小麥機(jī)械化勻播控制系統(tǒng)設(shè)計與試驗

孫小雯 奚小波 陳猛 黃盛杰 金亦富 張瑞宏

摘要：針對播種作業(yè)均勻性差的問題，設(shè)計基于STM32單片機(jī)的小麥機(jī)械化勻播控制系統(tǒng)，通過輪式機(jī)器人變速作業(yè)，并依據(jù)輪式行駛機(jī)器人實時行駛速度，控制排種電機(jī)轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)變速勻播。采用多級控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)速，一級控制參數(shù)為輪式行駛機(jī)器人實時行駛速度信號，采用PID控制；二級控制參數(shù)為排種器電機(jī)實時電流和轉(zhuǎn)速，采用模糊PID控制?？刂扑惴ǚ抡娼Y(jié)果表明，該控制算法響應(yīng)時間短，超調(diào)量小，控制效果良好。播種試驗結(jié)果表明，輪式行駛機(jī)器人恒速狀態(tài)下的播量控制精度達(dá)96.8%，變速狀態(tài)下的播量控制精度達(dá)95.1%。

關(guān)鍵詞：播種機(jī)；均勻播種；播量控制；多級控制；電機(jī)控制

中圖分類號：S223.2

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：20955553 （2024） 02002706

收稿日期：2023年8月31日 ?修回日期：2023年11月22日

基金項目：江蘇省科技項目（BE2022338）；江蘇省現(xiàn)代農(nóng)機(jī)裝備與技術(shù)示范推廣項目（NJ2021—16）；江蘇省農(nóng)業(yè)自主創(chuàng)新資金項目（CX（22）1001）；揚(yáng)州大學(xué)“高端人才支持計劃”

第一作者：孫小雯，女，1998年生，甘肅慶陽人，碩士研究生；研究方向為農(nóng)業(yè)工程與信息技術(shù)。Email： sxw1202@foxmail.com

通訊作者：奚小波，男，1989年生，江蘇鹽城人，博士，副教授；研究方向為農(nóng)業(yè)工程與裝備。Email： xxbctg@126.com

Design and experiment of control system of wheat mechanized uniform sowing

Sun Xiaowen1， Xi Xiaobo1， Chen Meng2， Huang Shengjie3， Jin Yifu1， Zhang Ruihong1， 4

（1. School of Mechanical Engineering/Jiangsu Engineering Center for Modern Agricultural Machinery and Agronomy

Technology， Yangzhou University， Yangzhou， 225127， China; 2. Ningbo Fotile Kitchen Ware Company， Ningbo，

315336， China; 3. Jiangsu Agricultural Machinery Testing and Appraisal Station， Nanjing， 210017， China;

4. Nanjing Woyang Machinery Technology Co.， Ltd.， Nanjing， 211200， China）

Abstract：

In order to solve the problem of poor uniformity of sowing operation， a wheat mechanized sowing control system based on STM32 single chip microcomputer is designed. The wheeled driving robot could travel with variable speed. According to the realtime driving speed of the wheeled driving robot， the speed of the seeding motor is controlled to realize the variable speed and uniform seeding. The system used multistage control of DC motor speed. The realtime speed signal of the wheeled driving robot is used for The firststage control parameter， which is controlled by PID. The realtime current and speed of the seeder motor are used for secondary control parameters， which is controlled by fuzzy PID. Simulation results show that the control algorithm has short response time， small overshoot and good control effect. The results of sowing experiment have shown that the control accuracy of seeding amount under constant speed condition is 96.8% and that under variable speed condition is 95.1%.

