俞傳陽(yáng) 陳 狀 陳黎卿

(1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 合肥 230036； 2.安徽建筑大學(xué)機(jī)械與電氣工程學(xué)院， 合肥 230601)

0 引言

小麥作為我國(guó)種植面積最大的作物，其品種選育是關(guān)系品質(zhì)的重要因素。小麥小區(qū)播種是品種選育的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，田間育種試驗(yàn)是進(jìn)行品種改良和繁育良種的小面積試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)育種試驗(yàn)機(jī)械化能夠提高育種試驗(yàn)準(zhǔn)確性、提高工作效率、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度[1]。小區(qū)播種機(jī)作為田間育種試驗(yàn)的專用播種機(jī)械，能夠?qū)⒍康姆N子按照農(nóng)藝要求播入一定范圍的小區(qū)內(nèi)[2-4]。小區(qū)條播機(jī)作為小區(qū)播種機(jī)械主要機(jī)型之一，通過(guò)人工供種、錐體充種、格盤(pán)運(yùn)種、排種口排種、離心分種器分種等完成一個(gè)小區(qū)的播種[5]。離心式排種系統(tǒng)工作性能直接影響到小區(qū)播種機(jī)播種性能。為了提高排種性能，國(guó)內(nèi)外者進(jìn)行了大量研究[6-11]，WAEL[12]以小麥、扁豆和亞麻為試驗(yàn)對(duì)象，研究了3種作物分別在對(duì)稱式離心分種器和對(duì)稱分隔式離心分種器下的播種效果，結(jié)果表明對(duì)稱式離心分種器對(duì)于3種作物的分種效果均高于對(duì)稱分隔式；程修沛等[13]以離心分種器的轉(zhuǎn)動(dòng)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(yàn)因素進(jìn)行分析，確定了各因素對(duì)分種均勻性的影響規(guī)律；龔麗農(nóng)等[14]為了提高小區(qū)播種機(jī)的工作精度和工作效率設(shè)計(jì)了小區(qū)播種機(jī)電控系統(tǒng)，并通過(guò)試驗(yàn)分析了播種不同種子時(shí)分配器的最佳轉(zhuǎn)速；程修沛等[15]為了提高小區(qū)播種機(jī)的自動(dòng)化水平，基于STM32設(shè)計(jì)了小區(qū)播種機(jī)排種控制系統(tǒng)，采用Android 終端進(jìn)行人機(jī)交互，實(shí)現(xiàn)了小區(qū)排種作業(yè)的精準(zhǔn)控制。以上成果為小區(qū)播種機(jī)性能提升奠定了一定基礎(chǔ)，然而，現(xiàn)有小麥小區(qū)條播機(jī)電控排種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不合理、車(chē)速與錐體格盤(pán)速度匹配不理想等對(duì)小麥播種均勻性一致性影響研究尚不足，制約了小麥小區(qū)條播機(jī)的進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

本文設(shè)計(jì)基于ARM的小麥小區(qū)播種機(jī)電控排種系統(tǒng)，采用串口屏作為人機(jī)交互，設(shè)計(jì)北斗導(dǎo)航設(shè)備定位信息解析、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)錐體格盤(pán)、直流無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)分種器的控制接口，形成提高小麥小區(qū)播種機(jī)排種性能的成套電控系統(tǒng)。

1 小區(qū)播種機(jī)電控排種系統(tǒng)工作原理

小麥小區(qū)條播機(jī)主要由底盤(pán)、發(fā)動(dòng)機(jī)、開(kāi)溝器、離心分種裝置、錐體格盤(pán)、格盤(pán)電機(jī)、減速器、控制箱、人機(jī)交互屏、北斗差分定位系統(tǒng)等組成，整機(jī)構(gòu)成如圖1所示。

圖1 小區(qū)播種機(jī)整機(jī)效果圖Fig.1 Render of whole plot planter1.發(fā)動(dòng)機(jī) 2.人機(jī)交互屏 3.控制箱 4.北斗天線 5.錐體格盤(pán) 6.格盤(pán)電機(jī)及減速器 7.離心分種裝置 8.開(kāi)溝器

