施彬彬 鄭 娟 王 磊,2 廖慶喜,2 廖宜濤,2

(1.華中農業(yè)大學工學院, 武漢 430070; 2.農業(yè)農村部長江中下游農業(yè)裝備重點實驗室, 武漢 430070)

0 引言

排種技術是實現(xiàn)機械化播種的關鍵技術,直接影響機播質量和作物產量[1]?，F(xiàn)有排種技術主要分為機械式、氣力式和氣送式[2-4];其中氣力式排種技術利用負壓吸種、攜種,當種子運移至卸種區(qū)時,通過隔斷負壓使種子在自身重力作用下掉落;或在隔斷負壓的同時引入正壓,在正壓和重力雙重作用下實現(xiàn)卸種,完成種子脫離種群向單粒有序種子的轉變,具有傷種率低、適應性強、排種精度高等優(yōu)點[5-8],是實現(xiàn)油菜、小白菜、胡蘿卜等小粒徑種子單粒排種的有效途徑[9]。

氣力式排種器排種性能主要受型孔結構、工作負壓、工作轉速及種子尺寸等因素影響[10-12]。圍繞排種器的工作過程,通過分析排種器充種環(huán)節(jié)型孔處種子的受力情況,建立型孔吸種力學模型,結合高速攝影、虛擬仿真等研究方法,優(yōu)化型孔結構[13-15],可以有效提升排種性能。在排種器結構優(yōu)化基礎上,通過臺架試驗和數(shù)學建模分析,確定排種器性能最優(yōu)時工作負壓與工作轉速等參數(shù)的最佳組合,為播種機的設計和使用提供理論依據(jù)[16-19]。隨著播種機智能化技術的發(fā)展,電驅隨速排種技術的應用克服了傳統(tǒng)地輪驅動排種存在滑移漏播以及鏈傳動不穩(wěn)定等問題,并通過無級變速提升了播種機對農藝要求株距的適宜性[20-22];通過對播種機的性能進行監(jiān)測,實時獲取排種器的作業(yè)狀態(tài),可實現(xiàn)對漏播、重播的監(jiān)測報警[23-24],避免播種機在復雜多變的田間作業(yè)環(huán)境下性能下降。

在田間作業(yè)時,播種機工況變化會對排種器工作負壓造成影響,如播種機采用機械驅動風機,其工作轉速會受拖拉機的負載變化而波動,進而導致氣壓供給不穩(wěn)[25]。通過設定冗余氣壓供給,結合氣流通路中釋壓閥穩(wěn)壓控制,可以提升排種器供氣穩(wěn)定性[26];更改風機驅動方式為液壓、電機驅動[27-28]可以使排種器工作氣壓較穩(wěn)定。但在實際生產中,排種器的工作轉速會隨播種機前進速度變化而波動,且油菜、小白菜及胡蘿卜等種子千粒質量具有一定差異,適宜工作負壓變化明顯[23,29];上述氣壓調控方法主要為獲得相對穩(wěn)定的工作氣壓,排種系統(tǒng)氣壓為定值設置,缺乏根據(jù)作業(yè)工況適時調整的能力。

針對上述問題,本文設計一種小粒徑種子氣力自適應排種系統(tǒng),系統(tǒng)先通過排種器工作轉速及其匹配工作負壓間的數(shù)學模型,確定風機初始工作參數(shù),使排種器在初始工作負壓工況下啟動;再結合排種器工作轉速隨速調整和排種性能實時檢測,動態(tài)調整排種器工作負壓,使排種器實際工作負壓趨近于實時工況條件下的最優(yōu)值,以實現(xiàn)小粒徑種子排種系統(tǒng)的氣力自適應校正控制。

1 系統(tǒng)結構與工作原理

小粒徑種子氣力自適應排種系統(tǒng)主要由主控制器、觸摸屏、測速器、步進電機驅動器、直流風機驅動板、正負氣壓組合式小粒徑種子排種器及光電傳感器等組成,其結構如圖1所示。

圖1 排種系統(tǒng)整體結構圖Fig.1 Structure diagram of seeding system1.測速器 2.主控制器 3.觸摸屏 4.直流電源線 5.信號線 6.直流風機控制板 7.步進電機驅動器 8.正負氣壓組合式小粒徑種子排種器 9.光電傳感器輔助安裝件 10.光電傳感器

其中主控制器為系統(tǒng)的運算中心和信息樞紐,觸摸屏用以設置作業(yè)參數(shù)并顯示播種機實時工況信息,測速器用以測量播種機實時作業(yè)速度;光電傳感器通過傳感器輔助安裝件及導種管安裝于排種器落種口處,用以實時檢測排種器排種性能;步進電機驅動器、直流風機驅動板根據(jù)主控制器輸入信號,驅動正負氣壓組合式小粒徑種子排種器內部步進電機及直流風機在相應工況下運行。同時,可將步進電機驅動器、直流風機驅動板、正負氣壓組合式小粒徑種子排種器及光電傳感器組合為排種單體,根據(jù)實際排種行數(shù)需求拓展其個數(shù)。

