丁幼春，楊軍強，張莉莉，朱 凱

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

0 引 言

油菜精量排種器是油菜精量播種的核心部件，各類型油菜精量排種器在最佳工況時也存在2%～4%的漏播，而田間復雜的作業(yè)環(huán)境和故障不可避免地會進一步導致漏播，一定程度上影響了播種質(zhì)量[1-4]。若采取出苗后人工補苗，不僅耗費人力物力，而且因補苗生長狀況差異，最終作物產(chǎn)量也難以得到保證。因此，設計一套油菜精量排種器漏播補種系統(tǒng)對于實現(xiàn)油菜精量播種過程漏播實時監(jiān)測、自動補種，促進油菜等小粒徑種子精量播種高效智能化發(fā)展具有重要意義。

為獲取播種過程的漏播狀況并實現(xiàn)在漏播區(qū)段及時準確補種，國內(nèi)外學者和機構(gòu)針對精量播種漏播檢測與補種系統(tǒng)進行了一系列相關(guān)研究[5-9]。Singh等針對秋葵設計的電控排種裝置使得排種粒距最大限度接近目標粒距，提高合格指數(shù)[10]。Precision Planting公司研制的裝配有WaveVision檢測器的電控排種驅(qū)動系統(tǒng)擁有較高的控制精度和適應性，能夠滿足15 km/h高速精播需要[11]。因直接進口設備成本較高且中國農(nóng)藝和農(nóng)機作業(yè)特點與國外存在較大差異，國內(nèi)學者近年來也積極開展了諸多探索。龔麗農(nóng)等[12-14]在原排種器系統(tǒng)上增設結(jié)構(gòu)類似的副排種器，當檢測到主排種器發(fā)生漏播時自動啟動副排種器實現(xiàn)補種。張曉輝等[15-16]設計了小麥精密播種機自動補播監(jiān)控系統(tǒng)，當監(jiān)測到“斷條性”漏播時系統(tǒng)啟動微型步進電機帶動補播排種器繼續(xù)排種完成補種。當前精量排種器漏播檢測與補種系統(tǒng)研究主要針對大中粒徑種子[17-23]，一般采用光電傳感器實現(xiàn)對排種過程的漏播監(jiān)測，加裝由原有排種器改制而成的副排種器作為補種裝置，一定程度上增加了結(jié)構(gòu)的復雜度。課題組前期采用高精密光纖傳感器感應油菜種子流，對漏播檢測算法進行了深入研究，提出了基于時變窗口的漏播檢測方法[24]，能夠?qū)崿F(xiàn)油菜精量排種器漏播的實時檢測；并設計了一種油菜籽漏播螺管式補種器，對其結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了仿真設計與試驗研究[25]，因螺管當量排種數(shù)較大（1.7～1.9）導致補種量較大，另外采用步進電機作為動力源，致使補種器結(jié)構(gòu)相對分散，功耗較大，不便于田間工作。

本文針對油菜精量排種器作業(yè)過程中存在的漏播問題，在前期基于時變窗口的漏播檢測方法基礎上，通過優(yōu)化螺管式補種裝置結(jié)構(gòu)，集成基于PWM驅(qū)動直流電機與無線傳輸方式，構(gòu)建變量補種策略，研發(fā)精量排種器漏播實時檢測與變量補種有機融合系統(tǒng)，以期解決精量排種器漏播量的檢測與對應播量的補種，最終消除漏播發(fā)生。

1 變量補種系統(tǒng)組成及工作原理

變量補種系統(tǒng)由漏播檢測裝置、排種盤測速裝置、變量補種裝置和補種監(jiān)測顯示裝置組成，采用nRF（nordic radio frequency）無線方式實現(xiàn)系統(tǒng)各裝置間指令和數(shù)據(jù)的有序?qū)崟r傳輸。變量補種系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 油菜精量排種器變量補種系統(tǒng)組成Fig.1 Composition of variable reseeding system for rapeseed precision metering device

