小麥小區條播機電控排種系統設計與試驗

俞傳陽 陳 狀 陳黎卿

(1.安徽農業大學工學院， 合肥 230036； 2.安徽建筑大學機械與電氣工程學院， 合肥 230601)

0 引言

小麥作為我國種植面積最大的作物，其品種選育是關系品質的重要因素。小麥小區播種是品種選育的一個重要環節，田間育種試驗是進行品種改良和繁育良種的小面積試驗，實現育種試驗機械化能夠提高育種試驗準確性、提高工作效率、減輕勞動強度[1]。小區播種機作為田間育種試驗的專用播種機械，能夠將定量的種子按照農藝要求播入一定范圍的小區內[2-4]。小區條播機作為小區播種機械主要機型之一，通過人工供種、錐體充種、格盤運種、排種口排種、離心分種器分種等完成一個小區的播種[5]。離心式排種系統工作性能直接影響到小區播種機播種性能。為了提高排種性能，國內外者進行了大量研究[6-11]，WAEL[12]以小麥、扁豆和亞麻為試驗對象，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因素進行分析，確定了各因素對分種均勻性的影響規律；龔麗農等[14]為了提高小區播種機的工作精度和工作效率設計了小區播種機電控系統，并通過試驗分析了播種不同種子時分配器的最佳轉速；程修沛等[15]為了提高小區播種機的自動化水平，基于STM32設計了小區播種機排種控制系統，采用Android 終端進行人機交互，實現了小區排種作業的精準控制。以上成果為小區播種機性能提升奠定了一定基礎，然而，現有小麥小區條播機電控排種系統結構不合理、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，制約了小麥小區條播機的進一步推廣應用。

本文設計基于ARM的小麥小區播種機電控排種系統，采用串口屏作為人機交互，設計北斗導航設備定位信息解析、步進電機驅動錐體格盤、直流無刷電機驅動分種器的控制接口，形成提高小麥小區播種機排種性能的成套電控系統。

1 小區播種機電控排種系統工作原理

小麥小區條播機主要由底盤、發動機、開溝器、離心分種裝置、錐體格盤、格盤電機、減速器、控制箱、人機交互屏、北斗差分定位系統等組成，整機構成如圖1所示。

圖1 小區播種機整機效果圖Fig.1 Render of whole plot planter1.發動機 2.人機交互屏 3.控制箱 4.北斗天線 5.錐體格盤 6.格盤電機及減速器 7.離心分種裝置 8.開溝器

作業時，控制箱采集北斗差分定位信息，計算錐體格盤匹配轉速，控制格盤電機和分種電機運轉，小麥種子經種管落入開溝并被覆土。

小麥小區條播機控制系統如圖2所示。整個控制系統主要分為信號采集系統、人機交互系統、執行機構3部分。信號采集系統主要包括北斗差分定位系統和STM32F4串口通信模塊，其中北斗差分定位系統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，移動站置于播種機中間位置隨播種機運動，移動站將報文數據發送到控制器，解析得到小區播種機速度信息；人機交互系統主要設置小區長度和將離心分種器轉速發送到控制器，同時實時顯示小區播種機的作業信息；執行機構主要包括步進電機和永磁無刷直流電機(以下簡稱BLDC)，步進電機通過小區播種機速度信息控制錐體格盤轉動，BLDC通過控制器指令保持一定的轉速控制離心分種器轉動。

圖2 小區播種機控制系統框圖Fig.2 Structure diagram of control system of plot planter

2 離心分種裝置設計

2.1 工作原理

排種裝置整體結構如圖3a所示，主要由錐體格盤、格盤電機、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、聯軸器、BLDC組成，BLDC軸與聯軸器相連，聯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速。工作時，預先設定BLDC轉速，當錐體格盤轉動時，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，種子在離心力作用下均勻分配為8行。分配頭與導種管相連，完成排種工作。

圖3 排種裝置結構示意圖Fig.3 Diagrams of seed discharge device1.錐體格盤 2.格盤電機及減速器 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.聯軸器 9.BLDC

2.2 結構設計

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，可能會出現兩種運動情況：還未與離心分種器凸臺碰撞就已經甩出離心分種器；與離心分種器凸臺產生碰撞之后彈出離心分種器。假設小麥未與離心分種器凸臺碰撞就已經甩出，則小麥受力分析如圖4所示。