基于自校正控制技術,設計排種系統(tǒng)氣力自適應調控策略如圖2所示,主要分為初始工況調控和自適應校正控制兩階段。圖中P為實時排種性能,ΔP為實時排種性能與目標排種性能之間偏差。初始工況調控階段,系統(tǒng)根據(jù)機具作業(yè)速度、播種粒距確定排種器工作轉速,依據(jù)試驗確定的排種器工作轉速與排種器適應工作負壓數(shù)學模型,驅動排種器以匹配目標作業(yè)參數(shù)的初始工作轉速與工作負壓運行,起平穩(wěn)啟動系統(tǒng)、縮短系統(tǒng)自適應校正時間作用,為排種系統(tǒng)的常規(guī)控制環(huán)(內環(huán))。自適應校正控制階段,系統(tǒng)以實時排種性能與目標排種性能之間差值為調控指標,通過實時檢測機具作業(yè)速度和系統(tǒng)排種性能,自校正排種器工作轉速與工作負壓,實現(xiàn)排種性能的較優(yōu)控制,為排種系統(tǒng)的自適應控制環(huán)(外環(huán))。

圖2 排種系統(tǒng)氣力自適應調控策略Fig.2 Pneumatic adaptive control strategy of system

本文所研究排種系統(tǒng)以播種機為作業(yè)載體,因此系統(tǒng)初始工況調控階段即為播種機啟動階段,此時,操作者通過觸摸屏輸入播種機播種粒距與作業(yè)速度等目標作業(yè)參數(shù),主控制器根據(jù)作業(yè)參數(shù)與排種器工作轉速、工作負壓之間的數(shù)學模型,計算、輸出相應控制信號驅動步進電機帶動排種器排種盤以對應初始工作轉速轉動,驅動直流風機輸出匹配初始工作轉速的基礎工作負壓,排種器開始工作。

自適應校正控制階段,為適應機具作業(yè)速度波動與種子尺寸變化等外部因素對排種器排種性能的影響,主控制器通過實時捕獲播種機行走過程中所觸發(fā)的測速器信號,計算獲得機具實時作業(yè)速度后,對應校正排種器工作轉速;同時,主控制器通過實時捕獲排種器落種時觸發(fā)的光電傳感器電平翻轉信號,計算獲得機具實時排種性能,并與系統(tǒng)預設目標排種性能進行比較,根據(jù)差值動態(tài)優(yōu)化調整排種器基礎工作負壓,使排種器實際工作負壓趨于對應工況條件下的最優(yōu)工作負壓。通過兩者結合,即可實現(xiàn)排種系統(tǒng)在田間實際作業(yè)時排種性能的持續(xù)較優(yōu)控制。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 正負氣壓組合式小粒徑種子排種器設計

正負氣壓組合式小粒徑種子排種器主要由充種室、落種口、排種盤、氣室殼體、雙出軸步進電機、直流風機等組成,整體結構以前期開發(fā)并在生產中廣泛應用的正負氣壓組合式排種器為基礎[7,15],集成步進電機驅動和直流風機供氣,可實現(xiàn)一器雙行排種。其結構如圖3所示。

圖3 正負氣壓組合式小粒徑種子排種器結構示意圖Fig.3 Structure diagrams of seed metering device1.正壓管道 2.正壓泄氣口 3.充種室 4.排種盤 5.氣室殼體 6.風機安裝蓋 7.直流風機 8.雙出軸步進電機 9.排種盤固定件 10.落種口 11.正壓氣室區(qū) 12.負壓氣室區(qū)

排種器驅動電機采用雙出軸步進電機,電機通過螺栓連接固定在氣室圓心處所開的方孔內,以保證步進電機兩側輸出軸均處于排種盤圓心位置。直流風機安裝于氣室殼體上方箱體內部,通過直流風機、風機安裝蓋及氣室殼體三者之間的螺栓連接使直流風機固定在箱體內部的預定位置,直流風機正壓出氣口卡入正壓管道內部,通過正壓管道與正壓氣室區(qū)相連;負壓出氣口通過通孔結構直接伸入負壓氣室區(qū)內,為負壓氣室區(qū)提供吸種負壓。排種盤結構與已有排種器一致,型孔為呈周向均勻分布的倒角截頂圓錐孔結構,型孔數(shù)為50,錐孔頂圓直徑為2.0 mm,底圓直徑為1.0 mm,錐角為45°,此型孔結構下,正負氣壓組合式排種器工作轉速為10～30 r/min,工作正壓為100～200 Pa時,通過調整適宜工作負壓可使排種器合格指數(shù)始終大于90%,滿足小粒徑種子的單粒精量排種需求[15]。

