甘蔗橫向種植機補種系統設計與試驗

何永玲 吳 飛 李尚平 劉天翔 玉運發 鄧樟林

(1.北部灣大學機械與船舶工程學院， 欽州 535011； 2.廣西大學機械工程學院， 南寧 530004；3.廣西民族大學信息科學與工程學院， 南寧 530006)

0 引言

甘蔗種植是甘蔗生產過程中勞動強度最大的環節之一，其作業質量直接影響新植蔗或宿根蔗的產量。我國甘蔗種植機研究較為薄弱，因此制約了甘蔗產量的增長[1]。目前，我國生產的甘蔗種植機大多數是實時切種式，其自動化程度低，機種率約36%，輔助排種需要人工多，勞動強度大[2-3]。與人工種植相比，甘蔗機械化種植過程中易出現漏播、排種不均勻現象[4]，作業中常常通過人工補種來降低漏種率，因此加大了人工勞動強度，提高了生產成本等。

目前，國內外對播種監測系統進行了很多研究，如國外應用光電傳感器、激光等方法檢測甜菜、玉米等種子的粒距均勻性。國內利用光電傳感器、高速攝影等方法監測排種情況[5-7]。也有研究設計了補種裝置[8]，但目前對于甘蔗漏種還處于漏種監測與標識的水平。預切種式橫向種植技術采用深種淺覆蓋的方法，其排種的方向與壟溝垂直，具有植株密度合理、出芽率高、產量高、用種少的特點，有利于甘蔗抗倒伏和宜于甘蔗芽出苗。

本文針對其種植密度均勻性差、人工補種的勞動強度大、生產效率低等問題，從提高補種準確性和補種穩定性出發，提出在甘蔗橫向種植機上加裝一套補種裝置和控制系統，以實現橫向種植機的實時補種。該系統采用分級傳動方式，通過對補種裝置的充種、儲種、供種、護種及投種過程分析和試驗探討，以期達到連續供種和連續補種的目的。

1 結構與工作原理

1.1 種植機整體結構

甘蔗橫向種植機主要由開溝器、機架、傾倒裝置、鏈式播種器、補種裝置、輔助輪、覆土機構、地輪、施肥機構等組成。橫向種植機整體結構如圖1所示。

圖1 橫向種植機整體結構圖Fig.1 Overall structure diagram of transverse planter1.開溝器 2.機架 3.傾倒裝置 4.鏈式播種器與集蔗箱 5.補種裝置 6.輔助輪 7.覆土機構 8.地輪 9.施肥機構 10.蔗種落點 11.導蔗槽

圖2 試驗樣機結構示意圖Fig.2 Schematic of test prototype structure1.導蔗板 2.蔗種 3.集蔗箱 4.傾倒裝置 5.補種裝置 6.播種器輸送帶1 7.播種器輸送帶2

1.2 整機工作原理

如圖2所示，工作時，拖拉機牽引種植機作業，由地輪轉動為播種器和施肥機構提供動力。將已裝框的蔗種通過傾倒裝置有序倒入集蔗槽中，兩側均有12框蔗種，可連續供種到集蔗箱中，再通過鏈式播種器連續有序地提升傳送進行播種。補種系統安裝在鏈式播種器的傳送鏈上方，當發現有漏種情況，補種裝置立即進行實時補種，同時由單獨的供種箱向補種裝置供種，使其連續作業，蔗種最終通過鏈式播種器將蔗種導出橫向掉落到開溝器開好的溝中。然后利用施肥機構進行施肥，覆土機構進行最后覆土，完成蔗種種植過程。

1.3 補種裝置結構

基于農藝要求設計了具有有序排種、連續供種和及時精確補種功能的輥槽式補種裝置，該裝置主要由補種箱、提升機構、儲蔗槽、補種輥耙、漏種檢測裝置、導流板、機架等組成，輥耙式甘蔗補種裝置結構示意圖如圖3所示。

圖3 輥耙式甘蔗補種裝置結構示意圖Fig.3 Structural schematic of rake-roller sugarcane replanting device1.漏種檢測裝置 2.蔗種 3.提升機構 4.補種箱 5.半圓槽 6.補種輥耙 7.導流板 8.余量不足檢測裝置 9.儲蔗槽 10.支架 Ⅰ.充種區 Ⅱ.儲種區 Ⅲ.供種區 Ⅳ.護種區 Ⅴ.投種區

