玉米播種單體下壓力控制系統設計與試驗

付衛強 董建軍 梅鶴波 高娜娜 盧彩云 張俊雄

(1.中國農業大學工學院， 北京 100083； 2.北京農業智能裝備技術研究中心， 北京 100097)

0 引言

播種深度作為玉米播種機播種作業質量的重要指標之一，對玉米產量有非常大的影響[1-2]。播種深度一致性差，會影響出苗整齊度，降低群體密度和整齊度，致使玉米植株在群體內所處的溫度、光照等環境條件不一致，進而影響玉米果穗數和植株干物質的積累，最終造成產量降低[3-10]。免耕播種農田有殘茬、秸稈、雜草等覆蓋，而且土壤緊實度大且不一致，機械式仿形壓力調節機構雖然可以根據經驗調節彈簧位置來進行播種單體下壓力調節，來獲得較好的播種深度一致性，但難以與土壤實際條件匹配，從而影響出苗及根系發育；最重要的是不能實時檢測仿形輪對農田地表壓力并進行自動調節。而主動作用式仿形技術作為一種提高播種深度一致性的重要技術，能實現理想的播種深度一致性和合理的土壤壓實度，該項技術已成為玉米精密播種技術的重點研究內容之一[11-12]。

國外學者對主動作用式仿形技術研究始于20世紀70年代[13]。JENSEN等[14]提出了一種播種深度一致性控制方法：控制器實時采集負載傳感器檢測到的限深輪負載，通過與設定值進行比較計算后驅動調節閥調節驅動裝置在播種單體上施加的向下壓力，從而使開溝深度保持在設定值。WEATHERLY等[15]設計了基于電液比例技術的播種深度控制系統以迅速檢測播前地表的起伏情況，保證播種深度一致性并提高種子的發芽率。SUOMI等[16]研發了一種符合ISO 11783標準的播種深度自動控制系統。國外播種機生產廠商與精準農業技術產品生產商研發了播種單體下壓力調節系統來提高播種深度一致性。例如美國的Precision Planting、AgLeader、John Deere、Dawn Equipment等公司均相應研制了下壓力控制技術產品[17-22]。

國內學者對主動作用式仿形技術的研究始于2009年[23]。中國農業大學李洪文等[24]設計了一種應用于播種深度自控系統的調節裝置。溫麗萍等[25-26]采用超聲波傳感器設計了一種電液自動仿形控制系統，實現精密播種機單體仿形開溝和播種深度的自動控制。趙金輝等[27]設計了基于位移傳感器的播種機開溝深度控制系統。文獻[28-30]提出了一種基于壓電薄膜的免耕播種機播種深度控制系統，控制空氣彈簧產生的推力使播種單體與地表間保持足夠壓力，從而保證播種深度的穩定性。

國內的研究多采用超聲傳感器、壓電傳感器、位移傳感器，可靠性不高，通用性不強。鑒于此，本文開展主動式播種深度一致性控制方法研究，研制基于力反饋的玉米播種單體下壓力控制系統，提高系統的可靠性和通用性。

1 玉米播種單體下壓力控制系統設計

1.1 系統組成與工作原理

下壓力控制系統由平行四連桿、下壓液壓缸、液壓閥組、下壓力感知傳感器、控制器、車載計算機等組成(圖1)。其工作流程如下：在播種作業前通過車載計算機設置下壓力感知傳感器目標閾值，并將目標閾值發送到控制器。在播種作業開始時，車載計算機發送啟動指令到控制器。在播種作業過程中，控制器實時采集下壓力感知傳感器信息，與設定的下壓力感知傳感器目標閾值相比較，計算并輸出控制量到液壓閥組驅動液壓缸實時調整平行四連桿仿形機構，使限深輪與地表的壓力在設定的閾值區間內，從而提高開溝深度的穩定性，進而保證播種深度的穩定性。

圖1 下壓力控制系統示意圖Fig.1 Sketch of downforce control system1.平行四連桿 2.機架 3.下壓液壓缸 4.開溝盤 5.限深輪 6.下壓力感知傳感器 7.限深輪調節裝置 8.鎮壓輪 9.液壓閥組 10.控制器 11.車載計算機

