基于電機直驅的玉米勺輪排種器排種質量監測系統*

張炫炫，譚彧，張麗娜，蔣易宇，張然

(中國農業大學工學院,北京市,100083)

0 引言

播種粒距一致性是評價播種作業質量的重要指標,播種粒距控制技術作為影響玉米播種立體定位、播種均勻性的重要指標[1-2],對玉米產量具有非常大的影響[3]。實際作業時,播種粒距根據當地農藝、播量[4]、車速[5-6]進行調整。影響玉米播種粒距一致性的因素主要包括排種器的精準度[7]、種子運移著床的平穩性[8]和排種轉速控制精確度[9-10]。

目前,電驅排種是玉米精量播種的主要發展方向。國內外學者通過對排種驅動方式[11]、排種轉速的控制策略[12-13]和排種性能監測評價系統[14]等方面進行研究。其中,玉米落種狀態監測傳感系統主要包括激光傳感器[15]、光電感應式[16-17]和高速攝像機[18-19],能夠針對排種量進行計數檢測,快速發現播種異常問題。紀超等[14]設計了光電感應式傳感器對排種量進行監測并配備了防塵裝置,提高了傳感器對環境的適應性。此外,陳黎卿[20]采用無刷直流減速電機驅動勺輪排種器,彌補了傳統被動式地輪驅動易斷播的不足,主動排種控制提高了播種均勻性。黃與霞等[21]采用步進電機和鏈傳動方式驅動勺輪排種器,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直驅排種器,易產生鏈節跳動、傳動誤差等問題,影響對排種量和播種粒距的監測效果。因此,對基于電機直驅的玉米勺輪排種器排種質量進行監測具有重要意義。

針對非直驅式玉米勺輪排種器的排種質量監測精度低的問題,結合嵌入式技術、電機驅動技術和傳感檢測技術,設計了一種基于電機直驅的玉米勺輪排種器排種質量監測系統。該系統以單片機為核心,利用步進電機直驅玉米勺輪排種器、光電傳感器對排種量和播種粒距進行檢測,并通過臺架試驗驗證了系統對排種質量的監測效果,為玉米精密播種機智能裝備的研發提供技術支撐。

1 系統總體設計

1.1 系統組成

基于電機直驅的玉米勺輪排種器排種質量監測系統主要由人機交互設備HMI(Human Machine Interface)、控制器、驅動電機、電機驅動器、勺輪排種器、落種監測單元和編碼器組成,如圖1所示。

圖1 系統總體組成

其中,驅動電機和勺輪排種器之間通過排種軸直接連接。系統通過編碼器對排種轉速進行檢測、落種監測單元對落種信息進行采集、人機交互設備實現播種參數設定、控制器實現排種轉速指令控制和傳感器信號處理。

1.2 硬件設計

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

(a) 步進電機驅動電路

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

(1)

式中:n1——編碼器測量的排種轉速,r/min;

p——編碼器單位采樣周期內捕獲的脈沖數;

μ——編碼器信號倍頻系數;

F——編碼器分辨率,p/r;

ΔT——編碼器采樣時間,ms。

使用單片機定時器IO口輸出轉速脈沖指令給電機驅動器,脈沖頻率f與步進電機理論轉速n2(即理論排種轉速)之間的關系為

(2)

式中:n2——步進電機理論轉速,r/min;

f——步進電機驅動脈沖頻率,Hz;

N——步進電機每轉所需脈沖,p/r。

當N為400 p/r,得到步進電機理論轉速n2=0.15f。故驅動脈沖頻率越快,排種轉速越快。

1.3 播種粒距測量原理

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

如圖3(a)所示,相鄰玉米種1和種2經過充種、舀種,隨著排種盤逆時針轉動相繼抵達遞種口,相鄰落種排種時刻不同,存在時間差,當落種1從遞種口進入導種盒內而落種2尚未到達遞種口時分析相鄰落種運動過程,得到基于實時排種轉速ω和轉過角度θ的相鄰落種理論時間間隔Δtk。

(a) 相鄰玉米種子運動過程

(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;

n1k——編碼器第k次測量的電機排種轉速,r/min。

所選的排種盤型孔數為18勺,則基于實時排種轉速和轉過角度計算的相鄰落種理論時間間隔Δtk=3.33/n1k。

如圖3(b)所示,當落種1由遞種口成功進入導種盒時,安裝在導種盒上的落種監測傳感器將會產生一個上升沿信號,待落種2經過傳感器產生第二個上升沿信號,相鄰脈沖時間間隔即為相鄰落種實際時間間隔Δtm。

排種作業時,正常落種脈沖時間間隔為Δtm1,若出現漏播時,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和相鄰落種實際時間間隔Δtm,結合機具車速v可以得到播種粒距理論值Zk和監測值Zm。實際排種作業時,隨著機具車速變快,排種轉速也相應變快,落種在導種盒中發生碰撞的可能性變大導致落種軌跡改變,因此落種監測傳感器檢測的實際落種時間間隔會在理論落種時間間隔上下波動,造成播種粒距監測誤差ΔZ。