圖4 小麥未碰撞時運動分析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

θ——小麥滑動時水平面摩擦力f1與X軸負方向夾角

r——離心分種器半徑，m

(2)

(3)

經分析可得

(4)

離心分種器旋轉一圈所需時間

(5)

式中n——離心分種器轉速，r/min

(6)

聯立可得

(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。假設有k個凸臺，那么當離心分種器旋轉時，相鄰的兩個凸臺經過同一點的時間間隔為

(8)

而凸臺長度L必須滿足

L

(9)

因為小麥種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，當離心分種器轉速和凸臺個數不變時，凸臺長度越大，離心分種器凸臺與小麥種子產生碰撞的幾率就越大。

由此，得出離心分種器轉速、凸臺個數和凸臺長度對分種效果存在一定影響，通過離散元進一步分析。

3 電控排種驅動控制系統設計

3.1 控制器

控制系統硬件主要由STM32F405RG最小核心模塊、電源模塊、按鍵模塊、LED狀態指示模塊、串口屏模塊、步進電機驅動模塊、CAN總線模塊和北斗差分定位系統串口通信模塊等組成?？刂破鞑杉倍凡罘侄ㄎ幌到y輸出的GPRMC報文進行解析，得到小區播種機的速度及位置信息，進而匹配錐體格盤轉速。人機交互系統能夠完成小區播種實時運行狀態參數顯示，如當前小區播種機前進速度、錐體格盤轉過角度、小區播種機前進距離等參數，并且可以在小區播種機作業前設置小區長度、離心分種器的轉速，向控制器發送開始指令。

3.2 錐體格盤與離心分種控制系統設計

錐體格盤驅動系統硬件主要由錐體格盤部件、步進電機、步進電機驅動器以及控制器接口電路等組成。選用86HBM80H型閉環步進電機，支持DC/AC 24～75V，配有廣州雷賽公司的HBS86H數字式混合伺服驅動器，細分選項達16種組合，最大為51 200 p/r。 控制器電平為3.3 V，步進電機驅動器標準控制信號為5～24 V，控制器PWM脈沖控制引腳(PA5)與驅動器間增設高速電平轉換模塊TXS0108E，形成5 V可調頻率PWM驅動信號。由電機頻率轉速關系可得

(10)

式中n0——錐體格盤轉速，r/min

f——PWM頻率，Hz

N——步進電機驅動器一圈脈沖數

i——與格盤電機連接的減速器減速比

由STM32F405RG中PWM頻率設置關系可得

(11)

式中NT——定時器時鐘頻率，Hz

Npsc——預分頻系數

Narr——寄存器自動重裝載值

可得錐體格盤轉速和PWM控制頻率關系為

(12)

試驗中，采用STM32F405RG的TIM8定時器，時鐘源NT為168 MHz，自動重裝載值Narr為336，與格盤電機連接的減速器速比i為40，步進電機驅動器一圈脈沖數N設置為10 000。聯立式(10)～(12)可得

(13)

STM32F405RG芯片定時器時鐘經8分頻后，預分頻系數Npsc取值范圍為0～65 535，則錐體格盤轉速n0取值范圍為0～75 r/min。經上述理論分析可得出目標轉速n0和定時器預分頻系數Npsc關系，但不能直接用于被控對象，其回歸特性多采用實測方法得到。以0.50 r/min為等間距、以0.50 r/min為起始目標轉速進行12組試驗，通過編碼器測量錐體格盤實際轉速，編碼器安裝圖如圖5所示。

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

考慮單片機實際工作性能，目標轉速和實際轉速關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轉速n0和實際轉速n的函數關系

n=1.79n0-0.36

(14)

由小區條播機的作業要求可知，小區條播機在規定長度區域行走所需時間應與錐體格盤轉動一圈時間一致，即滿足

(15)