1.2 系統硬件設計

本研究基于現代農裝科技股份有限公司生產的2BQX-6型玉米免耕精密播種機展開。

1.2.1下壓力檢測裝置設計

1.2.1.1下壓力感知傳感器安裝方式設計

下壓力感知傳感器是播種單體下壓力控制實現的關鍵。如圖2所示，限深輪限位銷軸是一個限位軸，自身不轉動，受力穩定，只受垂直于限深輪擺臂方向的反作用力，通過銷軸受力分析能夠清晰地推導出地表對限深輪垂直方向的反作用力。因此傳感器設計成銷軸形式，直接替換限深輪限位銷軸，提高系統的通用性。

圖2 限深輪限位銷軸位置Fig.2 Depth wheel limit pin position

圖3 下壓力感知傳感器的安裝方式Fig.3 Mounting design of downforce sensor

如圖3所示，采用軸銷式力傳感器代替限深輪限位銷軸，力傳感器的一端與傳感器固定板用螺栓緊固，另外一端穿過限位塊銷軸孔用卡簧固定，傳感器固定板通過螺栓固定在機架固定孔上。傳感器固定板主要用來防止傳感器軸向竄動和轉動，保持傳感器受力點不變，便于精確地采集地表對限深輪垂直方向的反作用力。

1.2.1.2傳感器量程計算

玉米播種單體質量mc取值150 kg。在播種作業過程中，播種單體受到地表反作用力。由于微地形變化導致播種單體產生振動，致使下壓力感知傳感器受到播種單體的沖力。假設下壓力感知傳感器受到的沖力為播種單體質量的n倍，則下壓力感知傳感器的量程Frang為

Frang=(1+n)mcgKsafe

(1)

式中mc——玉米播種單體質量，kg

g——重力加速度，9.8 m/s2

Ksafe——安全系數

按一般工程經驗n取2，安全系數Ksafe取1.5，則取整后，下壓力感知傳感器量程Frang為7 000 N。

1.2.1.3下壓力感知傳感器結構設計

受制于銷軸尺寸限制，下壓力感知傳感器外徑Φ取14 mm。根據受力方向和安裝環境以及固定方式，設計軸銷式力傳感器。下壓力感知傳感器機械強度通過MSC Nastran軟件進行仿真校核。下壓力感知傳感器仿真模型選取材料為40Cr調質，其左端固定，右端鉸接，中間兩圓凸處始加7 000 N的力載荷，劃分41 951個四面體網格進行求解計算，結果如圖4所示。仿真結果表明，模型受到的最大應力為524 000 kPa，小于材料的屈服應力735 000 kPa，最小安全系數為1.4，滿足試驗要求。

圖4 下壓力感知傳感器應力分析圖Fig.4 Spacer pin of depth roller

下壓力感知傳感器根據外形尺寸以及量程等參數由蚌埠眾誠傳感器有限公司定做，型號為ZHZX-N13，量程7 000 N，輸出電壓范圍0 ～ 5 V，工作電壓9～36 V DC。將下壓力感知傳感器分別安裝固定在2BQX-6型玉米免耕精密播種機單體上，實際安裝效果如圖5所示。

圖5 下壓力感知傳感器總成與安裝Fig.5 Assembly and mounting of downforce sensor

1.2.1.4下壓力信號采集設備

下壓力感知傳感器與數據采集器連接，數據采集器將下壓力感知傳感器輸出值發送到CAN總線上。通過廣州致遠電子有限公司的USBCAN-Ⅱ模塊將CAN總線數據發送到車載計算機，采用ZLGCAN Test軟件記錄下壓力感知傳感器測量值。

數據采集器采用北京凱商公司的C101控制器，主要參數：6路PWM功率輸出，2路CAN總線接口，8路量程0～5 V DC的10 bit模擬量輸入接口，工作電壓(12/24±1)V DC；編程環境為OpenPCS, 結合SFC語言結構清晰與ST語言靈活的優勢進行混合編程。車載計算機采用新漢VMC1000型車載計算機，具有7英寸觸摸屏，2路RS232接口，1路CAN總線接口，工作電壓9～36 V DC；操作系統為Windows XP Embedded。

