趙 晨,黃操軍,劉金明,韓東來
(1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 信息技術(shù)學(xué)院,黑龍江 大慶 163319;2.黑龍江省八五九農(nóng)場,黑龍江 佳木斯 156326)
自動化的谷物產(chǎn)量測量是實(shí)行精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)收獲階段的重要組成部分,且產(chǎn)量的高低同樣能夠集中體現(xiàn)谷物的生長和管理狀況,而收獲機(jī)械的實(shí)時(shí)產(chǎn)量的測量一直是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的難點(diǎn)。所以,獲取準(zhǔn)確的產(chǎn)量空間分布信息是實(shí)施精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的關(guān)鍵[1]。國內(nèi)外許多研究學(xué)者提出了許多產(chǎn)量監(jiān)測方法和谷物產(chǎn)量模型,但測產(chǎn)的精度及模型的通用性及實(shí)用性由于受到各種各樣因素的影響,目前還不能完全適用于生產(chǎn)和農(nóng)戶應(yīng)用。在國外,一些知名公司(如Ag Leader、Micro Track、CASE IH)的收獲機(jī)上都裝有自行研制的測產(chǎn)系統(tǒng)。周俊、胡均萬、陳樹人等[2-4]設(shè)計(jì)了一種以平行梁結(jié)構(gòu)的沖量式谷物流量傳感器作為測產(chǎn)核心的產(chǎn)量監(jiān)測系統(tǒng),并在其后進(jìn)行了改進(jìn)研究。雖然沖量式傳感器價(jià)格低廉、安裝方便;但測量谷物產(chǎn)量時(shí),受機(jī)車、升運(yùn)器振動及機(jī)車傾斜角度影響較為嚴(yán)重,測產(chǎn)誤差也較高。馬朝興、付興蘭[5-6]提出采用光反射原理的傳感器進(jìn)行谷物層厚度測量,同時(shí)通過谷物容重和輸送速度來進(jìn)行測產(chǎn);其缺點(diǎn)在于傳感器容易受到谷物厚度影響,且升運(yùn)形式為刮板式,傳感器在升運(yùn)器底部進(jìn)行測量,而到達(dá)頂端時(shí)由于機(jī)身抖動,一部分谷物則會落回糧倉內(nèi),致使測量精度降低。張小超等[7]設(shè)計(jì)了稱重式谷物流量傳感器,對產(chǎn)量信號進(jìn)行處理以后,達(dá)到一定的測產(chǎn)要求,但同樣容易受到機(jī)車振動的影響。
上述所介紹的谷物測產(chǎn)方法研究一定程度上能夠滿足生產(chǎn)要求,但仍然不盡如人意。通用的局限性、設(shè)備安裝的繁瑣程度及谷物流量傳感器的設(shè)計(jì)成本,約束了各類測產(chǎn)監(jiān)測系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中的發(fā)展[8]。為此,本文對筒腔內(nèi)的谷物進(jìn)行了一般動力學(xué)和穩(wěn)定輸送情況下的動力學(xué)分析,建立了一套根據(jù)輸送電機(jī)參數(shù)計(jì)算谷物產(chǎn)量的研究方法。同時(shí),設(shè)計(jì)出一種基于螺旋輸送機(jī)的谷物測產(chǎn)監(jiān)測系統(tǒng),通過采集電機(jī)的電壓、電流及轉(zhuǎn)速等實(shí)時(shí)參數(shù)計(jì)算輸送谷物的瞬時(shí)質(zhì)量。
本文旨在研究和設(shè)計(jì)谷物產(chǎn)量實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng),整體硬件系統(tǒng)如圖1所示。該系統(tǒng)由下位機(jī)和上位機(jī)共同完成:下位機(jī)部分與螺旋輸送機(jī)一起工作,通過設(shè)置PWM的占空比調(diào)節(jié)傳動電機(jī)進(jìn)行了閉環(huán)調(diào)速,能夠?qū)ο到y(tǒng)傳動電機(jī)的電流、轉(zhuǎn)速信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集,并通過OLED液晶屏顯示,設(shè)計(jì)了一組人機(jī)交互按鍵,操作簡單、清晰明了;上位機(jī)部分由PC機(jī)和無線接收模塊組成。傳動電機(jī)的相關(guān)參數(shù)經(jīng)過MCU處理后,通過無線通信模塊發(fā)送給上位機(jī),串口助手對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲,并對傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。