作業(yè)時(shí)，控制箱采集北斗差分定位信息，計(jì)算錐體格盤(pán)匹配轉(zhuǎn)速，控制格盤(pán)電機(jī)和分種電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，小麥種子經(jīng)種管落入開(kāi)溝并被覆土。

小麥小區(qū)條播機(jī)控制系統(tǒng)如圖2所示。整個(gè)控制系統(tǒng)主要分為信號(hào)采集系統(tǒng)、人機(jī)交互系統(tǒng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)3部分。信號(hào)采集系統(tǒng)主要包括北斗差分定位系統(tǒng)和STM32F4串口通信模塊，其中北斗差分定位系統(tǒng)由移動(dòng)站和基站兩部分組成，工作時(shí)，基站置于空曠無(wú)遮擋高處，移動(dòng)站置于播種機(jī)中間位置隨播種機(jī)運(yùn)動(dòng)，移動(dòng)站將報(bào)文數(shù)據(jù)發(fā)送到控制器，解析得到小區(qū)播種機(jī)速度信息；人機(jī)交互系統(tǒng)主要設(shè)置小區(qū)長(zhǎng)度和將離心分種器轉(zhuǎn)速發(fā)送到控制器，同時(shí)實(shí)時(shí)顯示小區(qū)播種機(jī)的作業(yè)信息；執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要包括步進(jìn)電機(jī)和永磁無(wú)刷直流電機(jī)(以下簡(jiǎn)稱BLDC)，步進(jìn)電機(jī)通過(guò)小區(qū)播種機(jī)速度信息控制錐體格盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，BLDC通過(guò)控制器指令保持一定的轉(zhuǎn)速控制離心分種器轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖2 小區(qū)播種機(jī)控制系統(tǒng)框圖Fig.2 Structure diagram of control system of plot planter

2 離心分種裝置設(shè)計(jì)

2.1 工作原理

排種裝置整體結(jié)構(gòu)如圖3a所示，主要由錐體格盤(pán)、格盤(pán)電機(jī)、減速器、鏈傳動(dòng)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(lián)軸器、BLDC組成，BLDC軸與聯(lián)軸器相連，聯(lián)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(zhuǎn)速。工作時(shí)，預(yù)先設(shè)定BLDC轉(zhuǎn)速，當(dāng)錐體格盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，種子從錐體格盤(pán)落種口落下，通過(guò)落種漏斗落到離心分種器表面，離心分種器高速旋轉(zhuǎn)，種子在離心力作用下均勻分配為8行。分配頭與導(dǎo)種管相連，完成排種工作。

圖3 排種裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Diagrams of seed discharge device1.錐體格盤(pán) 2.格盤(pán)電機(jī)及減速器 3.鏈傳動(dòng) 4.離心分種裝置 5.落料漏斗 6.分種器 7.分種管 8.聯(lián)軸器 9.BLDC

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(huì)出現(xiàn)兩種運(yùn)動(dòng)情況：還未與離心分種器凸臺(tái)碰撞就已經(jīng)甩出離心分種器；與離心分種器凸臺(tái)產(chǎn)生碰撞之后彈出離心分種器。假設(shè)小麥未與離心分種器凸臺(tái)碰撞就已經(jīng)甩出，則小麥?zhǔn)芰Ψ治鋈鐖D4所示。

圖4 小麥未碰撞時(shí)運(yùn)動(dòng)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(dòng)時(shí)水平面摩擦力f1(N)、凸臺(tái)長(zhǎng)度為L(zhǎng)(m)。在離心力X方向上，受力方程為

(1)

式中m——小麥質(zhì)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(shù)

θ——小麥滑動(dòng)時(shí)水平面摩擦力f1與X軸負(fù)方向夾角

r——離心分種器半徑，m

(2)

(3)

經(jīng)分析可得

(4)

離心分種器旋轉(zhuǎn)一圈所需時(shí)間

(5)

式中n——離心分種器轉(zhuǎn)速，r/min

(6)

聯(lián)立可得

(7)