Keywords：

seeder; evenly sowing; seeding rate control; multistage control; motor control

0 引言

小麥?zhǔn)侵袊钪匾目诩Z之一，小麥產(chǎn)業(yè)發(fā)展直接關(guān)系到國家糧食安全和社會穩(wěn)定，播種作為小麥生產(chǎn)的最初環(huán)節(jié)，其作業(yè)質(zhì)量好壞直接影響著小麥的生長發(fā)育和最終產(chǎn)量［1］。適宜的播種密度是保證小麥高產(chǎn)的重要因素之一，調(diào)整播種密度可有效協(xié)調(diào)小麥單位面積穗數(shù)與穗粒數(shù)的關(guān)系，進(jìn)而提高產(chǎn)量［23］。小麥機(jī)械化播種可以提高小麥生產(chǎn)作業(yè)質(zhì)量，然而傳統(tǒng)小麥播種機(jī)械主要以地輪式驅(qū)動為主，其大多存在播種不勻的問題，且農(nóng)機(jī)作業(yè)工況復(fù)雜，拖拉機(jī)往往不能恒速行駛，會導(dǎo)致播種均勻性變差。近年來隨著智能農(nóng)機(jī)的快速發(fā)展，對小麥播種質(zhì)量的要求更高，排種器均勻播種控制成為關(guān)鍵［4］。

國外發(fā)達(dá)國家在排種器控制方面展開研究較早。Inoti等［5］設(shè)計了一種針對氣力精量播種的控制系統(tǒng)，它包含了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、播種控制等功能；法國某公司研制了NG Plus系列氣吸式精播機(jī)，該精播機(jī)通過在尾部的傳動裝置進(jìn)行播種行距、播量調(diào)節(jié)［6］；Leemans等［7］設(shè)計了一種通過機(jī)器視覺監(jiān)測播種過程并引導(dǎo)播種機(jī)進(jìn)行精密播種作業(yè)的控制系統(tǒng)。在國內(nèi)，婁秀華［8］研究設(shè)計步進(jìn)電機(jī)帶排種軸旋轉(zhuǎn)的一種播種控制系統(tǒng)；唐堯華［9］采取霍爾測速元件作為排種軸轉(zhuǎn)速控制信號測取源，通過控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動來驅(qū)動排種軸；馮玉崗等［10］研制出基于衛(wèi)星測速小麥精量電驅(qū)式播種控制系統(tǒng)。上述研究主要集中在播量調(diào)節(jié)、播種檢測、精量控制方面，未涉及排種器均勻播種控制方面研究［1112］。

本文設(shè)計小麥機(jī)械化勻播控制系統(tǒng)，選用STM32系列單片機(jī)，優(yōu)化控制算法，將整個控制系統(tǒng)搭載在輪式行駛機(jī)器人上，依據(jù)輪式行駛機(jī)器人實時傳輸?shù)乃俣刃盘?，控制排種電機(jī)達(dá)到最佳目標(biāo)轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)均勻播種，并通過場地試驗驗證小麥機(jī)械化勻播控制系統(tǒng)設(shè)計的可行性。

1 整體結(jié)構(gòu)與工作原理

小麥機(jī)械化勻播控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，其主要由輪式行駛機(jī)器人、控制硬件部分、播種裝置等組成。輪式行駛機(jī)器人搭載衛(wèi)星導(dǎo)航模塊、獨立電源、工控系統(tǒng)、定位終端；控制硬件部分由STM32F103單片機(jī)、電阻顯示屏、DAP仿真器等組成；播種裝置由直流電機(jī)、外槽輪排種器、繞線彈性聯(lián)軸器、種箱、導(dǎo)鐘管、臺架等組成。其中單片機(jī)可同時控制多路排種器電機(jī)，整個控制系統(tǒng)成本低，實用性強(qiáng)。

選用STM32F103單片機(jī)為控制系統(tǒng)處理器，搭配獨立顯示屏，使用C語言編程設(shè)計算法，程序通過DAP仿真器下載至單片機(jī)內(nèi)部，編譯環(huán)境為Keil μVision5集成開發(fā)環(huán)境。播種裝置通過臺架搭載在輪式行駛機(jī)器人上，采用直流電機(jī)驅(qū)動排種器，并通過繞線彈性聯(lián)軸器與排種器轉(zhuǎn)軸相連，改變電機(jī)轉(zhuǎn)速可控制播種量。輪式行駛機(jī)器人配置的衛(wèi)星導(dǎo)航模塊，通過差分算法精確計算其實時行駛速度，并通過外設(shè)串口將處理過的速度信號傳輸至STM32F103單片機(jī)控制器中，將設(shè)計算法通過控制程序?qū)崿F(xiàn)，由此控制排種器電機(jī)的轉(zhuǎn)速變化來調(diào)節(jié)播量，實現(xiàn)均勻播種。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 硬件模塊選型與設(shè)計