圖1 硬件系統(tǒng)框圖Fig.1 The block diagram of hardware system
設(shè)絞龍螺旋的中軸直徑為2r1,葉片外徑為2r2,螺距為l。以距離葉片中軸線距離為r的谷物顆粒m為分析對象,絞龍轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動為牽引運(yùn)動,m相對于螺旋的運(yùn)動為相對運(yùn)動,建立了ox′y′z′作為運(yùn)動參考坐標(biāo)系對谷物m進(jìn)行動力學(xué)分析,如圖 2所示[9]。
(a) 沿-x′軸方向
(b) 沿-y′軸方向圖2 谷物顆粒m的動力學(xué)分析Fig.2 The kinetic analysis of cereal grain m
假設(shè)谷物與葉片之間的動、 靜摩擦因數(shù)相同,圖2中的各個(gè)物理量的意義如下:mg為重力;μ1為谷物顆粒與絞龍葉片之間的摩擦因數(shù);μ2為谷物顆粒的內(nèi)摩擦因數(shù);F1為絞龍葉片的法向力;Fμ1為葉片的切向摩擦力;F2為外側(cè)物料的徑向支撐力;Fμ2為外側(cè)谷物的切向摩擦力;g(r)為絞龍的轉(zhuǎn)速;Ve為顆粒在m點(diǎn)處的牽引運(yùn)動線速度;vr為相對運(yùn)動的線速度;va為谷物顆粒m的絕對線速度;Fge為牽引慣性力;FgC為科氏慣性力;β為絞龍葉片的升角;θ為谷物顆粒絕對運(yùn)動的升角。
對谷物顆粒沿著鉆桿穩(wěn)定輸送狀態(tài)下進(jìn)行分析。在絞龍輸送過程中,緊貼旋轉(zhuǎn)葉片的谷物由于慣性不會脫離葉片,其與葉片的相對運(yùn)動為沿著葉片的螺旋線向上運(yùn)動,絕對運(yùn)動為螺旋上升運(yùn)動[10]。與臨界狀態(tài)相比,物料的動力學(xué)變化還有:①科氏加速度、科氏慣性力值不為 0;②筒壁對物料的摩擦力改向,與物料的絕對運(yùn)動速度方向相反。若將物料螺旋運(yùn)動分解為繞鉆桿軸線的轉(zhuǎn)動和沿鉆桿軸線的直線運(yùn)動,則其轉(zhuǎn)速和軸向直線運(yùn)動速度的值均穩(wěn)定不變。穩(wěn)定輸送時(shí)物料顆粒m的各力的方向情況為:mg為z′軸負(fù)向;F1為葉片法向;Fμ1=μ1F1為相對速度的反向;F2為x′軸負(fù)向;Fμ2=μ2F2為與谷物顆粒m運(yùn)動方向相反;Fge為x′軸正向;FgC=2mrωeωr為x′軸負(fù)向。
將加速度投影到x′、y′、z′軸上,有
(1)
(2)
(3)
將ωr表示為谷物顆粒與螺旋葉片的相對轉(zhuǎn)速,則谷物顆粒的絕對轉(zhuǎn)速為:ωa=ωe-ωr。谷物顆粒絕對速度va沿圓周方向的分量和沿軸向的分量大小為
va-y=r·ωa=r(ωe-ωr)
(4)
(5)
谷物相對于螺旋葉片做穩(wěn)定運(yùn)動時(shí),3個(gè)軸方向的相對加速度分量大小為
ar-x′=mrωr2
(6)
ar-y′=ar-z′=0
(7)
將式(1)至式(7)合并,有
用葉片螺旋升角的三角函數(shù)以半徑和螺距代替,綜上可得,絕對角速度與牽引角速度滿足以下關(guān)系,即
=9.8
(8)
當(dāng)螺旋絞龍的參數(shù)及谷物顆粒性質(zhì)確定時(shí),式(8)可表示為
f(ωe,ωa,r)=
(9)
式(9)是對谷物在單頭螺旋穩(wěn)定輸送狀態(tài)下進(jìn)行相對運(yùn)動動力學(xué)分析得到的結(jié)果,表達(dá)了谷物顆粒的絕對轉(zhuǎn)速與螺旋轉(zhuǎn)速及物料顆粒距離軸心距離r之間的數(shù)學(xué)關(guān)系[11]。當(dāng)螺旋的轉(zhuǎn)速ωe確定時(shí),谷物顆粒dm沿軸向運(yùn)動的線速度是r的函數(shù),以g(r)表示。
絞龍輸送的截面示意圖如圖3所示。輸送是一個(gè)連續(xù)不斷的過程,距離軸線r處的所有谷物顆粒的運(yùn)動參數(shù)一致,即圖2中微小寬度dr的環(huán)形區(qū)域內(nèi)谷物的速度大小相同。對于軸心半徑為r1、螺旋外徑為r2的螺旋,則單位時(shí)間下整個(gè)螺旋輸送截面區(qū)域內(nèi)輸送的谷物體積為
(10)
其中,g(r)為谷物軸向速度與距軸心之間距離r的函數(shù);r1為螺旋中心轉(zhuǎn)軸半徑;r2為螺旋葉片外徑。