在精量排種器排種盤傳動軸上安裝一磁鋼陣列圓盤（磁鋼沿圓周均布），磁鋼數(shù)與排種盤型孔數(shù)成一定比例，比值為α（考慮測量精度和圓盤整體尺寸，α設置為1或0.5）。排種盤測速裝置利用霍爾感應原理采集單位時間（1 s）內(nèi)感應的磁鋼個數(shù)N，結(jié)合磁鋼數(shù)與排種盤型孔數(shù)比值α，得到排種盤每秒轉(zhuǎn)過的型孔數(shù)，稱為理論排種頻率，表示為fi=N/α?？紤]40型孔精量排種器實際工作轉(zhuǎn)速15～45 r/min，對應排種頻率10～30 Hz，截斷誤差在2 Hz內(nèi)，為減小檢測時的采樣截斷誤差，將當前第i秒的理論排種頻率fi與前一秒的理論排種頻率fi-1進行加權(quán)平滑處理，本文采用Fi=0.8fi+0.2fi-1作為當前理論排種頻率。排種盤測速裝置利用無線模塊將理論排種頻率Fi發(fā)送至漏播檢測裝置。

漏播檢測裝置安裝于油菜精量排種器投種口下方，利用壓電薄膜感應下落種子流序列沖擊，信號調(diào)理電路將種子流序列沖擊形成的尖脈沖序列轉(zhuǎn)化為矩形脈沖序列，利用 MSP430單片機時間捕獲中斷功能捕獲矩形脈沖序列上升沿，采集排種時間間隔序列和周期內(nèi)排種數(shù)序列，結(jié)合文獻[24]的漏播檢測方法，得到檢測周期內(nèi)的漏播系數(shù)等漏播參數(shù)，并根據(jù)變量補種策略獲得對應補種轉(zhuǎn)速，利用無線模塊將漏播參數(shù)及補種轉(zhuǎn)速以數(shù)據(jù)包的形式同時發(fā)送至變量補種裝置及補種監(jiān)測顯示裝置。

變量補種裝置通過無線模塊接收漏播檢測裝置發(fā)送的補種轉(zhuǎn)速指令，根據(jù)補種轉(zhuǎn)速與PWM占空比關(guān)系，調(diào)節(jié)對應的PWM占空比驅(qū)動電機改變補種裝置轉(zhuǎn)速，進而改變排種速率，使得當前檢測周期內(nèi)補種裝置補種次數(shù)與當量漏播量一致，最終實現(xiàn)變量補種。

補種監(jiān)測顯示裝置通過無線模塊接收漏播補種參數(shù)，并采用7英寸液晶顯示屏實時滾動刷新顯示最近10個檢測周期的10組漏播補種參數(shù)，便于用戶利用可視化監(jiān)測裝置對變量補種系統(tǒng)調(diào)試及監(jiān)測系統(tǒng)運行狀態(tài)。

考慮nRF無線模塊具有功耗低、成本低、傳輸協(xié)議靈活等特點[26-27]，本文選用nRF24L01無線模塊（工作頻段為2.4 GHz，數(shù)據(jù)通道數(shù)為6）用于變量補種系統(tǒng)各裝置間的指令和數(shù)據(jù)傳輸。無線方式免除了繁瑣的接線環(huán)節(jié)，便于田間復雜工況下的安裝和使用，同時為拓展多路漏播補種提供靈活的數(shù)據(jù)接口。

2 油菜精量排種器漏播檢測裝置

2.1 漏播檢測裝置

課題組前期設計了一種油菜精量排種器種子流傳感裝置，該裝置利用種子流碰撞壓電薄膜感應產(chǎn)生尖脈沖信號，并通過信號調(diào)理電路進行放大、半波整流、比較、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)轉(zhuǎn)換為與排種種子流對應的矩形排種脈沖序列信號，采用51單片機對脈沖序列信號進行采集，具體參見文獻[28]。

