2ZB-2型吊杯式移栽机栽植深度数据采集系统的设计

杨 媛，李旭英，何生根，王 璐，赵士杰

(内蒙古农业大学 机电工程学院，呼和浩特 010018)



2ZB-2型吊杯式移栽机栽植深度数据采集系统的设计

杨 媛，李旭英，何生根，王 璐，赵士杰

(内蒙古农业大学 机电工程学院，呼和浩特 010018)

为了更好地评价移栽机的栽植性能，以2ZB-2型吊杯式移栽机为试验对象，针对表征栽植性能参数之一栽植深度，设计了数据采集测试系统。此数据采集系统分为硬件结构设计与软件程序设计两部分：硬件结构部分包括传感器、数据采集卡等仪器的选型、安装与调试，并对所选用传感器进行了标定；软件部分是基于LabVIEW虚拟仪器中DAQmx设计的，主要包括具有良好人机界面的前面板及后面板中的程序框图。通过合理设置采样模式及采样率等参数，实现了两个通道距离数据的实时采集与显示，并通过插值计算得到了相应采集距离值下的栽植深度值。田间试验表明：本数据采集测试系统相比于传统人工测量方式，节省人力成本，提高劳动效率，也可对后续移栽机栽植性能的评价提供参考。

移栽机；栽植深度；LabVIEW；测试系统

0 引言

育苗移栽具有传统直播难以比拟的优越性，因其可使幼苗有效地避开灾害性气候的影响，提高成活率，延长作物的生育期，达到了节约成本、增加产量的效果，已成为大面积栽植的一种必然趋势。 近年来，相应的移栽机械也发展迅速。吊杯式移栽机是一种集覆膜、开沟、栽苗及覆土等一系列功能的农业移栽机具，作业效率、栽植质量较高，受到我国北方地区农户的青睐[1-2]。

栽植深度是衡量移栽机的栽植性能中钵苗栽植状态的重要指标之一。而钵苗栽植深度对苗的生长、缓苗过程等有很大的影响。影响栽植深度的主要因素有：地轮的高度和栽植器仿形机构的特性及耕作土壤表面不平度等。

综上所述，栽植深度对移栽机栽植性能稳定性的研究具有重要意义。而传统测量都是在移栽之后，再挖开苗来手工测量栽植深度的，造成数据精度低、费时、费力[3]。

针对以上人工测量存在的问题，设计了基于2ZB-2型吊杯式移栽机栽植深度数据采集测试系统，通过布设超声波测距传感器采集相应的数据，由插值计算得到了相应采集距离值下的栽植深度值，为移栽机进一步优化设计及评定钵苗栽植精度提供一定的基础数据。

1 吊杯式移栽机栽植深度计算

1.1 吊杯式移栽机工作原理

2ZB-2型吊杯式移栽机由主架、地轮、安装架、覆土镇压轮机构、地轮调节机构和吊杯等机构组成[4]，如图1所示。

1.苗盘支架 2.苗盘 3.地轮升降机构 4.链条罩 5.地轮 6.栽植装置 7.吊杯 8.座椅 9.镇压轮 10.镇压轮升降机构图1 吊杯式移栽机结构简图Fig.1 Structure diagram of Dibble-type Transplanter

吊杯式移栽机栽植秧苗时无需开沟器。作业时，采用轮式拖拉机三点后悬挂牵引，地轮将动力通过链条传到移栽装置主轴，驱动吊杯运动；当吊杯运动到最高位置时，进行投苗；载有钵苗的吊杯逆时针旋转到最低位置时，吊杯尖嘴进行打穴，同时杯内钵苗自由落入穴中；最后，进行覆土镇压，完成栽植过程[5]。

1.2 栽植深度计算公式的推导

秧苗的栽植深度是指从秧苗与覆土表面交点到秧苗根部的垂直距离。秧苗的栽植深度不合适，将会对秧苗的生长、缓苗过程等造成很大的影响。从农艺角度来看，栽植深度越均匀一致越有利于植物的生长[3]。

在进行栽植深度测试之前，首先需将超声波测距传感器1、2分别安装在移栽装置主轴所在的水平位置上，安装结构简图如图2所示，H(mm)即为栽植深度。

1.防护板 2.移栽支架 3.超声波测距传感器2 4.超声波测距传感器1图2 超声波传感器安装结构简图Fig.2 The installation structure sketch of ultrasonic sensors

将图2中超声波测距传感器安装位置与移栽装置主轴之间的数学关系转化为计算模型,如图3所示。

图3 栽植深度计算模型Fig.3 Calculation model of the Transplanting Depth

图3中各变量、常量的定义如下：θ为作业时，移栽横梁的倾斜角度；h1、h2为超声波测距传感器1、2所测地表距离(mm)；a、b为传感器支架顶端中心距主轴中心的长度值，常量a=277mm，b=286mm；y1、y2为作业时，传感器支架顶端距主轴中心的垂直距离值(mm)；l为作业时，轴中心至地表面的距离(mm)；L为主轴中心至吊杯杯嘴底端的距离值(mm)；H为钵苗的栽植深度值(mm)。

