基于紅外檢測技術(shù)的精播機設(shè)計

師曉琳

(河南輕工職業(yè)學(xué)院,鄭州 450000)

0 引言

株距對于植株健康生長至關(guān)重要。株距過大,造成土地資源浪費,單位面積產(chǎn)量下降,直接影響農(nóng)民收入[1-2];株距過密,葉片相互遮蓋,造成下層葉片無法充分進(jìn)行光合作用[3-4],導(dǎo)致植物的莖稈和葉片快速伸長,分枝減少,提前開花,進(jìn)而造成產(chǎn)量降低。因此,適當(dāng)?shù)淖魑锓N植間距對于提高作物品質(zhì)至關(guān)重要[5-6]。目前,主流精播機可以做到定間距精準(zhǔn)播種,但改變播種間距的過程相對復(fù)雜,需要人工干預(yù),同時對于播種間距缺乏有效的監(jiān)控,整個系統(tǒng)為開環(huán)控制[7-8]。本系統(tǒng)利用曲柄搖桿機構(gòu)設(shè)計變量播種器,并實現(xiàn)自動控制,采用紅外檢測系統(tǒng)實時監(jiān)控實際播種間距[9],并指導(dǎo)變量播種器調(diào)整傳動比,形成閉環(huán)控制系統(tǒng),實現(xiàn)高精度的變間距播種。

1 系統(tǒng)組成

為了實現(xiàn)可變播種間距,設(shè)計了精播機系統(tǒng),結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中,牽引架和拖拉機相連接,提供前進(jìn)動力;地輪與土壤接觸,負(fù)責(zé)提供播種驅(qū)動力。地輪的動力輸入軸通過鏈傳動和動力傳動軸相連,傳動比為irc;動力傳動軸采用鏈傳動和變量播種器輸入軸相連,傳動為icd;變量播種器輸出軸和動力輸出軸采用鏈傳動相連,傳動比為idc;動力輸出軸和排種軸采用鏈傳動相連,傳動比為icp。變量播種器傳動比id可以調(diào)節(jié),實現(xiàn)動力輸入軸到排種軸的總傳動比irp改變,進(jìn)而改變播種間距l(xiāng)。紅外檢測器位于排種器下方,當(dāng)有種子下落時記錄相鄰兩種子下落的時間間隔Δt,結(jié)合播種機前進(jìn)速度計算紅外檢測播種間距,進(jìn)而控制變量播種器改變傳動比,調(diào)整播種間距。

1.牽引架 2.排種器 3.紅外檢測器 4.地輪 5.動力輸入軸 6.動力傳動軸 7.變量播種器 8.動力輸出軸圖1 系統(tǒng)組成Fig.1 Structure of system

2 變量播種系統(tǒng)

依據(jù)土壤等環(huán)境因素,合理調(diào)整播種間距,可以有效改善植物的生長情況。系統(tǒng)采用曲柄搖桿機構(gòu),設(shè)計調(diào)試機構(gòu);通過步進(jìn)電機帶動絲桿,調(diào)整曲柄桿長改變變量播種器傳動比,進(jìn)而實現(xiàn)播種間距的改變;采用試驗法,建立傳動比與播種間距的模型、絲杠角位移和播種間距的模型;最后,采用油菜作為樣本,探究播種間距對于油菜品質(zhì)的影響。

2.1 變量播種器設(shè)計

變株距播種系統(tǒng)通過地輪與土壤純摩擦獲得前進(jìn)速度v,同時為播種軸提供動力;變量播種器改變地輪到播種軸之間的傳動比,進(jìn)而改變播種株距。變量播種器基于曲柄搖桿機構(gòu)進(jìn)行設(shè)計,其原理如圖2所示。

圖2 變量播種器設(shè)計Fig.2 Design of variable seeder

圖2中,動力從曲柄端輸入,輸出軸為搖桿中心D,整個系統(tǒng)由4組均布曲柄搖桿組成。搖桿擺角β大于超越離合器動力輸出角度,當(dāng)動力輸入軸處于勻速轉(zhuǎn)動時,第1組曲柄擺桿中搖桿擺角增長到超越離合器動力輸出角時,下一組曲柄搖桿開始工作,實現(xiàn)動力的不間斷輸出。變量播種器通過步進(jìn)電機帶動絲桿,改變B點位置,進(jìn)而改變曲柄長度,實現(xiàn)變量播種器傳動比的改變。