基于上述原理與研究基礎，為增強電路穩(wěn)定性、降低功耗與成本、增強數(shù)據(jù)處理能力，對該裝置進行了改進設計。設計了單電源供電正負雙向信號放大電路以精簡電路結(jié)構(gòu)、降低功耗；利用 MSP430單片機時間捕獲中斷功能實現(xiàn)排種種子流時間間隔和排種頻率的實時采集；增設RGB（red green blue，RGB）漏播狀態(tài)指示燈，根據(jù)判定的漏播狀態(tài)對播種過程進行漏播指示提醒。改進的漏播檢測裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 漏播檢測裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagram of loss sowing detection device

2.2 漏播檢測流程

漏播檢測裝置檢測流程如圖 3所示。裝置啟動后，單片機進行系統(tǒng)初始化，完成對定時器TA、定時器TB、無線模塊等初始化工作?？紤]定時時間范圍，采用頻率為32 768 Hz的晶振時鐘經(jīng)2分頻作為定時計數(shù)時鐘，檢測周期的定時值TACCR0初值設為16 384，即1 s；漏播狀態(tài)指示燈閃爍定時值 TACCR1初值設為 8 192，即0.5 s。TB和P4.1利用時間捕獲中斷功能捕獲種子流脈沖序列上升沿，計算種子流排種時間間隔序列和周期內(nèi)排種數(shù)序列并進行存儲。當檢測周期定時時間達到，計算該檢測周期內(nèi)的漏播系數(shù)等參數(shù)，根據(jù)最新的理論排種頻率Fi及檢測周期內(nèi)標準排種數(shù)確定下一檢測周期定時值。根據(jù)變量補種策略計算對應補種轉(zhuǎn)速,并依據(jù)設定的漏播系數(shù)等級閾值驅(qū)動漏播狀態(tài)指示燈顯示不同顏色指示不同漏播狀態(tài)（綠色指示正常播種，藍色指示弱漏播，紅色指示嚴重漏播）。設置nRF為發(fā)送模式，以數(shù)據(jù)包的形式將漏播參數(shù)及補種轉(zhuǎn)速發(fā)送至變量補種裝置和補種監(jiān)測顯示裝置，切換nRF為接收模式等待接收新的理論排種頻率，如此循環(huán)。

圖3 漏播檢測裝置檢測流程圖Fig.3 Flow chart of loss sowing detection device

3 變量補種裝置

3.1 補種裝置結(jié)構(gòu)及原理

文獻[25]提出了一種油菜籽漏播螺管式補種器，其工作轉(zhuǎn)速 25～180 r/min，螺管數(shù)為7，螺管當量排種數(shù)（補種裝置以一定轉(zhuǎn)速在規(guī)定時間內(nèi)轉(zhuǎn)動，每個螺管的平均排種數(shù)）為1.7～1.9，補種量較大；因采用步進電機（型號56BYG25CK）驅(qū)動補種器，需配套功耗較大的步進電機驅(qū)動器，使得其結(jié)構(gòu)分散，尺寸較大，只能連續(xù)工作2 h，不便于田間工作。

利用該螺管式補種器排種原理，可通過改變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)補種器排量實現(xiàn)變量補種，本文優(yōu)化設計了變量補種裝置。改進之處主要有：種箱內(nèi)螺紋凸臺高度由0.5 mm改為1 mm，螺管數(shù)由7個改為8個；采用尺寸小巧、成本低、調(diào)速方式簡單的直流減速電機（型號ZGA32RI）代替步進電機為變量補種裝置提供驅(qū)動力；將螺管式補種器、直流減速電機、單片機控制系統(tǒng)、電機驅(qū)動系統(tǒng)、無線模塊和電源一體化布局并封裝；裝置底部與側(cè)邊鑲嵌多個固定用磁鋼，使其可以更加便捷地固定于直播機機架合適位置；采用12 V/5 A可充電鋰電池作為電源為補種裝置電機提供動力，充滿電可持續(xù)工作 10 h。變量補種裝置結(jié)構(gòu)如圖4所示。