所以存在小麥未與離心分種器凸臺(tái)碰撞就直接甩出離心分種器的情況。假設(shè)有k個(gè)凸臺(tái)，那么當(dāng)離心分種器旋轉(zhuǎn)時(shí)，相鄰的兩個(gè)凸臺(tái)經(jīng)過(guò)同一點(diǎn)的時(shí)間間隔為

(8)

而凸臺(tái)長(zhǎng)度L必須滿足

L

(9)

因?yàn)樾←湻N子從離心分種器中心的正上方落下，如果凸臺(tái)長(zhǎng)度過(guò)大，小麥種子將會(huì)直接落到凸臺(tái)上方，影響分種效果。在滿足凸臺(tái)長(zhǎng)度L小于半徑r的條件下，當(dāng)離心分種器轉(zhuǎn)速和凸臺(tái)個(gè)數(shù)不變時(shí)，凸臺(tái)長(zhǎng)度越大，離心分種器凸臺(tái)與小麥種子產(chǎn)生碰撞的幾率就越大。

由此，得出離心分種器轉(zhuǎn)速、凸臺(tái)個(gè)數(shù)和凸臺(tái)長(zhǎng)度對(duì)分種效果存在一定影響，通過(guò)離散元進(jìn)一步分析。

3 電控排種驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 控制器

控制系統(tǒng)硬件主要由STM32F405RG最小核心模塊、電源模塊、按鍵模塊、LED狀態(tài)指示模塊、串口屏模塊、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、CAN總線模塊和北斗差分定位系統(tǒng)串口通信模塊等組成。控制器采集北斗差分定位系統(tǒng)輸出的GPRMC報(bào)文進(jìn)行解析，得到小區(qū)播種機(jī)的速度及位置信息，進(jìn)而匹配錐體格盤(pán)轉(zhuǎn)速。人機(jī)交互系統(tǒng)能夠完成小區(qū)播種實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)顯示，如當(dāng)前小區(qū)播種機(jī)前進(jìn)速度、錐體格盤(pán)轉(zhuǎn)過(guò)角度、小區(qū)播種機(jī)前進(jìn)距離等參數(shù)，并且可以在小區(qū)播種機(jī)作業(yè)前設(shè)置小區(qū)長(zhǎng)度、離心分種器的轉(zhuǎn)速，向控制器發(fā)送開(kāi)始指令。

3.2 錐體格盤(pán)與離心分種控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

錐體格盤(pán)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)硬件主要由錐體格盤(pán)部件、步進(jìn)電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器以及控制器接口電路等組成。選用86HBM80H型閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)，支持DC/AC 24～75V，配有廣州雷賽公司的HBS86H數(shù)字式混合伺服驅(qū)動(dòng)器，細(xì)分選項(xiàng)達(dá)16種組合，最大為51 200 p/r。 控制器電平為3.3 V，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器標(biāo)準(zhǔn)控制信號(hào)為5～24 V，控制器PWM脈沖控制引腳(PA5)與驅(qū)動(dòng)器間增設(shè)高速電平轉(zhuǎn)換模塊TXS0108E，形成5 V可調(diào)頻率PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)。由電機(jī)頻率轉(zhuǎn)速關(guān)系可得

(10)

式中n0——錐體格盤(pán)轉(zhuǎn)速，r/min

f——PWM頻率，Hz

N——步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器一圈脈沖數(shù)

i——與格盤(pán)電機(jī)連接的減速器減速比

由STM32F405RG中PWM頻率設(shè)置關(guān)系可得

(11)

式中NT——定時(shí)器時(shí)鐘頻率，Hz

Npsc——預(yù)分頻系數(shù)

Narr——寄存器自動(dòng)重裝載值

可得錐體格盤(pán)轉(zhuǎn)速和PWM控制頻率關(guān)系為

(12)

試驗(yàn)中，采用STM32F405RG的TIM8定時(shí)器，時(shí)鐘源NT為168 MHz，自動(dòng)重裝載值Narr為336，與格盤(pán)電機(jī)連接的減速器速比i為40，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器一圈脈沖數(shù)N設(shè)置為10 000。聯(lián)立式(10)～(12)可得

(13)

