玉米免耕精密播种机漏播补偿系统的研究

陈 刚，孙宜田，孙永佳，沈景新，何青海，李青龙

(山东省农业机械科学研究院，济南 250100)

0 引言

黄淮海地区在有秸秆覆盖、根茬残留的地面进行玉米免耕播种作业时，容易发生漏播。发生漏播需要后期进行人工补苗，既浪费人力，又因错过最佳播种时间而影响作物生长。

目前，国内外已有对漏播补偿的相关研究：张平华[1]基于虚拟仪器进行了漏播检测及补偿技术的研究；朱瑞祥等[2]研制了一种利用超越离合器单向锁合原理的漏播补种系统。本文研究的漏播补偿系统在主排种装置外增加一套独立的补种装置,漏播发生时，控制器根据补种过程各动作时间关系，适时驱动补种机构将待补的种子排出，实现漏播的适时自动补种，同时控制补种系统的排种装置完成补种区自动充种。

1 系统结构与工作原理

1.1 设计原理

漏播补偿系统由补种箱、补种器、补种电机、补种管、电磁阀、控制器、种子检测传感器和落种检测传感器等组成，如图1所示。漏播补偿系统的补种箱、补种管和电磁阀安装在主排种装置的后面，补种管与排种管管口之间的距离可调节，设定距离为ΔL[3，5]。主排种装置由电动机驱动，通过控制电机转速的快慢调节播种粒距。

1.主排种装置 2.排种电机 3.种子检测传感器 4.排种管 5.电磁阀 6.补种管 7.落种检测传感器 8.补种系统排种装置 9.补种电机 10.补种箱图1 漏播补偿系统结构示意图Fig.1 Schematic diagram of The miss seeding compensation system

漏播补偿系统包括状态检测装置和控制机构两部分。检测装置包括种子检测传感器和落种检测传感器，分别检测播种和补种状态信息。控制机构包括控制器、触摸屏、补种系统排种装置、补种电机及电磁阀等部件。补种电机采用步进电机，可以精确控制补种系统排种装置的转速和转角。补种系统排种装置采用自主设计改进的窝眼轮式排种器，该排种器只有1个窝眼，可保证排种器旋转1周有1粒种子排出。

1.2 漏播补偿系统工作原理

漏播补偿系统工作过程包括播种状态判断、补种动作执行、补种区充种3个过程：①播种状态判断。主排种装置排出的种子由种子检测传感器检测并反馈到控制器，控制器根据两粒种子实际时间间隔判断播种状态。②补种动作执行。漏播发生时，控制器打开补种管下端的电磁阀，电磁阀上面的种子落下，然后关闭电磁阀，补种动作完成。③补种区充种。控制器打开电磁阀的同时驱动补种电机旋转1周，补种系统排种装置排出1粒种子落到补种管下端电磁阀上面，种子处于待播状态。

漏播补偿系统各动作时间如图2所示。种子从主排种装置排出到落至地面总的下落时间t，种子从主排种装置排出到种子检测传感器的下落时间Δt1，播种状态判断时间Δt2，电磁阀打开到种子落到地面时间Δt3，电磁阀动作时间Δt4，补种器开始动作到种子落到电磁阀上的时间间隔Δt5。由理论粒距L(m)、播种机前进速度vm(m/s) 推导出种子从排种器下落的理论时间间隔Δt=L/vm。根据国家标准，种子粒距大于1.5倍理论粒距称为漏播，种子粒距不大于0.5倍理论粒距为重播，则落种状态判断时间Δt2>1.5Δt时判定播种状态为漏播，Δt2≤0.5Δt时判定播种状态为重播。由图2所示：A为播种第N粒种子位置;B为播种第N+ 1粒种子位置;C为播种第N+ 2粒种子位置；P为补种机构补种籽粒位置。漏播发生时B处种子缺失，补种籽粒与第N粒种子距离LAP，满足0.5L

图2 漏播补偿系统动作时间示意图Fig.2 Action time schematic of the miss seeding compensation system

理想的补种状态为补种籽粒与无漏播发生时播种籽粒在同一时刻落到播种位置。正常播种时种子从主排种装置排出经过种子检测传感器检测区域和排种管落到地面，漏播发生时若要实现理想补种，漏播状态判断、电磁阀响应、待补种子落地这3个动作过程必须在种子从通过种子检测传感器到落到地面这段时间内完成。当发生连续漏播时，要保证电磁阀动作前其上面有待补种子，补种器动作、种子下落到电磁阀上面必须要和电磁阀打开、补种籽粒落到地面、电磁阀关闭同步完成。该漏播补偿系统在不考虑管壁影响、传感器检测响应时间及扰动情况下，补种系统完成补种，各动作时间需要满足条件：①t=Δt1+Δt2+Δt3+Δt4，Δt5=Δt3+Δt4；②补种电机和电磁阀需要在同一时间开始动作。主排种器速度分析如图3所示。