在種箱內(nèi)螺紋推力及種層相互攜帶作用下，引導種子從種箱出種孔流出，當螺管運動至最低位置時，種子依次流入螺管內(nèi)，在種子流動特性和重力作用下，種子隨螺管的轉(zhuǎn)動被帶至投種區(qū)實現(xiàn)投種。單片機控制系統(tǒng)利用nRF無線模塊接收漏播檢測裝置發(fā)送的補種轉(zhuǎn)速指令，并根據(jù)補種轉(zhuǎn)速與PWM占空比關(guān)系輸出補種所需的占空比，通過電機驅(qū)動系統(tǒng)獲得補種裝置所需轉(zhuǎn)速，使檢測周期內(nèi)補種次數(shù)與當量漏播量一致，最終實現(xiàn)不同漏播狀態(tài)下的實時變量補種。

圖4 變量補種裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Structure diagram of variable reseeding device

3.2 補種裝置排量測定

為了確定補種裝置排量與補種轉(zhuǎn)速關(guān)系，開展排量測定試驗，為后期變量補種控制提供定量依據(jù)。試驗所用主要材料及設備為富油雜 108油菜種子（千粒質(zhì)量為4.62 g）、變量補種裝置、NI USB-6218數(shù)據(jù)采集卡、計算機（含NI-DAQ軟件）、HZ-HG-502N電子天平、計時器、無線測頻計數(shù)裝置（包括萬向無線測速裝置和顯示裝置）。

為便于測定 PWM 不同占空比輸入下變量補種裝置排量隨轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系，利用數(shù)據(jù)采集卡產(chǎn)生頻率500 Hz、可在線調(diào)節(jié)占空比的PWM作為電機驅(qū)動系統(tǒng)的輸入信號（該頻段PWM控制能夠使所選直流減速電機最大限度輸出有效功率）。變量補種裝置前端蓋均勻分布一環(huán)形磁鋼陣列（布局的磁鋼數(shù)與螺管數(shù)相同，均為8），無線霍爾測速裝置通過單片機定時計數(shù)采集每秒轉(zhuǎn)過的磁鋼數(shù)（即每秒轉(zhuǎn)過的螺管數(shù)）及轉(zhuǎn)過的磁鋼總數(shù)（即轉(zhuǎn)過的螺管總數(shù)）并通過無線模塊發(fā)送至顯示裝置，顯示裝置采用“數(shù)字+曲線”形式實時更新顯示測得的數(shù)據(jù)及變化趨勢。

試驗時，變量補種裝置種箱內(nèi)加入70 g油菜種子。設定數(shù)據(jù)采集卡輸出 PWM 占空比為 8%～100%（低于8%電機驅(qū)動力過低，補種裝置無法轉(zhuǎn)動或轉(zhuǎn)動不平穩(wěn)），每1%為一個水平，收集1 min內(nèi)排種量，稱種子質(zhì)量并數(shù)取排種數(shù)粒，記錄每秒轉(zhuǎn)過的螺管數(shù)、1 min轉(zhuǎn)過的螺管總數(shù)，每個水平試驗重復3次，取3次試驗平均值，得到補種裝置1 min內(nèi)排種粒數(shù)、螺管當量排種數(shù)。試驗現(xiàn)場如圖5所示。

圖5 變量補種裝置排量測定試驗Fig.5 Test site of seeding quantity of variable reseeding device

圖6為變量補種裝置在PWM占空比8%～100%范圍的排量測定結(jié)果，其中螺管當量排種數(shù)為1 min內(nèi)排種粒數(shù)與轉(zhuǎn)過的螺管總數(shù)的比值，補種裝置轉(zhuǎn)速為1 min內(nèi)轉(zhuǎn)過的螺管總數(shù)與螺管數(shù)8的商。如圖6a所示，補種裝置轉(zhuǎn)速隨PWM占空比增加呈上升趨勢，轉(zhuǎn)速范圍為12～228 r/min。利用曲線擬合獲得補種裝置轉(zhuǎn)速r(r/min)與PWM 占空比w(%)的函數(shù)關(guān)系：r=f(w)=0.000 4w3?0.100 9w2+8.771 1w+5.033 6，擬合相關(guān)系數(shù)為0.99。變量補種裝置1 min內(nèi)排種粒數(shù)、螺管當量排種數(shù)與轉(zhuǎn)速關(guān)系見圖6b。1 min內(nèi)排種粒數(shù)隨轉(zhuǎn)速升高呈上升趨勢，轉(zhuǎn)速在12～23 r/min范圍內(nèi)，由于轉(zhuǎn)速偏低導致種箱內(nèi)種子充種時間較長，使得1 min內(nèi)排種粒數(shù)、螺管當量排種數(shù)明顯偏高。補種裝置轉(zhuǎn)速在23～228 r/min范圍內(nèi)，1 min內(nèi)排種粒數(shù)隨轉(zhuǎn)速增加呈穩(wěn)定增加趨勢，線性相關(guān)系數(shù)為0.99，螺管當量排種數(shù)穩(wěn)定在1.2～1.4粒。