2.2 測控硬件設計

2.2.1速度信號采集硬件

目前農業(yè)機械應用較多的測速方法為衛(wèi)星測速法和輪速傳感器測速法,其中衛(wèi)星測速法以GPS測速為主,輪速傳感器測速法以編碼器測速為主[30]。研究表明,當機具作業(yè)速度低于6 km/h時,編碼器測速準確性優(yōu)于GPS測速[24],鑒于本文主要針對長江中下游地區(qū)小粒徑種子播種機作業(yè)場景,播種機作業(yè)速度為2～6 km/h[23],選用歐姆龍EB62-CWZ3E型旋轉增量編碼器作為測速器。該編碼器采用5～12 V(DC)電壓供電,輸出NPN型電壓信號,分辨率為1 024 P/R,響應時間小于1 ms,滿足實時檢測需求。作業(yè)過程中,主控制器通過捕獲采樣時間內編碼器輸出脈沖數(shù),結合播種機觸地轉動部件半徑即可計算出播種機作業(yè)速度,計算式為

(1)

式中Vi——采樣周期內機具作業(yè)速度,km/h

ti——系統(tǒng)第i次采樣周期,s

R——播種機觸地轉動部件半徑,m

Mi——采樣周期內主控制器捕獲脈沖數(shù)

PR——編碼器分辨率,P/R

B——編碼器倍頻數(shù)

2.2.2排種性能信號采集硬件

排種性能信號作為系統(tǒng)關鍵輸出反饋量,其檢測精度直接決定系統(tǒng)氣力自適應調節(jié)的準確性。排種器排種時間間隔與排種盤型孔數(shù)、工作轉速之間關系為

(2)

式中tP——排種時間間隔,s

Z——排種盤型孔數(shù)

nP——排種器工作轉速,r/min

式中,排種盤型孔數(shù)Z為50,排種器工作轉速為3～28 r/min,計算得相鄰兩粒種子排種時間間隔為0.043～0.4 s,即排種器排種頻率為2.5～23.3 Hz。因此,本文采用日本KEYENCE公司生產的PG-602型光電傳感器作為檢測元件,該傳感器可形成21 mm×21 mm正方形檢測窗口,配合PG-610型放大器使用可實現(xiàn)直徑在0.5～21 mm范圍內、通過頻率在5 000 Hz內不透明物體的有效檢測,對于小粒徑種子的檢測性能已得到驗證[22-23]。

2.2.3人機交互硬件

系統(tǒng)采用觸摸屏作為人機交互設備,可設置播種機作業(yè)速度及播種粒距等作業(yè)參數(shù)。考慮田間復雜作業(yè)環(huán)境因素,交互設備采用TJC8048X370-011型串口屏進行作業(yè)參數(shù)采集,此串口屏內部嵌入CPU,可由上位機開發(fā)軟件獨立設計界面,通過設定通訊協(xié)議即可實現(xiàn)主控制器與串口屏之間進行USART串口有線通訊,設計人機交互界面如圖4所示。

圖4 人機交互界面Fig.4 Human-computer interaction interface

2.2.4排種驅動步進電機

步進電機轉動精度為排種器工作轉速準確調控的基礎,選用科銘57MM44A82型雙出軸步進電機作為排種器驅動電機,通過配備DM542細分型驅動器實現(xiàn)步進電機高精度轉動控制。任意排種時間間隔內播種機作業(yè)距離與作業(yè)速度、排種器工作轉速、排種盤型孔數(shù)、播種粒距之間關系為

(3)

式中 Δt——任意排種時間間隔,s

ΔS——Δt時間內播種機作業(yè)距離,m

V——播種機在Δt時間內作業(yè)速度,km/h

l——播種粒距,mm

由于步進電機回轉軸通過排種盤中心帶動兩側排種盤同步轉動,因此步進電機轉速即為排種器工作轉速。步進電機轉速與主控制器輸出脈沖周期有關,具體關系為

(4)

(5)

式中F——主處理器內部時鐘頻率,Hz

N——步進電機旋轉一周所需脈沖數(shù)

Tpsc——主處理器內部時鐘分頻系數(shù)

Tp——主控制器脈沖輸出周期,s

f1——步進電機驅動器細分數(shù)

θ——步進電機步距角,(°)

本文排種盤型孔數(shù)Z為50,聯(lián)立式(3)～(5)可得主控制器脈沖輸出周期與播種機作業(yè)速度的關系為

(6)