當(dāng)輸入軸轉(zhuǎn)動1周時,輸出軸轉(zhuǎn)動1個搖桿擺角β,則整個變量播種器傳動比id如式(1)所示。改變曲柄r長度,進(jìn)而改變搖桿擺角β,實現(xiàn)變速。

(1)

整個傳動系統(tǒng)工作過程為:動力傳動軸采用鏈傳動與動力傳動軸相連,傳動比為irc;動力傳動軸采用鏈傳動和變量播種器輸入軸相連,傳動為icd;經(jīng)過變量播種器傳動比為id,和動力輸出軸相連,傳動比為idc;動力輸出軸采用鏈傳動和排種軸連接,傳動比為icp,則該系統(tǒng)總傳動比irp如式(2)所示。其中,n0為地輪轉(zhuǎn)速;np為排種軸轉(zhuǎn)速。

(2)

當(dāng)播種機前進(jìn)速度為v時,地輪轉(zhuǎn)速n0與前進(jìn)速度v之間的關(guān)系如式(3)所示。其中,速度v單位為km/h;n0單位為r/min;D為地輪直徑,則排種軸轉(zhuǎn)速如式(4)所示,播種間距l(xiāng)如式(5)所示。其中,c為排種器上一周分布的排種孔個數(shù)。由式(5)可知,播種間距l(xiāng)和變量播種器傳動比id呈線性關(guān)系。

(3)

(4)

(5)

2.2 變量播種系統(tǒng)標(biāo)定

由式(5)可知:通過改變變量播種器的傳動比id,即可實現(xiàn)對于播種間距的調(diào)整。變量播種器的傳動比id調(diào)整方法如下:①變量播種器控制步進(jìn)電機帶動絲桿轉(zhuǎn)動,實現(xiàn)滑塊位置的改變;②滑塊位置的改變造成曲柄長度發(fā)生變化,柄搖桿機構(gòu)中曲柄長度改變會造成搖桿擺角β改變,從而實現(xiàn)傳動比id改變。因此,本系統(tǒng)通過控制步進(jìn)電機角位移實現(xiàn)對于播種間距l(xiāng)的控制。現(xiàn)對系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定,建立播種間距l(xiāng)和傳動比id之間的模型,進(jìn)而建立步進(jìn)電機角位移φ與播種間距l(xiāng)之間的模型。

利用變量播種機進(jìn)行變間距播種作業(yè),探究播種間距l(xiāng)和變量播種器傳動比id之間的關(guān)系;變量播種器通過步進(jìn)電機帶動絲杠轉(zhuǎn)動改變傳動比id,進(jìn)而改變播種間距l(xiāng),探究步進(jìn)電機角位移和播種間距之間的關(guān)系。實地測試得到播種間距l(xiāng)及其對應(yīng)的傳動比id數(shù)據(jù)如圖3所示。對數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合,結(jié)果如式(6)所示,線性決定系數(shù)R2達(dá)到0.99。

圖3 變量播種系統(tǒng)標(biāo)定Fig.3 The calibration for variable seeding system

id=0.57l

(6)

步進(jìn)電機角位移φ和播種間距之間的關(guān)系如圖3中圓點數(shù)據(jù)所示,呈多項式分布特點。對其進(jìn)行二次多項式擬合,結(jié)果如式(7)所示。其擬合決定系數(shù)R2=0.98,表明該模型具有較強的可靠性。

φ=0.1336l2-47.08l+4521.8

(7)