1.2.1.5下壓力感知傳感器數據處理

試驗前，將播種機停放在試驗地塊上，拖拉機三點懸掛處于懸浮狀態。旋轉試驗用播種單體播種深度調節手柄來調節力傳感器預緊力，使預緊力保持在20～40 N之間。拖拉機作業速度8～9 km/h。由于軸銷式力傳感器與限深輪為剛性接觸，免耕播種地表情況復雜，傳感器輸出值波動比較大，不能反映下壓力的實際大小。因此需要對力傳感器輸出信號進行濾波處理。下壓力數據曲線如圖6所示。

圖6 下壓力感知傳感器輸出信號曲線Fig.6 Output curves of downforce sensor

由圖6可知，下壓力傳感器原始數據值波動比較大，無法直接用于下壓力控制。采用滑動平均濾波算法對傳感器原始數據濾波后，下壓力曲線較為平滑，對播種機振動干擾抑制效果明顯，可以進行作業控制。

1.2.2液壓缸選型

2BQX-6型玉米免耕精密播種機播種單體約為150 kg。參照播種單體質量，選取下壓液壓缸油缸的型號為HSG 20/40-100，液壓缸無桿腔內徑D為40 mm，液壓缸活塞桿直徑d為20 mm。液壓系統額定壓力ps取10 MPa，則下壓液壓缸產生的最大舉升力Fumax為12.57 kN。下壓液壓缸產生的舉升力完全可以提升播種單體。下壓液壓缸安裝位置如圖7所示。

圖7 下壓液壓缸安裝位置Fig.7 Mounting position of hydraulic cylinder

1.2.3液壓部分設計

液壓部分由比例減壓閥、下壓液壓缸、電磁閥、溢流閥、單向閥等組成。液壓原理圖見圖8。電磁閥電磁鐵得電后系統可以正常工作。此時：

(1)比例減壓閥U電磁鐵和比例減壓閥A、B、C均不得電，播種單體A、B、C均不動作。

(2)比例減壓閥U電磁鐵得電，比例減壓閥A、B、C不得電，下壓液壓缸A、B、C活塞伸出使播種單體A、B、C提升。

(3)比例減壓閥U電磁鐵不得電，比例減壓閥A、B、C分別得電，從而分別控制對應下壓液壓缸活塞收回，播種單體下降。

(4)比例減壓閥U電磁鐵得電，比例減壓閥A、B、C分別得電，由于播種單體自重原因，播種單體不動作。

圖8 下壓力控制系統液壓原理圖Fig.8 Hydraulic schematic of downforce control system1.下壓液壓缸A 2.下壓液壓缸B 3.下壓液壓缸C 4.比例減壓閥A 5.比例減壓閥B 6.比例減壓閥C 7.比例減壓閥U 8.電磁閥 9.溢流閥 10.單向閥 11.油壓傳感器

系統油源直接采用拖拉機后液壓輸出。國產60～67 kW拖拉機后液壓輸出額定流量一般為38 L/min，額定工作壓力12 MPa，安全工作壓力15 MPa。因此，比例減壓閥采用美國HydraForce公司型號為TS90-31的內部先導式比例減壓/溢流閥，額定流量38 L/min，最大先導流量0.85 L/min，可調節壓力范圍0 ～ 13.8 MPa；選用12VDC E型比例電磁鐵[31]。

1.2.4電控部分設計

電控部分由控制器、下壓力感知傳感器和車載計算機組成。其工作流程如圖9，具體如下：車載計算機通過CAN總線將設置的下壓力感知傳感器目標閾值發送到控制器；車載計算機發送啟動指令到控制器，控制器實時采集下壓力感知傳感器信息，與設定的下壓力感知傳感器目標閾值相比較，計算并輸出控制量到液壓閥組驅動液壓缸動作。