2.2.5氣壓供給直流風機

排種器工作氣壓由微型直流風機提供,型號為蘭旺克WJ907OFL,此風機采用直流無刷電機驅動,是由直流無刷電機、扇葉及外殼體組成的結合體,因此對直流風機的調控即是對直流無刷電機的調控。采用主控制器調控PWM信號占空比實現(xiàn)直流無刷電機轉速調節(jié),進而達到對直流風機輸出負壓調控。

為確定系統(tǒng)調控時直流風機輸出負壓,對不同占空比PWM信號下直流風機輸出負壓進行標定。標定過程中,在占空比20%～100%范圍內,每隔5%設置一個水平,使用壓差計測量排種器靜止狀態(tài)時負壓氣室區(qū)內排種盤5處不同位置型孔處負壓,取平均值后得到測量結果如圖5所示。

圖5 直流風機工作特性曲線Fig.5 Working characteristic curve of DC fan

使用最小二乘法擬合曲線[31]得到風機工作特性曲線方程為

Pa=4 993K2-116.95K+175.34

(7)

式中Pa——直流風機輸出負壓,Pa

K——主控制器輸出PWM占空比,%

決定系數(shù)R2為1,擬合效果良好。由圖5可知,直流風機輸出負壓可調節(jié)范圍為350～5 050 Pa,通過調整PWM信號占空比可實現(xiàn)此范圍內風機輸出負壓的無極調節(jié),滿足氣力自適應排種系統(tǒng)的負壓動態(tài)調節(jié)需求[7,15]。

2.2.6系統(tǒng)硬件電路

系統(tǒng)采用STM32F103ZET6單片機作為核心處理器,主要硬件電路如圖6所示,包括STM32電路、編碼器電路、觸摸屏電路及排種單體驅動電路等。其中STM32電路為單片機最小系統(tǒng)電路,是保證單片機正常運行的基礎;編碼器電路通過單片機定時器通道TIM4_CH1和TIM4_CH2向單片機傳送系統(tǒng)工作時編碼器所觸發(fā)的速度信號;觸摸屏電路通過單片機USART模式串口通信完成單片機與觸摸屏之間的信息交互;排種單體驅動電路通過相應單片機定時器通道,實現(xiàn)各排種單體的排種性能信號采集和步進電機、直流風機驅動信號輸出。

圖6 系統(tǒng)硬件電路圖Fig.6 Schematic of system hardware circuit

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 氣力自適應調控策略設計

氣力自適應調控策略是實現(xiàn)系統(tǒng)排種性能較優(yōu)控制的依據(jù),分為初始工況調控和自適應校正控制兩階段。由圖2可知,初始工況調控階段以播種機播種粒距和作業(yè)速度為自變量,以排種器初始工作轉速與工作負壓為因變量,因此需確定機具作業(yè)速度、播種粒距與排種器工作轉速的匹配公式和排種器工作轉速與對應最優(yōu)工作負壓的匹配公式。其中,機具作業(yè)速度、播種粒距不同時,由式(3)可得排種器工作轉速匹配式為

(8)

為探究排種器在各工作轉速下對應的最優(yōu)工作負壓匹配公式,將排種器安裝于JPS-16型排種性能檢測試驗臺上,配備步進電機驅動器及調速器調控排種器工作轉速、直流風機控制板調控工作負壓,試驗臺架見圖7。

圖7 排種器性能檢測試驗臺架Fig.7 Seed metering device performance test bench1.正負氣壓組合式小粒徑種子排種器 2.JPS-16型排種性能檢測試驗臺 3.DC24V開關電源 4.步進電機調速器 5.直流風機控制板 6.步進電機驅動器

采用“黑亮蘇州青”商品化小白菜種子,經(jīng)測量種子粒徑為1.1～1.9 mm,平均球形度為93.16%。參考前期研究結果[7,15],設定排種器卸種正壓為100 Pa;工作轉速為3～38 r/min,每隔5 r/min設置一個水平;工作負壓為800～4 800 Pa,每隔100 Pa設置一個水平,開展以工作轉速和工作負壓為試驗因素的全因子試驗,探究每個工作轉速水平下排種器合格指數(shù)最優(yōu)時對應的工作負壓,每組試驗重復5次取平均值,得到試驗結果如圖8所示。

由圖8可知,正負氣壓組合式小粒徑種子排種器適宜工作轉速為3～28 r/min,此轉速范圍內排種器工作負壓為適宜值時,排種合格指數(shù)可高于90%,且兩者之間呈近似線性關系。因此,使用最小二乘法擬合曲線,可得排種器工作轉速與對應最優(yōu)工作負壓匹配公式為

Pa=48nP+1 489.33 (R2=0.99)

(9)

