播种机单体仿形装置高度探测机构的设计

张　博，张　伟

(黑龙江八一农垦大学 工程学院，黑龙江 大庆　163319)



播种机单体仿形装置高度探测机构的设计

张博，张伟

(黑龙江八一农垦大学 工程学院，黑龙江 大庆163319)

摘要：针对玉米精播机电液仿形地面高度信息探测机构采集精度低、稳定性差、容易受到地表杂物影响等问题，设计了玉米精播机电液仿形系统地面高度信息探测机构，包括红外地面信息采集组件和Arduino控制器程序。通过对红外测距传感器的性能研究及对玉米种植整地后的地面情况分析，确定了采用多点数据采集的探测方案。试验结果表明：该机构精度为1mm,可对采集到的地面高度变化信息数据进行处理过滤，实现了避免非必要仿形的功能。该地面高度信息探测机构的研究为电液式仿形系统地面高度变化系信息采集机构设计提供了参考。

关键词：玉米精播机；电液仿形；信息采集；数据处理；红外线

0引言

随着现代农业技术的飞速发展，保护性耕作的概念越发普及；但在保护性耕作的技术要求下，地表会有大量作物秸秆残茬覆盖，因此相比传统耕作法耕后地面的起伏量较大、地面平整度差[1]，导致播种机在作业时保持播种深度一致变得更困难。播种深度是农业技术严格要求的重要指标之一[2]，过深容易导致出苗时间长、生出的苗不壮等现象；而过浅会导致出苗率低、幼苗生长不旺盛等现象[3]，进而影响作物后期生长和产量[4]。在玉米播种时，播种机的开沟深度对播深有着直接的影响，因此控制开沟深度是设计播种机关键点之一。

仿形机构是使播种机开沟器能随地形变化而始终保持恒定的工作深度，并开出深浅一致的种沟，以保证种子播深一致的控制机构，是控制开沟深度的重要手段。仿形机构从结构类型上分主要有整体仿形和单体仿形。整体仿形结构简单，但在整个工作幅内播深一致性较差，故大多数播种机采用整体仿形与单体仿形相结合的方式保证开沟深度一致性[5-6]。现有的单体仿形从仿形形式上分为机械仿形和电液仿形。目前国内多采用机械式仿形开沟深度被动调节方式，包括调节弹簧、平行四连杆或手动调节仿形部件(如仿形轮、限深轮等)与开沟器在竖直方向上的相对距离，实现单体仿形[7]；机械仿形由于仿形机构的动力来源是靠自身重力和地面支撑力，因此在作业地块地面条件较差对仿形轮等支撑力不足时会造成开沟深度过大的情况，仿形精度较差且地块适应性不好。国外开沟深度调节方式除被动调节方式外，还采用电液控制技术的主动控制方式，实现开沟深度的精确控制[8-10]。由于仿形的动力来源来自仿形机构自身的液压系统，因此在土质较为松软的地块仍可精确仿形。电液式仿形机构由地面高度变化采集机构、电子控制系统、液压系统和开沟深度控制机构等机械结构组成。地面高度变化采集机构从信息采集方式上分接触式和遥感式，接触式的地面高度变化信息采集机构有霍尔传感器划片式[11]及轻质仿形轮位移传感器式[12]等。工作方式都是通过仿形探测元件与地面接触传递地面变化信息给电子传感器。虽然其相比传统的机械仿形轮的方式要精确很多，但在高速作业时由于地面起伏频率较快会产生震动干扰，使仿形精度降低，而采用非接触遥感地面信息采集的形式则可避免这一问题。现有遥感式电液仿形机构地面高度信息采集元件采用超声波传感器[13]及激光测距传感器等形式。红外线具有比超声波传播速度更快、传播方向更好及发射功率可控性更强等突出优点，且相比激光传感器抗污能力更强，因此红外测距传感器作为地面高度变化的信息采集更为可靠。由于采用保护性耕的玉米作物种植需要秸秆残茬还田，虽整地机械的玉米秸秆粉碎率可达到98.1%[14]，但实际耕作中仍有未打碎的秸秆裸露在地表，因此采用单一探测元件进行地面高度信息采集有时并不准确，会产生非必要仿形。

为此，设计了一种基于玉米播种机电液仿形控制系统的地面高度多点信息采集机构，实现了在作业地面环境有杂物及地面环境较差的情况下的地面高度变化信息的采集，为电液式播种机仿形系统地面信息采集精准度问题提供了一种解决方法。