圖6 變量補種裝置排量測定結(jié)果Fig.6 Test result of seeding quantity of variable reseeding device

整個試驗過程中沒有出現(xiàn)種箱出種孔及螺管堵塞現(xiàn)象且無種子破損，補種裝置轉(zhuǎn)速在23～228 r/min范圍內(nèi)，螺管當量排種數(shù)較穩(wěn)定，表明補種裝置轉(zhuǎn)速與排量具有較好的線性關(guān)系。

3.3 變量補種策略

利用擬合得到的補種裝置轉(zhuǎn)速r與 PWM 占空比w的函數(shù)關(guān)系r=f(w)，求其反函數(shù)w=f--1(r)，使得利用該反函數(shù)實現(xiàn)針對某一所需的補種轉(zhuǎn)速r確定應控制輸出的PWM占空比w。依據(jù)檢測周期內(nèi)補種裝置補種次數(shù)等于排種器當量漏播量的變量補種原則，建立當量漏播量與補種次數(shù)等式關(guān)系，如式（1）。

化簡得到變量補種裝置轉(zhuǎn)速與漏播系數(shù)之間的變量補種策略模型，如式（2）。

式（1）、（2）中，p為檢測周期標準排種數(shù)；x為漏播系數(shù)；k為變量補種裝置螺管數(shù)；r為補種裝置轉(zhuǎn)速，r/min；Fi為理論排種頻率，Hz。

結(jié)合理論排種頻率Fi范圍（結(jié)合農(nóng)藝生產(chǎn)播種速率需要，F(xiàn)i的范圍為10～30 Hz）、漏播系數(shù)x范圍（因?qū)嶋H播種時，精量排種器設定播種量相比農(nóng)藝所需播量稍大，漏播系數(shù)低于0.3為弱漏播狀態(tài)，可不進行補種操作，因此本文設定漏播系數(shù)大于0.3時進行補種，即x取值范圍為0.3～1.0）以及螺管數(shù)k為8，由式（2）可得補種裝置轉(zhuǎn)速r范圍為23～225 r/min，由圖6b可知在此轉(zhuǎn)速范圍螺管當量排種數(shù)穩(wěn)定。進一步，利用w=f--1(r)，根據(jù)所需補種轉(zhuǎn)速r，單片機控制器輸出相應的 PWM 占空比f-1(r)，驅(qū)動變量補種裝置實現(xiàn)實時變量補種。

4 變量補種系統(tǒng)試驗

4.1 臺架試驗

4.1.1 試驗材料及設備

試驗所用材料為富油雜 108油菜種子，排種盤測速裝置，變量補種裝置，補種監(jiān)測顯示裝置，JPS-12排種器性能檢測試驗臺（哈爾濱博納科技有限公司），氣力式油菜精量排種器（40型孔），正壓氣泵（HG-250型旋渦氣泵，浙江森森實業(yè)有限公司），負壓氣泵（XFC-250型旋渦氣泵，上海富池電子有限公司），U型壓力計（河北省武強縣精達儀器儀表廠）以及課題組前期研制的油菜籽漏播螺管式補種器。整體試驗裝置如圖7所示。

