玉米免耕精密播種機漏播補償系統的研究

陳 剛，孫宜田，孫永佳，沈景新，何青海，李青龍

(山東省農業機械科學研究院，濟南 250100)

0 引言

黃淮海地區在有秸稈覆蓋、根茬殘留的地面進行玉米免耕播種作業時，容易發生漏播。發生漏播需要后期進行人工補苗，既浪費人力，又因錯過最佳播種時間而影響作物生長。

目前，國內外已有對漏播補償的相關研究：張平華[1]基于虛擬儀器進行了漏播檢測及補償技術的研究；朱瑞祥等[2]研制了一種利用超越離合器單向鎖合原理的漏播補種系統。本文研究的漏播補償系統在主排種裝置外增加一套獨立的補種裝置,漏播發生時，控制器根據補種過程各動作時間關系，適時驅動補種機構將待補的種子排出，實現漏播的適時自動補種，同時控制補種系統的排種裝置完成補種區自動充種。

1 系統結構與工作原理

1.1 設計原理

漏播補償系統由補種箱、補種器、補種電機、補種管、電磁閥、控制器、種子檢測傳感器和落種檢測傳感器等組成，如圖1所示。漏播補償系統的補種箱、補種管和電磁閥安裝在主排種裝置的后面，補種管與排種管管口之間的距離可調節，設定距離為ΔL[3，5]。主排種裝置由電動機驅動，通過控制電機轉速的快慢調節播種粒距。

1.主排種裝置 2.排種電機 3.種子檢測傳感器 4.排種管 5.電磁閥 6.補種管 7.落種檢測傳感器 8.補種系統排種裝置 9.補種電機 10.補種箱圖1 漏播補償系統結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of The miss seeding compensation system

漏播補償系統包括狀態檢測裝置和控制機構兩部分。檢測裝置包括種子檢測傳感器和落種檢測傳感器，分別檢測播種和補種狀態信息。控制機構包括控制器、觸摸屏、補種系統排種裝置、補種電機及電磁閥等部件。補種電機采用步進電機，可以精確控制補種系統排種裝置的轉速和轉角。補種系統排種裝置采用自主設計改進的窩眼輪式排種器，該排種器只有1個窩眼，可保證排種器旋轉1周有1粒種子排出。

1.2 漏播補償系統工作原理

漏播補償系統工作過程包括播種狀態判斷、補種動作執行、補種區充種3個過程：①播種狀態判斷。主排種裝置排出的種子由種子檢測傳感器檢測并反饋到控制器，控制器根據兩粒種子實際時間間隔判斷播種狀態。②補種動作執行。漏播發生時，控制器打開補種管下端的電磁閥，電磁閥上面的種子落下，然后關閉電磁閥，補種動作完成。③補種區充種。控制器打開電磁閥的同時驅動補種電機旋轉1周，補種系統排種裝置排出1粒種子落到補種管下端電磁閥上面，種子處于待播狀態。

漏播補償系統各動作時間如圖2所示。種子從主排種裝置排出到落至地面總的下落時間t，種子從主排種裝置排出到種子檢測傳感器的下落時間Δt1，播種狀態判斷時間Δt2，電磁閥打開到種子落到地面時間Δt3，電磁閥動作時間Δt4，補種器開始動作到種子落到電磁閥上的時間間隔Δt5。由理論粒距L(m)、播種機前進速度vm(m/s) 推導出種子從排種器下落的理論時間間隔Δt=L/vm。根據國家標準，種子粒距大于1.5倍理論粒距稱為漏播，種子粒距不大于0.5倍理論粒距為重播，則落種狀態判斷時間Δt2>1.5Δt時判定播種狀態為漏播，Δt2≤0.5Δt時判定播種狀態為重播。由圖2所示：A為播種第N粒種子位置;B為播種第N+ 1粒種子位置;C為播種第N+ 2粒種子位置；P為補種機構補種籽粒位置。漏播發生時B處種子缺失，補種籽粒與第N粒種子距離LAP，滿足0.5L

圖2 漏播補償系統動作時間示意圖Fig.2 Action time schematic of the miss seeding compensation system

理想的補種狀態為補種籽粒與無漏播發生時播種籽粒在同一時刻落到播種位置。正常播種時種子從主排種裝置排出經過種子檢測傳感器檢測區域和排種管落到地面，漏播發生時若要實現理想補種，漏播狀態判斷、電磁閥響應、待補種子落地這3個動作過程必須在種子從通過種子檢測傳感器到落到地面這段時間內完成。當發生連續漏播時，要保證電磁閥動作前其上面有待補種子，補種器動作、種子下落到電磁閥上面必須要和電磁閥打開、補種籽粒落到地面、電磁閥關閉同步完成。該漏播補償系統在不考慮管壁影響、傳感器檢測響應時間及擾動情況下，補種系統完成補種，各動作時間需要滿足條件：①t=Δt1+Δt2+Δt3+Δt4，Δt5=Δt3+Δt4；②補種電機和電磁閥需要在同一時間開始動作。主排種器速度分析如圖3所示。