1系统结构及工作原理

1.1机构组成与技术参数

采用电液仿形控制系统的玉米精播机结构如图1所示。该机主要由PLC 控制系统、液压系统和开沟深度控制机构等组成。红外地面高度信息采集机构如图2所示。该机构由Arduino控制器、电子安装板、红外测距传感器和电源组成。地面高度变化信息采集机构上5个等距的红外测距传感器时时同步探测地面变化信息，中间的红外传感器为主探测器，主探测器和开沟器在一条直线上与播种机工作前进方向平行，两侧的4个为辅助红外传感器，各红外传感器与播种机前进放行垂直等距安装。机构主要技术参数为：响应时间0.002s，探测频率10Hz，精度为1mm，地表高度检测量200mm。

1.行走轮　2.红外地面高度信息采集机构　3.开沟器　4.液压缸

1.电子安装板　2.红外测距传感器

1.2工作原理

系统工作时，安装在开沟器与液压控制机构连接杆上的地面高度信息采集机构随田间起伏上下浮动检测地面高度；当主探测器采集到地面高度变化时，将变化信息数据传输给Arduino控制器，Arduino控制器将接受到的数据与4组辅助探测器得到的数据信息进行对比计算，区分出主探测器所采集到的高度变化信息是由地面变化还是地表土块或秸秆杂物引起的。由地面变化引起的仿形系统会按照主探测器所采集的信息进行仿形，若是由地表杂物引起的，则该组数据进行忽略处理，仿形系统不工作。

2红外地面高度变化信息采集机构设计

通过对整地后地面情况相关资料进行查阅，根据玉米播种实际情况计算出红外地面高度变化信息采集机构各红外测距传感器的安装位置，并对地面变化及杂物对红外地面高度变化信息采集机构采集信息产生影响的各种情况进研究，得到信息处理过滤的方案，根据方案完成内部运算程序的编辑。

2.1红外测距传感器的安装位置设计

红外测距传感器是采用三角测距原理(见图3)来测量传感器到被测物体的距离的。因为采用三角测距原理，所以该传感器测量扫描的范围不是一个面而是一个点。经过整地的耕地土块最大直径小于5cm，玉米经过收获、秸秆粉碎及整地后仍会有玉米根茎留在耕地中。玉米根茎残茬尺寸为10～25cm，因此每个测距传感器最小距离应大于5cm，最大探测面应大于25cm，才能大大降低地面土块和杂物对地面高度信息采集组件的干扰。以此为基础，设计了红外地面高度变化信息采集机构，每个红外探测元件的距离为7cm，由5个探测原件组成，探测面幅28cm。

图3　三角测距原理

2.2机构安装高度设计

选用GP2D12夏普红外测距传感器，量程为20～80cm,通过距离测量试验得距离变化时该传感器的电压变化曲线，如图4所示。由图4可以看出：测量范围在20～50cm范围内时，输出电压的变化量均匀。因此，测距元件最高精度测量范围值为20～50cm，从而确立地面信息采集系统离地安装高度35cm。

图4　传感器探测距离与输出电压信号关系

2.3各红外传感器工作关系分析

当地面有杂物时，红外探测器会产生电压变化，红外探测器的理论精度可达0.01mm，因此需要设置各辅助探测器与主探测器间的合理差值。电液仿形系统的精度达到1cm就符合要求，因此合理差值为5mm。当辅助探测器与主探测器间的探测差值小于或等于5mm时，系统按照主探测器的数据信息进行仿形。当地面高度升高或降低时，5个探测器会同时检测到地面高度变化，且各探测器的差值小于5mm，此时会按照主探测器的数值进行仿形。如果辅助探测器检测到地面变化而主探测器未检测到地面变化，说明开沟器两侧地面升高或有杂物；但开沟器开沟的地面高度并无变化，因此不进行地面仿形。为满足仿形探测要求，该红外地面高度变化信息采集机构当主探测器探测到地面变化时，会时时与辅助探测器进行对比分析，当所有辅助探测器都探测到地面变化信息时，进行仿形工作。

2.4程序编辑

该红外地面高度变化信息采集机构是运用在电液仿形控制系统中由控制器进行控制，因此该机构在运行前需要设定与地面的距离。当距离变化时，该机构会计算控制开沟器与地面的相对位置使其回到预先设定的距离值。因此，满足该功能的程序如下：

int i;

int val;

int redpin=0;

void setup()

{

pinMode(redpin,OUTPUT);

Serial.begin(9600);

}

void loop()

{

i=analogRead(redpin);

val=(6762/(i-9))-4;

Serial.println(val);

}

3试验

3.1距离测量精度测试验

将程序导入Arduino，连接红外探测组件，将红外地面高度变化信息采集机构安装在电子位移传感器上。在电子位移传感器测量值20～80cm的范围内，调节红外测距传感器与反光板的距离，比对该机构测量的数值与电子位移传感器所测量的数值如表1所示。通过与电子位移传感器比较可知：两者差值小于等于1mm，精度可达到1mm，因此该机构探测精度满足地面信息采集精度要求。