4.1.2 試驗方法

因油菜精量排種器田間工作時依靠地輪驅(qū)動排種軸進行排種，種子輸送帶速度需根據(jù)排種器轉(zhuǎn)速進行設定。結(jié)合油菜種植農(nóng)藝要求，試驗中選擇排種粒距40 mm，設定排種盤每連續(xù)轉(zhuǎn)過20個型孔為一個檢測周期（即檢測周期內(nèi)標準排種數(shù)為 20），故變量補種裝置安裝位置在相對于種子輸送帶的運動方向滯后800 mm，以補償檢測周期的滯后距離。為便于觀測排種及補種效果，排種器和補種裝置在種子輸送帶橫向方向錯位設置，在種子輸送帶上分別得到排種序列和補種序列。排種盤測速裝置感應與排種盤同步轉(zhuǎn)動的磁鋼陣列圓盤（磁鋼數(shù)為20），用于獲取理論排種頻率；漏播檢測裝置安裝于排種器投種口下方，用于實時采集排種種子流序列。

圖7 變量補種系統(tǒng)臺架試驗Fig.7 Bench test of variable reseeding system

試驗中調(diào)節(jié)排種器正壓400 Pa，負壓?1 400 Pa，處于最佳排種狀態(tài)[29-30]。依據(jù)文獻[24]中系數(shù)定義，通過人為堵塞一定數(shù)量排種盤型孔，設定漏播系數(shù)理論值為0.30、0.50、0.72、0.90、1.00。設定排種盤轉(zhuǎn)速分別為15、20、25、30、35 r/min，設定對應輸送帶速度為1.44、1.92、2.40、2.88、3.36 km/h。每個排種盤轉(zhuǎn)速下工作 6個檢測周期，保存補種監(jiān)測顯示裝置顯示的漏播補種狀態(tài)參數(shù)數(shù)據(jù)，人工測量種子輸送帶上的排種序列、補種序列以及2個種子序列虛擬合并構(gòu)成的補種后相鄰2粒種子間的粒距，統(tǒng)計每個檢測周期內(nèi)排種器排種粒數(shù)和變量補種裝置的補種粒數(shù)。種子輸送帶上單個檢測周期的漏播補種效果如圖8所示。

圖8 單個檢測周期的漏播補種效果Fig.8 Reseeding result of loss sowing in one detection cycle

為對比本文研制的漏播變量補種系統(tǒng)相對于課題組前期設計的油菜籽漏播螺管式補種器的補種效果，利用油菜籽漏播螺管式補種器采用上述同樣的試驗方法進行對照試驗。同時對兩者的螺管當量排種數(shù)、補種轉(zhuǎn)速范圍、充滿電持續(xù)工作時長等特征進行對比考察。

4.1.3 結(jié)果與分析

表1為油菜精量排種器變量補種系統(tǒng)臺架試驗結(jié)果。當量漏播量為在一個檢測周期內(nèi)，漏播系數(shù)（范圍為0～1.0，用于刻畫該檢測周期內(nèi)排種器漏播程度，0表示無漏播，1.0表示無排種，定義詳見文獻[24]）檢測值與標準排種數(shù)20的乘積，并進行四舍五入取整處理。表2為本文研制的變量補種裝置與課題組前設計的螺管式補種器主要特征對比。

表1 油菜精量排種器變量補種系統(tǒng)臺架試驗結(jié)果Table 1 Bench test result of variable reseeding system for rapeseed precision metering device

表2 變量補種裝置與螺管式補種器主要特征對比Table 2 Comparison of main features between variable reseeding device and spiral-tube reseeding device

由表1可以看出，變量補種系統(tǒng)能夠根據(jù)漏播檢測裝置測得的排種器漏播狀態(tài)驅(qū)動變量補種裝置以對應的轉(zhuǎn)速進行實時變量補種。在相同的漏播系數(shù)下，隨排種器轉(zhuǎn)速增加，檢測周期變短，補種裝置轉(zhuǎn)速增加。在相同的排種器轉(zhuǎn)速下，補種裝置轉(zhuǎn)速隨漏播系數(shù)的增大而增大。排種器不同漏播系數(shù)在不同轉(zhuǎn)速下，在檢測周期內(nèi)，變量補種裝置補種粒數(shù)大于排種器當量漏播量，是由于機械式補種裝置單個螺管平均排種數(shù)稍大于1引起，但兩者比值相對穩(wěn)定，與變量補種策略相符，也驗證了變量補種策略的準確性和適應性。補種后最大粒距均小于 1.5倍理論排種粒距（1.5×40 mm）范圍內(nèi)，即補種后不存在漏播現(xiàn)象。在相同漏播狀態(tài)下，對比檢測周期內(nèi)漏播變量補種裝置補種量和螺管式補種器補種量，可以發(fā)現(xiàn)，漏播變量補種系統(tǒng)實現(xiàn)補種后不漏播的情況下，相比于螺管式補種器補種量降低了25%左右。