輪式行駛機(jī)器人為四輪獨立驅(qū)動，通過無線遙控和指令控制其實現(xiàn)變速行駛，外設(shè)24 V電源，用于系統(tǒng)動力驅(qū)動與排種器電機(jī)工作，輪式行駛機(jī)器人尾部拓展平臺可負(fù)載70 kg，實現(xiàn)自定義功能拓展，用于搭載播種裝置。

選用STM32F103單片機(jī)為系統(tǒng)處理器，基于ARM內(nèi)核，自帶各種常用通信接口，可同時控制多個設(shè)備，其具有通信速度快，ADC轉(zhuǎn)換速度快，工作電壓低，IO復(fù)用功能等優(yōu)點。外接3.2寸電阻顯示屏，用于人機(jī)互動界面開發(fā)，通過DAP仿真器為開發(fā)板下載程序和在線調(diào)試代碼。

排種器電機(jī)選型需要考慮到電機(jī)功率、排種器轉(zhuǎn)速、排種器扭矩等參數(shù)，電機(jī)功率應(yīng)滿足排種器動力性能要求。功率計算公式如式（1）所示。

P=TDnD9 550

（1）

式中：

P——電動機(jī)功率，kW；

TD——負(fù)載加到電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩，N·m；

nD——電動機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min。

一般排種器所需驅(qū)動扭矩相對較小，約3～6 N·m，轉(zhuǎn)速在10～50 r/min，根據(jù)式（1）計算所需最大電機(jī)功率為15 W即可滿足要求，因此選用XD-WS37GB555型直流電機(jī)，電壓為24 V，空載狀態(tài)下，轉(zhuǎn)速為50 r/min，電流為0.15 A，功率為15 W。

設(shè)計后置臺架及播種裝置如圖2所示，通過后置臺架將排種器外接在輪式行駛機(jī)器人上，該臺架可上下調(diào)整高度，實現(xiàn)排種口離地高度可調(diào)，前后位置可調(diào)。排種器為外槽輪式，種箱選用透明亞克力板，按照設(shè)計尺寸制作，重量輕且透明，可觀測箱內(nèi)種子情況。

2.2 輪式變速機(jī)器人定位模塊

輪式行駛機(jī)器人裝載衛(wèi)星導(dǎo)航模塊，實時檢測行駛速度，其導(dǎo)航模塊速度精度RMS為0.03 m/s，對排種器播量控制誤差最大影響為0.077 g/m2，因此可忽略因?qū)Ш侥K誤差造成的播量誤差。用RS232串口線把定位終端和用于配置的PC連接起來，通過5G網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)平臺建立通道，把位置信息發(fā)給差分服務(wù)器，同時接收差分信息，并通過RS232向PC端輸出精準(zhǔn)位置信息。其中串口波特率為115200，選用NTRIP協(xié)議設(shè)置，通信接口的通信默認(rèn)波特率為115200，數(shù)據(jù)格式為8N1。定位數(shù)據(jù)通訊流程如圖3所示。

2.3 控制算法設(shè)計

本文設(shè)計多級控制模型，通過調(diào)節(jié)直流電機(jī)的勵磁電流實現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)整［13］，一級控制參數(shù)為輪式行駛機(jī)器人實時行駛速度信號，二級控制為速度電流雙閉環(huán)控制，控制參數(shù)為排種器電機(jī)實時轉(zhuǎn)速和電流。一級控制選用PID控制，二級控制選用模糊PID控制，其控制流程如圖4所示。

