錢 彬,韓洪杰

(河北能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院,河北 唐山 063000)

0 引言

傳統(tǒng)播種機(jī)由于田間作業(yè)環(huán)境的局限性,如待播種田地的作物茬雜亂、待播種土壤濕度不合適及觀察播種工況困難等,會(huì)對(duì)播種機(jī)的效率產(chǎn)生不同程度的影響。經(jīng)查閱文獻(xiàn)可知,國(guó)內(nèi)相關(guān)學(xué)者主要從整機(jī)的結(jié)構(gòu)布局優(yōu)化、播種株距的可控性調(diào)節(jié)、漏播率等方面對(duì)精量播種機(jī)的優(yōu)化展開(kāi)研討;而國(guó)外則側(cè)重于提升播種機(jī)的精量化與智能化程度,如設(shè)計(jì)加裝電磁閥控制、PID調(diào)節(jié)、播種工況顯示等模塊。其中,多功能性傳感裝置起到至關(guān)重要的作用。筆者在借鑒前人研究應(yīng)用的基礎(chǔ)上,從精量播種機(jī)的內(nèi)部信號(hào)檢測(cè)控制角度出發(fā),進(jìn)行智能化分析研究。

1 精量播種機(jī)作業(yè)概述

精量播種機(jī)主要由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、排種箱、排種輪、接種裝置及變速箱等組成,技術(shù)參數(shù)如表1所示。工作時(shí),以單粒播種為原則,通過(guò)播種調(diào)節(jié)執(zhí)行裝置確保投種位置與深度,利用信號(hào)自動(dòng)處理檢測(cè)理念對(duì)播種量與播種狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。播種作業(yè)過(guò)程中的數(shù)據(jù)信號(hào)處理與傳輸技術(shù)主要體現(xiàn)在:在進(jìn)行播種的過(guò)程中,采集最初的排種速率、種子流信號(hào)速率、距離傳感信號(hào)等,在信號(hào)轉(zhuǎn)換器或編碼器等裝置的配合下,實(shí)現(xiàn)信號(hào)的智能準(zhǔn)確傳輸。

表1 精量播種機(jī)主要技術(shù)參數(shù)設(shè)置

圖1為精量播種機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的場(chǎng)景。該作業(yè)模式下,前端駕駛操作與后端的作物播種必須進(jìn)行實(shí)時(shí)的信號(hào)傳送與協(xié)調(diào),根據(jù)精量播種機(jī)的作業(yè)特性設(shè)計(jì)播種作業(yè)過(guò)程中信號(hào)檢測(cè)流程,如圖2所示。

2 精量播種控制系統(tǒng)分析

2.1 監(jiān)測(cè)控制模型確立

針對(duì)信號(hào)傳輸智能精準(zhǔn)目標(biāo)建立監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)模型確立,設(shè)計(jì)精量播種機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)框圖,如圖3所示。信號(hào)處理放大作為中間核心控制單元,將信號(hào)分解為漏種、堵種與多種3類型,通過(guò)CPU主從機(jī)設(shè)計(jì)相對(duì)應(yīng)的操作裝置、顯示裝置與報(bào)警系統(tǒng),確保信號(hào)傳輸與處理功能齊全。

圖1 精量播種機(jī)作業(yè)場(chǎng)景圖

圖2 精量播種機(jī)作業(yè)信號(hào)檢測(cè)流程簡(jiǎn)圖

圖3 精量播種機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理與實(shí)現(xiàn)功能框圖

根據(jù)精量播種機(jī)驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速、信號(hào)脈沖頻率與播種量三者之間的關(guān)系,在其側(cè)面關(guān)鍵行走裝置中安裝壓電傳感器,信號(hào)監(jiān)測(cè)部位安裝編碼計(jì)數(shù)裝置,則

(1)

式中n—精量播種機(jī)驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速(r/min);

f0—精量播種機(jī)信號(hào)監(jiān)控系統(tǒng)脈沖頻率(Hz);

Z—精量播種機(jī)編碼器輸出單位脈沖個(gè)數(shù);

M—精量播種機(jī)編碼器兩個(gè)脈沖間時(shí)鐘脈沖個(gè)數(shù);

q—精量播種機(jī)單個(gè)播種裝置的播種數(shù)量(粒);

a—精量播種機(jī)參數(shù)換算系數(shù);

N—精量播種機(jī)播種裝置數(shù)量;

v—精量播種機(jī)作業(yè)速度(m/s);