圖9 電控系統原理框圖Fig.9 Schematic diagram of control system

1.3 下壓力控制系統軟件設計

1.3.1控制器軟件設計

下壓力控制系統控制器同時控制多個播種單體，僅以單個播種單體控制流程為例進行說明。播種深度一致性控制器軟件工作流程如下(圖10)：

(1)系統初始化。

(2)讀取CAN總線消息，判斷是否為下壓液壓缸控制指令。若為下壓液壓缸控制指令，解析控制指令，控制下壓液壓缸上升、下降或停止，發送響應下壓液壓缸控制指令到CAN總線上。

(3)判斷是否為下壓力參數設置指令。若為下壓力參數設置指令，解析控制指令，設置下壓力目標值、目標值上限值、目標值下限值，發送響應下壓力參數設置指令到CAN總線上。

(4)判斷是否為下壓力控制啟停指令。若為下壓力控制啟停指令，解析控制指令，設置下壓力啟停標志位為對應值，發送響應下壓力控制啟停指令到CAN總線上。

(5)讀取下壓力感知傳感器值和油液壓力值，發送當前值到CAN總線上。

(6)判斷下壓力啟停標志位，若為“啟動”，運行播種深度穩定性控制算法，計算控制量并輸出到控制器功率輸出。否則控制器功率輸出設置為零。

圖10 控制器工作流程圖Fig.10 Flow chart of controller

1.3.2車載計算機軟件設計

車載計算機軟件主要是實現人機交互，其軟件界面如圖11所示。

圖11 軟件界面Fig.11 Software interface of control system

1.4 下壓力控制系統性能測試

將控制器、液壓閥組固定在2BQX-6型玉米免耕精密播種機機架上，將力傳感器、下壓液壓缸安裝固定在播種單體上，將車載計算機安裝在紐荷蘭SNH904型牽引拖拉機上。播種單體下壓力控制系統液壓系統與拖拉機后液壓輸出連接。車載計算機與控制器通過CAN總線連接。試驗時，將廣州致遠電子有限公司的USBCAN數據采集模塊連接到播種單體下壓力控制系統CAN總線上，通過ZLGCANTest 軟件記錄車載計算機發送的控制指令和控制器上報的數據。試驗前，將播種機停放在試驗地塊上，拖拉機三點懸掛處于懸浮狀態。旋轉試驗用播種單體播種深度調節手柄來調節力傳感器預緊力，使預緊力保持在(2 500±10) N之間。

1.4.1系統性能階躍響應測試

選取目標下壓力4 000 N進行階躍響應測試試驗。從階躍響應曲線(圖12)可以看出，系統延遲時間0.34 s，上升時間0.10 s，峰值時間0.68 s，調節時間1.78 s，超調量13.33%，控制誤差2.33%，能滿足一般控制系統控制精度要求。

圖12 下壓力控制系統階躍響應曲線Fig.12 Step response curves of downforce control system

1.4.2系統性能田間動態測試

選取目標下壓力4 000 N分別進行正常作業速度下(5～7 km/h)下壓力控制系統田間測試。圖13為測試曲線。

圖13 正常作業速度下力傳感器輸出曲線Fig.13 Output curves of force sensor at normal operating speed

從圖13可以看出，在播種作業過程中，因地表地形變化等因素影響導致播種單體有向上跳動的趨勢。但是，下壓力與目標下壓力值相一致，表明限深輪保持與地表緊密接觸，播種深度受地形變化影響很小。

對圖13曲線數據進行分析可以得出：濾波處理前，傳感器輸出平均值、標準差和變異系數分別為4 007.5 N、534.4 N、13.34%；濾波處理后，傳感器輸出平均值、標準差和變異系數分別為4 004.8 N、382.0 N、9.54%。采用滑動平均濾波算法對傳感器原始數據濾波后，下壓力曲線較為平滑，對播種機振動干擾抑制效果明顯。