排種器經(jīng)初始工況調控階段啟動后,系統(tǒng)進入自適應校正控制階段。由圖2可知,此階段系統(tǒng)調控策略分為實時檢測機具作業(yè)速度,隨速調整排種器工作轉速和實時檢測系統(tǒng)排種性能,根據(jù)檢測值與系統(tǒng)預設值之間差值,動態(tài)調整排種器工作負壓兩部分。其中,系統(tǒng)通過式(8)即可實現(xiàn)排種器工作轉速隨速調整。工作負壓動態(tài)調整方面,由文獻[30]可知,最優(yōu)工況參數(shù)組合下,電驅隨速排種技術可使正負氣壓組合式排種器臺架合格指數(shù)平均增加2%。參考GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機試驗方法》,以合格指數(shù)、重播指數(shù)、漏播指數(shù)為排種性能評價指標,結合圖8試驗結果,設定系統(tǒng)目標排種合格指數(shù)為92%,當系統(tǒng)實時檢測的排種性能中合格指數(shù)低于預設目標值,且重播指數(shù)大于漏播指數(shù)時,控制直流風機輸出負壓降低100 Pa;當重播指數(shù)小于漏播指數(shù)時,則控制直流風機輸出負壓增加100 Pa,重復振蕩直至合格指數(shù)高于目標值,以實現(xiàn)系統(tǒng)排種性能的較優(yōu)控制。

3.2 軟件程序開發(fā)

3.2.1主程序

主程序基于μC/OS-Ⅲ實時操作系統(tǒng)搭建,采用時間片輪轉法將速度信號檢測子程序、排種性能檢測子程序和人機交互子程序等3個子程序分為不同的任務線程,通過賦予各任務優(yōu)先級,即可實現(xiàn)各子程序的有序、循環(huán)運行,程序流程如圖9所示。系統(tǒng)工作時,主程序首先對單片機相關硬件外設進行初始配置,并接收用戶通過人機交互子程序輸入的播種機作業(yè)速度和播種粒距等作業(yè)參數(shù),驅動排種器以對應工作轉速與工作負壓啟動,系統(tǒng)進入自適應校正控制階段。此時,主程序開啟定時器內部觸發(fā)中斷,并對觸發(fā)中斷的中斷源進行判斷,當單個排種性能采樣周期結束,則中斷由排種性能子程序觸發(fā),主程序調用實時排種性能檢測值,并根據(jù)氣力自適應調控策略動態(tài)調整排種器工作負壓;當單個速度信號采樣周期結束,則中斷由速度信號子程序觸發(fā),主程序調用實時機具速度檢測值,并隨速調整排種器工作轉速。

圖9 主程序流程圖Fig.9 Main program flowchart

3.2.2速度信號檢測子程序

速度信號檢測子程序主要功能為通過統(tǒng)計與播種機觸地轉動部件同軸安裝的編碼器在速度信號采樣周期內產生的脈沖數(shù)計算播種機的實時作業(yè)速度,程序流程如圖10所示。

圖10 速度信號檢測子程序流程圖Fig.10 Speed signal detection subprogram flowchart

編碼器測速精度與采樣周期時間成正比關系,采樣周期過短易造成系統(tǒng)硬件調節(jié)頻率過快而產生振蕩,穩(wěn)定性不足;采樣周期過長則易造成系統(tǒng)反饋調節(jié)精度過低、實時性差[22]。鑒于本文所研制系統(tǒng)的應用場景中,機具作業(yè)速度一般為2～6 km/h[23],參照文獻[22]設定系統(tǒng)速度信號采樣周期時間為4 s。

3.2.3排種性能檢測子程序

排種性能檢測子程序工作原理為通過采集種子落入光電傳感器檢測范圍時傳感器所產生的電平變化信號頻率,確定排種系統(tǒng)在第i次排種性能采樣周期內排出的種子數(shù)量及相鄰兩粒種子之間的實際落種時間間隔T1,而此時相鄰兩粒種子間的理論落種時間間隔T2為

(10)

參考GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機試驗方法》,當T1與T2之間關系為0

圖11 排種性能檢測子程序流程圖Fig.11 Seeding performance detection subprogram flowchart

3.2.4人機交互子程序

人機交互子程序主要功能為接收用戶根據(jù)實際作業(yè)情況設置的播種粒距及作業(yè)速度2個作業(yè)參數(shù),并反饋顯示系統(tǒng)實時檢測所得的機具作業(yè)速度及系統(tǒng)排種性能信息。觸摸屏與單片機之間通過串口通訊,具體通訊協(xié)議以6字節(jié)十六進制字符串形式發(fā)送,結構如下

