小麦单粒精密播种机的研制

彭强吉，荐世春，何青海，付乾坤，岳 会

(山东省农业机械科学研究院，济南 250100)



小麦单粒精密播种机的研制

彭强吉，荐世春，何青海，付乾坤，岳 会

(山东省农业机械科学研究院，济南 250100)

针对现阶段小麦育种缺乏相应机械，人工点播劳动强度大、效率低、难于满足育种农艺要求等问题，研制了一种基于FPGA控制技术的小麦单粒精密播种机。该机在旋耕平整后的土地上作业，可一次性完成种床平整、单粒播种及覆土镇压作业；利用电机驱动代替地轮驱动，根据作业速度自动调节电机转速，实现等距播种。试验结果表明：整机结构简单、体积小、造价低，能够完成宽苗带单粒播种作业，效率高且适应小麦小区作业的农艺要求，为小区及大田单粒播种提供了理论与实践依据。

排种装置；小麦；单粒播种；智能控制

0 引言

小麦是我国重要经济作物，小麦增产增收关系到国民经济。在我国耕地已难以增加的情况下，提高农田的单产水平，培育和推广农作物优良品种，发展良种的增产潜力就成为粮食增产的基本途径和重要手段[1-2]。新品种选育过程中，播种作业是整个育种试验过程中重要环节，需要设计大量的育种试验小区，面积从几平米到上百平米大小不一，并且换种频繁、单粒播种、等粒距等特点导致现阶段小麦小区作业技术难度较大、研制成本较高等问题，相关研究多停留在科研阶段[3-4]。

同时，小麦单粒精密播种，相比现有播种模式，能够减少相互遮光，利于通风，提高光合作用；提高水、肥利用率，减少种子之间对养分的争夺，促进个体发育健壮、早分蘖、多发育芽鞘蘖；提高小麦成穗数量，获得穗足、穗大粒多、健壮的单株，从而促使小麦获得增产增收[5-6]。小麦大田单粒播种能够减少种子用量，提高单位产量，是今后小麦种植的发展方向[7-8]。

针对上述情况，本文研制了一种基于FPGA控制技术的电力驱动式小麦单粒精密播种机。该机在旋耕后的土地上作业，可一次性完成落种前地表平整、单粒播种及覆土镇压作业；应用电动机驱动取代传统的地轮驱动方式，解决了地轮驱动精度问题；在控制器作用下根据作业速度自动调节播种粒距，实现单粒等距精准播种。

室内试验表明：该机体积小、操作灵活、转弯幅度小，能够适应小麦小区作业的农艺要求。单粒播种装置的研制成功为小麦单粒原种繁育技术及大田作业的推广铺设了一条机械化道路，对提高田间试验机械化程度，推动小麦大田单粒播种的进程具有重要意义。

1 结构及工作原理

1.1 设计原理

针对现阶段小麦育种缺乏相应机械，人工点播劳动强度大、效率低等问题，研制了小麦单粒精密播种机。该机在旋耕平整后的土地上作业，通过在地表上镇压出宽苗带、播种、覆土镇压的方法完成小麦单粒播种作业。小麦单粒播种机设计原理及播种效果图如图1所示。

图1 设计原理示意图

其优点是在旋耕平整后的地表进行镇压平土，营造出平整的种床；专用排种装置落种点低能够避免现有机具排种后麦粒落土弹跳问题；采用电机驱动代替地轮驱动，控制系统能够根据机具作业速度实时调整，保证麦粒的等粒距，同时可根据需要调节播种粒距；体积小、结构简单能够满足小麦小区实验的农艺要求；与旋耕机配合可以应用于大田作业，对田间试验机械化的应用具有重要意义。

1.2 整机结构

小麦单粒精密播种机，主要由压土轮、机架、排种装置总成、蓄电池、机架手柄、镇压轮、覆土装置、毛刷、电机驱动及控制器、步进电机及底座、编码器及刮土板等组成，如图2所示。

1.压土轮 2.机架 3.排种装置总成 4.蓄电池 5.机架手柄

整机结构以机架为基准，压土轮位于机架前部，

在地表上压出平整的种床；排种装置安装于机架中部，与步进电机连接完成排种作业。步进电机与底座通过螺栓固定在机架一侧，电机轴通过联轴器与排种装置连接；电机驱动、控制器与蓄电池安装于机架中后部上方，驱动控制电机及提供电源；毛刷位于蓄电池下部，并与排种轮紧密接触，对排种轮表面进行清扫，保持轮面清洁；覆土装置安装于机架中后端，对种床进行覆土；镇压轮位于机架后端，完成镇压作业。