圖3 主排種器速度分析Fig.3 Speed analysis of main row seeding device

種子從主排種器排出的速度為v可以分解為水平和垂直兩個速度。電磁閥處的種子為自由落體運動。種子從主排種器排種口排出到地面的運動時間t、種子從主排種器排種口排出到種子檢測傳感器的下落時間Δt1，電磁閥打開到種子落到地面時間Δt3，關系式滿足

v=ωr

(1)

vy=vsinα

(2)

(3)

(4)

(5)

式中ω—主排種器排種電機轉速(rad/s)；

r—主排種器排種盤半徑(m)；

H—主排種器排種口到地面距離(m)；

H1—主排種器排種口到種子檢測傳感器距離(m)；

H3—電磁閥到地面距離(m)；

α—主排種器投種角度(rad)。

可以得出

2 漏播補償系統設計

2.1 硬件電路設計

漏播補償系統以XC3S1200E芯片為核心元件構建控制系統，主要由傳感器電路、驅動電路、通訊電路及報警電路等組成，如圖4所示。其中，傳感器電路實現速度、落種狀態等信號的采集；驅動電路包括步進電機控制電路和電磁閥開關電路，主要實現漏播時即時補種和充種；觸摸屏由報警、通訊等電路組成，主要實現參數設置、數據顯示及報警提示。

漏播補償系統播種狀態檢測是補種動作的前提，自主開發的種子檢測傳感器采用陣列式硅光電二極管，監測區域由點陣式變為平面式，種子落入檢測區域，不會產生漏檢。正常播種時，傳感器產生高低電平交替信號，通過檢測高低電平的間隔時間和中斷次數判斷漏播狀態并進行計量。種子檢測傳感器電路如圖5所示[4]。

圖4 漏播補償控制系統結構框圖Fig.4 Structure block diagram of the miss seeding compensation system

圖5 種子檢測傳感器電路圖Fig.5 Circuit diagram of seed detection sensor

2.2 軟件設計

漏播補償系統控制流程圖如圖6所示。

播種作業開始時，首先在觸摸屏上設定播種粒距，將漏播數、重播數、合格數等數據清零。控制器根據種子檢測傳感器反饋的脈沖信號判斷播種狀態，并進行累加計數，當檢測到有漏播現象發生時，控制器開啟電磁閥并驅動補種電機動作，并根據落種檢測傳感器反饋的脈沖信號對補種數進行計量。程序中的電磁閥開關時間、步進電機轉速等參數可以在觸摸屏上設定。連續補種作業時，控制器對漏播次數和補種數行比較運算，當漏播次數與補種數差值大于4時，控制器故障報警。

控制程序采用LabVIEW編寫，步進電機控制程序如圖7所示。

3 漏播補償系統試驗研究

3.1 試驗基本條件

漏播補償系統動作時間t、Δt1、Δt2、Δt3可以根據公式求出，Δt4、Δt5通過控制程序進行調節。為了消除補種動作滯后造成的粒距誤差，實現成功補種，補種管管口與排種管管口之間的距離ΔL調節范圍設定為0.5L～L(L為理論粒距)。

該玉米免耕播種機漏播補償系統在山東兗州市大華農機試驗場進行了田間試驗。該系統安裝在2BYFZ-4型玉米免耕精密播種施肥機上，播種粒距L=20cm，受機械結構限制，補種系統的電磁閥安裝位置距離地面5cm，補種系統排種裝置的出種口距離地面30cm，ΔL=10cm。在大田試驗時，為防止土壤對種子掩埋過深，造成粒距測量困難，將覆土機構卸掉，減少覆土；為防止種子落到地面時因與地面碰撞發生跳動，將開溝深度保持在合理深度，使少量土壤覆蓋種子；為了方便區分播種籽粒和補種籽粒，使用紅色包衣種子作為補種籽粒。

圖6 漏播補償系統控制流程圖Fig.6 Flow chart of the miss seeding compensation system

圖7 步進電機控制程序Fig.7 The control program of stepper motor

3.2 試驗結果

田間試驗分別在機具行進速度為5、6、7km/h 下進行試驗，每檔行進速度進行10次試驗，每次試驗測試距離為30m。試驗中，測出主排種器播種數N、漏播數M、補種數R、補種合格數Q及補種后實際漏播數S。由表1可以看出：播種機行進速度增加，機具漏播率增加，漏播補償系統的補種率和補種成功率減小。試驗數據表明：安裝漏播補償系統后，在5～7km/h速度下機具漏播率分別降低了84.23%、83.12%、78.66%，播種合格率提升至99.47%、99.35%、98.75%，該漏播補償系統補種性能良好。

表1 漏播補償系統田間試驗數據Table 1 Field test data of the miss seeding compensation system

續表1

4 結論

田間試驗表明：安裝本文設計的漏播補償系統后，2BYFZ-4型玉米免耕精密播種施肥機在5～7km/h作業速度下，平均補種率為91.0%，平均補種成功率為90.1%，漏播率平均降低了82.0%。該漏播補償系統具有結構簡單、安裝靈活的特點，若能提高補種電機和電磁閥的響應速度，補種性能將會進一步提升。該系統還需要在不同型號播種機上進行試驗，不斷優化控制參數和系統結構參數，相信該漏播補償系統能夠得到推廣和應用，屆時將大大降低后期補種作業勞動力成本，提高播種作業的質量和效率。