55 55 (1) (2) 0D 0A

55 55為起始標志位,0D 0A為結束標志位

(1):株距

(2):機具作業(yè)速度

子程序流程如圖12所示,單片機緩存器接收來自觸摸屏的數(shù)據(jù)字符串后,主程序通過檢測字符串是否具有起始標志位與結束標志位判斷觸摸屏所傳輸數(shù)據(jù)類型是否正確,若不正確則清空緩存器等待下次傳輸,若正確則提取字符串中十六進制作業(yè)參數(shù)字符信息并轉換為十進制數(shù)值,即可得到播種粒距、作業(yè)速度等參數(shù)。按照相同通訊協(xié)議,即可將播種機實際作業(yè)速度及排種性能信息回傳至觸摸屏顯示。

圖12 人機交互子程序流程圖Fig.12 Human-computer interaction subprogram flowchart

4 臺架試驗

4.1 試驗方法

為測試系統(tǒng)在不同工況下對正負氣壓組合式小粒徑種子排種器排種性能的氣力自適應調節(jié)能力,利用JPS-16型排種性能檢測試驗臺,針對機具作業(yè)速度及排種種子尺寸兩因素開展系統(tǒng)排種性能試驗,試驗裝置如圖13所示。圖中,正負氣壓組合式小粒徑種子排種器固定于試驗臺安裝架上,以試驗臺傳送帶速度模擬機具作業(yè)速度,系統(tǒng)速度信號通過編碼器配合計米輪采集,排種性能信號通過安裝于排種器落種口處的光電傳感器采集,作業(yè)參數(shù)由試驗人員通過觸摸屏輸入。

圖13 系統(tǒng)臺架試驗Fig.13 System bench test1.正負氣壓組合式小粒徑種子排種器 2.光電傳感器 3.單片機 4.觸摸屏 5.測速編碼器

4.1.1系統(tǒng)對機具作業(yè)速度變化的響應

為驗證系統(tǒng)對機具作業(yè)速度變化的氣力自適應情況,開展對比試驗,對照組1采用固定氣壓設定,試驗過程中使排種器工作負壓保持不變,經(jīng)測量目前針對油菜、小白菜等小粒徑種子播種的氣力式播種機氣力系統(tǒng)的工作負壓約為4 000 Pa,故取此定值為4 000 Pa;對照組2采用開環(huán)控制氣壓調節(jié)方法,依據(jù)式(9)使排種器工作負壓保持為對應工作轉速的匹配值;試驗組采用氣力自適應調節(jié)方法,依據(jù)氣力自適應調控策略,結合機具作業(yè)速度及排種性能實時檢測值,動態(tài)調整工作負壓。每組試驗均通過調整試驗臺傳送帶速度模擬機具作業(yè)速度,試驗時排種器工作轉速均根據(jù)傳送帶速度隨速調整,試驗用種子選擇“黑亮蘇州青”商品化種子,播種粒距l(xiāng)取100 mm,設置傳送帶速度為1.8、2.7、3.6、4.5、5.4、6.3、7.2、8.1 km/h共8個水平,根據(jù)式(8)可得對應排種器初始工作轉速分別為6、9、12、15、18、21、24、27 r/min。3組試驗其他因素保持一致,試驗結果由JPS-16型試驗臺檢測,每組試驗重復5次取平均值。

4.1.2系統(tǒng)對排種種子尺寸變化的響應

小粒徑種子品種較多,不同品種種子外形尺寸差異較大,為探究系統(tǒng)對不同尺寸的小粒徑種子氣力自適應調節(jié)情況,選擇3種顆粒尺寸差異較大的小粒徑商品化種子進行對比試驗,分別為“京豐一號”甘藍種子、“黑亮蘇州青”小白菜種子及“白玉2號”小白菜種子。測量3種種子三軸尺寸、千粒質量及種子球度等物理特性,測量結果如表1所示。

表1 試驗種子分級及物理特性參數(shù)Tab.1 Test seed grading and physical characteristic parameters

根據(jù)測量結果可知,3種種子長、寬、厚尺寸均符合正態(tài)分布,種子千粒質量與三軸尺寸呈正相關趨勢。為確定3種種子尺寸等級,采用12～16目篩網(wǎng)篩分3種種子,發(fā)現(xiàn)“京豐一號”種子過篩后集中于12目篩網(wǎng)上(孔徑1.7 mm);“黑亮蘇州青”種子過篩后集中于14目篩網(wǎng)上(孔徑1.43 mm);“白玉2號”種子過篩后集中于16目篩網(wǎng)上(孔徑1.18 mm)。因此,可將3種種子分為大、中、小3個水平,記為A1、A2、A3。

針對3種尺寸種子開展在3種調節(jié)方法下的對比試驗,具體試驗方法與4.1.1節(jié)相同,設定各組試驗傳送帶速度為5.4 km/h,對應排種器工作轉速為18 r/min,試驗結果由JPS-16型試驗臺檢測,每組試驗重復5次取平均值。