B—精量播種機(jī)行距(mm);

結(jié)合上述關(guān)系,選取具有靈敏度高、適應(yīng)性能的電容傳感測(cè)量?jī)x器,通過(guò)播種機(jī)作業(yè)過(guò)程中電容變化量建立內(nèi)部信號(hào)處理監(jiān)測(cè)模型,即

(2)

(3)

式中ε0—真空介電常數(shù);

ε1—種子的相對(duì)介電常數(shù);

ε2—空氣的相對(duì)介電常數(shù);

εr—相對(duì)介電常數(shù);

V1—種箱內(nèi)種子所占體積(mm3);

V2—為空氣所占體積(mm3);

V—電容傳感器平行板間總體積(mm3);

S—電容傳感器平行板間相對(duì)重疊面積(mm2);

d—電容傳感器平行板間相對(duì)距離(mm);

ε—電容傳感器工作時(shí)電容介電常數(shù);

C—播種時(shí)電容傳感器產(chǎn)生電容;

C0—無(wú)作物種子通過(guò)時(shí)電容傳感器產(chǎn)生電容;

ΔC—播種時(shí)電容變化量。

2.2 監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

依據(jù)模型設(shè)計(jì)精量播種機(jī)信號(hào)監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng),以滿足監(jiān)測(cè)需求為目標(biāo),通過(guò)檢測(cè)傳感器、速度傳感器進(jìn)行位置信號(hào)捕捉與傳遞;同時(shí),通過(guò)補(bǔ)種機(jī)理建立補(bǔ)償驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu),進(jìn)行系統(tǒng)補(bǔ)種模塊裝置選型(見(jiàn)表2),并將播種株距、單行播種量、作業(yè)速度及報(bào)警系數(shù)等參數(shù)實(shí)時(shí)顯示。

精播機(jī)種子流信號(hào)檢測(cè)電路設(shè)計(jì)如圖4所示。工作時(shí),在+3V電源電壓驅(qū)動(dòng)下,種子流信號(hào)被二極管信道檢測(cè),此時(shí)相應(yīng)的編碼感應(yīng)模塊進(jìn)行計(jì)數(shù),并經(jīng)邏輯門控制電路傳輸至下一控制模塊,此過(guò)程必須保證步進(jìn)電機(jī)與編碼器同軸性,規(guī)范設(shè)置電路的PWM模塊運(yùn)行條件。

表2 精量播種機(jī)監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)補(bǔ)種模塊裝置選型

圖4 精量播種機(jī)種子流信號(hào)檢測(cè)設(shè)計(jì)電路圖

設(shè)計(jì)該信號(hào)處理監(jiān)控系統(tǒng)的軟件程序控制模塊,配置寄存器,利用無(wú)線通信確保各數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)引腳按照信號(hào)處理原則寫(xiě)入;根據(jù)圖5所示的軟件信號(hào)處理流程,判定種子下落信號(hào)進(jìn)行定時(shí)與不同狀況信號(hào)程序執(zhí)行。

根據(jù)精量播種機(jī)內(nèi)部信號(hào)傳輸特性,列出如表3所示的核心傳輸模塊參數(shù)設(shè)置,主體表征為在一定的電壓與電流控制指令下,以數(shù)字信號(hào)進(jìn)行內(nèi)部交互傳遞。

圖5 精量播種機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)軟件信號(hào)處理流程圖

表3 精量播種機(jī)監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)信號(hào)傳輸模塊參數(shù)設(shè)置

續(xù)表3

2.3 信號(hào)處理傳輸目標(biāo)實(shí)現(xiàn)

精量播種機(jī)控制系統(tǒng)信號(hào)處理與傳輸機(jī)構(gòu)框圖如圖6所示。

圖6 精量播種機(jī)控制系統(tǒng)信號(hào)處理與傳輸結(jié)構(gòu)框圖

信號(hào)采集將階梯變壓、人機(jī)交互與智能傳感三大模塊匯入無(wú)線傳輸模塊,信號(hào)經(jīng)單片機(jī)由控制系統(tǒng)處理后到達(dá)其排種裝置,在信號(hào)路徑與數(shù)據(jù)追蹤控制環(huán)節(jié)融入SVR思維模型,實(shí)現(xiàn)信號(hào)精準(zhǔn)傳輸。

