論排種轉(zhuǎn)速)之間的關(guān)系為

(2)

式中:n2——步進(jìn)電機(jī)理論轉(zhuǎn)速,r/min;

f——步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動脈沖頻率,Hz;

N——步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)所需脈沖,p/r。

當(dāng)N為400 p/r,得到步進(jìn)電機(jī)理論轉(zhuǎn)速n2=0.15f。故驅(qū)動脈沖頻率越快,排種轉(zhuǎn)速越快。

1.3 播種粒距測量原理

播種粒距監(jiān)測精度是評價玉米排種器排種質(zhì)量的重要參數(shù)。為監(jiān)測播種粒距,通過基于光電脈沖信號獲得相鄰落種時間間隔,結(jié)合車速信息對播種粒距進(jìn)行檢測。

如圖3(a)所示,相鄰玉米種1和種2經(jīng)過充種、舀種,隨著排種盤逆時針轉(zhuǎn)動相繼抵達(dá)遞種口,相鄰落種排種時刻不同,存在時間差,當(dāng)落種1從遞種口進(jìn)入導(dǎo)種盒內(nèi)而落種2尚未到達(dá)遞種口時分析相鄰落種運(yùn)動過程,得到基于實(shí)時排種轉(zhuǎn)速ω和轉(zhuǎn)過角度θ的相鄰落種理論時間間隔Δtk。

(a) 相鄰玉米種子運(yùn)動過程

(3)

式中:θ——相鄰勺輪孔與排種盤圓心形成的角度,rad;

ω——排種盤角速度,rad/s;

H——排種盤型孔數(shù);

n1k——編碼器第k次測量的電機(jī)排種轉(zhuǎn)速,r/min。

所選的排種盤型孔數(shù)為18勺,則基于實(shí)時排種轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)過角度計(jì)算的相鄰落種理論時間間隔Δtk=3.33/n1k。

如圖3(b)所示,當(dāng)落種1由遞種口成功進(jìn)入導(dǎo)種盒時,安裝在導(dǎo)種盒上的落種監(jiān)測傳感器將會產(chǎn)生一個上升沿信號,待落種2經(jīng)過傳感器產(chǎn)生第二個上升沿信號,相鄰脈沖時間間隔即為相鄰落種實(shí)際時間間隔Δtm。

排種作業(yè)時,正常落種脈沖時間間隔為Δtm1,若出現(xiàn)漏播時,則種2的脈沖信號滯后于正常的脈沖信號,脈沖時間間隔為Δtm2;若出現(xiàn)重播時,則種2的脈沖信號超前于正常的脈沖信號,脈沖時間間隔為Δtm3。

相鄰落種理論時間間隔Δtk和相鄰落種實(shí)際時間間隔Δtm,結(jié)合機(jī)具車速v可以得到播種粒距理論值Zk和監(jiān)測值Zm。實(shí)際排種作業(yè)時,隨著機(jī)具車速變快,排種轉(zhuǎn)速也相應(yīng)變快,落種在導(dǎo)種盒中發(fā)生碰撞的可能性變大導(dǎo)致落種軌跡改變,因此落種監(jiān)測傳感器檢測的實(shí)際落種時間間隔會在理論落種時間間隔上下波動,造成播種粒距監(jiān)測誤差ΔZ。

Zk=27.78v·Δtk

Zm=27.78v·Δtm

ΔZ=Zk-Zm

(4)

1.4 HMI軟件界面設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)排種質(zhì)量全過程監(jiān)測,設(shè)計(jì)人機(jī)交互終端界面,界面采用DOPSoft 2.00.07軟件編寫。

在播種作業(yè)前,農(nóng)戶通過操作HMI,在用戶登錄界面輸入用戶名和密碼登入播種參數(shù)設(shè)置界面。根據(jù)當(dāng)?shù)剞r(nóng)藝要求,在播種參數(shù)設(shè)置界面輸入設(shè)定的播種粒距、行距、排種盤型孔數(shù)、驅(qū)動電機(jī)與排種盤之間傳動比、機(jī)具車速、播種單體數(shù)量、作業(yè)幅寬等播種參數(shù)信息。