Zk=27.78v·Δtk

Zm=27.78v·Δtm

ΔZ=Zk-Zm

(4)

1.4 HMI軟件界面設計

為實現排種質量全過程監測,設計人機交互終端界面,界面采用DOPSoft 2.00.07軟件編寫。

在播種作業前,農戶通過操作HMI,在用戶登錄界面輸入用戶名和密碼登入播種參數設置界面。根據當地農藝要求,在播種參數設置界面輸入設定的播種粒距、行距、排種盤型孔數、驅動電機與排種盤之間傳動比、機具車速、播種單體數量、作業幅寬等播種參數信息。

確定完播種參數信息后,HMI會將播種參數信息傳輸給單片機。單片機將編碼器測得的排種盤實時轉速信息、落種監測傳感器采集的排種量、相鄰落種時間間隔信息回傳給HMI,在數據顯示界面上繪圖顯示,并將數據以CSV文件存儲到HMI的SD卡內方便查詢。

1.5 排種質量監測程序設計

排種質量監測程序主要由HMI、STM32單片機完成。如圖4所示,單片機根據HMI發送的播種參數信息計算得到目標排種轉速n3,然后通過單片機定時器IO口輸出目標頻率的轉速脈沖指令給步進電機驅動器,進而帶動排種器排種,單片機程序采用Keil μVision5軟件編程。

(a) HMI

(5)

式中:n3——目標排種轉速,r/min;

L——設定播種粒距,cm。

2 試驗與結果

2.1 試驗平臺搭建

為了測試系統的監測精度,搭建室內試驗平臺進行排種量監測性能試驗、排種轉速采集試驗、播種粒距監測性能試驗。落種監測傳感器安裝在導種盒上,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。步進電機安裝在排種器背部的電機支座上,排種軸通過聯軸器與驅動電機軸連接在一起。

2.2 排種量監測性能試驗

排種量監測精度是保證播種粒距精準監測的前提,試驗選用鄭單958玉米雜交種子,設定目標粒距為30 cm、機具車速為3～12 km/h,增量為1 km/h,重復6次,基于光電傳感器的玉米勺輪式排種器電驅系統排種量準確率試驗結果如表1所示。

表1 基于光電傳感器的排種量監測試驗結果Tab. 1 Results of metering quantity based on a photoelectric sensor

試驗結果可知,在3～12 km/h設定車速范圍內,把排種量監測準確率作為評價系統排種量監測精度,計算各設定車速下排種粒數計數準確率并取平均值,計算偏差值,繪制偏差線,得出不同車速下系統排種量監測準確率,如圖5所示?；诠怆妭鞲衅鞯南到y排種量監測準確率平均值為94.81%,標準差為5.34%。隨著設定車速的增加,系統對排種量監測準確率逐漸降低,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,排種轉速也變大,系統對排種量監測能力變弱,無法辨別連續2粒及以上的落種。設定車速范圍在3～8 km/h時,基于光電傳感器的排種量監測準確率平均值為98.55%,標準差為1.4%,監測準確率最低為96.07%,系統監測準確率變化基本一致,較3～12 km/h粒數監測準確率平均值顯著提高,排種量監測準確率波動范圍變短。車速在9～12 km/h時,該車速范圍下排種量監測準確率平均值為89.2%,標準差為3.52%,低于90%,難以保證排種量監測精度。

圖5 設定車速為3～12 km/h下排種量監測準確率試驗結果

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

2.3 播種粒距監測試驗

利用搭建的試驗平臺,分析不同設定車速對粒距監測精度的影響。在設定播種粒距30 cm下,驅動步進電機轉動10圈,理論排種量應為180粒,采集相鄰落種時間間隔和相對應的實時排種轉速信息,根據式(4)計算得到播種粒距監測值和理論值,繪制設定車速3～8 km/h下播種粒距測量曲線,如圖6所示?；诓竭M電機直驅的玉米勺輪排種器重漏播粒數、播種粒距監測數如表2所示,3～8 km/h設定車速下播種粒距監測合格指數大于97.1%,在3～6 km/h設定車速下玉米勺輪排種器排種系統性能表現突出,重漏播概率小。

表2 不同設定車速下排種質量參數監測結果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測誤差絕對值的平均值為2.84 cm,標準差為3.66 cm,波動較小,滿足GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機試驗方法》中合格播種粒距在0.5～1.5倍標準播種粒距的要求?？紤]到排種器存在隨機單粒重漏播現象,造成播種粒距變化是系統正?，F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測播種粒距,進一步判斷重漏播異常情況。

圖7 不同設定車速下播種粒距監測誤差結果

3 結論

1) 針對玉米勺輪排種器,設計了基于步進電機直驅的排種質量監測系統,設計了排種轉速采集、排種量和播種粒距監測程序,搭建了玉米排種器排種質量監測性能試驗平臺。

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

3) 與分析相鄰落種運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測誤差絕對值的平均值為2.84 cm,標準差為3.66 cm,播種粒距監測合格指數大于97.1%,滿足實際排種質量監測需求,可為玉米排種質量監測技術提供參考。