陸 強，馬 旭，李宏偉，陳林濤，鄧向武，安 沛

(華南農(nóng)業(yè)大學 工程學院，廣州 510642)

0 引言

水稻是我國主要的糧食作物，也是全國60%以上人口的主食，在糧食安全中有著極其重要的地位[1-2]。目前，水稻主要有直播、育秧移栽兩種種植模式，一些歐美國家(如美國、澳大利亞和埃及等)主要采用直播方式種植，而以我國為主的亞洲地區(qū)主要以育秧移栽種植為主[3-4]。在育秧移栽種植模式中，機插秧是水稻種植機械化的主要方式，而高速插秧機是應(yīng)用最廣泛的一種機型。為提高水稻產(chǎn)量，在水稻機械化插秧作業(yè)中，除了提高育秧質(zhì)量外，更重要的是實現(xiàn)對高速插秧機栽插性能的檢測，將栽插性能的檢測結(jié)果及時反饋給插秧機駕駛員，以便于駕駛員對插秧機的工作參數(shù)進行調(diào)整和管控。對插秧機工作狀態(tài)的判斷是插秧機性能自動檢測的前提，控制系統(tǒng)根據(jù)插秧機在不同狀態(tài)下啟動或停止插秧工作性能檢測程序。

為了給插秧機栽插質(zhì)量檢測系統(tǒng)提供起始和結(jié)束的判斷依據(jù)，設(shè)計了一種高速插秧機工作狀態(tài)的檢測裝置，融合加速度計和陀螺儀信號實現(xiàn)對插秧機連桿機構(gòu)傾角檢測；通過霍爾式接近開關(guān)和磁鋼檢測田間插秧機行駛速度；控制系統(tǒng)綜合檢測到的連桿機構(gòu)傾角、行駛速度信息實現(xiàn)對高速插秧機工作狀態(tài)的判斷。

1 整體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整體結(jié)構(gòu)

高速插秧機工作狀態(tài)檢測裝置主要由插秧機懸掛連桿機構(gòu)、語音模塊、單片機、陀螺儀、加速度計、霍爾式傳感器(包括霍爾式接近開關(guān)、磁鋼)組成，如圖1所示。其中，霍爾式接近開關(guān)安裝于插秧機后輪的插植離合器箱體上,磁鋼安裝在插秧機后輪輸出軸上，用于檢測插秧機工作速度；加速度計、陀螺儀傳感器安裝于懸掛連桿機構(gòu)，用于測量連桿機構(gòu)與水平參考面間夾角。

1.語音模塊 2.單片機 3.陀螺儀-加速度計 4.懸掛連桿機構(gòu) 5.霍爾式接近開關(guān) 6.磁鋼

1.2 檢測原理

分析插秧機在田間的幾種工作情況可分為：①停機裝載秧苗狀態(tài)；②初始狀態(tài)；③插秧工作狀態(tài)；④轉(zhuǎn)彎或行走不插秧狀態(tài)。由圖1可以看出：這些工作狀態(tài)下插秧機的速度和懸掛連桿機構(gòu)與水平參考面間夾角不同，可以綜合插秧機的速度和懸掛連桿機構(gòu)與水平參考面間夾角信息對插秧機的工作狀態(tài)進行描述。具體描述如下：

1)停機裝載秧苗狀態(tài)S。插秧機速度為0，插秧機插值部處于懸掛狀態(tài)，連接插值部的懸掛連桿機構(gòu)與水平參考面間夾角大于0°。

2)初始狀態(tài)B。插秧機速度為0，插秧機插值部下降，連接插值部的懸掛連桿機構(gòu)與水平參考面間夾角夾角小于0°。

3)插秧工作狀態(tài)W。插秧機速度大于0，連接插值部的懸掛連桿機構(gòu)與水平參考面間夾角小于0°。

4)轉(zhuǎn)彎或行走不插秧狀態(tài)T。插秧機速度大于0，連接插值部的懸掛連桿機構(gòu)與水平參考面間夾角大于0°。

2 檢測系統(tǒng)設(shè)計

2.1 控制系統(tǒng)

插秧機工作狀態(tài)檢測裝置控制系統(tǒng)由STM32f103單片機、霍爾式傳感器、加速度計、陀螺儀及語音模塊組成，如圖2所示?；魻柺絺鞲衅魉桦妷簽?2V，單片機、加速度計、陀螺儀及語音模塊所需供電電壓為5V，采用插秧機車載12V電源經(jīng)過穩(wěn)壓后對霍爾式傳感器供電，經(jīng)過降壓后對加速度計、陀螺儀及語音模塊供電。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 角度測量模塊