由表 2中各項特征對比可以發(fā)現(xiàn)：變量補種裝置螺管當量排種數(shù)為 1.2～1.4 粒，螺管式補種器螺管當量排種數(shù)為 1.7～1.9粒，即本文改進研制的漏播變量補種裝置螺管當量排種數(shù)（1.2～1.4粒）更接近于1，更接近于單個螺管單粒精量排種；漏播變量補種裝置相比于螺管式補種器，補種轉(zhuǎn)速范圍和補種頻率范圍更大，適應性更好；漏播變量補種裝置外形尺寸更小巧，便于安裝，充滿電可持續(xù)工作時間大大提高。

4.2 田間試驗

為進一步檢驗變量補種系統(tǒng)田間工作效果，2017年10月15日在孝南區(qū)西河鎮(zhèn)油菜機械化生產(chǎn)試驗示范基地開展了田間試驗。選用雷沃M704-BA拖拉機為2BYQ-6/8型精量聯(lián)合直播機提供動力，配套排種器為氣力式油菜精量排種器（40型孔，排種合格指數(shù)不低于96%）。漏播檢測裝置安裝于排種器下方。排種盤測速裝置感應排種盤傳動鏈輪上的磁鋼陣列（磁鋼數(shù)為 20），用于獲取理論排種頻率及轉(zhuǎn)過型孔數(shù)。變量補種裝置安裝于排種器后方的延伸支架上，距離排種器800 mm。試驗現(xiàn)場如圖9所示。

圖9 變量補種系統(tǒng)田間試驗Fig.9 Field test site of variable reseeding system

試驗中選用同步轉(zhuǎn)動且共用一個正負氣壓室的 2個排種器分別作為試驗組和對照組。因田間工作時油菜精量排種器漏播發(fā)生存在隨機性，為能夠?qū)崿F(xiàn)對變量補種系統(tǒng)田間補種效果進行量化評估，對試驗組排種器A的排種盤進行處理，間隔2個型孔堵塞2個型孔（簡稱為間2堵2），人為制造漏播，預先設定可控的漏播狀態(tài)，此時排種器A漏播系數(shù)理論值為0.90；對照組排種器B不進行處理。試驗中直播機前進速度設定3個水平，慢I檔、慢II檔、慢III檔，通過排種盤測速裝置獲得實際排種盤轉(zhuǎn)速分別為15.2、17.9、24.1 r/min，在穩(wěn)態(tài)運行下每個速度檔位試驗時間為1 min。用接種袋分別收集排種器A、排種器B的排種量以及變量補種裝置補種量。排種器理論排種量為排種盤測速裝置檢測的排種器轉(zhuǎn)過的型孔總數(shù)，排種器A當量漏播量為排種器理論排種量與漏播系數(shù)檢測值的乘積。表3為排種器型孔間2堵2，不同轉(zhuǎn)速下變量補種系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)（10個檢測周期）。表4為在不同排種器轉(zhuǎn)速下，變量補種系統(tǒng)試驗排種量與補種量結(jié)果。

從表3可以看出，排種器A排種盤型孔間2堵2設置，在3個速度檔位下，漏播系數(shù)檢測值為0.86～0.91，即排種器A當量漏播量為17～18（四舍五入取整處理）。對應補種裝置轉(zhuǎn)速分別為65～68 r/min、77～82 r/min、103～109 r/min，結(jié)合補種裝置螺管數(shù)8以及對應檢測周期（分別為 2.00、1.67、1.25 s），可得檢測周期補種裝置補種次數(shù)（即轉(zhuǎn)過的螺管數(shù)）為 17～18（四舍五入取整處理），即補種裝置補種次數(shù)與排種器當量漏播量一致。

