基于GPS與編碼器測速的小麥變量播種系統設計與實驗

山東理工大學農業工程與食品科學學院 李永崗 梁現民 安興成 張祥彩

前言

播種在小麥種植生產的過程中起著重要作用，其作業質量會影響小麥的生長情況，進而會影響小麥的產量[1]。傳統的機械式小麥播種機在播種作業時，一般都是地輪或鏈條為排種器提供動力，當小麥播種機作業速度較高時，容易出現鏈條跳動、地輪打滑等問題進而造成漏播少播現象，播種質量得不到有效的保障[2]。而且當拖拉機剛起步工作或者快到地頭時，播種作業速度都會明顯比正常作業速度慢很多，此時如果僅用GPS或者編碼器測速都無法真正保證播種的均勻性。近年來，國內外眾多相關學者針對這些問題進行了研究。HE[3]提出了采用電機驅動排種器，采用編碼器測速、并加入滑移率參數進行速度修正的驅動方案，提高了播種質量。印祥[4]研制了一種光電編碼器測速的玉米播種機控制系統，使播種量與播種機作業速度實時匹配。劉婉茹[5]在播種機的車輪上增加了測速碼盤，也有效提高了播種質量。

由于GPS在拖拉機低速工作時，測速精度會比較低，而編碼器在高速時，誤差又會比較大，針對以上現狀，本文設計了一種基于GPS與編碼器測速的小麥變量播種控制系統，在人機交互頁面設置好播種作業參數，GPS與編碼器采集播種機的作業速度，將采集的作業速度信號傳遞給主控制器，從而實時調整排種軸電機的轉速，實現精量播種的目的。

1 總體結構及工作原理

1.1 移動式小麥播種平臺

移動式小麥播種平臺主要由行走系統和信息采集系統兩部分組成，行走系統主要包括機架、主動輪、全向輪、直流有刷電機、直流有刷電機驅動模塊、藍牙模塊、手機終端等，信息采集系統包括人機交互界面、GPS模塊、光電編碼器、直流無刷電機、直流無刷電機驅動器、HX711稱重模塊、arduino單片機等。

圖1 移動式小麥播種平臺結構圖

移動式小麥播種平臺外形參數為1200mm×600mm×550mm，驅動機構功率為200W，工作電壓24V，電源由一塊24V鋰電池供給。

1.2 工作原理

當播種平臺開始工作時，需要提前考察作業大棚的實際路面情況，首先在人機交互頁面設置好播種作業參數，設置完成后，操作人員在Android終端的交互界面上輸入參數指令，指令通過藍牙通訊傳輸到Arduino單片機，單片機對數據進行解析處理，向直流有刷電機驅動器輸出PWM信號，通過改變PWM控制信號的占空比或脈沖頻率來控制直流有刷電機的轉速，從而達到控制播種平臺運動狀態的目的。其次由安裝在播種平臺上的GPS模塊和光電編碼器采集機器的行進速度，將采集出的速度與設定速度相比，然后將比較之后的速度傳遞給主控制器，主控制器將傳來的速度信息解析出來并將速度信號傳遞給電機驅動器，從而能夠實時調整排種軸驅動電機的轉速,使其能夠在不同的播種作業速度下，都能保證播種平臺播種的均勻性，從而實現精量播種的目的。光電編碼器通過脈沖計數來計算車輪轉過的圈數從而計算播種平臺的行駛距離，然后再乘以播種平臺的作業幅寬，來求得作業面積。

2 精量播種平臺控制系統硬件選擇及軟件設計

2.1 硬件選擇

當播量平臺行進速度較低時,使用的是上海歐姆龍公司生產的光電式編碼器來采集播量平臺的前進速度，這是一種通過光電轉換將輸出軸上的機械幾何位移量轉換成脈沖或數字量的傳感器。這是應用最多的傳感器，光電編碼器由光源、光碼盤和光敏元件組成。光柵盤是在一定直徑的圓板上等分地開通若干個長方形孔。由于光電碼盤與電動機同軸，電動機旋轉時，光柵盤與電動機同速旋轉,經發光二極管等電子元件組成的檢測裝置檢測輸出若干脈沖信號，通過計算每秒光電編碼器輸出脈沖的個數就能反映當前電動機的轉速。

排種器的驅動電機使用的廣東東莞一能機電公司生產的57BLF180-24S型號的直流無刷電機，該型號的電機體積較小，安裝在播量平臺上比較方便，而且起步扭矩高、抖動小、穩定性強、運轉順暢?？刂葡到y硬件組成如圖2所示。