4.2 試驗結果與分析

4.2.1系統(tǒng)對機具作業(yè)速度變化的響應結果

正負氣壓組合式小粒徑種子排種器在3種調節(jié)方法下排種性能對機具作業(yè)速度的響應結果如圖14所示。隨著機具作業(yè)速度的增大,開環(huán)控制氣壓調節(jié)和氣力自適應調節(jié)工況下排種器合格指數(shù)均呈平緩遞減趨勢,重播指數(shù)與漏播指數(shù)均呈平緩遞增趨勢;固定氣壓工況下排種器合格指數(shù)呈先增后減趨勢、重播指數(shù)呈遞減趨勢、漏播指數(shù)呈遞增趨勢。相較于固定氣壓,開環(huán)控制氣壓調節(jié)和氣力自適應調節(jié)式合格指數(shù)均出現(xiàn)明顯提升,重播指數(shù)均出現(xiàn)明顯降低,且在機具速度1.8～8.1 km/h下,開環(huán)控制氣壓調節(jié)和氣力自適應調節(jié)式排種合格指數(shù)均能維持在90%以上。

圖14 排種性能隨機具作業(yè)速度的變化曲線Fig.14 Changes of seeding performance with working speed

相較于固定氣壓,氣力自適應調節(jié)合格指數(shù)平均提高10.37個百分點、重播指數(shù)和漏播指數(shù)平均分別降低8.11、2.26個百分點,表明氣力式排種器工作轉速不同時,工作負壓的變化對排種性能的影響顯著,因而設定排種器工作負壓隨工作轉速對應變化,可有效提高排種器排種性能。相較于開環(huán)控制氣壓調節(jié),氣力自適應調節(jié)排種性能仍有較小幅度提升,其中合格指數(shù)平均提高1.53個百分點,重播指數(shù)和漏播指數(shù)分別平均降低0.99、0.55個百分點。分析原因為試驗過程中因試驗臺機械結構誤差、管道氣壓損失等因素,傳送帶速度、風機輸出氣壓存在波動性,加之小粒徑種子對吸種氣壓波動的敏感性,導致在某些時刻開環(huán)控制氣壓調節(jié)工況下排種器工作負壓與理想狀態(tài)仍存在差距,影響排種性能。因此,設定排種器工作負壓隨實時排種性能動態(tài)調整,可進一步提升排種器排種性能。

4.2.2系統(tǒng)對排種種子尺寸變化的響應結果

排種器排種性能隨排種種子尺寸變化的響應結果如表2所示。由表2可知,固定氣壓工況下排種器排種性能受種子尺寸影響顯著,且隨著種子尺寸等級的減小,排種器合格指數(shù)與重播指數(shù)分別有較大幅度的降低和提高。分析原因為當種子尺寸等級減小時,排種器對應最優(yōu)工作負壓范圍隨之減小,而固定氣壓調控方法中工作負壓為4 000 Pa定值,超出A1～A3級種子的最優(yōu)負壓范圍,因此排種器排種性能隨著種子尺寸等級的減小會產生較大幅度降低。

表2 排種性能隨種子尺寸的變化Tab.2 Change of seeding performance with seed size %

開環(huán)控制氣壓調節(jié)工況下排種器排種性能隨種子尺寸等級的減小呈現(xiàn)先增后減趨勢,分析原因為開環(huán)控制氣壓調控方法中所使用的調節(jié)公式是針對A2級種子試驗得出,對于A1級種子排種時工作負壓偏小,因此排種盤漏吸概率較大;對于A3級種子排種時工作負壓偏大,因此排種盤重吸概率較大。

而氣力自適應調控工況下,排種器針對3種尺寸等級種子均能保持較優(yōu)排種性能,相較于固定氣壓工況,合格指數(shù)平均增加7.66個百分點,重播指數(shù)平均減小8.77個百分點,漏播指數(shù)平均增大1.11個百分點;相較于開環(huán)控制氣壓調節(jié)工況,合格指數(shù)平均增加6.15個百分點,重播指數(shù)和漏播指數(shù)分別平均減小2.99、3.17個百分點,表明針對不同尺寸的小粒徑種子,氣力自適應調控方法均能使正負氣壓組合式小粒徑種子排種器保持較優(yōu)的單粒精量排種性能。

5 田間試驗

5.1 試驗裝置

為驗證小粒徑種子氣力自適應排種系統(tǒng)的實際田間作業(yè)性能,本文以排種系統(tǒng)測控硬件為基礎,研制了一種手扶式小粒徑種子電驅動精量播種機并開展田間播種試驗,如圖15所示。此播種機主要由機架、前后輪、驅動裝置、開溝覆土裝置和小粒徑種子氣力自適應排種系統(tǒng)硬件等組成,整機作業(yè)幅寬為1 m,播種行距80～130 mm可調,播種深度0～20 mm可調;結合正常人類行走步速,設置作業(yè)速度調節(jié)范圍為3.2～5.4 km/h,滿足小粒徑種子播種農藝需求。

