馬鈴薯智能排種機補種系統(tǒng)設(shè)計與試驗

阿拉騰希胡日

(錫林郭勒盟農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)推廣站，內(nèi)蒙古 錫林浩特 026000)

0 引言

馬鈴薯作為我國北方主要農(nóng)作物之一，傳統(tǒng)的種植為人工排種，為減輕種植的勞動強度，馬鈴薯排種機的技術(shù)及應(yīng)用近年來不斷展開。經(jīng)查閱文獻(xiàn)顯示：一方面，目前國內(nèi)外針對馬鈴薯智能排種研究與玉米、小麥等精密播種的檢測研究相比，相對較少；另一方面，大多數(shù)學(xué)者從馬鈴薯排種機的結(jié)構(gòu)組成方面進行研究，有的將播種與施肥同步進行設(shè)計試驗等。針對馬鈴薯在排種過程中會由于機具振動或馬鈴薯種大小原因出現(xiàn)不同程度的排種漏種與重種問題，為更好地融合現(xiàn)代智能化通信檢測技術(shù)，本文在馬鈴薯排種原理的基礎(chǔ)上，從保證排種及時準(zhǔn)確方向出發(fā)，針對馬鈴薯智能排種機的補種系統(tǒng)進行了設(shè)計與試驗。

1 智能排種機結(jié)構(gòu)及原理

馬鈴薯排種機主要由機架、種箱、傳送鏈條、驅(qū)動裝置、取種裝置及控制裝置組成，如圖1所示。智能排種機在足夠動力驅(qū)動裝置的帶動下進行排種作業(yè)，種箱充種區(qū)的大小和馬鈴薯的流動性能有效決定馬鈴薯的排種效率。當(dāng)排種鏈前后裝置的不協(xié)調(diào)或種薯本身互相干擾狀況發(fā)生時，會使得智能排種機效率降低，因此補種裝置的加裝尤為必要。

圖1 馬鈴薯排種機三維整機模型圖Fig.1 The whole 3D model diagram of the potato metering machine

馬鈴薯種在充種區(qū)遵循達(dá)朗貝爾原理，滿足如下運動學(xué)方程，即

(1)

(2)

式中m—馬鈴薯種質(zhì)量(kg)；

G—馬鈴薯種重力(N)；

f—馬鈴薯運動過程中的摩擦力(N)；

μ—摩擦因數(shù)；

v—馬鈴薯運動速度(m/s)；

γ—馬鈴薯種自然休止角(°)；

Fn—馬鈴薯種承受側(cè)向壓力(N)；

Fc—馬鈴薯種所受慣性離心力(N)；

FN—馬鈴薯種承受支持力(N)；

α—排種鏈水平方向夾角(°)；

R1—主動鏈輪半徑(mm)。

建立馬鈴薯運動學(xué)參數(shù)化模型，表1給出馬鈴薯智能排種部件的材料接觸系數(shù)取值。運用離散元理論對馬鈴薯智能排種機的排種過程進行分析，給出無粘顆粒的切向力學(xué)模型，并考慮馬鈴薯的相互碰撞系數(shù)等，進而實現(xiàn)智能排種目標(biāo)。

表1 馬鈴薯智能排種機的各材料接觸系數(shù)Table 1 Material contract parameters of the potato intelligent seed metering machine

2 補種系統(tǒng)設(shè)計

2.1 硬件裝置設(shè)計

在馬鈴薯智能排種機主排種裝置的對面?zhèn)燃友b補種系統(tǒng)，并采用ZigBee技術(shù)進行信號的無線傳輸，實現(xiàn)信息采集的便利性與高效準(zhǔn)確性。監(jiān)測器與驅(qū)動系統(tǒng)的銜接反應(yīng)靈敏，可提升補種系統(tǒng)的反應(yīng)執(zhí)行性能。圖2、圖3分別給出排種機補種系統(tǒng)的裝置模型與硬件設(shè)計框圖。

1.主排種裝置 2.啟動器 3.主排種漏種監(jiān)測裝置 4.同步校正裝置 5.補種裝置監(jiān)測裝置 6.步進電機 7.補種裝置 8.開溝裝置 9.CPU 10.主控模塊

圖3 智能排種機補種系統(tǒng)硬件設(shè)計框圖Fig.3 Hardware design block diagram of the reseed system of the intelligent seed metering machine

智能排種機在中央控制單元CPU的主控之下，通過光電傳感裝置獲取排種信息并傳遞至相應(yīng)的漏種監(jiān)測裝置，在關(guān)鍵位置安裝聲光報警裝置，實現(xiàn)漏種、重種的監(jiān)測功能，進而通過同步校正與步進電機的綜合作用實現(xiàn)馬鈴薯補種與計數(shù)。