STM32F405RG芯片定時(shí)器時(shí)鐘經(jīng)8分頻后，預(yù)分頻系數(shù)Npsc取值范圍為0～65 535，則錐體格盤(pán)轉(zhuǎn)速n0取值范圍為0～75 r/min。經(jīng)上述理論分析可得出目標(biāo)轉(zhuǎn)速n0和定時(shí)器預(yù)分頻系數(shù)Npsc關(guān)系，但不能直接用于被控對(duì)象，其回歸特性多采用實(shí)測(cè)方法得到。以0.50 r/min為等間距、以0.50 r/min為起始目標(biāo)轉(zhuǎn)速進(jìn)行12組試驗(yàn)，通過(guò)編碼器測(cè)量錐體格盤(pán)實(shí)際轉(zhuǎn)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(jī)實(shí)際工作性能，目標(biāo)轉(zhuǎn)速和實(shí)際轉(zhuǎn)速關(guān)系不宜采用高階多項(xiàng)式擬合，因此本文采用一階擬合曲線得到目標(biāo)轉(zhuǎn)速n0和實(shí)際轉(zhuǎn)速n的函數(shù)關(guān)系

n=1.79n0-0.36

(14)

由小區(qū)條播機(jī)的作業(yè)要求可知，小區(qū)條播機(jī)在規(guī)定長(zhǎng)度區(qū)域行走所需時(shí)間應(yīng)與錐體格盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)一圈時(shí)間一致，即滿足

(15)

式中vt——小區(qū)條播機(jī)行走速度，m/s

vd——北斗移動(dòng)站輸出含速度信息的GPRMC報(bào)文解析以節(jié)為單位的小區(qū)條播機(jī)行走速度，kn

本文采用北斗星通高高精度差分定位技術(shù)模塊UB480和UB482，分別作為基站和移動(dòng)站，可以實(shí)現(xiàn)相對(duì)精度達(dá)2 cm左右的定位準(zhǔn)度，通過(guò)實(shí)測(cè)5 m和10 m，分別試驗(yàn)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(tǒng)要求。由于北斗移動(dòng)站存在靜態(tài)下定位漂移的現(xiàn)象，采用Mean-Shift聚類算法分析靜態(tài)下340個(gè)速度樣本數(shù)據(jù)，得到聚類中心數(shù)為22個(gè)，速度漂移范圍在0.006～0.28 km/h之間，對(duì)聚類中心的速度取均值0.06 km/h，因此在實(shí)際控制中需減去靜態(tài)速度誤差均值，如圖6所示。

圖6 移動(dòng)站漂移數(shù)據(jù)Fig.6 Mobile station drift data

得出目標(biāo)預(yù)分頻系數(shù)Npsc和小區(qū)條播機(jī)行走速度之間的函數(shù)關(guān)系

(16)

BLDC采用57BL75S10-230TF9型永磁無(wú)刷直流電機(jī)，DC 12 V供電，額定功率100 W；匹配自制矢量控制器，實(shí)現(xiàn)500～2 000 r/min無(wú)級(jí)調(diào)速，與控制器通過(guò)CAN總線通信，波特率為500 kbit/s。CAN通信協(xié)議如表1所示。

表1 CAN通信協(xié)議Tab.1 Statistics of CAN communication protocol

離心分種轉(zhuǎn)速調(diào)控對(duì)小麥播種性能有一定影響，文獻(xiàn)[15]采用占空比控制BLDC驅(qū)動(dòng)器，得出占空比和分種轉(zhuǎn)速擬合函數(shù)關(guān)系。本文在此基礎(chǔ)上，采用帶有矢量控制算法(簡(jiǎn)稱“FOC”)的BLDC驅(qū)動(dòng)器對(duì)分種目標(biāo)轉(zhuǎn)速分別為1 000、1 200 r/min進(jìn)行測(cè)試。如圖7所示，采用FOC驅(qū)動(dòng)器控制電機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)均小于4 r/min，以此保證分種轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性。

圖7 電機(jī)轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線Fig.7 Motor speed response curve

3.3 軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)軟件以MDK5作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，采用C語(yǔ)言進(jìn)行編程，控制流程如圖8所示。