式(10)反映了單位時(shí)間內(nèi)截面區(qū)域內(nèi)的輸送的谷物體積,若谷物收獲時(shí)的含水率已知(即谷物密度ρ已知),則單位時(shí)間內(nèi)的截面區(qū)域的谷物質(zhì)量△m可得,由此推算出絞龍?jiān)谳斔凸任飼r(shí)的做功,即
(11)
其中,M為螺旋升運(yùn)器單位時(shí)間內(nèi)輸送的總質(zhì)量;Vi為單位時(shí)間內(nèi)螺旋截面的輸送體積;s為螺旋升運(yùn)器的螺距;N為螺旋輸送器中的螺距個(gè)數(shù);mi為單位時(shí)間下螺旋輸送截面區(qū)域內(nèi)輸送的谷物質(zhì)量;g為重力加速度;l為絞龍輸送的長度;θ為輸送絞龍與水平面的夾角;U為絞龍輸送電機(jī)的電壓;Ii為單位時(shí)間絞龍輸送電機(jī)的瞬時(shí)電流;t為絞龍輸送過程中做功的單位時(shí)間,分為n份。
圖3 絞龍輸送的截面圖Fig.3 The sectional drawing of auger transmission
圖4中,U4為線性光耦,PWM為低電平有效。由于MCU的IO口直接驅(qū)動MOSFET容易燒毀單片機(jī),光耦導(dǎo)通后MOSFET的柵極和源極電壓達(dá)到MOSFET的導(dǎo)通條件,MOSFET的漏極和源極導(dǎo)通,電機(jī)導(dǎo)通。
電源監(jiān)測模塊采用集成WHB20LSP5S2H型霍爾效應(yīng)原理-閉環(huán)電流傳感器;WHB20LSP5S2H能在電隔離條件下測量直流、交流、脈沖,以及各種不規(guī)則波形的電流;單電源工作時(shí)由+5V DC供電,其具有高精度,良好的線性與響應(yīng)時(shí)間、低功耗、良好的過載能力,以及很高的穩(wěn)定性與極佳的抗干擾能力等優(yōu)良特性。絞龍電機(jī)中電流流經(jīng)WHB20LSP5S2,模塊輸出電壓信號經(jīng)過RC濾波后送入單片機(jī)ADC進(jìn)行計(jì)算,如圖4所示。
圖4 電機(jī)驅(qū)動電路及電流監(jiān)測模塊Fig.4 The circuit of motor drive and current monitoring module
為了更精準(zhǔn)地采集絞龍電機(jī)的電流及轉(zhuǎn)速情況,本設(shè)計(jì)設(shè)置了每100ms采集一次數(shù)據(jù)。由于設(shè)置采集間隔時(shí)間較短, 無法通過肉眼在液晶顯示屏上進(jìn)行讀取,所以需要通過串口通信進(jìn)行上傳和存儲數(shù)據(jù)[11]。串口與電腦USB通過虛擬串口芯片CH340通信,在串口模式下,CH340 提供常用的MODEM聯(lián)絡(luò)信號,用于為計(jì)算機(jī)擴(kuò)展異步串口,或者將普通的串口設(shè)備直接升級到USB 總線。本文同時(shí)也設(shè)計(jì)無線通信通過MCU的RXD和TXD進(jìn)行無線透傳,主要電路如圖5所示。
為了更好地顯示和設(shè)置螺旋升運(yùn)器的轉(zhuǎn)速和電流狀態(tài),設(shè)計(jì)了人機(jī)交互模塊(見圖6)來設(shè)置螺旋升運(yùn)直流電機(jī)PWM百分比。按鍵IO設(shè)置為低電平觸發(fā),IO模式為上拉輸入模式;OK按鍵設(shè)置為中斷觸發(fā)模式,只有按下OK按鍵時(shí),進(jìn)入設(shè)置模式,循環(huán)掃描其他按鍵輸入,進(jìn)入人機(jī)設(shè)置界面。其中,KEY_0和KEY_1是OLED顯示屏上左右掃描按鍵,KEY_2和KEY_4是上下加減按鍵,KEY_5是設(shè)置OK按鍵,KEY_3是設(shè)置Cancel按鍵[12]。
圖5 串口通信模塊Fig.5 The serial communication module
圖6 人機(jī)交互模塊Fig.6 The human computer interaction module
本設(shè)計(jì)工作流程圖如圖7所示。上位機(jī)由PC端的串口助手和無線接收裝置組成,連接通信設(shè)備;設(shè)置串口波特率為115 200bps后,打開串口,上位機(jī)設(shè)置完成等待接收數(shù)據(jù)。下位機(jī)的產(chǎn)量采集器設(shè)置螺旋升運(yùn)電機(jī)PWM百分比,以達(dá)到預(yù)設(shè)轉(zhuǎn)速。在升運(yùn)器腔體中谷物質(zhì)量發(fā)生改變而引起的轉(zhuǎn)速變化時(shí),系統(tǒng)能夠進(jìn)行閉環(huán)調(diào)節(jié)。當(dāng)上位機(jī)和下位機(jī)都設(shè)置成功后,系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)并對升運(yùn)電機(jī)的電流、轉(zhuǎn)速進(jìn)行采集,通過無線模塊上傳到PC端進(jìn)行計(jì)算,在下位機(jī)的OLED顯示屏和上位機(jī)的屏幕上顯示實(shí)時(shí)產(chǎn)量,在測量結(jié)束后顯示收獲總產(chǎn)量。