2.3 種植密度對于作物品質(zhì)的影響

植株播種間距決定種植密度。當(dāng)植株密度過小時,會造成土地資源浪費;過大時,會造成通風(fēng)透光不足,植株下部葉片相互遮擋,光合作用變差,且由于通風(fēng)性能變差,呼吸作用變?nèi)?導(dǎo)致病蟲害高發(fā)。因此,適當(dāng)?shù)姆N植密度對于作物生長至關(guān)重要。現(xiàn)以榨油用油菜為例,探究種植密度對于植株生長的影響。菜籽油油品評價關(guān)鍵指標(biāo)包括含油量、芥酸含量和硫代葡萄糖苷[10- 11]。其含油量越高,油菜品質(zhì)越好;芥酸過多會引起血管壁增厚和心肌脂肪沉積,不利于人體健康;硫代葡萄糖苷具有調(diào)整內(nèi)分泌和防癌癥作用,現(xiàn)以含油量、芥酸含量和硫代葡萄糖來苷表征油菜品質(zhì)[12]。

不同種植密度的油菜品質(zhì)如圖4所示。設(shè)置種植密度區(qū)間為10萬～45萬株/hm2。其中,含油量隨著種植密度的提高呈現(xiàn)出先升高后下降趨勢:在10萬～25萬株/hm2時,隨著種植密度的提高,含油量呈升高趨勢;在25萬株/hm2時,含油量達(dá)到39.52%。芥酸含量隨著種植密度增長呈現(xiàn)先升高后小幅下降再繼續(xù)升高的趨勢,分布區(qū)間為17.8%～19.7%。硫代葡萄糖苷隨著種植密度升高整體呈現(xiàn)下降趨勢:在10萬～25萬株/hm2時,緩慢下降;在30萬～35萬株/hm2時,出現(xiàn)小幅上升;在35萬～45萬株/hm2時,含量快速下降。綜合考慮3種物質(zhì)隨種植密度的變化趨勢,認(rèn)定20萬～25萬株/hm2為油菜最適宜種植密度,其含油量為39.21%～39.52%,芥酸含量為18.57%～18.51%,硫代葡萄糖苷含量為18.97%～18.67μmol/g。

圖4 種植密度對于植株生長影響Fig.4 The planting density effect on plant growth

3 紅外檢測系統(tǒng)

變量播種器通過改變傳動比id,進(jìn)而改變地輪到排種軸的總傳動比irp,實現(xiàn)播種間距的調(diào)整。為了實現(xiàn)對播種間距的有效監(jiān)控,設(shè)計了紅外檢測系統(tǒng),檢測種子下落時間間隔Δt,以實現(xiàn)對播種間距的監(jiān)控。

監(jiān)控系統(tǒng)采用紅外檢測技術(shù),紅外二極管和接收器相對布置,種子下落過程擋住紅外光,此時接收器產(chǎn)生低電平[13-14]。檢測相鄰兩個低電平之間的時間間隔Δt,結(jié)合播種機前進(jìn)速度v,即可計算出播種間距l(xiāng),即

l=Δt·v

(8)

采用1組紅外檢測器時,當(dāng)兩個種子水平下落時,紅外檢測只輸出1個低電平,會造成下落種子漏檢。因此,分別采用1～3組紅外檢測器,對500粒種子進(jìn)行4組重復(fù)測試,計算1～3組紅外傳感器對應(yīng)的準(zhǔn)確率,進(jìn)而確定選用紅外檢測器組數(shù),結(jié)果如圖5所示。當(dāng)采用1組紅外檢測器時,4組重復(fù)測試實驗識別準(zhǔn)確率分布區(qū)間為90%～91%;采用兩組組紅外檢測器時,4組重復(fù)測試實驗識別準(zhǔn)確率分布區(qū)間為97%～99%;采用3組組組紅外檢測器時,4組重復(fù)測試實驗識別準(zhǔn)確率分布區(qū)間為98%～99%。由圖5可知:采用兩組紅外檢測器和采用3組紅外檢測識別準(zhǔn)確率差異不大。因此,選用兩組紅外檢測器,作為本系統(tǒng)的播種間距檢測裝置。

圖5 紅外傳感器數(shù)量對于識別準(zhǔn)確性影響Fig.5 The influence of the infrared sensors number for recognition accuracy