1.4 補種裝置工作原理

工作時，采用分級傳動控制，由供種過程和補種過程組成。①供種過程：當儲蔗槽中蔗種余量不足時，余量不足檢測裝置將檢測的信號傳給控制器，控制提升機構動作，及時將蔗種從補種箱里斜向上輸送，當鏈槽越過最高點時，蔗種不再受鏈槽支持力，只受重力作用，蔗種做類平拋運動掉入到儲蔗槽中，完成對補種輥耙的供種過程。②補種過程：當漏種檢測裝置檢測發現播種器傳送帶的鏈槽中出現漏種，將信號傳至單片機，單片機輸出PWM脈沖信號控制補種輥耙工作，蔗種在離開導流板瞬間做近似斜拋運動完成投種過程，即完成補種過程。

當補種箱內蔗種余量不足時，報警電路發出報警，提醒工作人員對補種箱蔗種進行補給。在整個補種過程中，由于提升機構的有序排種，儲蔗槽的有序儲蔗以及補種輥耙的準確補種，補種裝置實現了不堵蔗、不卡蔗，實現了連續和準確補種的功能。

2 關鍵部件設計與分析

2.1 充種過程分析

充種過程中，提升機構做角速度為ω(rad/s)的旋轉運動，底層蔗種隨著機構有序地從補種箱中提升，提升機構的半圓槽在提升過程中依次將蔗種充入槽內。經反復試驗提升機構與水平面夾角θ取55.3°較合適，既可滿足將甘蔗提起又能保證一個槽只有一根蔗種[9]。

當提升機構工作時，蔗種的充種過程分析如圖4所示。

圖4 充種過程分析圖Fig.4 Stress analysis diagram of sugarcane species

由圖4蔗種受力分析可得

Gsinθ=F1cosα

(1)

Gcosθ=F1sinα

(2)

式中G——蔗種重力，N

F1——半圓槽對蔗種的支持力， N

α——F1與提升斜面的夾角，(°)

由式(1)、(2)可知，在提升機構勻速提升過程中，半圓槽對蔗種的支持力F1一直存在，其隨著提升位置改變而改變，但蔗種始終保持相對平衡的狀態。

當蔗種通過提升鏈送至儲種區時，由于蔗種從半圓槽中轉出時僅受自身重力和傳送帶的離心力作用，蔗種所受的向心力不足以維持蔗種在槽內的穩定狀態，因此蔗種沿半圓槽斜面切線滑出，蔗種按照斜拋運動被拋出，落入儲蔗槽中，完成儲蔗過程[10]。其儲蔗過程分析如圖5所示。

圖5 儲蔗過程分析圖Fig.5 Analysis diagram of sugarcane storage process

2.2 補種輥耙設計

2.2.1輥槽截面形狀

輥槽形狀和尺寸受蔗種品種、尺寸、形狀等的影響。本文選取半年蔗蔗種，按照雙蔗芽蔗種要求進行預切種，經測量蔗種直徑為25～30 mm，長度380 mm左右，蔗種形狀近似圓柱體，有微小的彎曲變形，根據蔗種的形狀特征將槽型定為近似矩形(如圖6所示)。

圖6 補種輥耙結構示意圖Fig.6 Schematic of replanting roller rake structure

本研究選用有助于順利供種和減輕供種過程中儲蔗槽對蔗種損傷的矩形形狀槽型，其一側帶有圓弧倒角，將儲蔗槽對蔗種的力有效地分解掉，同時蔗種在此過程中發生滾動從而保護了蔗種不被損傷。根據控制設計要求，每個輥槽中只能存放一根蔗種，輥槽寬度b和高度h須滿足[11]

(3)

式中dmax——蔗種最大直徑，mm

k——蔗種撓度補償系數，mm

通過抽取150 kg甘蔗樣品得到甘蔗最大直徑dmax≈35 mm，dmin≈20 mm。考慮到蔗種撓度且預切種時已對蔗種挑選過，k≤0.1dmax，取3.5 mm。由式(3)計算得35 mm

2.2.2輥耙直徑

排種輪直徑的設計也尤為重要，設計得較大會導致排種器及其他部件增大;設計得太小會導致供種的困難。因此，排種輪直徑設計時，既要滿足種子良好的填充性能，又要保證相對緊湊合理的部件結構，考慮到補種輥耙上應同時有4個槽儲備蔗種的要求，根據蔗種平均直徑計算，本研究補種輥耙直徑初定為200 mm[12]。