為了得到插秧機連桿機構(gòu)的角度變化，需要設(shè)計角度檢測電路。當物體處于靜止狀態(tài)時，沒有運動產(chǎn)生的其他加速度影響，研究學者通過加速度計來檢測重力加速度的分量來檢測傾角，可以取得比較準確的結(jié)果[5-6]；但當物體處于運動狀態(tài)時，會產(chǎn)生加速度，影響，加速度計的測量。因此，結(jié)合加速度計和陀螺儀傳感器的信號實現(xiàn)對插秧機連桿機構(gòu)的角度測量。當插秧機連接插植部的懸掛連桿機構(gòu)處于水平位置時，將加速度計、陀螺儀固定連桿機構(gòu)表面，傳感器和連桿機構(gòu)在空間中的位置關(guān)系如圖3所示。當插秧機機手操作插植部離合器時，插植部放下，連桿機構(gòu)水平面與水平參考面間的夾角a發(fā)生改變，如圖4所示。定義水平參考面為0°，水平參考面逆時針方向為正角度，順時針方向為負角度。

圖3 陀螺儀-加速度計示意圖

圖4 懸掛連桿機構(gòu)傾斜狀態(tài)

連桿機構(gòu)以一定的角速度轉(zhuǎn)動時，在Y軸方向形成加速度分量，陀螺儀傳感器ENC-03輸出的連桿機構(gòu)的運動角速度信號,經(jīng)過電路進行積分后得到連桿機構(gòu)與水平參考面夾角信號。由于硬件電路中角速度信號的漂移和積分電路的漂移存在[7]，影響輸出的夾角信號。本文結(jié)合加速度傳感器MMA7260給出的Y軸信號對陀螺儀傳感器積分得到的角度信號矯正，最終將矯正后連桿機構(gòu)與水平參考面間夾角信號輸入到控制器引腳PC0。角度計算電路如圖5所示。

2.3 速度測量模塊

本研究為田間工作環(huán)境中，需要測速傳感器具有抗干擾性能好、工作穩(wěn)定性可靠、耐腐蝕及防水等優(yōu)點[8-9]，因此選用了SN12-8N20H霍爾式接近開關(guān)，如圖6所示?；魻柺浇咏_關(guān)通過螺栓與插秧機的行駛后輪插植離合器箱水平固定安裝，多個磁鋼安裝在插秧機后輪輸出軸上。根據(jù)霍爾式傳感器工作原理，磁鋼N極正對接近開關(guān)安裝，且磁鋼的N極面到接近開關(guān)的距離小于10mm。當插秧機行駛時，后輪轉(zhuǎn)動帶動安裝在輸出軸上的磁鋼轉(zhuǎn)動，磁鋼的N極面正對接近開關(guān)時(見圖7)，接近開關(guān)觸發(fā)并通過信號線向單片機PA0輸入信號，觸發(fā)外部中斷；當磁鋼連續(xù)轉(zhuǎn)動時，單片機便會記錄接近開關(guān)傳感器觸發(fā)的次數(shù)。單片機設(shè)定定時器中斷，每隔t時間觸發(fā)1次，單片機的定時器中斷執(zhí)行函數(shù)為讀取接近開關(guān)觸發(fā)的次數(shù)。此時刻測試速度計算公式為

(1)

式中R—后輪半徑(mm)；

K—輸出軸一周上的磁鋼數(shù)目；

t—定時器時間(ms)；

n—t時間內(nèi)接近開關(guān)觸發(fā)的次數(shù)。

圖5 角度測量電路

1.安裝支架 2.霍爾式接近開關(guān) 3.磁鋼

圖7 速度測量電路

2.4 語音模塊

語音播報電路如圖8所示。語音模塊P01、P02引腳分別與控制器中的PA1、PA2引腳相連，控制器根據(jù)計算的角度和速度值判斷插秧機相應(yīng)的工作狀態(tài)。當插秧機速度為0，夾角大于0°，PA1、PA2引腳均輸出低電平，則PWM1、PWM2輸出停機裝載秧苗狀態(tài)音頻文件；當插秧機速度為0，夾角小于0°， PA1、PA2引腳均輸出低電平，PWM1、PWM2輸出初始狀態(tài)音頻文件；當插秧機速度大于0，夾角小于0°，PA1引腳輸出高電平，PA2引腳均輸出低電平，PWM1、PWM2輸出插秧工作狀態(tài)音頻文件；當插秧機速度大于0，夾角大于0°，PA1引腳輸出低電平，PA2引腳均輸出高電平，PWM1、PWM2輸出為行走不插秧或轉(zhuǎn)彎狀態(tài)音頻文件。語音播報信號對應(yīng)的邏輯真值如表1所示。

圖8 語音播報電路

PA1PA2PWM1、PWM2LL停機裝載秧苗狀態(tài)SHH初始狀態(tài)BHL插秧工作狀態(tài)WLH行走不插秧或轉(zhuǎn)彎狀態(tài)T