以信號(hào)故障類型分解為條件,通過(guò)內(nèi)部信號(hào)網(wǎng)絡(luò)建立精量播種機(jī)信號(hào)處理程序執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)流程,顯示漏播與重播位置,如圖7所示。配置抗干擾模塊,利用程序信息冗余技術(shù),結(jié)合集成單獨(dú)供電線路,配置參數(shù)相當(dāng)?shù)墓怆婑詈涎b置與極速響應(yīng)系統(tǒng),對(duì)出現(xiàn)的故障進(jìn)行預(yù)防性處理,實(shí)現(xiàn)精量播種機(jī)的信號(hào)傳輸連續(xù)性與可靠性。

圖7 精量播種機(jī)內(nèi)部信號(hào)處理模塊程序執(zhí)行流程簡(jiǎn)圖Fig.7 Program execution flow chart of internal signal processing module of precision seeder planter

3 系統(tǒng)仿真

3.1 條件設(shè)置

進(jìn)行基于信號(hào)智能監(jiān)測(cè)技術(shù)的精量播種機(jī)控制系統(tǒng)仿真試驗(yàn),選擇仿真主要器材為:①1臺(tái)精量播種機(jī)簡(jiǎn)易單體;②1套智能信號(hào)傳輸控制系統(tǒng)及供應(yīng)電源;③1臺(tái)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)與相配套的步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器;④若干項(xiàng)播種機(jī)仿真輔助試驗(yàn)零部件。

設(shè)計(jì)好相匹配的仿真核心控制性能參數(shù)(如排種速率、精量控制裝置安裝高度、播種株距等),選擇玉米作為試驗(yàn)用種子,同時(shí)確保各裝置信號(hào)傳輸接線牢固,展開(kāi)仿真試驗(yàn)。

3.2 過(guò)程分析

針對(duì)仿真試驗(yàn)裝置設(shè)定不同的排種速率,該精量播種信號(hào)檢測(cè)裝置進(jìn)行記錄,得到該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)性能仿真數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),如表4所示。由表4可知:以1.5r/min的排種速率遞增,分別預(yù)設(shè)400、600、800粒的播種量,考慮系統(tǒng)試驗(yàn)過(guò)程中累計(jì)誤差的不可避免性因素在內(nèi),得到的系統(tǒng)評(píng)價(jià)檢測(cè)準(zhǔn)確率達(dá)到95.3%以上,最高的檢測(cè)準(zhǔn)確率可達(dá)98.0%,驗(yàn)證了系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的合理可行性。

表4 精量播種機(jī)控制系統(tǒng)信號(hào)監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)性能仿真數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Table 4 Performance simulation data statistics of signal monitoring design for the precision seeder planter control system

進(jìn)一步試驗(yàn)并調(diào)整播種株距依次為150、200、300mm,同步記錄數(shù)據(jù)經(jīng)換算后,得到的基于信號(hào)智能監(jiān)測(cè)技術(shù)的精量播種機(jī)播種主要評(píng)價(jià)參數(shù)如表5所示。由表5可知:一般化監(jiān)測(cè)方式下的精量播種機(jī)株距合格率為84.91%,在信號(hào)智能監(jiān)測(cè)方式下整體提升度為10.16%,為93.54%;重播率及漏播率在信號(hào)智能監(jiān)測(cè)方式下整體提升度為33.47%與27.85%,信號(hào)智能監(jiān)測(cè)后精量播種機(jī)作業(yè)效果改善明顯。

表5 基于信號(hào)智能監(jiān)測(cè)技術(shù)的精量播種機(jī)播種主要評(píng)價(jià)參數(shù)對(duì)比Table 5 Comparisons of main evaluation parameters of the precision seeder based on intelligent signal monitoring technology %

4 結(jié)論

1) 通過(guò)系統(tǒng)性分析精量播種機(jī)的作業(yè)機(jī)理,利用電容傳感技術(shù)與信號(hào)無(wú)線傳輸技術(shù),建立整機(jī)監(jiān)測(cè)控制模型,并基于軟件控制與硬件配置展開(kāi)系統(tǒng)設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)內(nèi)部信號(hào)處理的精準(zhǔn)智能化傳輸目標(biāo),為播種機(jī)的作業(yè)效率提供了控制保障。

2) 基于該信號(hào)監(jiān)測(cè)控制模型,進(jìn)行系統(tǒng)仿真試驗(yàn),結(jié)果表明:內(nèi)部信號(hào)經(jīng)智能分析處理傳送后,整機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定,株距合格率、重播率與漏播率作業(yè)效果可優(yōu)化10%以上,效果良好。