2.2 控制系統(tǒng)設(shè)計

補種系統(tǒng)相應(yīng)的控制系統(tǒng)主要依靠傳感器監(jiān)測馬鈴薯種箱體內(nèi)的薯種流動情況，在發(fā)生漏播時，步進電機啟動開始執(zhí)行補種作業(yè)，相應(yīng)的控制流程圖如圖4所示。根據(jù)此思想，給出控制系統(tǒng)排種的主程序片段：

void tim1_init()

{

TMOD=0*10;

TH1=(65536-84)/256;

TL1=(65536-84)%256;

EA=1;

ET1=1;

}

if(tt>=num)

{

pul=～pul;

tt=0;

}

}

void main()

{

tim1_init();

num=6;

pul=1;

flag=0;

TR1=1;

light=1;

tab=0;

while(1)

{

display();

add();

if(light==1)

{

num=3;

delay_ms(10);

}

else

{

num=6;

}

delay(50);

}

}

…

…

圖4 智能排種機補種系統(tǒng)控制流程圖Fig.4 The reseed system control flow diagram of the intelligent seed metering machine

3 性能試驗

3.1 試驗前置要求

根據(jù)種薯尺寸、充種高度及排種速度建立影響因素試驗編碼表，選擇種薯直徑為40～60mm之間均勻大小，充種高度保證在12～30mm之間，排種速度控制在0.45～1.10m/s之間，詳細(xì)參數(shù)如表2所示。開啟馬鈴薯智能排種機的補種監(jiān)測系統(tǒng)(見圖5)，通過判定托種裝置上有無薯種，經(jīng)發(fā)送補種指令、傳感器位置監(jiān)測、執(zhí)行排種動作等，記錄所需參數(shù)量。

圖5 馬鈴薯排種機補種監(jiān)測系統(tǒng)簡圖Fig.5 The reseeding monitoring system schematic diagram of the potato seed metering machine

表2 各排種影響因素回歸試驗編碼表Table 2 Coding of regression test on the row influence factors

3.2 試驗分析

經(jīng)試驗，記錄補種系統(tǒng)不同排種工作轉(zhuǎn)速下的相關(guān)參數(shù)，如表3所示。由表3可知：在14.1～27.5r/min范圍內(nèi)，補種率達(dá)到100%，且平均補種間距在設(shè)計間距20cm附近，時間間隔誤差不大于1.5%。由此證明：補種系統(tǒng)設(shè)計在穩(wěn)定的工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，其精度可達(dá)到要求，補種系統(tǒng)可靠性能得到驗證。

表3 馬鈴薯智能排種機補種精度試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計Table 3 Reseeding precision test data statistics of the potato intelligent seed metering machine

表4為馬鈴薯智能排種關(guān)鍵指標(biāo)試驗值與設(shè)計值數(shù)據(jù)對比。從表4可以看出：漏種指數(shù)試驗平均值為1.1%，小于設(shè)計值3.0%；重種指數(shù)試驗平均值為1.3%，小于設(shè)計值3.0%。由此驗證了設(shè)計的合理性。

表4 馬鈴薯智能排種機試驗值與設(shè)計值對比Table 4 Comparison between the test value and design value on the potato intelligent seed metering machine

針對補種合格率進行驗證，圖6為馬鈴薯排種機行進速度與補種合格率的關(guān)系曲線。結(jié)果表明：在穩(wěn)定行進速度范圍內(nèi)，智能排種機補種系統(tǒng)的補種合格率可達(dá)到97.5%以上，滿足設(shè)計要求。

圖6 馬鈴薯排種機行進速度與補種合格率關(guān)系曲線Fig.6 The relationship curve between the speed of the potato seed metering machine and the reseeding rate

4 結(jié)論

1)在排種原理與馬鈴薯本身性能基礎(chǔ)上，對排種裝置深入分析，并加裝補種系統(tǒng)，降低了智能排種機的重種率與漏種率。

2)該智能排種機補種系統(tǒng)從硬件裝置設(shè)計與軟件控制程序兩方面展開優(yōu)化，融入先進的無線通信與傳感技術(shù)，在聲光報警裝置下進行補種作業(yè)，整個過程閉環(huán)控制、穩(wěn)定可靠。

3)試驗表明：試驗值與設(shè)計值誤差控制在排種機的設(shè)計要求范圍內(nèi)，補種精度合格率100%；漏種指數(shù)試驗平均值為1.1%，重種指數(shù)試驗平均值為1.3%，均小于設(shè)計值3.0%；在穩(wěn)定行進速度范圍內(nèi)，智能排種機補種系統(tǒng)的補種合格率可達(dá)到97.5%以上，滿足設(shè)計要求。