確定完播種參數(shù)信息后,HMI會將播種參數(shù)信息傳輸給單片機(jī)。單片機(jī)將編碼器測得的排種盤實(shí)時轉(zhuǎn)速信息、落種監(jiān)測傳感器采集的排種量、相鄰落種時間間隔信息回傳給HMI,在數(shù)據(jù)顯示界面上繪圖顯示,并將數(shù)據(jù)以CSV文件存儲到HMI的SD卡內(nèi)方便查詢。

1.5 排種質(zhì)量監(jiān)測程序設(shè)計(jì)

排種質(zhì)量監(jiān)測程序主要由HMI、STM32單片機(jī)完成。如圖4所示,單片機(jī)根據(jù)HMI發(fā)送的播種參數(shù)信息計(jì)算得到目標(biāo)排種轉(zhuǎn)速n3,然后通過單片機(jī)定時器IO口輸出目標(biāo)頻率的轉(zhuǎn)速脈沖指令給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器,進(jìn)而帶動排種器排種,單片機(jī)程序采用Keil μVision5軟件編程。

(a) HMI

(5)

式中:n3——目標(biāo)排種轉(zhuǎn)速,r/min;

L——設(shè)定播種粒距,cm。

2 試驗(yàn)與結(jié)果

2.1 試驗(yàn)平臺搭建

為了測試系統(tǒng)的監(jiān)測精度,搭建室內(nèi)試驗(yàn)平臺進(jìn)行排種量監(jiān)測性能試驗(yàn)、排種轉(zhuǎn)速采集試驗(yàn)、播種粒距監(jiān)測性能試驗(yàn)。落種監(jiān)測傳感器安裝在導(dǎo)種盒上,距排種器投種口下方的垂直高度為50 mm,用于檢測排種量和相鄰落種時間間隔。步進(jìn)電機(jī)安裝在排種器背部的電機(jī)支座上,排種軸通過聯(lián)軸器與驅(qū)動電機(jī)軸連接在一起。

2.2 排種量監(jiān)測性能試驗(yàn)

排種量監(jiān)測精度是保證播種粒距精準(zhǔn)監(jiān)測的前提,試驗(yàn)選用鄭單958玉米雜交種子,設(shè)定目標(biāo)粒距為30 cm、機(jī)具車速為3～12 km/h,增量為1 km/h,重復(fù)6次,基于光電傳感器的玉米勺輪式排種器電驅(qū)系統(tǒng)排種量準(zhǔn)確率試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 基于光電傳感器的排種量監(jiān)測試驗(yàn)結(jié)果Tab. 1 Results of metering quantity based on a photoelectric sensor

試驗(yàn)結(jié)果可知,在3～12 km/h設(shè)定車速范圍內(nèi),把排種量監(jiān)測準(zhǔn)確率作為評價系統(tǒng)排種量監(jiān)測精度,計(jì)算各設(shè)定車速下排種粒數(shù)計(jì)數(shù)準(zhǔn)確率并取平均值,計(jì)算偏差值,繪制偏差線,得出不同車速下系統(tǒng)排種量監(jiān)測準(zhǔn)確率,如圖5所示?；诠怆妭鞲衅鞯南到y(tǒng)排種量監(jiān)測準(zhǔn)確率平均值為94.81%,標(biāo)準(zhǔn)差為5.34%。隨著設(shè)定車速的增加,系統(tǒng)對排種量監(jiān)測準(zhǔn)確率逐漸降低,測量誤差范圍波動變大。分析原因可得,玉米勺輪排種器隨著車速的增加,排種轉(zhuǎn)速也變大,系統(tǒng)對排種量監(jiān)測能力變?nèi)?無法辨別連續(xù)2粒及以上的落種。設(shè)定車速范圍在3～8 km/h時,基于光電傳感器的排種量監(jiān)測準(zhǔn)確率平均值為98.55%,標(biāo)準(zhǔn)差為1.4%,監(jiān)測準(zhǔn)確率最低為96.07%,系統(tǒng)監(jiān)測準(zhǔn)確率變化基本一致,較3～12 km/h粒數(shù)監(jiān)測準(zhǔn)確率平均值顯著提高,排種量監(jiān)測準(zhǔn)確率波動范圍變短。車速在9～12 km/h時,該車速范圍下排種量監(jiān)測準(zhǔn)確率平均值為89.2%,標(biāo)準(zhǔn)差為3.52%,低于90%,難以保證排種量監(jiān)測精度。