编码器与压土轮轴连接，控制器通过测算实时检测机具作业速度。机架手柄位于蓄电池与覆土装置中间，通过螺栓与机架相连，可以根据实际需要对手柄进行高度调整，作业人员通过推持手柄完成作业。

2 关键部件设计

2.1 小麦粒物理特性研究

小麦粒是单粒播种的直接作业对象，其几何尺寸特征直接影响排种装置型孔的尺寸特征。本设计选取黄淮海地区应用较广的品种济麦22号，以每百粒小麦为单位，利用游标卡尺(精度0.02mm)对小麦粒外形尺寸进行了统计，通过大量测算取平均值的方法降低统计误差(只对与设计相关的几何尺寸特征进行了统计)，如表1所示。

2.2 排种装置设计

排种装置是小麦单粒精密播种机的核心部件，其优劣直接影响种子着床、出苗、分蘖，甚至影响产量。小区育种要求种子在种沟内均匀分布、尽量达到等距排列，深度一致，覆盖良好，换种方便，能适用于大、小面积的小区。为满足以上农艺要求，结合现有播种机构，设计了适用于单粒播种的排种装置，其主要由种箱总成、排种轮及轮轴等组成，如图3所示。

表1 小麦几何外形特征统计表

1.种箱总成 2.轮轴 3.排种轮

小麦单粒落种过程包括充种区(包括清种)、携种区、空程区，投种点位于携种区与空程区交界处；充种区种子依靠自重落入窝眼内，经清种后保证每个窝眼内有一粒麦粒；携种区内保证种子不提前投种，到达指定投种位置依靠自重落入种床，完成单粒播种过程。

2.2.1 种箱总成

种箱结构为组合式，主要由种箱侧板、刮种板、底侧板、固定板、护种板、毛刷及固定螺栓等组成。4块不锈钢种箱侧板折弯焊合成容种箱体，在箱体中间粘有刮种板，箱体焊合在护种板上部，护种板两侧焊合有底侧板，同时固定板焊合在底侧板上，如图4所示。带有弹性的刮种板与排种轮配合有很小的间隙，对排种轮接触的种子进行第一次清种，通过螺栓固定在种箱侧板前部的清种毛刷进行二次清种。护种板上部与箱体侧板焊合的位置开有弧形孔，其与排种轮间隙配合，箱体内的麦粒与排种轮接触进行充种。

1.种箱侧板 2.刮种板 3.底侧板 4.固定板 5.护种板 6.毛刷固定螺栓

2.2.2 排种轮

排种轮型孔的形状与尺寸对种子充填性能具有重要影响。实际生产中，小麦粒形状及尺寸并不均匀，而是在一定范围内变化。

在充种区充种过程中，种子一般呈“平躺” “侧卧”“竖立”3种形态。为提高冲种性能，排种轮上面的型孔应有较好的余量。因此，在表1小麦尺寸特征统计基础上，结合型孔长宽深尺寸确定型孔，型孔结构如图5所示。

图5 型孔结构示意图

要实现每一个型孔只容纳一粒小麦,则要求型孔的尺寸满足下列不等式

dmax≤d≤2dmin

(1)

lmax≤l≤2lmin

(2)

hmax≤h≤2hmin

(3)

式中dmax—麦粒最大长度(mm)，取7.00；

Dmin—麦粒最短长度(mm)，取5.30；

lmax—麦粒最大宽度(mm)，取3.70；

lmin—麦粒最小宽度(mm)，取2.36；

hmax—麦粒最大厚度(mm)，取3.90；

hmin—麦粒最小厚度(mm)，取2.40。

为了便于清种、减少清种时种子损伤，型孔前后开有前、尾槽。本文采用大排种轮，排种轮表面与种箱直接接触增加充种性能，同时为降低种子的垂直分力对毛刷影响，先用带有弹性的挡板进行第一次刮种，再用毛刷进行二次清种，保证单孔单麦粒。基于曲率直径、转速对充种效果的影响，排种轮选用大直径、密集型孔设计，且型孔均匀交错分布，如图6所示。排种轮直径取0.4m，厚度0.16m，采用尼龙材料通过3D打印技术制作。

2.3 压土轮、镇压轮

土地旋耕平整后地表较松散，微小的起伏易导致种子着床后弹跳。为解决该问题，在播种机前部添加压土轮，压土轮采用较重的铁轮；在播种前压出较宽的苗带，便于种子着床；压土轮一侧焊接有较短的钢筋，能够深入地表防止打滑。