2.3 供種過程分析

當補種輥耙工作時，儲蔗槽中的蔗種沿輥耙的曲面滾動到輥槽中完成供種過程[13]。供種過程分析如圖7所示。

圖7 供種過程分析圖Fig.7 Analysis diagram of seed supply process

蔗種在儲蔗槽中的受力情況如下

G+F4cosβ=F3cosγ

(4)

f+F3sinγ+F4sinβ=F2

(5)

式中F2——儲蔗槽對蔗種的作用力，N

F3——輥耙對蔗種的彈力，N

F4——蔗種間相互作用力，N

f——輥槽對蔗種的摩擦力，N

β——蔗種之間的作用力方向與豎直方向的夾角，(°)

γ——蔗種對補種輥耙的彈力方向與豎直方向的夾角，(°)

隨著輥耙的轉動，蔗種沿輥耙槽的圓弧曲面滾動，同時F2也隨之變化，最后落入到輥槽中完成供種過程。

2.4 護種過程分析

當補種輥耙工作時，輥槽中的蔗種做圓周運動完成護種過程，避免過多的蔗種落入，確保補種的精確性。蔗種在補種輥槽中的受力分析如圖8所示。

圖8 護種過程分析圖Fig.8 Analysis diagram of seed protection process

蔗種在輥槽中受力分析為

Gsinη=F5

(6)

(7)

式中F5——補種輥槽對蔗種的彈力，N

F6——導流板對蔗種的支持力，N

F——提供蔗種做圓周運動的向心力，N

η——向心力方向與豎直方向的夾角，(°)

v——補種輥耙的轉動線速度，m/s

m——蔗種質量，kg

R——補種輥耙半徑，mm

2.5 投種過程分析

對投種過程中蔗種進行運動學分析，蔗種在輥耙中做轉速為n的旋轉運動，蔗種在離開導流板瞬間，只受重力作用，使蔗種沿導流板切線方向以初速度v1做斜拋運動[14]，其投種運動過程分析如圖9所示。

圖9 投種過程分析圖Fig.9 Analysis diagram of seed feeding process

在忽略空氣阻力影響下，對投種臨界位置進行速度分析，受輥耙切向力的作用，蔗種經導流板投出的初速度為v1=2πRn。速度為

(8)

在重力作用下蔗種的運動軌跡為

(9)

將式(8)代入式(9)可得蔗種絕對運動軌跡為

(10)

式中x——正面水平方向位移，mm

y——側面豎直方向位移，mm

g——重力加速度，m/s2

φ——蔗種經導流板投出的速度方向與水平方向的夾角，(°)

t0——蔗種投送運動時間，s

v1x——投種速度水平方向分量，m/s

v1y——投種速度豎直方向分量，m/s

2.6 輥耙補種過程仿真分析

利用SoildWorks建立模型導入ADAMS中，仿真模型如圖10所示。研究蔗種在輥耙儲蔗槽和導流板作用下的受力情況及軌跡變化[15]，位移-時間變化曲線如圖11所示，加速度-時間變化曲線如圖12所示。

圖10 輥耙補種過程仿真模型Fig.10 Simulation model of roller rake replenishment process1.播種器輸送帶 2.補種輥耙 3.儲蔗槽 4.導流板 5.蔗種

圖11 位移-時間變化曲線Fig.11 Changing curve of displacement with time

圖12 加速度-時間變化曲線Fig.12 Changing curve of acceleration with time

圖11中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ分別代表供種、護種和投種過程，由圖12可分析出，0.8～2.3 s時間段內，蔗種在輥耙槽的圓弧曲面滾動完成供種過程對應的合力由大變小，將集中力通過圓弧曲面分解，同時將蔗種耙入槽內，有效解決了卡蔗和堵蔗問題，仿真情況與理論分析一致，說明該補種結構設計合理。

3 補種控制系統設計

3.1 漏種檢測系統組成與檢測原理

控制系統以AT89C52單片機為控制中心，由電源模塊、光電檢測、中央處理單元、補種模塊、數碼管顯示模塊、蜂鳴報警模塊等構成，補種控制系統硬件結構框圖如圖13所示。

圖13 補種控制系統硬件結構框圖Fig.13 Hardware structure block diagram of replenishment control system