由图3可得

(1)

y1=l-128-h1

(2)

y2=185-l+h2

(3)

由以上式(1)～式(3)可得到

l=216+0.51h1+0.49h2

(4)

结合栽植深度H=L-l及L=425mm，可得到栽植深度表达式为

H=209-0.51h1-0.49h2

(5)

2 栽植深度采集系统构成及传感器标定

2.1 测试系统的硬件结构

构建的系统硬件结构如图4所示。

图4 系统硬件结构图Fig.4 The structure diagram of the system hardware

图4中的设备、仪器选型如下：

1)移栽机型号：2ZB-2型吊杯式移栽机。

2)拖拉机型号：山拖泰山拖拉机(22kW)。

3)超声波测距传感器型号：NU112F30TR-1MD，精度1mm，最大测距范围1m。

4)数据采集卡型号：NI USB-6043 X系列。

5)供电仪器及相关设备：24V6A蓄电瓶，24V转220V逆变器等。

2.2 测试系统软件程序

系统采用的NI USB-6343X数据采集卡，由于该卡支持DAQmx驱动程序，所以使用数据采集程序DAQmx-Data Acquisition对其进行开发。整个栽植深度测试系统软件部分包括前面板和程序框图设计两部分。其中，前面板设计具有良好的人机交互界面，而后面板中的程序框图是由函数、子VI等组成。

测试系统前面板界面是由输入控件和显示控件组成的，主要分为通道参数配置部分及数据的波形显示部分；波形显示部分又包括可任意切换显示超声波测距传感器1、2实时测量的距离值与对应计算得到的栽植深度值。按照完成一个数据采集的功能和实际应用，首先应进行系统参数的配置，主要包括通道、输入接线方式、采样模式、采样率及采样最大值与最小值等的选择与配置。通道具体配置界面如图5 所示。

图5 前面板中的通道配置设计Fig.5 Channel configuration’s design of the front panel

LabVIEW拥有丰富的图形界面设计控件及函数，选择波形图表可进行实时采集的数据波形显示。由于本系统用来采集两通道的电压信号，可将采集波形用不同颜色的动态曲线在同一图表中实时显示， 存储。

实时波形仿真界面如图6所示。

图6 前面板中的波形仿真界面Fig.6 Waveform simulation interface of the front panel

2.3 测试系统主程序设计

栽植深度测试系统的主程序如图7 所示，程序主要是利用DAQmx进行编程的[7-10]。其中，包括DAQmx创建通道、DAQmx定时、DAQmx开始任务、DAQmx读取和DAQmx清除任务5个部分。配置好通道参数及数据存储位置后，可开始数据采集任务，数据会按从左至右的顺序结构通过帧来传递，直至停止采集。系统程序框图如图7所示。

图7 测试系统程序框图Fig.7 Program block diagram of the test system

2.4 传感器标定

选购好系统硬件后，需对所用超声波传感器NUMF112F-1MD进行标定。

NUMF112F-1MD传感器输出的是0～5V标准的模拟电压信号，而为了提高数据的精确度，进行系统的静态标定。具体方法为：

1)将全量程(1 000mm)分为20个等间距点。

2)由于传感器的盲区为200mm,故设置最小量值为200mm，由小到大、逐点增加输入最大量值1 000mm；同时，记录下与各点实际距离值相对应的测量电压值。

3)将实际距离由大到小逐点递减，直至为200mm,同时记录下与各点距离值相对应的测量电压。

4)按2)、3)所述过程，对传感器进行正、反行程往复循环3次测试，取其平均值，将得到的测量电压—实际距离测试数据表格列出。

5)对数据进行直线拟合，从而得到NU112F30TR-1MD的标定曲线及其方程如图8、图9所示。

6)超声波传感器1标定直线方程及其决定系数R2为

y1=161.0x1+135.4 R2=0.998

(6)

y2=176.2x2+146.5 R2=0.999

(7)

式中 x1、x2—测量电压值(V)；

y1、y2—实际距离值(mm)；

利用式(6)、式(7)即可得到超声波测距传感器测量的距离值。

图8 超声波测距传感器1标定曲线Fig.8 Ultrasonic ranging sensor 1 calibration results

图9 超声波测距传感器2标定曲线Fig.9 Ultrasonic ranging sensor 2 calibration results

3 测试系统的田间验证

在充分了解2ZB-2型吊杯式移栽机的工作原理和结构特征的基础上，将超声波测距传感器1、2分别安装在移栽机主轴两侧，垂直于移栽支架的位置；连接电源、逆变器与传感器、数据采集卡及笔记本电脑等的接线，并再次调试整个测试装置至其无故障。此次移栽对象是青椒钵苗，栽植深度调节范围为80～120mm。试验地点选择在内蒙古农业大学试验田内，试验土壤类型为砂壤土，试验之前已进行过翻耕整地，使地表平整。

3.1 试验数据采集

选择试验田内的5个不同地段进行测试。作业前，先进行采集程序的参数设置。考虑到短时间内地移栽机行走速度稳定且表面不平度变化相对较小，可将采样频率设置为：10Hz，即每秒采集10个数据点。采集数据的存储位置为：C：..仿真程序文件夹下。移栽机在每个地段内速度达到稳定时开始计时，设置移栽机移栽测试的距离为10m，每次移栽株数约为20株青椒钵苗，由超声波传感器采集地表距离，并在栽植深度数据采集前面板上实时显示数据波形。