基于Matlab中Simulink環(huán)境，利用其庫內(nèi)豐富的模塊，建立電機(jī)多級控制模型［1415］，驗證本文設(shè)計的多級混合算法控制的可行性，其仿真模型如圖5所示。設(shè)定起始目標(biāo)轉(zhuǎn)速為10 r/min，經(jīng)過3 s后轉(zhuǎn)速提高至20 r/min，仿真時間設(shè)置5 s，結(jié)果如圖6所示。從仿真結(jié)果可以看出，設(shè)定起始目標(biāo)轉(zhuǎn)速10 r/min，約0.075 s達(dá)至穩(wěn)定狀態(tài)，響應(yīng)時間短，超調(diào)量為0.74，較小；3 s時轉(zhuǎn)速提高至20 r/min，約0.081 s達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，響應(yīng)時間短，超調(diào)量為0.74，說明該多級控制算法可行且效果較好。

2.4 電機(jī)調(diào)速控制流程

小麥機(jī)械化勻播控制系統(tǒng)流程如圖7所示。

輪式行駛機(jī)器人通過編寫指令調(diào)用四輪驅(qū)動電機(jī)底層控制程序，打開定時器，設(shè)定目標(biāo)速度函數(shù)，改變機(jī)器人行駛速度，并實時向STM32F103單片機(jī)控制器傳輸當(dāng)前速度。設(shè)定目標(biāo)播種量E（t），查看單片機(jī)控制總中斷是否開啟，接收輪式行駛機(jī)器人實時行駛速度，依據(jù)E（t）、排種器排種量P（t）與機(jī)具行駛速度v（t）的關(guān)系計算排種器電機(jī)理論轉(zhuǎn)速n，控制直流電機(jī)按照理論轉(zhuǎn)速進(jìn)行排種。獲取直流電機(jī)霍爾傳感器信息，檢測排種器轉(zhuǎn)速是否達(dá)到理想轉(zhuǎn)速，若否，觸發(fā)二級雙閉環(huán)控制程序，再次進(jìn)行模糊PID控制調(diào)整，做到勻播作業(yè)。在人機(jī)互動屏幕界面設(shè)置停止按鈕，可遠(yuǎn)程控制停止播種作業(yè)。

3 試驗驗證

3.1 試驗參數(shù)

單位時間內(nèi)單位面積上的目標(biāo)播種量E（t）可表示為［1517］

E（t）=P（t）0.06Hv（t）

（2）

式中：

P（t）——單個排種器排種量，g/min；

H——播種行間距，m；

v（t）——機(jī)具行駛速度，km/h。

P（t）和排種器電機(jī)轉(zhuǎn)速n的標(biāo)定公式如式（3）所示。

P（t）=kn+c

（3）

式中：

k、c——標(biāo)定試驗測定系數(shù)。

聯(lián)立式（2）和式（3），則排種器電機(jī)轉(zhuǎn)速、目標(biāo)播種量以及機(jī)具行駛速度之間關(guān)系可表示為

n=0.06E（t）Hv（t）k－ck

（4）

根據(jù)式（4）可知，當(dāng)機(jī)具行駛速度發(fā)生變化時，控制器可以實時接收機(jī)具行駛速度信號，并且同步調(diào)整排種器軸的轉(zhuǎn)速，確保排種器排種量與目標(biāo)播種量一致［18］。

3.2 試驗設(shè)計

試驗于2022年8月1日在揚(yáng)州大學(xué)揚(yáng)子津校區(qū)進(jìn)行，試驗裝備如圖8所示。試驗前先標(biāo)定式（3）中k、c兩個參數(shù)值，設(shè)置排種器電機(jī)轉(zhuǎn)速從2 r/min遞增至34 r/min，定時收集排出種子稱量并記錄數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，擬合排種器排量和排種器電機(jī)轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線，得k、c值。