其中，光電檢測部分采用對射型激光傳感器。該傳感器的工作原理為：對射型光電傳感器將光源發射器與接收器相對放置，工作時光線正常導通，當光線被遮擋時,接收器在未收到光線時輸出信號[16]。當蔗種播種傳送帶正常工作時，光電傳感器檢測鏈槽中有無蔗種，將光照強度的變化轉換成電信號[17]，當鏈槽中有蔗種時傳感器輸出高電平，反之，傳感器輸出低電平，單片機判斷該鏈槽漏種。根據實際需要本設計采用E3F-5DN1 NPN型激光傳感器，補種檢測控制裝置實物圖如圖14所示。

圖14 補種檢測控制裝置實物圖Fig.14 Physical map of replenishment testing1.鏈槽 2.激光傳感器 3.鏈槽孔 4.蔗種

3.2 自動供種原理

當儲蔗槽里蔗種不足時傳感器輸出低電平信號，單片機判斷該儲蔗槽余量不足，驅動供種電機動作，將預先切好的蔗種通過提升鏈槽傳送到儲蔗槽中，保證補種動作的正常進行，儲蔗槽余量檢測示意圖如圖15所示。

圖15 供種檢測示意圖Fig.15 Replanting detection diagram1.提升鏈槽 2、6.蔗種 3.供種電機 4.激光傳感器 5.儲蔗槽

3.3 自動補種原理

補種試驗過程中，設從傳感器位置到輥耙將蔗種導出投落到鏈槽的位置為S(m)；蔗種通過輥槽轉動1/N周掉落到鏈槽中，播種器輸送帶1的速度為v0(m/s)，則延時時間為t2(s)，計算式為

(11)

式中t1——完成一次補種所用時間，s

t——從檢測到漏種信號到補種完成所用時間，s

圖16 單片機與外圍電路連接電路Fig.16 Connecting circuit between single chip microcomputer and peripheral circuit

T——補種輥耙轉動周期，s

N——補種輥耙槽數

3.4 硬件設計

控制系統中，單片機系統模塊主要由單片機和外圍電路組成。單片機作為該控制系統的主核心芯片，對傳感器采集的信息具有處理分析的功能。AT89C52是一款高性能CMOS 8位單片機，4k字節FLASH閃速存儲器，128字節內部RAM，32個I/O口線，2個16位定時/計數器，1個5向量兩級中斷結構，1個全雙工串行通信口，片內振蕩器及時鐘電路[18]。其外圍電路主要包括外部時鐘電路、復位電路、電機驅動模塊及步進電機等。單片機與外圍電路連接圖如圖16所示。

3.5 軟件設計

補種系統的控制部分主要依靠激光傳感器監測鏈槽漏種情況，在發生漏播時，步進電機啟動開始執行補種作業，在集蔗槽出現余量不足時，步進電機執行供種作業，在集蔗箱余量不足時進行報警通知，相應的補種控制流程如圖17所示。

圖17 補種控制流程圖Fig.17 Flow chart of supplementary control

4 臺架試驗與結果分析

4.1 補種試驗臺

本試驗主要是對蔗種補種系統的補種性能進行檢測，建立試驗平臺對系統進行試驗，并測試其相關技術指標[19]。補種試驗臺實物圖如圖18所示。

圖18 補種試驗臺實物圖Fig.18 Physical photo of replenishment test-bed1.計算機 2.播種器 3.單片機控制系統 4.補種裝置 5.示波器 6.電機 7.電機變頻器

在試驗過程中，補種裝置固定在機架上，播種器輸送帶逆時針轉動完成排種動作，通過攝像裝置進行實時檢測并采集數據，以實現準確測量各項性能指標。

4.2 試驗內容與方法

試驗材料為提前切好的蔗種段，放入蔗種框中，每框平均75根，將每框蔗種通過傾倒裝置倒入播種器集蔗箱中進行排種，在播種器排種株距保持在30 cm內的情況下，當排種過程中出現漏種時進行補種試驗，每次試驗重復3次。播種器的輸送帶用電機模擬拖拉機的5個速度擋位，對應播種器輸送帶的5個行進速度。自主設計自動補種試驗裝置并搭建試驗平臺，以此為基礎進行試驗研究。試驗選取行進速度x1和補種輥槽數x2兩個因素，根據拖拉機行進擋位要求，確定影響因素取值范圍為3～8 km/h、補種輥耙槽數2～10個，以補種成功率、重置率為指標。試驗采用二因素五水平二次旋轉正交組合設計試驗。