圖5 設(shè)定車速為3～12 km/h下排種量監(jiān)測準(zhǔn)確率試驗(yàn)結(jié)果

因此,基于光電傳感器的排種量監(jiān)測適用于中低速作業(yè)范圍,可以為3～8 km/h機(jī)具車速下的播種作業(yè)排種量在線監(jiān)測提供參考依據(jù),滿足玉米勺輪排種器作業(yè)速度要求。

2.3 播種粒距監(jiān)測試驗(yàn)

利用搭建的試驗(yàn)平臺,分析不同設(shè)定車速對粒距監(jiān)測精度的影響。在設(shè)定播種粒距30 cm下,驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動10圈,理論排種量應(yīng)為180粒,采集相鄰落種時間間隔和相對應(yīng)的實(shí)時排種轉(zhuǎn)速信息,根據(jù)式(4)計(jì)算得到播種粒距監(jiān)測值和理論值,繪制設(shè)定車速3～8 km/h下播種粒距測量曲線,如圖6所示。基于步進(jìn)電機(jī)直驅(qū)的玉米勺輪排種器重漏播粒數(shù)、播種粒距監(jiān)測數(shù)如表2所示,3～8 km/h設(shè)定車速下播種粒距監(jiān)測合格指數(shù)大于97.1%,在3～6 km/h設(shè)定車速下玉米勺輪排種器排種系統(tǒng)性能表現(xiàn)突出,重漏播概率小。

表2 不同設(shè)定車速下排種質(zhì)量參數(shù)監(jiān)測結(jié)果Tab. 2 Results of monitoring metering quality parameters at different set vehicle speeds

(a) 3 km/h

如圖7所示,在中低速作業(yè)工況下,基于光電脈沖信號的相鄰落種時間間隔測量方法得到的播種粒距監(jiān)測誤差絕對值的平均值為2.84 cm,標(biāo)準(zhǔn)差為3.66 cm,波動較小,滿足GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機(jī)試驗(yàn)方法》中合格播種粒距在0.5～1.5倍標(biāo)準(zhǔn)播種粒距的要求?？紤]到排種器存在隨機(jī)單粒重漏播現(xiàn)象,造成播種粒距變化是系統(tǒng)正?，F(xiàn)象,故可以通過光電傳感器檢測相鄰落種時間間隔的方法監(jiān)測播種粒距,進(jìn)一步判斷重漏播異常情況。

圖7 不同設(shè)定車速下播種粒距監(jiān)測誤差結(jié)果

3 結(jié)論

1) 針對玉米勺輪排種器,設(shè)計(jì)了基于步進(jìn)電機(jī)直驅(qū)的排種質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng),設(shè)計(jì)了排種轉(zhuǎn)速采集、排種量和播種粒距監(jiān)測程序,搭建了玉米排種器排種質(zhì)量監(jiān)測性能試驗(yàn)平臺。

2) 臺架試驗(yàn)表明,在3～12 km/h車速下系統(tǒng)排種量監(jiān)測準(zhǔn)確率平均值為94.81%,標(biāo)準(zhǔn)差為5.34%。分析原因可得,隨著車速上升,排種轉(zhuǎn)速增加,光電傳感器對車速9 km/h以上連續(xù)2粒及以上的落種檢測能力下降。在中低速3～8 km/h時,排種量監(jiān)測準(zhǔn)確率平均值為98.55%,標(biāo)準(zhǔn)差為1.4%,對排種量監(jiān)測靈敏度高。

3) 與分析相鄰落種運(yùn)動過程得到的播種粒距理論值相比,基于光電傳感器的播種粒距監(jiān)測誤差絕對值的平均值為2.84 cm,標(biāo)準(zhǔn)差為3.66 cm,播種粒距監(jiān)測合格指數(shù)大于97.1%,滿足實(shí)際排種質(zhì)量監(jiān)測需求,可為玉米排種質(zhì)量監(jiān)測技術(shù)提供參考。