圖8 控制系統(tǒng)流程圖Fig.8 Flow chart of control system

控制系統(tǒng)軟件核心在于解析北斗移動(dòng)站報(bào)文對(duì)錐體格盤(pán)轉(zhuǎn)角實(shí)時(shí)控制。移動(dòng)站輸出報(bào)文帶有經(jīng)緯度和速度信息的字符串，遵循NMEA-0183協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。北斗移動(dòng)站每秒輸出近1 KB ASCⅡ字符數(shù)據(jù)到控制器串口，采用DMA方式繞過(guò)CPU而將數(shù)據(jù)直接由串口寄存器搬運(yùn)到內(nèi)存數(shù)組，降低了CPU占有率；利用環(huán)形數(shù)組對(duì)北斗數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，并周期性調(diào)用解析函數(shù)，保證了數(shù)據(jù)不丟幀；對(duì)環(huán)形緩沖區(qū)數(shù)據(jù)采用有限狀態(tài)機(jī)法解析出一幀完整GPRMC數(shù)據(jù)幀，基于NMEA-0183的C開(kāi)源庫(kù)實(shí)現(xiàn)解析GPRMC幀，得到時(shí)速信息。

4 排種系統(tǒng)性能仿真

4.1 仿真模型建立

通過(guò)CATIA軟件建立離心分種機(jī)構(gòu)三維模型，將三維模型保存為igs格式，三維模型導(dǎo)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(pán)機(jī)構(gòu)的落種過(guò)程。

試驗(yàn)選用小麥品種為濟(jì)麥22，在小麥種子中隨機(jī)選取1 000粒測(cè)量其質(zhì)量，再隨機(jī)選取100粒小麥種子測(cè)量其長(zhǎng)、寬、高，分別測(cè)試3組，結(jié)果如表2所示。

表2 小麥種子千粒質(zhì)量和外形尺寸統(tǒng)計(jì)Tab.2 Wheat seed 1 000 grain weight and size statistics

根據(jù)3組平均值對(duì)濟(jì)麥22種子進(jìn)行CATIA三維建模，保存為igs格式，將小麥顆粒模型導(dǎo)入EDEM離散元仿真軟件中，進(jìn)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(zhì)為樹(shù)脂，相關(guān)參數(shù)如表3所示[16-19]。

表3 仿真參數(shù)Tab.3 Simulation parameters

4.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

選取凸臺(tái)數(shù)、離心分種器轉(zhuǎn)速、凸臺(tái)長(zhǎng)度為試驗(yàn)因素，采用三因素五水平二次正交旋轉(zhuǎn)中心組合試驗(yàn)方法，以變異系數(shù)為評(píng)價(jià)指標(biāo)。參考小麥條播機(jī)排量[20]，擬定小麥播種量為150 kg/hm2，設(shè)計(jì)播種量為2 000粒，生成速度為200粒/s，進(jìn)行正交試驗(yàn)。根據(jù)前期單因素試驗(yàn)的結(jié)果，選擇離心分種器轉(zhuǎn)速范圍為1 000～1 400 r/min，凸臺(tái)長(zhǎng)度范圍為10～22 mm，凸臺(tái)數(shù)范圍為2～10個(gè)。試驗(yàn)因素編碼如表4所示。

表4 正交試驗(yàn)因素編碼Tab.4 Orthogonal test factors and codes

因?yàn)橥古_(tái)數(shù)為整數(shù)，且為了方便進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)各因素進(jìn)行取整。當(dāng)仿真模擬播種過(guò)程完成后，進(jìn)入Analyst Tree界面，為統(tǒng)計(jì)經(jīng)過(guò)各個(gè)分配頭的小麥籽粒數(shù)量，在八行分配頭的各個(gè)分配口處生成50 mm×50 mm×50 mm的柵格組，如圖10所示，以此來(lái)統(tǒng)計(jì)各個(gè)分配頭排出的小麥籽粒數(shù)量。

圖10 小麥籽粒統(tǒng)計(jì)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(jié)果分析

每一組仿真試驗(yàn)結(jié)束后，統(tǒng)計(jì)各個(gè)分配頭的小麥種子數(shù)，計(jì)算變異系數(shù)，結(jié)果如表5所示。