從表4可以看出，在不同速度檔位下，變量補種裝置補種量與排種器A的當量漏播量比值在1.2～1.4范圍內(nèi)，人為設定漏播狀態(tài)的排種器 A排種粒數(shù)與對應補種裝置補種粒數(shù)之和，稍大于正常排種狀態(tài)的排種器B排種量，補種后產(chǎn)生了一定程度重播，但能夠消除漏播發(fā)生。

表3 排種器型孔間2堵2變量補種系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)Table 3 Monitoring data of variable reseeding system for metering device blocked 2 holes interval 2

表4 排種器型孔間2堵2變量補種系統(tǒng)試驗結(jié)果Table 4 Test result of variable reseeding system for metering device blocked 2 holes interval 2

補種后產(chǎn)生一定程度重播的主要因素：其一，為降低結(jié)構(gòu)復雜度、成本，變量補種裝置采用機械式排種方式，難以實現(xiàn)“1螺管排1粒種子”精密排種，螺管當量排種數(shù)為 1.2～1.4粒，而補種依據(jù)是按照補種次數(shù)與當量漏播量一致；其二，所用漏播檢測方法是依據(jù)在劃分的時間窗口內(nèi)檢測當量漏播量，并按照所需的補種轉(zhuǎn)速進行勻速補種，尤其是排種器產(chǎn)生斷條性漏播時，補種裝置補種序列與排種器排種序列匹配上也會存在一定的重疊。不過結(jié)合農(nóng)藝專家與實踐經(jīng)驗表明，因單粒油菜種子只能出單苗株以及出苗率很難達到100%，一定程度重播不會影響農(nóng)作物最終產(chǎn)量，且有助于彌補出苗率對最終成苗株數(shù)的限制。

5 結(jié) 論

本文設計了一套油菜精量排種器變量補種系統(tǒng)用于解決油菜精量排種器的漏播補種問題，并對其開展了試驗研究。

1）設計了油菜精量排種器漏播檢測裝置。利用MSP430單片機時間捕獲中斷功能實時采集排種種子流時間間隔序列和周期內(nèi)排種數(shù)序列，結(jié)合漏播檢測方法實時判定漏播狀態(tài)，并根據(jù)變量補種策略計算得出對應補種轉(zhuǎn)速。

2）優(yōu)化螺管式補種裝置結(jié)構(gòu)，設計了一種集成型PWM直流電機驅(qū)動的油菜精量排種器變量補種裝置。相較于課題組前期研究的螺管式補種器，變量補種裝置結(jié)構(gòu)小巧，功耗降低，補種轉(zhuǎn)速范圍更大（23～228 r/min），螺管當量排種數(shù)從1.7～1.9 粒減少至1.2～1.4 粒。

3）設計了由漏播檢測裝置、排種盤測速裝置、變量補種裝置及補種監(jiān)測顯示裝置組成的漏播實時檢測與變量補種有機融合系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)漏播檢測與實時變量補種功能。系統(tǒng)各裝置間采用無線方式通信，便于田間復雜工況下的安裝使用，為多路變量補種系統(tǒng)拓展提供了靈活的數(shù)據(jù)接口。

4）油菜精量排種器變量補種系統(tǒng)臺架及田間試驗表明：在正常播種速率范圍內(nèi)，變量補種系統(tǒng)能夠?qū)崟r檢測漏播狀態(tài)并驅(qū)動補種裝置變量補種，補種次數(shù)與排種器當量漏播量一致，補種后無漏播存在。相比于課題組前期研制的油菜籽漏播螺管式補種器補種量，漏播變量補種系統(tǒng)實現(xiàn)補種后不漏播的情況下，補種量降低了25%左右。

該變量補種系統(tǒng)可為油菜等小粒徑種子精量排種器漏播補種集成技術(shù)與裝置提供有效支撐。

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