图3 主排种器速度分析Fig.3 Speed analysis of main row seeding device

种子从主排种器排出的速度为v可以分解为水平和垂直两个速度。电磁阀处的种子为自由落体运动。种子从主排种器排种口排出到地面的运动时间t、种子从主排种器排种口排出到种子检测传感器的下落时间Δt1，电磁阀打开到种子落到地面时间Δt3，关系式满足

v=ωr

(1)

vy=vsinα

(2)

(3)

(4)

(5)

式中ω—主排种器排种电机转速(rad/s)；

r—主排种器排种盘半径(m)；

H—主排种器排种口到地面距离(m)；

H1—主排种器排种口到种子检测传感器距离(m)；

H3—电磁阀到地面距离(m)；

α—主排种器投种角度(rad)。

可以得出

2 漏播补偿系统设计

2.1 硬件电路设计

漏播补偿系统以XC3S1200E芯片为核心元件构建控制系统，主要由传感器电路、驱动电路、通讯电路及报警电路等组成，如图4所示。其中，传感器电路实现速度、落种状态等信号的采集；驱动电路包括步进电机控制电路和电磁阀开关电路，主要实现漏播时即时补种和充种；触摸屏由报警、通讯等电路组成，主要实现参数设置、数据显示及报警提示。

漏播补偿系统播种状态检测是补种动作的前提，自主开发的种子检测传感器采用阵列式硅光电二极管，监测区域由点阵式变为平面式，种子落入检测区域，不会产生漏检。正常播种时，传感器产生高低电平交替信号，通过检测高低电平的间隔时间和中断次数判断漏播状态并进行计量。种子检测传感器电路如图5所示[4]。

图4 漏播补偿控制系统结构框图Fig.4 Structure block diagram of the miss seeding compensation system

图5 种子检测传感器电路图Fig.5 Circuit diagram of seed detection sensor

2.2 软件设计

漏播补偿系统控制流程图如图6所示。

播种作业开始时，首先在触摸屏上设定播种粒距，将漏播数、重播数、合格数等数据清零。控制器根据种子检测传感器反馈的脉冲信号判断播种状态，并进行累加计数，当检测到有漏播现象发生时，控制器开启电磁阀并驱动补种电机动作，并根据落种检测传感器反馈的脉冲信号对补种数进行计量。程序中的电磁阀开关时间、步进电机转速等参数可以在触摸屏上设定。连续补种作业时，控制器对漏播次数和补种数行比较运算，当漏播次数与补种数差值大于4时，控制器故障报警。

控制程序采用LabVIEW编写，步进电机控制程序如图7所示。

3 漏播补偿系统试验研究

3.1 试验基本条件

漏播补偿系统动作时间t、Δt1、Δt2、Δt3可以根据公式求出，Δt4、Δt5通过控制程序进行调节。为了消除补种动作滞后造成的粒距误差，实现成功补种，补种管管口与排种管管口之间的距离ΔL调节范围设定为0.5L～L(L为理论粒距)。

该玉米免耕播种机漏播补偿系统在山东兖州市大华农机试验场进行了田间试验。该系统安装在2BYFZ-4型玉米免耕精密播种施肥机上，播种粒距L=20cm，受机械结构限制，补种系统的电磁阀安装位置距离地面5cm，补种系统排种装置的出种口距离地面30cm，ΔL=10cm。在大田试验时，为防止土壤对种子掩埋过深，造成粒距测量困难，将覆土机构卸掉，减少覆土；为防止种子落到地面时因与地面碰撞发生跳动，将开沟深度保持在合理深度，使少量土壤覆盖种子；为了方便区分播种籽粒和补种籽粒，使用红色包衣种子作为补种籽粒。

图6 漏播补偿系统控制流程图Fig.6 Flow chart of the miss seeding compensation system

图7 步进电机控制程序Fig.7 The control program of stepper motor

3.2 试验结果

田间试验分别在机具行进速度为5、6、7km/h 下进行试验，每档行进速度进行10次试验，每次试验测试距离为30m。试验中，测出主排种器播种数N、漏播数M、补种数R、补种合格数Q及补种后实际漏播数S。由表1可以看出：播种机行进速度增加，机具漏播率增加，漏播补偿系统的补种率和补种成功率减小。试验数据表明：安装漏播补偿系统后，在5～7km/h速度下机具漏播率分别降低了84.23%、83.12%、78.66%，播种合格率提升至99.47%、99.35%、98.75%，该漏播补偿系统补种性能良好。

表1 漏播补偿系统田间试验数据Table 1 Field test data of the miss seeding compensation system

续表1

4 结论

田间试验表明：安装本文设计的漏播补偿系统后，2BYFZ-4型玉米免耕精密播种施肥机在5～7km/h作业速度下，平均补种率为91.0%，平均补种成功率为90.1%，漏播率平均降低了82.0%。该漏播补偿系统具有结构简单、安装灵活的特点，若能提高补种电机和电磁阀的响应速度，补种性能将会进一步提升。该系统还需要在不同型号播种机上进行试验，不断优化控制参数和系统结构参数，相信该漏播补偿系统能够得到推广和应用，届时将大大降低后期补种作业劳动力成本，提高播种作业的质量和效率。