1） 輪式行駛機(jī)器人恒速狀態(tài)下的播量穩(wěn)定性試驗。在系統(tǒng)控制器內(nèi)輸入測定的k、c值，設(shè)定輪式行駛機(jī)器人三擋速度為1.5 km/h、3 km/h、5 km/h，每檔速度分別設(shè)置7.5 g/m2、15 g/m2、22.5 g/m2三種目標(biāo)播量，以檢驗恒速狀態(tài)下的系統(tǒng)播量穩(wěn)定性。設(shè)置輪式行駛機(jī)器人每組速度行駛10 m，重復(fù)試驗5次，收集排出種子稱量并記錄數(shù)據(jù)。

2） 輪式行駛機(jī)器人變速狀態(tài)下的播量穩(wěn)定性試驗。劃定50 m作業(yè)區(qū)段，放置50 m標(biāo)尺，設(shè)置輪式行駛機(jī)器人每檔速度行駛10 m后改變行駛速度，使得機(jī)具作業(yè)速度不斷變化。設(shè)置速度由低速變至高速，然后由高速變至低速，設(shè)置速度變化曲線如圖9所示。試驗分別設(shè)置7.5 g/m2、15 g/m2、22.5 g/m2三種目標(biāo)播量，在距離5 m、10 m、15 m、20 m、25 m、30 m、35 m、40 m、45 m采集1 m長播種帶試驗樣本，稱量并記錄各樣本種子質(zhì)量。

3.3 試驗結(jié)果

圖10為排種器播種量和排種器電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線，可以發(fā)現(xiàn)，在一定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，排種器播種量與排種器電機(jī)轉(zhuǎn)速呈線性關(guān)系，說明該排種器性能良好，測得k值為14.17，c值為1.43。

表1為輪式行駛機(jī)器人恒速狀態(tài)下的播量穩(wěn)定性試驗結(jié)果。從表1可以發(fā)現(xiàn)，在輪式行駛機(jī)器人以不同速度行駛過程中，實際播量與目標(biāo)播量都十分接近，其標(biāo)準(zhǔn)差都在0.5 g/m2以內(nèi)，排種穩(wěn)定性好，且播量控制精度都在96.8%以上，說明在機(jī)具以不同速度行駛情況下，該勻播控制系統(tǒng)對排種器電機(jī)轉(zhuǎn)速控制符合設(shè)定目標(biāo)。

圖11為輪式行駛機(jī)器人變速狀態(tài)下的播量穩(wěn)定性試驗結(jié)果?？梢园l(fā)現(xiàn)，在輪式行駛機(jī)器人變速行駛過程中，其實際播量與目標(biāo)播量差值小，變化平穩(wěn)，播量控制精度在95.1%以上，精度高。驗證智能排種控制程序可行，可實現(xiàn)變速勻播。

4 結(jié)論

1） 本文設(shè)計了小麥機(jī)械化勻播控制系統(tǒng)，采用STM32F103單片機(jī)控制排種器直流電機(jī)轉(zhuǎn)速，搭載在可以實現(xiàn)自動變速行駛的輪式機(jī)器人上，依據(jù)輪式行駛機(jī)器人實時行駛速度，控制排種電機(jī)轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)均勻播種。

2） 采用多級控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)速，一級控制參數(shù)為輪式行駛機(jī)器人實時行駛速度信號，選用傳統(tǒng)PID控制；二級控制為速度電流雙閉環(huán)控制，控制參數(shù)為排種器電機(jī)實時電流和轉(zhuǎn)速，選用模糊PID控制。仿真結(jié)果表明，控制響應(yīng)時間短，超調(diào)量小，控制效果良好。

3） 播種試驗結(jié)果表明，輪式行駛機(jī)器人恒速狀態(tài)下的播量穩(wěn)定，其標(biāo)準(zhǔn)差都在0.5 g/m2以內(nèi)，排種穩(wěn)定性好，播量控制精度都在96.8%以上；輪式行駛機(jī)器人變速狀態(tài)下的播量穩(wěn)定，其實際播量與目標(biāo)播量差值小，變化平穩(wěn)，播量控制精度在95.1%以上，精度高。

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