圖2 控制系統硬件組成

2.2 軟件設計

軟件控制系統在Arduino IDE平臺上進行研發，當程序開始運行時，首先檢測機器能否正常工作，然后在人機交互界面設置好播種作業參數，軟件控制流程圖如圖3所示。

圖3 主控端整體流程圖

系統正式運行后，GPS與光電式編碼器采集機器的前進速度，與設定好的速度進行比較，然后將速度信號傳遞給主控制器，主控制器將速度信號解析出來并傳遞給電機驅動器，從而實時控制電機的轉速以達到精量播種的目的。為了能夠精確地控制播種量，當設置好播種平臺的播種作業參數時，需要依據作業平臺的速度快慢對排種軸驅動電機的轉速進行實時調整。

2.3 人機交互終端設計

為了方便操作該系統與機器實時狀態的顯示，本研究使用淘晶馳串口屏作為人機交互的顯示終端，串口屏與主控制器進行通信。當播種平臺開始工作時，串口屏能夠實時顯示當前作業地理位置信息、作業速度、行駛距離、作業面積以及種箱內種子剩余量。其中作業速度、行駛距離、作業面積都是通過光電編碼器計算測得。在行駛過程中，光電編碼器累計產生的脈沖數除以編碼器轉一圈產生的脈沖數就是車輪轉過的圈數，再乘以車輪的周長就是行駛距離，行駛距離乘以播種平臺的作業幅寬即是作業面積，行駛距離除以編碼器檢測周期為播種平臺的實時作業速度。即

式中，p——編碼器產生的脈沖總數

L——行駛距離，m；

π——圓周率

d——車輪直徑，m；

播種平臺作業速度為：

式中，st——編碼器檢測周期，s；

式中，l——播種平臺的作業幅寬。

采用淘晶馳串口屏的開發環境，完成了基本參數設置界面和作業參數實時顯示界面的設計和制作，操作界面如下圖4所示。

圖4 HMI操作界面

3 測試實驗與數據分析

3.1 室內實驗

為了檢測該操作系統的實際作業情況，對GPS測速和光電式編碼器測速兩種作業方式進行實驗對比，在同一個播種平臺的兩個播種作業單體上分別裝載GPS與光電式編碼器兩種系統，兩者除控制方式不同之外，其他的都保持一樣。將播種平臺的行進速度作為實驗因素，由于1m范圍之內小麥數量多且不便直接觀察，采用收集稱算小麥種子總質量的方式對比精量播種機播種效果。為保證試驗結果更加準確，分別在1、3、5、7、9km/h的5種作業速度與作業行數為5行的條件下進行GPS與編碼器的對比試驗，每行取平均值，再對播種均勻度變異系數進行對比，挖取長度為1m范圍內的小麥種子，稱算種子質量為mi（g），算出平均播種質量m(g)，標準差記為Sd，播種均勻度變異系數為Cv，則

圖5 室內試驗

GPS測速和光電式編碼器測速的小麥精量播種對比試驗如表1、2所示。

表1 GPS測速試驗結果

表2 編碼器測速試驗結果

3.2 數據分析

將播種平臺的作業速度與播種均勻度變異系數作為評價該控制系統的指標，兩種控制方式的作業速度與播種均勻度變異系數變化趨勢如上表所示，可以看出播種平臺在不同工作方式下的播種量相對均勻，系統性能比較穩定，當播種平臺行進速度小于5km/h時，光電式編碼器測速方式的播種均勻度變異系數要小于GPS測速方式，當其運行速度高于7km/h時，GPS測速方式的播種均勻度變異系數要小于光電式編碼器測速方式。

4 結論

（1）研發了以GPS與編碼器測速的小麥智能播種控制系統，該控制系統能夠依據播種平臺的行進速度實時控制排種軸驅動電機的轉速，作業信息在人機交互界面上實時顯示，可實現精量播種的效果。

（2）通過5種作業速度與作業行數為5行的條件下進行的對比試驗，可以明顯地看出，當播種平臺以1km/h的速度作業時，編碼器的播種均勻度變異系數要比GPS測速時高6.06個百分點，而當播種平臺前進速度提高時，達到9km/h，GPS測速時的播種均勻度系數比編碼器測速高2.77個百分點。說明GPS測速更適合在高速作業狀態下工作，而光電式編碼器測速則在低速作業狀態下作業效果更好。