表5 正交試驗(yàn)結(jié)果Tab.5 Statistics of coefficient of variation of orthogonal test

方差分析如表6所示，變異系數(shù)回歸模型F高度顯著(P<0.01)，檢驗(yàn)水平P=0.285 9>0.05，回歸方程不失擬。由表6可得，各試驗(yàn)因素對(duì)變異系數(shù)的影響從大到小分別為離心分種器轉(zhuǎn)速、凸臺(tái)數(shù)、凸臺(tái)長(zhǎng)度。變異系數(shù)Y1回歸響應(yīng)面方程為

表6 變異系數(shù)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(tái)數(shù)、離心分種器轉(zhuǎn)速、凸臺(tái)長(zhǎng)度編碼值

根據(jù)分析結(jié)果，利用Design-Expert 8.0軟件繪制各因素交互效應(yīng)響應(yīng)曲面圖，圖11a為凸臺(tái)數(shù)與離心分種器轉(zhuǎn)速對(duì)變異系數(shù)影響的響應(yīng)曲面，當(dāng)凸臺(tái)數(shù)不變時(shí)，隨著離心分種器轉(zhuǎn)速的增大，變異系數(shù)先減小后增大，當(dāng)離心分種器轉(zhuǎn)速不變時(shí)，隨著凸臺(tái)數(shù)的增加，變異系數(shù)先減小后增大；圖11b為凸臺(tái)數(shù)和凸臺(tái)長(zhǎng)度對(duì)變異系數(shù)影響的響應(yīng)曲面，當(dāng)凸臺(tái)數(shù)不變時(shí)，隨著凸臺(tái)長(zhǎng)度的增加，變異系數(shù)先減小后增加，當(dāng)凸臺(tái)長(zhǎng)度不變時(shí)，隨著凸臺(tái)數(shù)的增加，變異系數(shù)先減小后增加；圖11c為離心分種器轉(zhuǎn)速與凸臺(tái)長(zhǎng)度對(duì)變異系數(shù)影響的響應(yīng)曲面，當(dāng)凸臺(tái)長(zhǎng)度不變時(shí)，當(dāng)離心分種器轉(zhuǎn)速逐漸增大時(shí)，變異系數(shù)先減小后增大，當(dāng)離心分種器轉(zhuǎn)速不變時(shí)，隨著凸臺(tái)長(zhǎng)度的不斷增大，變異系數(shù)先減小后增大。綜合分析可得，較優(yōu)的參數(shù)組合為：凸臺(tái)數(shù)為6、離心分種器轉(zhuǎn)速為1 200 r/min、凸臺(tái)長(zhǎng)度為16 mm。

圖11 各因素交互作用對(duì)變異系數(shù)影響的響應(yīng)曲面Fig.11 Influence of interaction of various factors on response surface of coefficient of variation

5 性能試驗(yàn)

5.1 分種臺(tái)架試驗(yàn)

臺(tái)架試驗(yàn)在安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)智能農(nóng)機(jī)裝備工程實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，臺(tái)架選用JPS-12型排種器性能試驗(yàn)臺(tái)，臺(tái)架試驗(yàn)選用的小麥品種為濟(jì)麥22，為保持和仿真一致，將錐體格盤(pán)轉(zhuǎn)速設(shè)置為6 r/min，每次試驗(yàn)加入2 000粒小麥種子，通過(guò)存種袋收集各個(gè)分配頭排出的小麥數(shù)量。臺(tái)架試驗(yàn)共進(jìn)行9組，試驗(yàn)后計(jì)算變異系數(shù)和種子破碎率。

臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。通過(guò)測(cè)得的數(shù)據(jù)計(jì)算得：臺(tái)架試驗(yàn)變異系數(shù)平均值為4.02%，臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果與仿真試驗(yàn)結(jié)果基本一致。小麥種子破損率的平均值為0.22%，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[20]要求。

表7 臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果Tab.7 Bench test results %

5.2 清種試驗(yàn)

為避免播種混種，設(shè)計(jì)了小區(qū)條播機(jī)清種功能，通過(guò)點(diǎn)擊人機(jī)交互系統(tǒng)一鍵重置按鈕，錐體格盤(pán)便會(huì)自轉(zhuǎn)兩圈實(shí)現(xiàn)清種。