式中vt——小區條播機行走速度，m/s

vd——北斗移動站輸出含速度信息的GPRMC報文解析以節為單位的小區條播機行走速度，kn

本文采用北斗星通高高精度差分定位技術模塊UB480和UB482，分別作為基站和移動站，可以實現相對精度達2 cm左右的定位準度，通過實測5 m和10 m，分別試驗3組，平均解析值為498.63 cm和997.98 cm，誤差都在2 cm左右，定位精度滿足系統要求。由于北斗移動站存在靜態下定位漂移的現象，采用Mean-Shift聚類算法分析靜態下340個速度樣本數據，得到聚類中心數為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，因此在實際控制中需減去靜態速度誤差均值，如圖6所示。

圖6 移動站漂移數據Fig.6 Mobile station drift data

得出目標預分頻系數Npsc和小區條播機行走速度之間的函數關系

(16)

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

表1 CAN通信協議Tab.1 Statistics of CAN communication protocol

離心分種轉速調控對小麥播種性能有一定影響，文獻[15]采用占空比控制BLDC驅動器，得出占空比和分種轉速擬合函數關系。本文在此基礎上，采用帶有矢量控制算法(簡稱“FOC”)的BLDC驅動器對分種目標轉速分別為1 000、1 200 r/min進行測試。如圖7所示，采用FOC驅動器控制電機轉速波動均小于4 r/min，以此保證分種轉速穩定性。

圖7 電機轉速響應曲線Fig.7 Motor speed response curve

3.3 軟件設計

控制系統軟件以MDK5作為開發平臺，采用C語言進行編程，控制流程如圖8所示。

圖8 控制系統流程圖Fig.8 Flow chart of control system

控制系統軟件核心在于解析北斗移動站報文對錐體格盤轉角實時控制。移動站輸出報文帶有經緯度和速度信息的字符串，遵循NMEA-0183協議標準。北斗移動站每秒輸出近1 KB ASCⅡ字符數據到控制器串口，采用DMA方式繞過CPU而將數據直接由串口寄存器搬運到內存數組，降低了CPU占有率；利用環形數組對北斗數據進行緩存，并周期性調用解析函數，保證了數據不丟幀；對環形緩沖區數據采用有限狀態機法解析出一幀完整GPRMC數據幀，基于NMEA-0183的C開源庫實現解析GPRMC幀，得到時速信息。

4 排種系統性能仿真

4.1 仿真模型建立

通過CATIA軟件建立離心分種機構三維模型，將三維模型保存為igs格式，三維模型導入EDEM離散元仿真軟件中，在落種漏斗正上方建立顆粒工廠，模擬錐體格盤機構的落種過程。

試驗選用小麥品種為濟麥22，在小麥種子中隨機選取1 000粒測量其質量，再隨機選取100粒小麥種子測量其長、寬、高，分別測試3組，結果如表2所示。

表2 小麥種子千粒質量和外形尺寸統計Tab.2 Wheat seed 1 000 grain weight and size statistics

根據3組平均值對濟麥22種子進行CATIA三維建模，保存為igs格式，將小麥顆粒模型導入EDEM離散元仿真軟件中，進行顆粒填充，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

離心分種器的材質為樹脂，相關參數如表3所示[16-19]。

表3 仿真參數Tab.3 Simulation parameters

4.2 試驗方案設計

選取凸臺數、離心分種器轉速、凸臺長度為試驗因素，采用三因素五水平二次正交旋轉中心組合試驗方法，以變異系數為評價指標。參考小麥條播機排量[20]，擬定小麥播種量為150 kg/hm2，設計播種量為2 000粒，生成速度為200粒/s，進行正交試驗。根據前期單因素試驗的結果，選擇離心分種器轉速范圍為1 000～1 400 r/min，凸臺長度范圍為10～22 mm，凸臺數范圍為2～10個。試驗因素編碼如表4所示。

表4 正交試驗因素編碼Tab.4 Orthogonal test factors and codes

因為凸臺數為整數，且為了方便進行試驗，對各因素進行取整。當仿真模擬播種過程完成后，進入Analyst Tree界面，為統計經過各個分配頭的小麥籽粒數量，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，以此來統計各個分配頭排出的小麥籽粒數量。