镇压轮的主要作用是将覆土后的土壤压实，以利于小麦种子与土壤充分接触，提高出苗率[9]，镇压轮采用与压土轮相同的铁轮。

图6 排种轮结构示意图

2.4 覆土装置

播种后及时覆土，能够防止土壤水分的流失，避免出现凉种现象。为便于安装调节，本文设计了宽苗带覆土装置，由固定板、弧形板、螺栓、连接板及覆土板等组成，如图7所示。

1.固定板 2.弧形板 3.螺栓 4.连接板 5.覆土板

覆土板是覆土装置的关键部件，可以用于较好地调节覆土量。覆土板通过钣金折弯而成，前后开口成梯形收缩，左右成对称结构，最窄处等于苗带宽度。通过螺栓调节改变覆土板倾斜角度来调整覆土量。

2.5 编码器及电机

编码器可将输出轴的角位移、角速度等机械量转换成相应的电脉冲以数字量输出(REP)。由于轴的转速不同，单位时间内收到的脉冲总量就不相同，结合实际转动的长度即可测得实际速度[10]。编码器轴与压土轮轴连接进行速度测量，选用Omron/欧姆龙E6A2-CWZ5C。

步进电机是一种高精度的执行元件，在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为步距角,其旋转是以固定的角度一步一步运行的[11]。因此，可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的,步进电机选用惠斯通57BYGH401。

3 控制系统设计

控制系统由控制器、编码器、步进电机、电机驱动及蓄电池等组成。其中，控制器是XLINX公司的XC3S500为主控制芯片，其数据处理能力强，响应速度快；控制器设计有16路的数字量通用输入输出接口，8路模拟量输入，4路模拟量输出，4路继电器输出，8路PWM输出，能够满足小麦电机控制的调节性能要求。整个控制系统软、硬件由山东省农业机械科学研究院自行研制。

转速控制主要是通过PWM脉宽调制，调节电机的输入占空比以控制电机的平均电压，进而控制电机转速。作业过程中设定好播种粒距，控制器可以根据机具前进的速度自动调节排种轮转速，实现精准播种，电源由自带电池提供。

4 室内试验

试验是检验机械装置的最佳方法，由于田间小麦播种受到播种季节的限制，周期性长，不能随时进行性能测试，而室内试验恰恰可以解决这个问题[12]。为验证该播种机性能，进行了室内试验。

2016年3月，在济南市章丘市枣园大街山东省农业机械科学研究院土槽试验室内进行了性能试验验证。试验前先用旋耕机对土槽内土壤进行了旋耕平整，并对济麦22号进行简单清选除杂。试验结果表明：该机能够实现平土、单粒播种及覆土镇压作业；并根据行走快慢自动调节排种轮转速，实现等粒距排种。

5 结论及建议

1)该小麦单粒精密播种机能够在旋耕后的土地上，一次性完成种床平整、单粒播种、覆土及镇压作业，为小麦小区及大田单粒播种技术的推广应用提供了理论与实践依据。

2)该机具控制系统能够根据前进速度实时调整转轴转速，保证小麦播种的等粒距，同时可根据试验需要调节实际播种粒距，实现精密播种，大大提高了试验机械化智能化水平。

3)该小麦单粒精密播种机可以利用悬挂机构与旋耕机配合，通过整体机构组合成多行单粒播种机，在提高作业效率的同时可以适用于大田作业。

4)小麦单粒精密播种机尚需结合室内试验进一步优化整机结构，并进行多因素田间试验验证，争取早日应用推广。

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Development of a Single Grain of Wheat Precision Seeder

Peng Qiangji, Jian Shichun, He Qinghai, Fu Qiankun, Yue Hui

(Shandong Academy of Agricultural Machinery Sciences,Jinan 250100, China)

Aiming at the problems of wheat breeding lack of appropriate machinery at present,artificial demand high labor intensity, low efficiency, difficult to meet the requirements of agronomy and breeding etc, the single grain of wheat precision seeder is designed based on FPGA control technology.The machine work in the land after the rotary and land levelling,it can accomplish the kind of bed formation,single grain seeding,covering, compacting in one pass;Using the motor driver instead of wheel drive,according to the operation speed automatically adjust the motor speed, realize equidistant planting.The test shows that the whole structure of the machine is simple,small size and low cost,able to complete the wide blade seedling operation,high efficiency and adapt to the agronomic requirements of wheat district operation, and provide theoretical and practical basis for single grain seeding in plot and field.

seed metering device; wheat; single grain sowing; intelligent control

2016-05-18

山东省农机装备研发创新计划项目(2015YZ103);农业部公益性行业(农业)科研专项 (201303103-2)

彭强吉(1984-),男,山东临沂人,工程师,硕士，(E-mail) pengqiangji1984@126.com。

荐世春(1963-)，男，山东青岛人，研究员，(E-mail)jscsh2002@163.com。

S223.2+5

A

1003-188X(2017)07-0071-05