補種成功率：在種植過程中，用攝像裝置記錄漏種(排種器輸送帶上的鏈槽中沒有蔗種)次數和補種次數，補種成功率則為補種成功次數與漏種次數比值。每種試驗重復3次，取平均值。其計算公式為

(12)

式中y1——補種成功率

n1——補種成功次數

H——漏種次數

重置率：在種植過程中，用攝像裝置記錄重置(排種器輸送帶上鏈槽中多補的蔗種)次數，重置率則為重置次數與每次試驗所用蔗種的根數百分比。每種試驗重復3次，取平均值。其計算公式為

(13)

式中y2——重置率n2——重置次數

M——每次試驗所用蔗種的根數

4.3 多因素試驗及結果分析

4.3.1試驗方案及結果

根據單因素試驗研究結果，進一步研究補種輥槽數和行進速度兩因素組合對補種裝置補種性能的影響。固定提升電機轉速為12.9 r/min,補種電機轉速為12.9 r/min，補種軸高度為215 mm時[20-21]，試驗因素編碼如表1所示(表中x2取值為圓整結果)，試驗方案與結果如表2所示。

表1 試驗因素編碼Tab.1 Coding of experimental factors

根據正交旋轉試驗所得的結果以及方差分析(表3)得，Fx1=216.46>F0.05(1，10)=4.96，P<0.01；由表3可得，Fx2=68.49>F0.05(1，10)=4.96，P<0.01。由此可知行進速度對補種成功率的影響為極顯著，補種輥槽數對補種成功率的影響為極顯著。

4.3.2兩因素交互作用對性能指標的影響

通過Design-Expert 8.0.6軟件對數據進行處理，得出行進速度和補種輥槽數對補種成功率和重置率的響應曲面如圖19所示。

由圖19a可知，當補種輥槽數一定時，隨著行進速度的增大，補種成功率呈現降低的趨勢；當行進速度一定時，隨著補種輥槽數的增加，補種成功率顯現上升的趨勢。補種成功率最大值出現在行進速度為3.0 km/h處、補種輥槽數為10個處，行進速度對補種成功率的影響大于補種輥槽數的影響。

表2 試驗方案與結果Tab.2 Test plan and experimental result

表3 補種成功率方差分析Tab.3 Variance analysis of success rate of replenishment

注：P<0.01表示差異極顯著；0.01≤P≤0.05表示差異顯著,下同。

圖19 雙因素響應曲面Fig.19 Two-factor response surface

圖19b為重置率的雙因素響應曲面。當補種輥槽數一定時，隨著行進速度的增大，重置率呈現增加的趨勢；當行進速度一定時，隨著補種輥槽數的增加，重置率呈現緩慢增加的趨勢，但是變化幅度較小。重置率最小值出現在行進速度為3 km/h、補種輥槽數為2個處，補種輥槽數對重置率無顯著性影響，行進速度對重置率有顯著性影響。

4.3.3驗證分析及其優化

由Excel軟件對全部試驗數據進行二元二次回歸分析可得回歸方程模型

(14)

由表4可知，行進速度對重置率影響顯著(P<0.01)，其他項對重置率影響不顯著(P>0.01)，故剔除其他項后的方程為

y2=-3.58+1.758x1 (15)

由Excel規劃求解求得最優解：行進速度為3 km/h、補種輥槽數為10個，得補種成功率為93.97%，重置率為1.69%，與圖19所得分析結果一致。

5 結論

(1)結合設計的甘蔗橫向種植機，設計了一套基于51單片機控制的甘蔗實時補種系統，設計了分級傳動的實時補種裝置，通過光電傳感器的實時檢測和單片機控制，可實現漏種檢測，并對甘蔗種植過程進行實時補種。

(2)以行進速度和補種輥槽數為試驗因素，以補種成功率和重置率為補種性能指標，進行了二因素五水平正交旋轉組合試驗。試驗結果表明，行進速度對補種成功率的影響極顯著，補種輥槽數對補種成功率影響極顯著；當行進速度為3 km/h、補種輥槽數為10個時，補種成功率為93.97%，重置率為1.69%。

(3)試驗表明，僅通過播種器很難實現精準播種，而運用機電結合的方式可以較好地解決蔗種漏種的問題，實現漏種檢測和實時補種，從而提高甘蔗的播種率。