5.2.1試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

錐體格盤(pán)共有45個(gè)小槽格，分別編號(hào)1～45，每次隨機(jī)選取5個(gè)槽格，每個(gè)槽格加入10粒小麥種子，如圖12所示，設(shè)置錐體格盤(pán)以轉(zhuǎn)速6 r/min自轉(zhuǎn)2圈，記錄槽格內(nèi)小麥種子數(shù)量，如圖12所示。

圖12 自凈試驗(yàn)Fig.12 Self-purification test

5.2.2試驗(yàn)結(jié)果與分析

測(cè)得清種試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表8所示，由數(shù)據(jù)可得，錐體格盤(pán)自轉(zhuǎn)2圈可以將錐體格盤(pán)中剩余的小麥種子全部排出，不會(huì)造成和下一小區(qū)種子混種。

表8 清種試驗(yàn)結(jié)果Tab.8 Seed clearing test data

5.3 田間試驗(yàn)

5.3.1試驗(yàn)方案

田間試驗(yàn)在安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)萃園試驗(yàn)基地進(jìn)行，田間試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖13所示，試驗(yàn)樣機(jī)如圖13a所示。田間試驗(yàn)主要測(cè)量小區(qū)播種機(jī)各行總排量一致性。試驗(yàn)共進(jìn)行3組，第1組播種小區(qū)長(zhǎng)度為3 m，第2組播種小區(qū)長(zhǎng)度為4 m，第3組播種小區(qū)長(zhǎng)度為5 m。

圖13 田間試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)Fig.13 Diagrams of field test site

以3 m小區(qū)長(zhǎng)度為例，各行排量一致性變異系數(shù)測(cè)量方法：以1 m等長(zhǎng)連續(xù)取3段(1#～3#)，分別統(tǒng)計(jì)各段玉米種子數(shù)量，同樣方式再統(tǒng)計(jì)2～8行小麥種子數(shù)量；均勻性測(cè)量方法：以0.5 m等長(zhǎng)連續(xù)取6段(A區(qū)～F區(qū))，分別統(tǒng)計(jì)各段玉米種子數(shù)量，采樣示意如圖13b所示。

5.3.2試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)測(cè)得各行排量一致性變異系數(shù)如表9所示。由表9可得，各行排量一致性變異系數(shù)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(shù)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(yè)會(huì)受到播種機(jī)振動(dòng)、地表不平等因素的影響，變異系數(shù)相對(duì)仿真試驗(yàn)和臺(tái)架試驗(yàn)會(huì)有所增加。

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

6 結(jié)論

(1)針對(duì)小麥小區(qū)條播機(jī)，設(shè)計(jì)了一種電控排種系統(tǒng)，建立錐體格盤(pán)轉(zhuǎn)速控制模型，該系統(tǒng)通過(guò)北斗導(dǎo)航設(shè)備確定播種機(jī)行駛狀態(tài)參數(shù)，完成對(duì)錐體格盤(pán)和離心分種裝置轉(zhuǎn)速匹配控制，離心分種裝置采用自制電機(jī)矢量驅(qū)動(dòng)器保證了分種轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)人機(jī)交互系統(tǒng)，完成對(duì)作業(yè)參數(shù)的設(shè)定和作業(yè)信息的實(shí)時(shí)反饋，實(shí)現(xiàn)了一鍵清種功能。

(2)通過(guò)排種系統(tǒng)性能仿真，確定了各因素對(duì)分種均勻性的影響主次順序?yàn)殡x心分種器轉(zhuǎn)速、凸臺(tái)數(shù)、凸臺(tái)長(zhǎng)度，并得到最優(yōu)參數(shù)組合為凸臺(tái)長(zhǎng)度16 mm、凸臺(tái)6個(gè)、離心分種器轉(zhuǎn)速1 200 r/min，通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)和田間試驗(yàn)表明，本文設(shè)計(jì)的電控排種系統(tǒng)排量一致性變異系數(shù)為5.69%，均勻性變異系數(shù)為20.77%，滿足作業(yè)要求。