2 田間試驗方法

2.1 播種深度合格率

黃淮海地區夏玉米高產栽培農藝要求玉米播種深度一般為5～6 cm，墑情較好的粘土地一般為4～5 cm。本試驗按照農藝要求，玉米播種深度預設值為5.0 cm，即播種深度理論值h為5.0 cm。根據農業行業標準NY/T 1768—2009《免耕播種機 質量評價技術規范》中規定，本試驗玉米單粒播種深度是否合格的判定標準為h±1.0 cm，即播種深度在4～6 cm之間即為合格。

測試小區長度為4 m，每行選5個測點，在測試小區內均布。在測試點上，垂直切開土層，測定最上層種子的覆土層厚度。

播種深度合格率計算公式為

(2)

式中H——玉米播種深度合格率，%

h1——播種深度合格點數

h0——測定總點數

2.2 播種深度一致性變異系數

播種深度測量值平均值計算公式為

(3)

hi——玉米播種深度測量值，cm

播種深度標準差Sh計算公式為

(4)

式中Sh——播種深度標準差，cm

播種深度一致性變異系數Vh公式為

(5)

式中Vh——播種深度一致性變異系數，%

2.3 播種深度分布情況分析方法

試驗測得播種深度不同測量值hi，以0.1倍理論播深h為間隔分成區段，在h周圍可得到區段[0.9h,h]；[h,1.1h]；等等。

相對頻率計算公式為

(6)

式中Fi——相對頻率，%

ni——播深hi在不同區段出現的頻率

以播種深度測量值hi為橫坐標，相對頻率Fi為縱坐標繪制頻率直方圖進行分析。

3 試驗結果與分析

田間試驗在北京市昌平區小湯山國家精準農業研究示范基地進行。圖14為玉米播種單體下壓力控制系統田間試驗場景。試驗前，調整限深輪使播種深度設定在5 cm。鎮壓輪鎮壓力控制機構共有5個擋位，試驗時均調整到第2個擋位。作業速度采用車載計算機內置GPS模塊測量，測量精度0.1 m/s，輸出頻率1 Hz。計算試驗時的平均值作為作業速度。

圖14 下壓力控制系統田間試驗Fig.14 Field test of downforce control system

試驗分為土壤低緊實度與高緊實度兩種工況。試驗在1號地和2號地2個地塊進行。試驗前每個地塊選取10個測量點，采用浙江托普儀器有限公司的TJSD-750-IV型土壤緊實度測量儀測定每個點位在土壤表面以下5 cm的土壤緊實度。土壤緊實度儀主要參數為測量深度0～375 mm，最大負荷10 000 kPa，分辨率0.1 kPa，測量精度±1%。土壤緊實度測量數據見表1。

表1 土壤緊實度數據Tab.1 Soil compaction data kPa

3.1 不同作業速度下播種深度一致性試驗

在1號地塊進行下壓力電控系統效果測試，除作業速度外，其他參數保持不變。作業速度選低速段(3～4 km/h)、中速段(5～7 km/h)和高速段(8～12 km/h)3個速度段。試驗分別重復3次，試驗數據見表2。可以看出，下壓力電控系統的播種深度合格率最小值為88.89%，滿足行業標準中播種深度合格率大于等于75%的規定。

由表2可以計算得出，低、中、高3種播種作業速度下播種深度合格率均值分別為94.07%、91.11%、90.37%，不同作業速度下播種深度合格率均值差異不大于3.70個百分點，隨作業速度的增加而略有降低。低、中、高3種播種作業速度下播種深度變異系數均值分別為10.33%、12.34%、13.73%，不同作業速度下播種深度變異系數差異不大于3.40個百分點，會隨作業速度的增加而略有增大。

表2 不同作業速度下播種深度一致性試驗數據Tab.2 Test result of consistency of seeding depth at different sowing speeds

由此可以得出，作業速度對電控系統性能影響不大，但隨作業速度的增加而略有降低。

3.2 不同土壤緊實度下播種深度一致性試驗

分別在1號地塊和2號地塊進行下壓力電控系統效果影響的測試。所有參數保持不變。作業速度3～4 km/h，試驗分別重復3次，試驗數據見表3。從表3可以看出，下壓力電控系統的播種深度合格率最小值為93.33%，滿足行業標準中播種深度合格率大于等于75%的規定。