圖7 系統(tǒng)工作流程圖Fig.7 Working flow chart of the system
對于本研究涉及的谷物流量傳感器,需要通過試驗(yàn)的驗(yàn)證和理論的分析共同完成,因此設(shè)計(jì)了一種基于螺旋升運(yùn)原理的谷物流量傳感器室內(nèi)試驗(yàn)臺,結(jié)構(gòu)如圖8所示。該試驗(yàn)臺主要由谷物螺旋升運(yùn)器(絞龍)、螺旋輸送腔體、底座、入糧口、出糧口、直流電機(jī)和編碼器等組成。
1.螺旋升運(yùn)電機(jī) 2.螺旋輸送絞龍 3.出糧口 4.螺旋葉片 5.螺旋輸送腔體 6.底座 7.入糧口圖8 實(shí)驗(yàn)臺整體結(jié)構(gòu)圖Fig.8 The overall structure of the experimental platform
試驗(yàn)臺以電機(jī)帶動螺旋升運(yùn)器為谷物提升提供動力。驅(qū)動電機(jī)選用12V直流電機(jī),額定轉(zhuǎn)速為130r/min,功率為80W。螺旋升運(yùn)器提升長度為500mm,螺距為100mm,螺旋葉片直徑為100mm,鉆桿直徑22mm,底座升運(yùn)角可調(diào)范圍為45°~90°。
為了驗(yàn)證該谷物產(chǎn)量傳感器的應(yīng)用性,本文以玉米顆粒為研究對象進(jìn)行了試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)需要,提前準(zhǔn)備0~2kg的玉米進(jìn)行試驗(yàn)標(biāo)定。每份玉米在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí),做5組并分別采集各組樣品數(shù)據(jù),取其平均值通過串口上傳至上位機(jī)進(jìn)行保存。谷物產(chǎn)量傳感器靜態(tài)擬合關(guān)系如圖9所示。
圖9 谷物產(chǎn)量傳感器靜態(tài)擬合關(guān)系圖Fig.9 The static fitting relation diagram of grain yield sensor
將事先準(zhǔn)備好的一定質(zhì)量的谷物倒進(jìn)入糧口,接通電源,運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)臺和谷物產(chǎn)量采集系統(tǒng),完成一次谷物填充,減少填充時(shí)間誤差 。把喂入量設(shè)定為≤0.5、≤1.0、≤1.5和≤2.0kg/s進(jìn)行試驗(yàn),如此進(jìn)行4組并采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析[13-14],結(jié)果如表1所示。
表1 谷物測產(chǎn)實(shí)驗(yàn)臺試驗(yàn)數(shù)據(jù)
續(xù)表1
由于谷物在經(jīng)過螺旋升運(yùn)器之后,在腔體中仍有殘余,導(dǎo)致測量質(zhì)量比實(shí)際質(zhì)量普遍偏小。室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,該谷物產(chǎn)量試驗(yàn)臺誤差≤3.56%,屬可接受范圍。
1)對螺旋升運(yùn)器在靜止和穩(wěn)定輸送過程中的谷物進(jìn)行了動力學(xué)分析,提出了一種通過檢測螺旋升運(yùn)輸送電機(jī)參數(shù)估算谷物產(chǎn)量的方法。
2)對動力學(xué)分析后的谷物螺旋升運(yùn)器量身設(shè)計(jì)了一套谷物產(chǎn)量監(jiān)測系統(tǒng),分為下位機(jī)和上位機(jī)監(jiān)測部分,對螺旋升運(yùn)器在輸送谷物過程中的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行了采集、上傳和存儲。
3)通過試驗(yàn)對本谷物產(chǎn)量傳感器參數(shù)進(jìn)行了標(biāo)定,之后利用多組試驗(yàn)驗(yàn)證了該傳感器的可行性,在喂入量為0~2kg/s時(shí),平均誤差3.11%,達(dá)到了測產(chǎn)要求。
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