圖15 小粒徑種子電驅動精量播種機Fig.15 Electric drive precision seeder for small particle size seeds1.前輪 2.機架 3.驅動裝置 4.控制箱 5.正負氣壓組合式小粒徑種子排種器 6.測速編碼器

播種機整體采用48 V鋰電池作為動力源,主控制器、鋰電池、觸摸屏及系統(tǒng)相關硬件驅動器安裝于控制箱內;正負氣壓組合式小粒徑種子排種器固定于機架上,落種口通過導種管分別與光電傳感器和開溝覆土裝置相連;編碼器通過固定件與前輪同軸安裝,隨前輪同步轉動。播種機工作時,用戶需先通過觸摸屏設定播種粒距及作業(yè)速度等作業(yè)參數(shù),系統(tǒng)根據(jù)此參數(shù)控制驅動裝置帶動后輪以相應速度轉動實現(xiàn)播種機以預定作業(yè)速度前進。作業(yè)過程中,系統(tǒng)通過編碼器檢測播種機實時作業(yè)速度,通過光電傳感器檢測排種器實時排種性能,排種器所排出種子經(jīng)光電傳感器檢測后,通過導種管有序落入開溝覆土裝置,一次性完成落種、開溝、覆土工序,實現(xiàn)播種機精量播種。

5.2 試驗方法與結果分析

試驗于2022年3月在湖北省武漢市農業(yè)科學院設施園藝裝備展示區(qū)溫室大棚內進行,播種用地土壤類型為沙壤土,經(jīng)測定土壤含水率均值為15.32%、土壤堅實度均值為278 kPa,試驗前經(jīng)旋耕機進行旋耕、起壟,壟寬、壟高分別為1 600、150 mm。試驗時,選用A2級種子(“黑亮蘇州青”小白菜種子)作為播種對象,設置播種機作業(yè)速度為4.3 km/h、播種行距為130 mm、播種粒距為100 mm、播種深度為10 mm。

播種15 d后,種子出苗效果如圖16所示。參考NY/T 1143—2006《播種機質量評價技術規(guī)范》,隨機選取5個1 m長作業(yè)區(qū)域測量種子出苗情況,測定平均株距為103.3 mm,株距穩(wěn)定性變異系數(shù)為14.27%,各行苗數(shù)一致性變異系數(shù)為7.03%。試驗結果表明,搭載小粒徑種子氣力自適應排種系統(tǒng)的播種機田間作業(yè)性能良好,滿足小粒徑種子精量播種要求。

圖16 田間試驗出苗效果Fig.16 Seedling emergence effect of field sowing test

6 結論

(1)設計了一種小粒徑種子氣力自適應排種系統(tǒng)。該系統(tǒng)以STM32單片機控制為核心處理器,以自主研制正負氣壓組合式小粒徑種子排種器為排種裝置,先通過排種器工作轉速及其匹配工作負壓間的數(shù)學模型,確定風機的初始工作參數(shù),使排種器在初始工作負壓工況下啟動;再結合排種器工作轉速隨速調整和排種性能實時檢測,動態(tài)調整排種器工作負壓,使排種器實際工作負壓趨近于實時工況條件下的最優(yōu)值,實現(xiàn)了小粒徑種子排種系統(tǒng)的氣力自適應校正控制。

(2)利用JPS-16型排種性能檢測試驗臺對比固定氣壓式、開環(huán)控制氣壓調節(jié)式及氣力自適應調節(jié)式3種工況下排種器的排種性能,結果表明,當機具作業(yè)速度為1.8～8.1 km/h、種子千粒質量為2～4 g時,氣力自適應調節(jié)式工況下排種器合格指數(shù)大于92%,漏播指數(shù)小于6%,相較于固定氣壓式和開環(huán)控制氣壓調節(jié)式工況,合格指數(shù)平均分別提高9.02、3.84個百分點,重播指數(shù)平均分別降低8.44、1.99個百分點,漏播指數(shù)平均分別降低0.58、1.86個百分點。

(3)以自主研發(fā)的小粒徑種子電驅動精量播種機為氣力自適應排種系統(tǒng)載體開展田間試驗,結果表明,小粒徑種子氣力自適應排種系統(tǒng)在實際田間作業(yè)過程中對機具作業(yè)速度及排種種子尺寸變化具有良好的適應能力,當設定播種機播種粒距為100 mm時,測得田間出苗平均株距為103.3 mm,株距穩(wěn)定性變異系數(shù)為14.27%,各行苗數(shù)一致性變異系數(shù)為7.03%,田間作業(yè)性能良好。