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

4.3 仿真結果分析

每一組仿真試驗結束后，統計各個分配頭的小麥種子數，計算變異系數，結果如表5所示。

表5 正交試驗結果Tab.5 Statistics of coefficient of variation of orthogonal test

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

表6 變異系數方差分析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、離心分種器轉速、凸臺長度編碼值

根據分析結果，利用Design-Expert 8.0軟件繪制各因素交互效應響應曲面圖，圖11a為凸臺數與離心分種器轉速對變異系數影響的響應曲面，當凸臺數不變時，隨著離心分種器轉速的增大，變異系數先減小后增大，當離心分種器轉速不變時，隨著凸臺數的增加，變異系數先減小后增大；圖11b為凸臺數和凸臺長度對變異系數影響的響應曲面，當凸臺數不變時，隨著凸臺長度的增加，變異系數先減小后增加，當凸臺長度不變時，隨著凸臺數的增加，變異系數先減小后增加；圖11c為離心分種器轉速與凸臺長度對變異系數影響的響應曲面，當凸臺長度不變時，當離心分種器轉速逐漸增大時，變異系數先減小后增大，當離心分種器轉速不變時，隨著凸臺長度的不斷增大，變異系數先減小后增大。綜合分析可得，較優的參數組合為：凸臺數為6、離心分種器轉速為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影響的響應曲面Fig.11 Influence of interaction of various factors on response surface of coefficient of variation

5 性能試驗

5.1 分種臺架試驗

臺架試驗在安徽農業大學智能農機裝備工程實驗室進行，臺架選用JPS-12型排種器性能試驗臺，臺架試驗選用的小麥品種為濟麥22，為保持和仿真一致，將錐體格盤轉速設置為6 r/min，每次試驗加入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量。臺架試驗共進行9組，試驗后計算變異系數和種子破碎率。

臺架試驗結果如表7所示。通過測得的數據計算得：臺架試驗變異系數平均值為4.02%，臺架試驗結果與仿真試驗結果基本一致。小麥種子破損率的平均值為0.22%，符合國家標準[20]要求。

表7 臺架試驗結果Tab.7 Bench test results %

5.2 清種試驗

為避免播種混種，設計了小區條播機清種功能，通過點擊人機交互系統一鍵重置按鈕，錐體格盤便會自轉兩圈實現清種。

5.2.1試驗方案設計

錐體格盤共有45個小槽格，分別編號1～45，每次隨機選取5個槽格，每個槽格加入10粒小麥種子，如圖12所示，設置錐體格盤以轉速6 r/min自轉2圈，記錄槽格內小麥種子數量，如圖12所示。

圖12 自凈試驗Fig.12 Self-purification test

5.2.2試驗結果與分析

測得清種試驗數據如表8所示，由數據可得，錐體格盤自轉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種子混種。

表8 清種試驗結果Tab.8 Seed clearing test data

5.3 田間試驗

5.3.1試驗方案

田間試驗在安徽農業大學農萃園試驗基地進行，田間試驗現場如圖13所示，試驗樣機如圖13a所示。田間試驗主要測量小區播種機各行總排量一致性。試驗共進行3組，第1組播種小區長度為3 m，第2組播種小區長度為4 m，第3組播種小區長度為5 m。

圖13 田間試驗現場Fig.13 Diagrams of field test site

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

5.3.2試驗結果與分析

試驗測得各行排量一致性變異系數如表9所示。由表9可得，各行排量一致性變異系數第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%。因田間作業會受到播種機振動、地表不平等因素的影響，變異系數相對仿真試驗和臺架試驗會有所增加。

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

6 結論

(1)針對小麥小區條播機，設計了一種電控排種系統，建立錐體格盤轉速控制模型，該系統通過北斗導航設備確定播種機行駛狀態參數，完成對錐體格盤和離心分種裝置轉速匹配控制，離心分種裝置采用自制電機矢量驅動器保證了分種轉速的穩定性，設計人機交互系統，完成對作業參數的設定和作業信息的實時反饋，實現了一鍵清種功能。

(2)通過排種系統性能仿真，確定了各因素對分種均勻性的影響主次順序為離心分種器轉速、凸臺數、凸臺長度，并得到最優參數組合為凸臺長度16 mm、凸臺6個、離心分種器轉速1 200 r/min，通過臺架試驗和田間試驗表明，本文設計的電控排種系統排量一致性變異系數為5.69%，均勻性變異系數為20.77%，滿足作業要求。