表1　红外测距传感器测量精度

3.2杂物分辨试验

3.2.1实验内容及方法

根据整地后玉米秸秆残茬及杂物尺寸分别选取长度为10、15、20、25cm的玉米秸秆进行试验，玉米秸秆粉碎不完全的秸秆长度为10～25cm，因此制作宽度大于25cm的地面高度变化的试验地块。将红外地面高度变化信息采集机构固定在与测量面35cm处，玉米秸秆放于主探测器下方，与红外传感器组重合。在试验地块将Arduino控制器输出控制端连接电脑，从电脑上读取Arduino控制器计算后的仿形命令输出情况。

运行程序后，将4组秸秆分次放置于机构下方，调整木棒位置分别为红外传感器的左端、右端、中间，读取电脑上显示根据采集到的信息Arduino控制器是否能够合理输出仿形命令，如表1所示。

表2　Arduino不同情况下的仿形决策

3.2.2试验结果分析

由表2可以看出：当4种不同长度的玉米秸秆以4组位置出现在红外探测组件探测区域时，红外探测组件将采集到的高度变化信息值传输给Arduino控制器进行运算分析，经过运算得出的12组数据变化都是由玉米秸秆产生的而不是地面的高度变化。因此，程序认定主探测器探测到的高度变化信息值不生效，未输出仿形控制命令。当红外探测组件在试验地块进行探测时，探测组件采集到的地面高度变化信息传输给Arduino控制器，根据程序运算认定该组高度变化信号是由地面高度变化引起的，则按照主探测器探测到的地面高度变化信息输出仿形控制信号，可有效地避免非必要仿形。

3.3红外地面高度变化信息采集机构响应时间试验

红外地面高度变化信息采集机构响应时间是指从红外探测组件采集到地面高度变化信息开始到Arduino控制器运算信息后输出控制信号为止所经历的时间。用电脑模拟红外测距传感元件的电压信号信息传输给Arduino控制器，并将Arduino控制器仿形控制命令输出端口与电脑连接，电脑可发射红外测距传感元件模拟信号和接受仿形控制命令信号。

在电脑上运行Arduino控制器编程软件VisualStudio，设置软件内部刷新计时器在输入红外探测模拟信号时开始计时，每秒1 000个计时点；输入模拟信号，导出软件日志，发现系统在经过20个计时点后收到Arduino控制器反馈回的仿形命令信号。经过3组模拟信号测试表明：都是经过20个计时点后收到反馈信号，因此该红外地面高度变化信息采集机构的响应时间为0.02s。

4结论

设计了电液式玉米精播机电液仿形机构地面探测装置，该机构具有响应时间短、测量精度高、能够避免非必要仿形的特点，降低了由于耕作地块未粉碎完全的玉米秸秆和地表杂物对非接触式地面高度信息采集机构的影响，提高了地面高度变化信息采集的准确性，为玉米精播机开沟深度控制系统地面探测机构的设计提供了参考。

1)红外地面高度变化信息采集机构响应时间为0.02s，精度1mm,提高了采集地面信息的精度。

2)红外地面高度变化信息采集机构可对探测的地面高度信息进行计算分析后输出仿形命令，避免了非必要仿形。

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Sowing Depth Planter Monomer Height Control Device Changes the Design of the Detection Institutions

Zhang Bo, Zhang Wei

(Heilongjiang Bayi Agricultural university Faculty of Engineering, Daqing 163319, China)

Abstract：On corn precison planter liquid height contour height information detection information collection, low precision, poor stability, easily affected by the surface debris and other issues, this paper designed the maize pure mechanical and electrical hydraulic profiling system ground height information detection institutions, institutions include infrared ground information collecting component and the Arduino program controller.Through the study on the performance of the infrared distance sensor, and the situation analysis of the surface of corn after soil preparation, determine the detection scheme using multi-point data acquisition.Experimental results show that the accuracy of 1 mm, can change the information on the height of the collected data for processing filter, realized the function of avoiding unnecessary profiling.The height information detection research of electro-hydraulic profiling system ground height change information collection mechanism design provides reference.

Key words：corn precision planter; electro-hydraulic profiling; information acquisition; the data processing; infrared ray

文章编号：1003-188X(2016)06-0176-05

中图分类号：S232.2；S220.3

文献标识码：A

作者简介：张博(1990-)，男，黑龙江大庆人，硕士研究生，(E-mail) zbxiha@163.com。通讯作者：张伟(1968-)，男，辽宁大连人，教授，博士生导师，(E-mail)zhang66wei@126.com。

基金项目：黑龙江省高校创新团队建设计划项目(2014TD010)

收稿日期：2015-07-23