3.2 试验数据分析

对LabVIEW存储下来的栽植深度值进行计算分析。以其中两个不同地段为例，来进行钵苗栽植深度的实测值与系统计算值的对比说明。数据计算表如表1所示。

表1 两个地段栽植深度平均值、标准差的计算值 与实测值对比结果Table 1 The calculation results of the average transplanting depth 、 qualification rate and variation coefficient in three different location

通过对以上两组不同地段移栽试验数据的计算、分析与比较，可看出：地段1、2钵苗栽植深度平均值的计算结果均比其实测结果偏小8～16mm，栽植深度标准差的计算值比实测值偏大2mm左右。造成此结果的原因主要是受机器的振动、土壤疏松程度、地表面不平度及钵苗自身状态等的影响[12]。但在允许的栽植深度变化范围内，故基本满足农业移栽机具对钵

苗栽植深度精度的要求。

4 结论

1)利用LabVIEW虚拟仪器编写的数据采集程序可实现超声波测距传感器到地表面距离的测量，并可在系统前面板中实时显示距离变化的波形图，以及相应栽植深度值。此测试系统硬件结构可靠，软件程序可行，满足实际应用。

2)为验证采集系统的实际工作性能，进行了田间试验。结果表明：不同的试验地段，钵苗的栽植深度平均值均有所不同，且其计算值均小于实测值，但基本满足农业移栽机具对钵苗栽植深度精度的要求，有待于进一步改进，提高测试精度。

3)与传统的人工测量栽植深度相比，此数据采集系统相对节省了人力成本，提高劳动效率，也对后续研究吊杯式移栽机栽植性能的评价提供了依据。

[1] 刘存祥，李晓虎，岳修满，等．我国旱地移栽机的现状和发展趋势[J].农机化研究，2012，34(11):249-252.

[2] 杨华，韩宏宇，窦钰程，等．我国旱地移栽机械的现状及发展建议[J]．农机使用与维修，2012(3):32-33.

[3] 封俊，顾世康，曾爱军，等．导苗管式栽植机的试验研究(II)栽植机的性能评价指标与检测方法[J].农业工程学报，1998，14( 2): 73-77.

[4] 秦贵，张艳红．吊杯式移栽机栽植性能研究[J]．农业机械，2011，31(12)：101-104.

[5] 武科．吊篮式棉花移栽机栽植器的研究与分析[D]．石河子：石河子大学，2010.

[6] 左昉，胡仁喜，闫聪聪，等．LabVIEW 2013中文版虚拟仪器从入门到精通[M]．北京：机械工业出版社，2013．

[7] 朱验，雷君相，罗宇舟，骆协海．基于LabVIEW液压成形机数据采集系统的设计[J].锻压技术，2012，37( 1) : 100-104．

[8] 杨正才，张庆永，邓召文．基于LabVIEW的汽车发动机振动测试系统[J].仪表技术与传感器，2012(1):21-23.

[9] 许其山，曾庆平．基于LabVIEW的汽车发动机参数检测系统设计[J].佳木斯大学学报：自然科学版，2014，32(6):870-872.

[10] 赵玉清，熊坚，张永华，等．烟苗移栽机性能综合量化评价研究—基于AHP和田间测试[J].农机化研究，2015，37(12):49-55.

Test System’s Design on Transplanting Depth Measurement of 2ZB-2 Dibble-type Transplanter

Yang Yuan, Li Xuying, He Shenggen， Wang Lu, Zhao Shijie

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010018, China)

In order to better evaluate the transplanter planting performance, this paper takes 2ZB-2 dibble-cup type transplanter as the test object,and designs the data acquisition test system for the planting depth of plant performance parameters.This test system can be divided into two parts- hardware designing and software programming.Hardware structure section include sensors,data acquisition card’s selection,installation,debugging,and demarcate of sensors.The software part is designed based on DAQmx of LabVIEW virtual instrument.It mainly include the front panel design, which has a good man-machine interface, and program block design in the rear panel.By setting up parameters such as sampling mode,sampling rate reasonable,the virtual simulation has achieved two channel data real-time acquisition and display,and also got the corresponding planting depth by interpolation calculation.The field validation showed that this system can save the human cost and improve labor efficiency,also can provide reference for subsequent transplanter’s planting performance evaluation.

transplanter； planting depth； labVIEW； testing system

2016-01-31

国家自然科学基金项目(51465048);内蒙古自治区高等学校研究项目 (NJZY050); 内蒙古农业大学科技成果转化项目(CGZH2015005)；内蒙古农业大学科技创新团队项(NDTD2013-6)

杨 媛(1989-)，女，山西吕梁人，硕士研究生，(E-mail)yangyuan_smile@163.com。

李旭英(1963-)，女，巴彦淖尔市人，教授，博士，硕士生导师，(E-mail)lixuy2000@imau.edu.cn。

S223.92

A

1003-188X(2017)03-0116-05