2.5 軟件設(shè)計

C語言具有簡潔高效的優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于單片機編程，因此采用C語言實現(xiàn)檢測功能的開發(fā)。本系統(tǒng)完成了對霍爾式傳感器、陀螺儀及加速度計輸出信號的采集處理，并通過語音模塊實現(xiàn)對插秧機工作狀態(tài)的播報，程序流程圖如9所示。

3 試驗與結(jié)果分析

3.1 試驗條件

為分析高速插秧機工作狀態(tài)檢測裝置對工作狀態(tài)判斷的準確性，需要對速度和角度檢測精度進行試驗分析。2018年4月，在廣東省肇慶市農(nóng)業(yè)科學研究所試驗基地進行田間試驗，樣機如圖10所示。

圖9 程序流程圖

圖10 高速插秧機工作狀態(tài)檢測裝置試驗現(xiàn)場

3.2 試驗安排

1)速度測量試驗。目前沒有關(guān)于插秧機速度的測試標準，所以參考GB/T20792-2006輪式拖拉機速度的確定方法對水田拖拉機實際速度進行測試。根據(jù)測試試驗田塊的長度，標定測試區(qū)間長度S為25m，統(tǒng)計插秧機在測試區(qū)間內(nèi)行駛時間為T。根據(jù)文獻插秧機滑轉(zhuǎn)率與種植密度的田間測試研究表明: 插秧機滑轉(zhuǎn)率與泥腳深度成正比，泥腳越深，滑轉(zhuǎn)率越高[10]； 根據(jù)本研究中試驗田塊的泥腳深度選取插秧機滿載荷滑轉(zhuǎn)率σ。分別對插秧機不同擋位進行測試，實際速度計算公式為

(2)

式中VR—實際速度(m/s)；

S—測試區(qū)間長度，取S=25m；

T—測試區(qū)間內(nèi)所用時間(s)。

為了分析檢測系統(tǒng)得到插秧機測試速度與實際速度的誤差，需將測試速度轉(zhuǎn)換為測試區(qū)間內(nèi)的平均速度，即

(3)

式中VT—測試區(qū)間內(nèi)的平均速度(m/s)；

Vi—i時刻傳感器檢測到的速度(m/s)；

σ—插秧機滿載荷滑轉(zhuǎn)率(本試驗中取平均值σ=22.3%)。

為了對比分析不同速度下的測量誤差差異，現(xiàn)定義高速的范圍為實際速度VR∈(1.2,1.8)，中速范圍為實測速度VR∈(0.6,1.2)，低速范圍為實測速度VR∈(0,0.6)。定義測量誤差為一個測試區(qū)間內(nèi)測試速度平均值與實際速度的差值，試驗分別對高速、中速、低速進行10次，統(tǒng)計試驗結(jié)果如表2所示。

2)角度測量試驗。進行角度測量精度試驗時，操作懸掛連桿機構(gòu)使其角度變化，通過角度測量模塊輸出角度測量值，然后用Exploit數(shù)顯角度測量儀(測量精度為0.15°)測量連桿機構(gòu)實際傾角，定義測量模塊輸出角度值與實際測量值的差值為測量誤差。試驗共測量30次，統(tǒng)計試驗結(jié)果如表3所示。

3.3 試驗結(jié)果與分析

由表2可以看出： 當插秧機以高速、中速擋行駛時測量的平均誤差較小，以低速擋行駛時測量的平均誤差略大；對變異系數(shù)進行分析，低速擋行駛時測量的變異系數(shù)大于以高速、中速擋行駛時測量的變異系數(shù)，總體看測試速度值比較穩(wěn)定。

由表3可以看出：角度測量試驗中，角度測量模塊的最大誤差為1.23，最小誤差達到0.74°，平均誤差為0.95°，變異系數(shù)為3.85%,系統(tǒng)測量穩(wěn)定。

綜合對速度測量和角度測量結(jié)果分析，本系統(tǒng)測量精度滿足對插秧機工作狀態(tài)的判斷。

表2 速度測量誤差結(jié)果

表3 傾角測量結(jié)果

4 結(jié)論

1)研制了一種適用于高速插秧機工作狀態(tài)檢測的裝置，滿足在田間環(huán)境下對高速插秧機不同工作狀態(tài)的檢測，為插秧機栽插質(zhì)量的自動檢測提供了判斷依據(jù)，也為類似的農(nóng)機裝備田間檢測啟動、結(jié)束等工作狀態(tài)精準預(yù)報提供了研究基礎(chǔ)。

2)分別對檢測系統(tǒng)所檢測的角度、速度進行了田間試驗，結(jié)果表明：插秧機以高速、中速擋行駛時測量的最大平均誤差為0.063 6m/s，變異系數(shù)為6.34%，測量誤差較小且穩(wěn)定；角度的測量平均誤差為0.95°，變異系數(shù)為3.85%，測量精度滿足高速插秧機工作狀態(tài)檢測的要求。