表3 不同土壤緊實度下播深一致性試驗數據Tab.3 Test result of consistency of seeding depth under different soil compactions

由表3可以計算得出，1號地塊和2號地塊的播種深度合格率均值分別為94.07%和94.79%。不同土壤緊實度下播深合格率均值差異不大于0.72 個百分點，隨地塊緊實度的增大而略有降低。1號地塊和2號地塊的播深變異系數均值分別為10.33%、9.22%，不同土壤緊實度下播種深度變異系數差異不大于1.11 個百分點，隨土壤緊實度的增大而略有增加。

由此可以得出，土壤緊實度對下壓力電控系統性能影響不大，但是會隨土壤緊實度的增加而略有降低。

3.3 不同下壓力控制方式播種深度一致性試驗

下壓力電控系統性能測試試驗表明，播種深度合格率高于行業標準要求。為了更好地驗證系統性能，在1號地塊進行了下壓力電控式與機械調節方式的對比試驗。在此試驗中，除了下壓力控制裝置外，其他參數保持一致。作業速度8～9 km/h，播深預設值5 cm。機械調節與電控調節分別重復3次，試驗數據見表4。

表4 不同下壓力控制方式播深一致性對比試驗數據Tab.4 Comparison of consistency of seeding depth by different downforce control methods

從表4可以看出，兩種下壓力調控方式正常播種的播種深度合格率的最小值分別為75.56%和88.89%，滿足行業標準中播種深度合格率大于等于75%的規定。由表4可以計算得出，下壓力機械調控方式和電控調控方式下的播種深度合格率均值分別為77.04%和90.37%。電控調節方式下的播種深度合格率均值比機械調控方式高13.33個百分點。機械調節方式和電控調節方式下的播種深度變異系數均值分別為19.57%、13.73%。下壓力電控調節方式下的播種深度變異系數比機械式低5.84個百分點。

由此可以得出，下壓力電控系統的播種深度一致性明顯優于機械調節方式，且變異系數明顯低于機械調節方式。從圖15可以看出，下壓力電控系統對提高播種質量有重要作用。

圖15 下壓力不同調節方式播種深度分布圖Fig.15 Sowing depth distribution with different downforce adjustment methods

3.4 試驗結果分析

由圖16可以看出，下壓力機械調節方式和下壓力電控調節方式進行正常播種的播種深度合格率均值分別為77.04%和90.37%。將播種深度合格的判定標準提高至±0.5 cm，即播種深度在4.5～5.5 cm之間為合格，則相應的播種深度合格率分別下降為31.11%和56.30%。下壓力控制裝置的播種深度合格率比機械調節方式高25.19個百分點。可見，下壓力電控系統能保持種子播種深度的穩定性，提高種子深度一致性。

圖16 下壓力不同調節方式播種深度頻率直方圖Fig.16 Frequency histograms of sowing depth with different downforce adjustment methods

4 結論

(1)針對機械式仿形壓力調節機構的不足，開展了基于力反饋的播種深度一致性控制方法研究，研制了播種單體下壓力控制系統，實現了播種深度的實時精準控制。

(2)玉米播種單體下壓力控制系統采用下壓力感知傳感器作為反饋，提高了系統的可靠性和通用性。試驗結果表明，作業速度和土壤緊實度對下壓力電控系統性能影響不顯著，但是，下壓力電控系統性能隨作業速度增大和土壤緊實度增加而略有降低。

(3)在播種深度判定標準為(5.0±1.0) cm時，下壓力機械調節方式和下壓力電控調節方式下的播種深度合格率均值分別為77.04%和90.37%，下壓力電控調節方式下的播種深度合格率均值比機械調節方式高13.33個百分點。將播種深度判定標準提高至(5.0±0.5) cm后，對應播種深度合格率分別為31.11%和56.30%，下壓力控制裝置的播種深度合格率比機械調節方式高25.19個百分點。可見，下壓力電控系統能保持種子播種深度的穩定性，提高了種子深度一致性。

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