4 系統(tǒng)工作流程

為了實現(xiàn)精確控制播種間距,基于曲柄搖桿機構(gòu)和紅外監(jiān)控設(shè)計了本系統(tǒng)。首先,基于曲柄搖桿機構(gòu)設(shè)計變量播種器,通過步進(jìn)電機帶動絲杠,調(diào)整曲柄長度,實現(xiàn)變速;其次,設(shè)計紅外檢測系統(tǒng),監(jiān)控相鄰兩粒種子下落時間間隔,結(jié)合播種機前進(jìn)速度,計算監(jiān)控播種間隔,進(jìn)而對整個系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整。

整個系統(tǒng)工作過程如圖6所示。首先,設(shè)置精播機播種間距l(xiāng),根據(jù)播種間距l(xiāng),利用式(7)計算步進(jìn)電機角位移φ,檢測角位移φ是否滿足要求。若不滿足,繼續(xù)調(diào)整步進(jìn)電機;當(dāng)滿足要求時,地輪帶動變量播種器,變量播種器帶動排種軸轉(zhuǎn)動,此時排種器開始工作,種子開始下落。利用紅外檢測系統(tǒng)檢測相鄰種子下落時間間隔Δt,檢測播種機前進(jìn)速度,進(jìn)而計算紅外檢測播種間距l(xiāng)h;若不滿足要求,返回調(diào)整部件電機角位移;若滿足要求,則繼續(xù)進(jìn)行播種作業(yè)。

圖6 系統(tǒng)工作流程Fig.6 The working flow for system

5 系統(tǒng)測試

為了實現(xiàn)播種的精確控制,采用曲柄搖桿機構(gòu)設(shè)計變量播種器,采用紅外檢測裝置檢測播種間距。系統(tǒng)兩大核心系統(tǒng)為紅外檢測系統(tǒng)和變量播種器,紅外檢測系統(tǒng)負(fù)責(zé)檢測實際播種間距是否滿足設(shè)置要求,變量播種器負(fù)責(zé)改變播種間距。

紅外檢測系統(tǒng)測試結(jié)果如圖7(a)所示。測試時,進(jìn)行10次重復(fù)試驗,每組樣本量為200,檢測率結(jié)果分布區(qū)間為97%～99%。這表明,紅外檢測系統(tǒng)自身檢測性能良好。

圖7 系統(tǒng)檢測Fig.7 The test for system

(9)

(10)

6 結(jié)論

為了實現(xiàn)播種間距的精確控制,改善植株生存環(huán)境,基于曲柄搖桿機構(gòu)和紅外檢測技術(shù),設(shè)計了精播機系統(tǒng)。采用步進(jìn)電機帶動絲杠,改變曲柄長度,實現(xiàn)傳動比id的改變,進(jìn)而改變地輪到播種軸的總傳動比irp。對變量播種器進(jìn)行標(biāo)定,首先建立變速機構(gòu)傳動比id和播種間距l(xiāng)之間的模型,結(jié)果表明二者呈線性關(guān)系,擬合決定系數(shù)R2達(dá)到0.99;其次,建立步進(jìn)電機角位移和播種間距模型,二者成二次多項式關(guān)系,擬合決定系數(shù)R2達(dá)到0.98。實地測試播種間距對于油菜生長的影響。設(shè)計紅外播種間距檢測系統(tǒng),討論紅外傳感器組數(shù)對于檢測精度的影響。試驗結(jié)果表明:采用兩組組紅外檢測器時,4組重復(fù)測試實驗識別準(zhǔn)確率分布區(qū)間為97%～99%,滿足設(shè)計要求。利用紅外檢測系統(tǒng),記錄相鄰兩種子下落時間間隔Δt,結(jié)合播種機前進(jìn)速度,計算紅外檢測播種間距。對紅外檢測和播種間距控制準(zhǔn)確性進(jìn)行測試,結(jié)果表明:紅外檢測系統(tǒng)的檢測率分布區(qū)間為97%～99%,播種合格率分布區(qū)間為96%～91%,變異系數(shù)分布區(qū)間為6.2%～13%,系統(tǒng)具有較高的可靠性。