马铃薯智能排种机补种系统设计与试验

阿拉腾希胡日

(锡林郭勒盟农业科学技术推广站，内蒙古 锡林浩特 026000)

0 引言

马铃薯作为我国北方主要农作物之一，传统的种植为人工排种，为减轻种植的劳动强度，马铃薯排种机的技术及应用近年来不断展开。经查阅文献显示：一方面，目前国内外针对马铃薯智能排种研究与玉米、小麦等精密播种的检测研究相比，相对较少；另一方面，大多数学者从马铃薯排种机的结构组成方面进行研究，有的将播种与施肥同步进行设计试验等。针对马铃薯在排种过程中会由于机具振动或马铃薯种大小原因出现不同程度的排种漏种与重种问题，为更好地融合现代智能化通信检测技术，本文在马铃薯排种原理的基础上，从保证排种及时准确方向出发，针对马铃薯智能排种机的补种系统进行了设计与试验。

1 智能排种机结构及原理

马铃薯排种机主要由机架、种箱、传送链条、驱动装置、取种装置及控制装置组成，如图1所示。智能排种机在足够动力驱动装置的带动下进行排种作业，种箱充种区的大小和马铃薯的流动性能有效决定马铃薯的排种效率。当排种链前后装置的不协调或种薯本身互相干扰状况发生时，会使得智能排种机效率降低，因此补种装置的加装尤为必要。

图1 马铃薯排种机三维整机模型图Fig.1 The whole 3D model diagram of the potato metering machine

马铃薯种在充种区遵循达朗贝尔原理，满足如下运动学方程，即

(1)

(2)

式中m—马铃薯种质量(kg)；

G—马铃薯种重力(N)；

f—马铃薯运动过程中的摩擦力(N)；

μ—摩擦因数；

v—马铃薯运动速度(m/s)；

γ—马铃薯种自然休止角(°)；

Fn—马铃薯种承受侧向压力(N)；

Fc—马铃薯种所受惯性离心力(N)；

FN—马铃薯种承受支持力(N)；

α—排种链水平方向夹角(°)；

R1—主动链轮半径(mm)。

建立马铃薯运动学参数化模型，表1给出马铃薯智能排种部件的材料接触系数取值。运用离散元理论对马铃薯智能排种机的排种过程进行分析，给出无粘颗粒的切向力学模型，并考虑马铃薯的相互碰撞系数等，进而实现智能排种目标。

表1 马铃薯智能排种机的各材料接触系数Table 1 Material contract parameters of the potato intelligent seed metering machine

2 补种系统设计

2.1 硬件装置设计

在马铃薯智能排种机主排种装置的对面侧加装补种系统，并采用ZigBee技术进行信号的无线传输，实现信息采集的便利性与高效准确性。监测器与驱动系统的衔接反应灵敏，可提升补种系统的反应执行性能。图2、图3分别给出排种机补种系统的装置模型与硬件设计框图。

1.主排种装置 2.启动器 3.主排种漏种监测装置 4.同步校正装置 5.补种装置监测装置 6.步进电机 7.补种装置 8.开沟装置 9.CPU 10.主控模块

图3 智能排种机补种系统硬件设计框图Fig.3 Hardware design block diagram of the reseed system of the intelligent seed metering machine

智能排种机在中央控制单元CPU的主控之下，通过光电传感装置获取排种信息并传递至相应的漏种监测装置，在关键位置安装声光报警装置，实现漏种、重种的监测功能，进而通过同步校正与步进电机的综合作用实现马铃薯补种与计数。

2.2 控制系统设计

补种系统相应的控制系统主要依靠传感器监测马铃薯种箱体内的薯种流动情况，在发生漏播时，步进电机启动开始执行补种作业，相应的控制流程图如图4所示。根据此思想，给出控制系统排种的主程序片段：

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);

}

}

…

…

图4 智能排种机补种系统控制流程图Fig.4 The reseed system control flow diagram of the intelligent seed metering machine

3 性能试验

3.1 试验前置要求

根据种薯尺寸、充种高度及排种速度建立影响因素试验编码表，选择种薯直径为40～60mm之间均匀大小，充种高度保证在12～30mm之间，排种速度控制在0.45～1.10m/s之间，详细参数如表2所示。开启马铃薯智能排种机的补种监测系统(见图5)，通过判定托种装置上有无薯种，经发送补种指令、传感器位置监测、执行排种动作等，记录所需参数量。

图5 马铃薯排种机补种监测系统简图Fig.5 The reseeding monitoring system schematic diagram of the potato seed metering machine

表2 各排种影响因素回归试验编码表Table 2 Coding of regression test on the row influence factors

3.2 试验分析

经试验，记录补种系统不同排种工作转速下的相关参数，如表3所示。由表3可知：在14.1～27.5r/min范围内，补种率达到100%，且平均补种间距在设计间距20cm附近，时间间隔误差不大于1.5%。由此证明：补种系统设计在稳定的工作转速范围内，其精度可达到要求，补种系统可靠性能得到验证。

表3 马铃薯智能排种机补种精度试验数据统计Table 3 Reseeding precision test data statistics of the potato intelligent seed metering machine

表4为马铃薯智能排种关键指标试验值与设计值数据对比。从表4可以看出：漏种指数试验平均值为1.1%，小于设计值3.0%；重种指数试验平均值为1.3%，小于设计值3.0%。由此验证了设计的合理性。

表4 马铃薯智能排种机试验值与设计值对比Table 4 Comparison between the test value and design value on the potato intelligent seed metering machine

针对补种合格率进行验证，图6为马铃薯排种机行进速度与补种合格率的关系曲线。结果表明：在稳定行进速度范围内，智能排种机补种系统的补种合格率可达到97.5%以上，满足设计要求。

图6 马铃薯排种机行进速度与补种合格率关系曲线Fig.6 The relationship curve between the speed of the potato seed metering machine and the reseeding rate

4 结论

1)在排种原理与马铃薯本身性能基础上，对排种装置深入分析，并加装补种系统，降低了智能排种机的重种率与漏种率。

2)该智能排种机补种系统从硬件装置设计与软件控制程序两方面展开优化，融入先进的无线通信与传感技术，在声光报警装置下进行补种作业，整个过程闭环控制、稳定可靠。

3)试验表明：试验值与设计值误差控制在排种机的设计要求范围内，补种精度合格率100%；漏种指数试验平均值为1.1%，重种指数试验平均值为1.3%，均小于设计值3.0%；在稳定行进速度范围内，智能排种机补种系统的补种合格率可达到97.5%以上，满足设计要求。